焊接架传送装置及控制系统

重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 11 绪论古往今来人们对物料的运输有着各式各样的需求，从很早开始人们就想法设法发明各种运输方式，从最早的牲畜托运到制造各式各样的器械，人们走过了漫长的过程，传送装置伴随着人类文明的历史，在历史的演变中扮演着越来越重要的作用。本文将重点以机械手作为重点说明。机械手是一种非常智能的工业形式，它可以按照人们设计的程序或要求从而自动完成对对象(如材料、零件、组件或工具,等等)的操作,也可以使机械设备得到转移或运输,它能代替人们的一部分手工劳动从而减轻人们的工作量。机械手之所以从发明最初到现在的蓬勃发展能是因为它这些越来越积极的作用是得到了广大机械工人们的认可:首先,机械手能够代替很多手动操作;其次,它能根据人为制定的工艺作业要求,按照制定的程序时间和位置来完成一些人们繁琐的工作;三,它能够完成焊接和装配所需的设备，从而减轻了工人的劳动时间和劳动量,大大提高了人们在工业加工中的劳动生产率,加快工业生产机械化和自动化的步伐。机械手从最开始正式结构十分简单只能完成一些微不足道的工作量，但是随着工业技术的发展以及人们对生活品质工业质量的要求逐渐增大，人们开始逐步完善和设计能够满足更多要求的机械手，于是通过一个单独的程序控制重复操作并能满足更多步骤的“万能的机械手控制程序”韵应而生,这种机械手被称为万能机械手。这种机械手它能很快的改变工作程序从而满足各式各样的生产需求，这种极强的适应性和简便的操作模式能够改变生产小批量生产的品种被广泛引用。1.1 传送装置的发展史中华上下五千年出现了各种各样的能人异士，春秋战国时期有着机械达人鲁班，他创造出了各式各样神奇而又充满想象力的器械从而方便了古代人们的出行运输，而最出名的运输装置大概就是三国时期，诸葛亮发明的木牛流马了，诸葛孔明用它来运输粮草士兵，这不但是战争史上的革新，也是人类运输史的革命。当时间到了现代，欧洲列国的工业革命开始，人们有了电，生活便开始发生了极大的改变，随着人们对生活质量的要求越来越高，过去传统的手工业便不能再满足现代人们的生活了，于是机械专家们也在思考如何减轻人们重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 2的工作量，并且再此基础上还要提高工作效率，这确实是一个极大的难题，毕竟人力是有限的，人类不可能 24 小时不停地工作，并且有一些危险的工作人类需要冒着高风险工作，这是十分不近人情的，所以在此基础上工业机器人也就是机械手诞生了，古时候人类所梦想的永恒运动和对梦想空间的探索得到了实现。机械手追根溯底是从工业大国美国开始出现的，1958 年的时候美国联合控制公司的机械先驱们开发出了第一个机械手，它的结构十分简易只是在一个可以旋转的长手臂上安装设置了电磁铁，虽然只是这样一个简单的机构，但是也初步的满足了拾取和放置这两个简单的步骤，虽然这和今天能满足各式各样的工作要求的机械手相比实在相形见绌，但是这给人们提供了一个很好的借鉴，为人们以后的设想打下了坚实的基础，人正是因为有着梦想才能实现各种不可能，所以机械手就是从此刻开始为未来的蓬勃发展谱写了篇章。随着后来人们对机械手的极大兴趣，越来越多的科学家加入到研发机械手的行列，1962 年美国机械铸造公司在联合控制公司的方案的设计基础上完善和开始使用数字控制化教学和回放式机械手，它的商号为即通用自动。这又是一项伟大的创新，但是人类的脚步并没有停止。1978 年美国通用公司和麻省理工学院联合开发称为维克-臂工业机器人，该机器人安装了一个小型计算机控制的装配操作并且能满足定位误差可小于 1mm毫米。但是这个时候的机械手还十分简易并且笨重，美国因为对人身安全的特别看重所以专门注重机械手的安全性和可靠性，该公司成立八年来为微克机械手试验台测试各种性能。另一个在机械手发展史上做出巨大贡献的便是我们一衣带水的领国日本。众所周知日本仅次于美国德国的工业大国它也是一个增长最快的工业机械手应用最广泛的国家。日本自从 1969 年从美国引进了两种的典型机械手后便大力开展机械手的研究并且从中积累了大量的机械手的经验和技术。根据历年来日本方面提供的机械期刊所述在 1979 年日本从事科研工作机械手的高校和科研单位就多达 50 多个，这数量远超当时的亚洲各国更别说中国了。该文上诉的都是第一代机械手的情况，随着日本对机械手的需求逐步加大第二代机械手也在紧锣密布的开发中。日本方面设计其具备着微电脑控制系统，有了这个控制系统后机械手便如人类般具备了看、触摸、甚至可能还会有听取、诉说、思考的能力。重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 3日本研究并且安装各种传感器以感觉反馈使机械手具有感觉功能。目前国际上面已经研发出了具备触摸和视觉的机械手这又领先了我国一大步。第三代机械手是能够独立工作的任务。它与计算机和电视设备保持联系。逐步发展成为柔性制造系统和柔性制造单元是一个重要的组成部分。1.2 工业机械手的用途在当今世界工业发展过程中机械手的自动化以及机械化成为了一个主要的课题，机械手在生产过程的中的自动化也就是不让它断断续续走走停停使其工作流畅具有很高的连续性这一问题基本上是解决了，但是在加工和装配过程中不能够很好的连续完成一套完整的工艺流程，在这方面专用机床能够满足到大批量大批次的自动化生产过程，虽然如此即便是专用机床但是出了切削自身以外装卸运输装配等要进行自动化的生产还是不能满足的，所以机械手的趋势大概分为以下几个方面，首先大力发展和推动标准化以及模式化的机械手使其具备着精度高运动速度也快的特点，并且还要降低它的成本使其物美价廉，并且还要保证它的安全性在高风险作业中不对人造成伤害也就是具备很高的可靠性，毕竟人身安全才是最重要的。其次是机械手的性能要好，在工作中效率要高并且还要保证同一批次加工工件的可靠性要高，不能同一批工件加工完成后的尺寸还存在差异。机械手在各式各样的领域中都得到了广泛的运用，从普通的机床加工工件再到组装印刷电路板等并且能够在工作条件及其恶劣的地方，例如高温、极寒、深海、火山等人力不能达到的地方运用，还有一些平时十分危险的工作场合比如具有有毒气体的实验室，化学有毒物质的搬运，前苏联核爆炸地区因为大量的核辐射对人体伤害过于巨大这个时候就需要机械手等机械设备代替人类工作，不但如此它还能运用到人类对宇宙的探索，人类在宇宙上是受到很多不可抗拒的因素限制的然而机械手就没有这些限制，所以能很好的完成人类无法进行的探索工作等等。1.3 机械手的组成机械手有着三个组成部分分别是执行机构组成，传动机构和控制系统这三个部分构成了今天机械手的雏形。它的组成和关系如下：重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 41.3.1 执行机构(如图 1.3-1 所示)图 1.1 执行机构图（1）手部机械手的手部用来夹取和放下工件的，并且还要保持住夹取工件的状态使其不滑落不偏移，它的动作主要是张开手指和合拢手指。 我设计的机械手只需要张开和闭合手指。本设计的机械手手部主要是根据人类手指的生理结构进行优化形成了三种模式分别为：机械手手指关节无关节、固定关节和关节自由。因为生产生活中具备各式各样的工作环境所以手部的结构视这些情况而决定，它的用途是能够根据各种工件的形状、尺寸、重量、材料、以及所设计的抓取和其它各种类型的手的结构。本设计所做的机械手采用二指形状（2）手臂机械手的手臂通常是有无关节和有关节手臂两种形式根据实际情况和自身的考虑本设计所选用的机械手的手臂为无关节臂机械手手臂。为了使机械手的工作正确，三个自由度手臂需要精确的定位其作用是引导手臂的手指准确地抓取摩托车车架并平移至所需的位置上。我所设计的机械手满足机械手手臂的上升，下降两个方向的定位行程开关控制，用来确保机械手在加工过程中的定位精度。所有的机械手运动都离不开直线运动和旋转运动，因此，它主要采用直线驱动缸、摆动缸、电液脉冲电机、伺服电机、直流伺服电机和步进电机。躯干手臂安装，电源和支架执行器。1.3.2 驱动机构重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 5根据查资料了解到现在机械行业主要有四种驱动机构：液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动。这四种驱动机构最广泛使用的是液压和气动，占 90%以上，电动、机械传动少。液压驱动具备了压力高、占地面积小、动力强劲、无极调速、容易实现自锁能够随时停止启动但是它却需要一个较高复杂度的压力源。通过各种缸、泵、驱动阀门的运动来实现液压驱动并且它采用缸、马达齿轮，齿条直线运动；利用摆动油缸、电机、减速机，圆柱齿条、齿轮、链轮等实现旋转运动。气压驱动在压力驱动的气动缸，气动马达，阀门等。根据查资料了解到现今一般用 4-6 大气压其优点是大气的供应十分容易且维护成本方便低廉但是它的贡献不太大。气动系统是十分容易生锈的，并且它的润滑性特别的差空气的压缩也是一个难题，很难让其在中间位置停止，这种只能进行位置上的控制我们是不采用的。本设计考虑的是采用步进电机或者直流交流伺服电机等等，采用这种设计能够减少停止电机运转时产生的各种不良影响，如果用三相异步电机作为驱动力则需要配备一个大减速比的减速器驱动执行器，而气动系统则需要配备对于速度控制机构这是为了使其能够很好地缓冲。电机驱动确实是很好的驱动方式它的维护很简单并且使用也是极其方便的但是它的对速度控制的响应很慢，这一点让人时很苦恼的，但是它的驱动部分和控制系统有着一个统一的形式。机械驱动是不宜驱动的只能控制单一的操作模式，这一点不能满足各式各样的生产情况，并且它的结构比较复杂不易实现大规模的生产。根据综上所述我的设计采用一种电机驱动的滚珠丝杆来实现上下左右的平移。1.3.3 控制系统控制系统必须先编程存储，然后通过编程所控制的各种指令来实现对机械手的上下抓取的控制。1.4 应用机械手的意义随着现代科学技术日新月异的发展机械手的使用越来越广泛，不但在机械行业中，机械手参与了各式各样的加工、焊接、装配、金属热处理等工序中，他重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统 6减轻了人们的工作劳动量使更多的人力资源得到解放，从而能参与到更多有意义有效的社会工作中，而且因为机械手的加工精度这些明显比人类准确，人类总会有疲倦的时候，这些情况总是伴随着各式各样的误差导致了很多工艺生产不够准确，次品量多的情形，机械手就能保证其精度的高要求能节约其材料的消耗，因为机械手的误差小，损耗也小，生产成本的降低使人类对地球资源的消耗也极大的减少，所以不止机械行业还有其他建筑行业国防工业也十分广泛的采用，这些地方的使用对机械手的发展有着重要的意义。本设计重点是用于在机械行业中，机械手的应用大概分为以下几部分：首先人力是有限的，人类能工作的地方也是有限制的，核爆炸化学毒品污染等严重腐蚀地区人类是力所不能及的，机械手的出现大大改进了人类在这些地方不足。其次人类长时间的工作会引发疲劳，疲劳时人类的精神会不够集中，这个时候会发生很多不必要的失误，造成加工件的精度要求不达标，浪费了资源和时间，并且最重要的是人身安全得不到保障，工业上一个轻微的意外事故就有可能造成终身的残疾，人最重要的依旧是生命，没有生命哪里来的幸福和自由，机械行业上每年因为机械事故造成的残疾死亡的案例是十分多的，机械手能在这些危险的工作环境中很好的完成任务。机械手不但能够有效的代替人类进行复杂的工作，还能代替一些简单重复无聊的工作，这些工作浪费人力物力但是又不得不有人来工作，这样的工作枯燥乏味，还拖累了整个工业的效率，所以使人的劳动力用在更好的地方也就是说好钢用在刀刃上，解放人类的双手还有脑中的束缚，机械手的出现就是人类工业史上的福音。1.5 本课题的研究内容本课题主要设计一款对于摩托车车架在焊接过程中用到的传送装置，该工作内容为当摩托车车架从传送带上传送过来到达指定位置时，机械手平移到该位置，机械手下降，手抓张开夹取摩托车车架，机械手上升，平移到焊接夹具上方，将摩托车车架对准定位孔放下，然后抽离，等待摩托车车架焊接完毕，机械手将其抓取放入下步工序。该工序中要求机械手能保证精准夹取车架，并在传送工程中保证车架不滑落、不偏移，并能精准放置到夹具上。重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统72 总体方案设计及系统组成2.1 设计方案从拿到方案开始，就在苦思冥想该如何设计出满足题目要求的方案，最开始的设想是做一个能 210 度旋转的机械手，该方案如图 2.1-1 所示：图 1.2 总体方案 1该方案简便易于实现，但对位置精度的控制不足，最重要的是无法满足在抓取车架过程中角度的调整，和机械手臂无法承受住摩托车车架传送过程中摆动造成的扭矩。经过艰难的抉择和考虑，又重新对设计进行了修改和设定，最终决定采用方案 2 如图 2.1-2 所示：图 1.3 总体方案 2重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统8方案 2 充分考虑了摩托车车架传送过程中的各种问题，并能上下左右平移，以满足车架在生产加工中面临的各种位置摆放等问题，减轻了在传送过程中的工作量，减少了工人的工作量。故选定方案 2 为最佳方案。机械手的 X、Z 两轴伺服控制设计的总体控制（即水平轴 Z 轴运动的持有在垂直方向的运动方向的步架固定移动机械手运动在夹紧机构的设计：一种握杆杆，在气动驱动装置工作的基础上，考虑到恶劣的环境要求不高，对位置精度。传动方案：X 轴采用步进电机和滚珠丝杆配合传动载体为直线导轨，同理 Z轴也采用相同的设计原理。这种驱动方式能够很好地控制位置的精度能够满足工件在移动过程中随时随地的停止启动并且物美价廉易于实现而且反应灵敏灵活。传送装置的移动范围为：2000mm， v=12m/min； 2500mm轴Z最 大 移 动 速 度 轴Xv=20m/min。最 大 移 动 速 度2.2 主要技术参数其中搬运摩托车车架重量10kg， X 轴最大工作行程:2500mm； Z 轴最大工作行程:2000mm2.2.1 夹持车架摩托车车架车杆为圆轴类。参数：长度=500mm 重量=10kg材料一般选铝合金，材料密度 2.7310（kg/m）计算其平均半径 :r= = =4.83(cm)lm5012.73设计机械手钳爪时取 r=5(cm)车架抓取放下的时间：小于 12S2.2.2 车架受力分析机械手所夹车架为 =10kg，车杆长度为 500mm。当车架被夹紧后机械手加jM重庆理工大学毕业论文 焊接架传送装置及控制系统9速起动时所受力最大，受力分析如图 2.2-2 所示。图中：F1、F2、F3、F4 为夹紧力 加速度 0.32m2/sG 车架杠杆所受重力 G= g=109.8=98(N) jM为沿轴方向