重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计【3自由度】【7张图纸】【优秀】

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重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计29页-15000字数+说明书+开题报告+中期报告+7张CAD图纸中期报告.doc堆垛机示意图.dwg手抓2.dwg支架.dwg机械手抓1.dwg活塞杆.dwg液压缸.dwg装配图.dwg设计图纸5张.dwg重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计开题报告.doc重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计论文.doc摘  要在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论,对原有的机械结构提出了新的改进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。关键词:搬运机器人;液压系统;机械结构设计目  录1绪论1  1.1 工业机器人简介1  1.2世界机器人的发展3  1.3我国工业机器人的发展4  1.4本文研究内容5     1.4.1机械手的技术参数5     1.4.2工作范围6     1.4.3运动速度6     1.4.4手臂的配置形式72 结构设计8   2.1总体的设计思路8   2.2拟采用的设计方案8      2.2.1自由度和坐标系的选择8      2.2.2驱动方式的选择8      2.2.3手臂的设计9      2.2.4臂部的设计9      2.2.5机座的设计9      2.2.6机械手技术参数93手部结构11  3.1概述11  3.2设计时应考虑的几个问题11  3.3夹紧力的计算11  3.4夹紧缸的拉力计算12  3.5确定缸的直径124臂部的结构14  4.1概述14  4.2臂部具体设计方案及计算14  4.3前后伸缩手臂的设计计算15  4.3.1前后伸缩手臂驱动力的计算15   4.3.2前后伸缩液压缸的内径计算16   4.3.3活塞杆直径d的计算174.4上下伸缩手臂的设计计算17   4.4.1上下伸缩手臂驱动力的计算17   4.4.2上下伸缩液压缸的内径计算17   4.4.3活塞杆直径d的计算175 液压系统简介196总结20  6.1主要任务20  6.2技术要求20  6.3设计步骤20 6.3.1 搜集资料20 6.3.2计算21 6.3.3装配图及零件图的绘制21 6.4 设计感想21参考文献23致 谢24机械手的技术参数(1) 抓重:100Kg(夹持式手部)(2) 自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动)(3) 坐标形式:直角坐标(4) 手臂运动参数      手臂左右行程:500mm      手臂上下行程:350mm国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点:(1) 搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。 (3) 搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 搬运机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器, (5) 虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。 1.4本文研究内容1.4.1机械手的技术参数对象:直径300mm,高400mm的柱形桶装;抓重:100Kg(夹持式手部);自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动);坐标形式:直角坐标;目前使用的机械手的臂力范围较大,国内现有的机械手的臂力最小为0.15N,最大为8000N。安全系数K一般可在。1.4.2工作范围机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成,在确定的工作范围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下:手臂升降行程350mm手臂水平运动行程500mm1.4.3运动速度机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。搬运机械手要完成整个搬运过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的方案进行比较,才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长的计算,分配各动作时间应考虑以下要求:(1) 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间;(2) 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下,应尽量选取较低的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。(3) 在工作拍节短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。搬运机械手的各运动速度如下:手臂伸缩速度:;手臂升降速度:;手臂水平运动速度:手指夹紧油缸的运动速度:1.4.4 手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同,手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用悬挂式机械手。机座上可以装上独立的控制装置,便于搬运与安放,机座底部也可以安装行走机构,已扩大其活动范围,它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式,本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型,它有升降、伸缩运动,工作范围较大。
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重型 桶装 成品 搬运 堆垛 系统 机构 设计 自由度 图纸 优秀 优良
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重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计

29页-15000字数+说明书+开题报告+中期报告+7张CAD图纸

中期报告.doc

堆垛机示意图.dwg

手抓2.dwg

支架.dwg

机械手抓1.dwg

活塞杆.dwg

液压缸.dwg

装配图.dwg

设计图纸5张.dwg

重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计开题报告.doc

重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计论文.doc


摘  要

   在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。

   本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论,对原有的机械结构提出了新的改进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。

关键词:搬运机器人;液压系统;机械结构设计


目  录

1绪论1

 1.1 工业机器人简介1

 1.2世界机器人的发展3

 1.3我国工业机器人的发展4

 1.4本文研究内容5

    1.4.1机械手的技术参数5

    1.4.2工作范围6

    1.4.3运动速度6

    1.4.4手臂的配置形式7

2 结构设计8

  2.1总体的设计思路8

  2.2拟采用的设计方案8

     2.2.1自由度和坐标系的选择8

     2.2.2驱动方式的选择8

     2.2.3手臂的设计9

     2.2.4臂部的设计9

     2.2.5机座的设计9

     2.2.6机械手技术参数9

3手部结构11

 3.1概述11

 3.2设计时应考虑的几个问题11

 3.3夹紧力的计算11

 3.4夹紧缸的拉力计算12

 3.5确定缸的直径12

4臂部的结构14

 4.1概述14

 4.2臂部具体设计方案及计算14

 4.3前后伸缩手臂的设计计算15

 4.3.1前后伸缩手臂驱动力的计算15

  4.3.2前后伸缩液压缸的内径计算16

  4.3.3活塞杆直径d的计算17

4.4上下伸缩手臂的设计计算17

  4.4.1上下伸缩手臂驱动力的计算17

  4.4.2上下伸缩液压缸的内径计算17

  4.4.3活塞杆直径d的计算17

5 液压系统简介19

6总结20

 6.1主要任务20

 6.2技术要求20

 6.3设计步骤20

6.3.1 搜集资料20

6.3.2计算21

6.3.3装配图及零件图的绘制21

6.4 设计感想21

参考文献23

致 谢24


机械手的技术参数

   (1) 抓重:100Kg(夹持式手部)

   (2) 自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动)

   (3) 坐标形式:直角坐标

   (4) 手臂运动参数

         手臂左右行程:500mm

         手臂上下行程:350mm


   国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点:

   (1) 搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。

   (2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。

   (3) 搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

   (4) 搬运机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器,

   (5) 虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。

1.4本文研究内容

1.4.1机械手的技术参数


   对象:直径300mm,高400mm的柱形桶装;

   抓重:100Kg(夹持式手部);

   自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动);

   坐标形式:直角坐标;

   目前使用的机械手的臂力范围较大,国内现有的机械手的臂力最小为0.15N,最大为8000N。安全系数K一般可在。

1.4.2工作范围

   机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成,在确定的工作范围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行程确定机械手的最大行程。

   本机械手的动作范围确定如下:

   手臂升降行程350mm

   手臂水平运动行程500mm

1.4.3运动速度

   机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。搬运机械手要完成整个搬运过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的方案进行比较,才能确定。

   机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长的计算,分配各动作时间应考虑以下要求:

   (1) 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间;

   (2) 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下,应尽量选取较低的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。

   (3) 在工作拍节短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。

   搬运机械手的各运动速度如下:

   手臂伸缩速度:;

   手臂升降速度:;

   手臂水平运动速度:

   手指夹紧油缸的运动速度:

1.4.4 手臂的配置形式

   机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同,手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用悬挂式机械手。机座上可以装上独立的控制装置,便于搬运与安放,机座底部也可以安装行走机构,已扩大其活动范围,它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式,本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型,它有升降、伸缩运动,工作范围较大。

内容简介:
毕业设计(论文)中期报告题目:重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年 3月22日一、 设计(论文)进展状况1. 完成与课题相关的英文资料的翻译。2. 通过详细了解搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:堆垛系统机构中搬运机械手、堆垛机械手、传送带的初步设计计算。此搬运堆垛机器人由搬运机构、传送机构、堆垛机构、旋转机构四部分组成。四机构分别由各自的电机驱动,运动相对独立。根据该课题所给的工作环境和工作要求,设计了该搬运堆垛机构系统的结构简图。 二、 存在问题及解决措施问题:1. 传动机构的设计计算 解决措施:通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、书籍等。考虑到机构的可行性及操作的简便性选择的传动机构为电机传动、液压传动(搬运机械手爪和堆垛机械手抓)。2. 搬运机械手抓和堆垛机械手抓的设计解决措施:考虑到手爪夹取重量为100Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大,显然是不合适的。通过综合考虑,本设计选择二指回转型手抓,采用滑槽杠杆这种结构方式。它靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。3. 手部夹持力的计算解决措施:搬运机械手爪和堆垛机械手爪靠液压缸的伸缩作用下实现手爪的张开和闭合。三、 后期工作安排1继续进行相关计算,根据计算结果校核机械手的结构尺寸,调整相关结构和尺寸确定最终装配图。 第十一到第十五周2将论文、图纸交老师查阅。 第十六到十七周 3准备终期答辩。 第十八周 毕业设计(论文)开题报告题目:重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 24 日一毕业设计(论文)综述(题目背景、研究意义及国内外相关研究情况) 1.课题的背景针对某生产线的桶装成品搬运堆垛,目前主要有仍能够驾驶行车来完成,这种人工搬运堆垛作业,通常行车频繁启动使行车部件磨损加剧,易发生故障,且劳动强度大,工作效率低。随着企业生产规模的扩大,这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求,同时,重型桶装成品主要出口到国外,因此对成品包装物的外观要求严格,桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷,对此本课题旨在研究并设计一种自动搬运堆垛机器人以实现该桶装产品的堆垛捆扎。2.研究的意义传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件,是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台,被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度,超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术,涉及到了力学、机械学、电器液压气压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务,在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势,尤其体现出了人工智能和适应性。应用搬运机器人进行工作这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用搬运机械人可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。因此在自动化机床的综合加工自动线上目前几乎都有搬运机械手以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。 可见有效的应用搬运机械手,是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。3.国内外的发展趋势(1)国内现状及发展趋势工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为:工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性,如图1、图2的搬运机器人。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 图1. 搬运机器人 图2.六自由度机器人搬运机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了搬运机械手的发展,使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,搬运机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点: 搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。 搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 搬运机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器, 虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。 (2)国外现状及发展趋势现代国际工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手,如图3所示。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。因此,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图4所示,减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点,国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起,能确定零件的方位达到准确搬运的目的。 图3.气动搬运机械手 图4.自动上下料机械手国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及微型计算机。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作,通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用,然后伸向前方,抓住工件。总之,随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 二本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施1.主要内容和要求本课题设计的自动搬运机器人是为了满足生产线上的要求,要将辊道输送线上的桶装成品不损坏油漆及开启销定位搬至包装箱堆垛并打捆。该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图5所示。桶的直径为420mm, 高为500mm。该机器人具有结构简单、定位准确、高效、价廉等特点。图5.桶的位置图2.研究方法和步骤2.1总体的设计思路(1)根据系统的目标,明确所采用机器人的目的和任务;(2)分析机器人所在系统的工作环境;(3)根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。(4)选择各部件(手部、臂部、基座)的具体结构,进行机器人总装图的设计;下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的结构示意图,如图6所示。图6.搬运堆垛机构的结构示意图2.2拟采用的方案2.2.1自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为5自由度即:手爪张合、臂部升降、臂部的伸缩、以及旋转机构的俩个自由度。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。由于本机械手是对桶装成品进行搬运堆垛,它具有升降、伸缩、回转的自由度要求,所以选用圆柱坐标型机械手。2.2.2驱动方式的选择驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂。气动驱动压力低,输出力较小如需要输出力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成本低。电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且随着材料性能的提高,电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运堆垛机构的驱动机构采用电机驱动的方式。2.2.3手部的设计手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。2.2.4腕部的设计腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。2.2.5臂部的设计手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。因此,在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化,伸缩式臂部机构的驱动可采用电机驱动。2.2.6机座的设计机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移、回转)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且,臂部的升降、回转等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多,机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运堆垛机构的机身选用支架行机身(如图6所示) 3.本课题研究的重点及难点,前期已开展工作本课题研究的重点:在于该机械手各部分结构设计计算和校核。难点:在于根据被夹持的桶装成品参数,对手部夹持力的计算,以及对臂部各功能部件的强度校核。前期已开展工作:调研,查阅国内外相关文献资料,熟悉课题,撰写开题报告,准备开题答辩。三完成本课题的工作方案及进度计划(按周次填写)(1)13周:调研并收集资料;(2)36周:确定设计方案和整体结构特点;(3)711周:完成结构设计计算;(4)1215周:完成该搬运堆垛系统机构的设计总装配图;(5)16-18周:完成论文撰写,准备答辩。5 指导教师意见(对课题的深度、广度及工作量的意见) 指导教师: 年 月 日 6 所在系审查意见: 系主管领导: 年 月 日附件(本页不打印):参考文献1马光 申桂英.工业机器人的现状及发展趋势J.组合机床与与自动化加工技术,2002(3)2曾孔庚.工业机器人技术发展趋势J.机器人技术与应用, 2006, (06)3杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势J.机械工程师, 2002(5)4孙树栋.工业机器人技术基础M. 西安:西北工业大学出版社,1998年5吴振彪.工业机器人M.武汉:华中科技大学出版社,2004年6谢存禧 张铁.机器人技术及其应用M.北京:机械工业出版社,2008年7蔡自兴.机器人学M.北京:清华大学出版社,1998年8熊有伦.机器人技术基础M.武汉:华中理工大学出版社,2006年9单以才.机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究,扬州大学硕士文.10熊有伦.机器人学M.北京:机械工业出版社,1998年11华大年,等.连杆机构设计与应用创新M.北京:机械工业出版社,2003年12 吕庸厚,等.组合机构设计与应用创新M.北京:机械工业出版社,2000年13邹慧君机构系统设计M.北京:科学出版社,1998年14孙恒,等.机械原理M.7版.北京:科学出版社,2006年15 周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,2008年16G L Batten. Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications. Mc Graw-Hill. 199417SIEMENS AG. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual.200418Gao F,Li W M.New kinematic strctures for 2-,3-,4-,and 5-DOF parallel manipulator designs.Mechanism and machine Theory,2002,37:1395141119Zlatanov D,Gosselin C M. A familiy of new parallel architectures with four degrees of freedom.Journal of Compulational Kinematics,2001(5):576620GASPARETTO A, ZANOTTO V. A new method for smooth trajectory planning of robot manipulatorsJ. Mechanism and Machine Theory, 2007, 42(4): 455471重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计摘 要在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论,对原有的机械结构提出了新的改进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。关键词:搬运机器人;液压系统;机械结构设计Heavy barrelled delivery stacking system design ABSTRACTIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repetitive and intensity of significant work.The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Through a detailed understanding of the robot in the industrial application, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robots hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures. The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And realize the operational handling robot.Keywords:Transfer robot;Hydraulic System;Mechanical Design目 录1绪论1 1.1 工业机器人简介1 1.2世界机器人的发展3 1.3我国工业机器人的发展4 1.4本文研究内容5 1.4.1机械手的技术参数5 1.4.2工作范围6 1.4.3运动速度6 1.4.4手臂的配置形式72 结构设计8 2.1总体的设计思路8 2.2拟采用的设计方案8 2.2.1自由度和坐标系的选择8 2.2.2驱动方式的选择8 2.2.3手臂的设计9 2.2.4臂部的设计9 2.2.5机座的设计9 2.2.6机械手技术参数93手部结构11 3.1概述11 3.2设计时应考虑的几个问题11 3.3夹紧力的计算11 3.4夹紧缸的拉力计算12 3.5确定缸的直径124臂部的结构14 4.1概述14 4.2臂部具体设计方案及计算14 4.3前后伸缩手臂的设计计算15 4.3.1前后伸缩手臂驱动力的计算15 4.3.2前后伸缩液压缸的内径计算16 4.3.3活塞杆直径d的计算174.4上下伸缩手臂的设计计算17 4.4.1上下伸缩手臂驱动力的计算17 4.4.2上下伸缩液压缸的内径计算17 4.4.3活塞杆直径d的计算175 液压系统简介196总结20 6.1主要任务20 6.2技术要求20 6.3设计步骤20 6.3.1 搜集资料20 6.3.2计算21 6.3.3装配图及零件图的绘制21 6.4 设计感想21参考文献23致 谢24III1绪论1.1 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器,以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯(Taloas),犹太传说中的泥土巨人等等,这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实,早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ,机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后,不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域,从天上到地下,从工业拓广到 农业、林、牧、渔,甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多,应用之广,影响之深,是我们始料未及的。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件,是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台,被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度,超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术,涉及到了力学、机械学、电器液压气压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务,在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势,尤其体现出了人工智能和适应性。应用搬运机器人进行工作这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用搬运机械人可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。因此在自动化机床的综合加工自动线上目前几乎都有搬运机械手以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。 可见有效的应用搬运机械手,是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手,机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手Error! Reference source not found.。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人,也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机(Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成。1.2世界机器人的发展工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为:工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机器人首先是从美国开始研制的,1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控制方式则为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制,它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息进行反馈,使机器人具有感觉机能。第三代机器人则能独立地完成工作过程中的任务,它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7) 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.3 我国工业机器人的发展有人认为,应用机器人只是为了节省劳动力,而我国劳动力资源丰富,发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国,社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益,而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点:(1) 搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。 (3) 搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 搬运机械手中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器, (5) 虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。 1.4本文研究内容1.4.1机械手的技术参数7对象:直径300mm,高400mm的柱形桶装;抓重:100Kg(夹持式手部);自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动);坐标形式:直角坐标;目前使用的机械手的臂力范围较大,国内现有的机械手的臂力最小为0.15N,最大为8000N。安全系数K一般可在。1.4.2工作范围机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹是几个动作的合成,在确定的工作范围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范围确定如下:手臂升降行程350mm手臂水平运动行程500mm1.4.3运动速度机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。搬运机械手要完成整个搬运过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的方案进行比较,才能确定。机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长的计算,分配各动作时间应考虑以下要求:(1) 给定的运动时间应大于液压元件的执行时间;(2) 伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下,应尽量选取较低的运动速度。机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。(3) 在工作拍节短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。搬运机械手的各运动速度如下:手臂伸缩速度:;手臂升降速度:;手臂水平运动速度:手指夹紧油缸的运动速度:1.4.4 手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作环境、工作对象的不同,手臂的配置形式也不尽相同。本机械手采用悬挂式机械手。机座上可以装上独立的控制装置,便于搬运与安放,机座底部也可以安装行走机构,已扩大其活动范围,它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式,本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型,它有升降、伸缩运动,工作范围较大。2 结构设计方案2.1总体的设计思路工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构,圆柱坐标结构,球坐标结构,关节型结构四种。具体到本设计,因为要求搬运的加工工件的质量达100Kg、直径为300mm、高为400mm的圆桶,同时考虑到数控机床布局的具体形式及对堆垛机的具体要求,考虑在满足系统工艺要求的前提下,尽量简化结构,以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的前后和升降运动为两个直线运动,综合考虑,机械手自由度数目取为3,坐标形式选择直角坐标形式,即一个手爪张合自由度和两个移动自由度,其特点是:结构比较简单。(1) 根据系统的目标,明确所采用机器人的目的和任务;(2) 分析机器人所在系统的工作环境;(3) 根据机器人的工作要求,确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。(4) 选择各部件(手部、臂部、基座)的具体结构,进行机器人总装图的设计;2.2拟采用的方案2.2.1自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为3自由度即:手爪张合、臂部升降、臂部的伸缩。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。由于本机械手是对桶装成品进行搬运堆垛,它具有升降、伸缩、的自由度要求,所以选用直角坐标型机械手。2.2.2驱动方式的选择驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高,可获得大的输出力,反应灵敏,可实现连续轨迹控制,维修方便,但是,液压元件成本高,油路比较复杂。气动驱动压力低,输出力较小如需要输出力大时,其结构尺寸过大,阻尼效果差低速不易控制,但结构简单,能源方便,成本低。电动机驱动有:异步电动机、步进电动机为动力源,电动机使用简单,且随着材料性能的提高,电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运堆垛机构的驱动机构采用液压驱动。2.2.3手部的设计手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于可吸附的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。传力机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。2.2.4臂部的设计手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。因此,在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。本次设计实现臂部的左右移动、升降运动,采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂的左右移动和升降。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化,伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。2.2.5机座的设计机座是机身机器人的基础部分,起支撑作用。对固定式机器人,直接联接在地面或悬挂在支架上,对可移动式机器人,则安装在移动结构上。机身由臂部运动(升降、平移)机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。本次毕业设计的搬运机器人的机身选用悬挂式机身结构。2.2.6机械手的技术参数(1) 抓重:100Kg(夹持式手部)(2) 自由度数:3个(手抓张合、手臂上下、左右移动)(3) 坐标形式:直角坐标(4) 手臂运动参数 手臂左右行程:500mm 手臂上下行程:350mm103 手部结构3.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具有模仿人手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不像人手,它的手指形状也不像人的手指,它没有手掌,只有自身的运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式,电磁式和其他型式。根据设计要求,本文采用夹钳式的手部结构。钳爪式手部结构由手指和传动机构和驱动装置三部分组成。其传动机构形式比较多,如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等,这里采用滑槽杠杆式。3.2 设计时应考虑的几个问题(1) 应具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。(2) 手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。 (3) 应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V形面的手指,以便自动定心。(4)应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形,但应尽量使结构简单紧凑,自重轻。 (5)应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同,来设计和确定手指的形状。3.3夹紧力的计算手指握紧工件时所需的力称为握力(即夹紧力),一般来说,手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷(惯性力或惯性力矩),使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关,我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内,并设两力大小相等,方向相反,用FN表示,可按下式3-1计算: (3.1)式中: K1_安全系数,有机械手的工艺和设计要求确定,通常取1.22.0; K2_工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,可近似按下式估算: 其中, _运载工件时重力方向运动最大加速度; _重力加速度,; _运载工件时重力方向的最大上升速度; _系统达到最高速度的时间,一般取0.03s0.5s; K3_方位系数 ,根据手指形状与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定; G_被抓取工件重力(N)。本设计K1取1.8,取1,机械手所抓工件重100kg;根据公式计算 3.4夹紧缸的拉力的计算实际所采用的液压缸驱动力大于F。手爪的机械效率,取。3.5确定夹紧缸的直径 (3.2) 式中 D_活塞直径(mm); d_活塞杆直径(mm); P_驱动压力(Pa)。取活塞杆直径,。 (3.3) (3.4) 取液压缸内径为;活塞杆直径;活塞厚;缸筒长度,取;活塞行程,当抓取300mm工件时,手爪从张开330mm减少到300mm,活塞移动的距离大约50mm,取行程。144 臂部的结构4.1 概述机械手手臂的作用,是在一定的载荷和一定的速度下,实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时,要遵循下述原则:(1) 应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机械手运动学正逆运算简化,有利于机械手的控制;(2)机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求,如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间;(3)为了提高机械手的运动速度与控制精度,应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高,抗振性好,比重小(其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3),但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下,减轻机械手手臂的重量;(4)机械手各关节的轴承间隙要尽可能小,以减小机械间隙所造成的运动误差。因此,各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构;(5)机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时,应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量,必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量;(6)机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装。4.2臂部具体设计方案及计算 根据机械手实际工作需要,确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。机械手的臂部由垂直升降手臂(大臂)和左右平移手臂(小臂)组成。直线运过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中,大概100Kg,属中型重量;同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。本设计选择液压驱动方式,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件。具体的设计方案为:机械手的垂直升降手臂(大臂)和左右平移手臂(小臂)的伸缩运动都为直线运动,通过2个相互垂直的液压缸来实现。其中:大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降,小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。同时,因为控制和具体工作的要求,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的,所以在设计时另外增设了导向装置。目前常用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等,在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置,它可以增加手臂的刚性和导向性。本设计机械手的臂部剖面图如图3-2所示。4.3前后伸缩手臂的设计计算4.3.1前后伸缩手臂驱动力的计算手臂作水平伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为: (3.5)式中: _在起动或制动时,活塞杆所受的平均惯性力; _摩擦阻力。手臂运动时,为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置,则为活塞和缸壁等处得摩擦阻力; _密封装置处的摩擦阻力(N),用不同形状的密封圈密封,其摩擦阻力不同; _液压缸回油腔低压油液所造成的阻力; (1) 的计算 (3.6)式中: _参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量); _重力加速度,取9.81 ; _由静止加速到常速的变化量(m/s); _启动过程时间(s),一般取0.010.5s,对轻载低速运动部件取较小值,对重载高速运动部件取较大值。由设计参数可知,并取 (2)的计算 (3.7) 式中: _参与运动的零部件所受的总重力(包括工件重量); _当量摩擦系数,其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面: _摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时取 (3)的计算 采用“O”形密封圈,简化计算时,可视作 (3.8) (4)的计算 回油腔与油箱相连,可视为与大气相连,故所以由式(3-5)得驱动力 4.3.2前后伸缩液压缸的内径计算 手臂伸缩运动的驱动力由双作用单杆活塞油缸提供,活塞杆直径,油缸经,取,油液压力取,则油缸内径计算如下: (3.9) 经查表工业机械手设计,选取液压缸内径。4.3.3活塞杆直径d的计算 活塞杆直径,经查表工业机械手设计表4-5,选取活塞杆直径。4.4上下伸缩手臂的设计计算4.4.1上下伸缩手臂驱动力的计算 手臂作上下伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为 (3.10) 式中 _摩擦阻力, , 取; _零部件及工件所受总重力。 、的计算与前后伸缩手臂相同。由式(3.3)得:易知,由式(3.4)知,所以驱动力4.4.2上下伸缩液压缸的内径计算油缸内经,取,油液压力取, 由式(3.6)计算得:经查表工业机械手设计表4-3,选取液压缸内径。4.4.3活塞杆直径d的计算 活塞杆直径,经查表工业机械手设计表4-5,选取活塞杆直径。20西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)5 液压系统简介 机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油,是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸,推动活塞杆运动,从而使手臂作伸缩、升降等运动,将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小,以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小,均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动,机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。6总 结我的毕业设计题目是“重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计”,本课题要求根据参数要求,设计一种搬运机器人。6.1主要任务(1) 了解搬运机器人的功能、结构、用途以及发展状况;(2) 选择并分析搬运机器人的整体设计方案;(3) 根据设计参数和设计要求,进行机器人运动系统的设计计算;(4) 进行机器人运动学和静学分析计算,完成主要零部件强度校核验算;(5) 绘制装配图及关键零件工作图。6.2技术要求(1)根据任务要求,进行搬运机器人结构与传动系统总体方案设计,确定传动及执行系统的组成,绘制系统方案示意图。(2)根据设计参数和设计要求,通过计算确定手部以及臂部的主要结构参数。(3)绘制装配图及关键零件工作图。6.3设计步骤本课题主要对搬运机器人的机械部分展开讨论,对原有的机械结构提出了新的改进方法,并把现在的新技术应用到本课题中,从而使得搬运机器人更加适用于现在的工业工作环境。通过详细了解搬运机器人在工业上的应用现状,提出了具体的搬运机器人设计要求,并根据搬运机器人各部分的设计原则,进行了系统总体方案设计以及包括:机器人的手部、腕部、臂部、腰部在内的机械结构设计。此搬运机器人的驱动源来自液压系统,执行元件包括:柱塞式液压缸、摆动液压缸、伸缩式液压缸等。通过液压缸的运动来实现搬运机器人的各关节运动,进而实现搬运机器人的实际作业。设计过程的具体步骤如下:6.3.1 搜集资料根据任务书的主要任务和技术要求,分析在做毕业设计的过程中所用到的具体的理论知识,同时在刘老师的指点下,通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过三个星期的深入学习,搜集了一大堆与毕业设计相关的资料,在刘老师的指导下,摒弃了一些无关紧要的内容,保留了有参考价值的资料作为备用。并把一些对课题有关的知识记在了工作日志上,尽量使我的资料完整、精确、数量多,这有利于说明书的撰写。在这一过程中我了解到了搬运机器人的机械结构,并分析了不同的传动方案之间的优缺点为下一步总体方案的确定打下了基础。最后,根据搜集的资料写出了文献综述。6.3.2计算根据所给的原始数据大致想清楚了自己设计的搬运机器人的总体结构,即确定了搬运机器人设计的总体方案,随后进行了初步的设计计算。根据总体方案并结合原始数据对搬运机器人的各个部件展开了详细的设计计算,具体设计计算过程包括:(1)传动机构的设计计算:考虑到机构的可行性及操作的简便性选择的传动机构为液压传动(液压传动容易控制;压力高,可获得大的输出力;可实现连续轨迹控制;维修方便)。(2)手部、腕部及臂部的设计计算:根据原始数据中夹持工件的重量1000N,首先计算手部所需的夹持力,然后根据该夹持力计算所需的液压缸直径选取手部液压缸。臂部分为水平方向的伸缩臂和竖直方向的伸缩臂;水平方向的伸缩臂选取伸缩式液压缸作为其驱动的动力源,竖直方向的伸缩臂选择双作用单活塞液压缸作为其驱动的动力源。6.3.3装配图及零件图的绘制使用计算的数据绘制出搬运机器人大的整体装配图,并手绘出该装配图(A0图);6.4 设计感想在整个毕业设计的
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