数控机床上下料机械手毕业论文

毕业设计（论文）题目 数控机床上下料机械手 专业班级 姓名 所属助学单位 2015 年 9 月 5 日目 录1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 设计目的 .11.3 发展现状与趋势 .22 液压上下料机械手的设计方案 .32.1机械手的概念 .32.2 机械手的组成及工作原理 .32.3 机械手的总体设计 .42.3.1 机械手的总体机构的类型 .42.3.2 具体采用方案 .52.4 机械手主要部件的选用 .52.4.1 机械手手爪的选用 .52.4.2 机械手手腕的选用 .62.4.3 机械手手臂的选用 .72.4.4 机械手机身的选用 .82.5 驱动机构的选择 .82.6 传动结构的选择 .92.7 机器人手臂的平衡机构设计 .103 液压系统的设计 .113.1 液压系统的概述 .113.2 液压系统的组成 .113.3 液压系统的基本控制回路 .113.4 液压系统的总体设计 .123.4.1 控制回路的设计 .123.4.2 液压源系统的设计 .123.4.3 绘制的液压系统图 .133.5 液压系统的简单计算 .133.5.1油缸的主要类型与相关运算 .143.5.2油泵的选择 .183.5.3 油泵电动机功率的确定 .184 机械手控制系统的设计 .194.1 系统硬件电路的设计 .194.1.1 可编程控制器的概念 .194.1.2 PLC的应用领域 .194.1.3 PLC系统的组成 .204.1.4 PLC的工作原理 .21结 论 .30致 谢 .31参考文献 .32摘要通过对机械设计基础、工业用微型计算机及其自动化等专业课程的学习，以及课外实践所学的知识，对数控机床上下料机械手各部分机械结构和功能进行了论述和分析，设计了一种液压式圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。此设计主要针对机械手的手爪、手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了的设计。同时对PLC控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。PLC控制系统的分析重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。此次设计的自动上下料机械手采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统用PLC作为控制器，优化了机械手群的控制系统。该机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。关键词：机械手；液压系统；PLC控制系统；01 绪论1.1 选题背景近年来，随着科学技术的不断提高以及工业自动化的快速发展，高效、高质量、低成本、低污染无疑成为了工业自动化所追求的目标。其中机器人就代表了工业自动化的最高水平。机器人的研发与应用，体现了一个企业先进的加工制造能力和科研能力。同时它也促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。由于机械手能代替人类完成高危险、高强度，重复枯燥的工作，同时可以连续长时间生产，从而大大的提高了生产效率，降低了人工生产成本，减轻了人类的劳动强度。因此机械手已经越来越广泛的得到了应用。一般机械手在机械行业中可用于零部件组装 、加工工件自动抓取、上料、下料、工件翻转、工件转序等工作，特别是在自动化数控机床以及组合机床上使用比较普遍。目前，机械手已经发展成为一种非常成熟的机械加工辅助手段，同时也发展成为了柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元。可以节省庞大的工件输送装置及人工，结构简单，适应性强。机械手的应用改变了传统的搬运方式，有效地改善了作业环境，提倡零件加工数字化，信息化，少人化直至无人化管理，极大程度的保证了产品的质量，使现代加工制造技术迈上了新的台阶。然而，目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与国外相比还有一定的差距，机械手应用工程起步相对比较晚。因此，为了加快我国工业自动化的步伐，进行机械手的研究设计是非常必要，也是十分具有意义的事。1.2 设计目的众所周知，一个国家经济实力很大程度上取决于制造业的发展水平。上世纪，美国制造业占世界制造业40%，2010年中国制造业第一次赶超美国（中国占19.8%，美国占19.4%）。近几年，美国、日本、韩国等国家纷纷将自己的制造产业搬回本国，准备大力发展制造业，一场无硝烟的工业大战即将开始。然而，我国大部分的工厂和企业仍然还是使用人工装卸、搬运、包装、打码等。这些人工操作具有一定的危险性，在高强度的作业环境下人容易犯错，工作效率会大打折扣。这些已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了加快工业自动化的步伐，使其真正的走进人们的生活，结合自己所学的专业理论知识及课外实践知识，设计了一台自动上下料机械手，其兼备人和机器的优点，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。1.3 发展现状和趋势目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：1.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。2.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，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和维修性。3.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1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进行决策控制；传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。4.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；5.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。综上所述可以概括为两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。22 液压上下料机械手的设计方案2.1机械手的概念我国国家标准(GB/T1264390)对机械手的定义：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。2.2 工业机械手的组成及工作原理2.2.1工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图2.1：控制机构 驱动机构 执行机构位置检测装置电量工件图2.1 工业机械手各部分关系图执行机构：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。机械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）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；（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。2.2.2上下料机械手的工作原理上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是设计好的，一般只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓3取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点料槽；放料点加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：直线下降直线升起平面圆弧摆动直线下降。2.3机械手的总体设计2.3.1机械手总体结构的类型工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：1. 直角坐标机械手结构特点直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2. 圆柱坐标机械手结构特点圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。3. 球坐标机械手结构特点球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。4. 关节型机械手结构特点关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。42.3.2 具体采用方案具体到本设计，因为考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，一件小成本、提高可靠度。该机械手的工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动，另一个为手臂的回转运动，综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个一栋栋自由度，其特点是：结构比较简单，手臂运动范围大，且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。2.4机械手主要部件的选用2.4.1手 爪2.4.1.1机械手手爪的结构设计要求手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分5为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。机械手手爪设计有如下要求：（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。2.4.1.2设计具体采用方案手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。手部示意图如下：图2-3 手部示意图