曲轴搬运机械手机电系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 摘 要 随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对电气的应用、机械结构的设计、控制方 法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键字： 机械手；液压驱动；电气 ；自动；控制元件 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 of is in as an of of of of a to to a in of is a of on of of s 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 目 录 摘要 .第 1 章 绪论 .未定义书签。 业机器人（机械手）的概述 .未定义书签。 业机器手的发展 . 错误 !未定义书签。 业机器人的分类 .未定义书签。 业机械手的应用 .未定义书签。 内外发展现状 .未定义书签。 课题的预期结果 . 2 章 机械手的总体设计 .计要求 .械手总体设计方案 . 机械手的组成及各部分关系 . 总体设计任务 . 总体方案拟定 .章小结 . 3 章机械手结构的设计分析 .端操作器的设计分析 .端操作器的概述 . 末端操作器结构的设计分析 . 末 端操作器的设计 .腕的设计 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 臂的设计 .身和机座的设计 .章小结 . 4 章 机械手各部件载荷及结构尺寸计算 .未定义书签。 计要求分析 .未定义书签。 指夹紧机构的及尺寸设计 .未定义书签。 指夹紧机构载荷的计算 .未定义书签。 臂伸缩机构的及尺寸的确定 .臂俯仰机构结构尺寸的确定 .腕摆动机构的确定 .身摆动机构的确定 .度校核 .曲稳定性校核 .章小结 . 5 章 液压系统的设计 .压缸或液压马达所需流量的确定 . 液压缸工作时所需流量 .压马达工作时的流量 .压缸或液压马达主要零件的结构材料及技术要求 . 缸体 . 缸盖 . 活塞 .未定义书签。 塞杆 .未定义书签。 压缸的缓冲装置 .未定义书签。 压缸的排气装置 .定基本方案 . 基本回路的选择 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 压元件的选择 . 液压泵的选择 . 液压泵所需电机功率的确定 . 液压阀的选择 . 液压辅助元件的选择原则 . 油箱容量的确定 . 液压原理图 .章小结 . 6 章 电气控制系统的设计 .未定义书签。 气控制的概述 .未定义书签。 制电路 .未定义书签。 制电路的组成 . 继电器的选择 . 接触器的选择 . 断路器 .气系统设计及原理 .气系统的控制顺序 .章小结 .论 .考文献 .谢 .录 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第 1 章 绪论 业机器人（ 机械手）的概述 业机器手的发展 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。 机械手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械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部安装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。 不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（ ,专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于 1 毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时 间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到 1500小时，精度可提高到 德国机器制造业是从 1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 用关节式结构和程序控制。 瑞士 用示教方法编制程序。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道， 1979年从事机械手的研究工作的大 专院校、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 研究单位多达 50多个。 1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用 42%。 1979年日本机械手的产值达 443亿日元，产量为 14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222亿日元，是 1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67亿日元，比 1978年增长 50%。智能机械手约为 17亿日元，为 1978年的 6倍。截止 1979年，机械手累计产量达 56900台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50% 60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990年将有 55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）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 柔性制造单元 (重要一环。 随着工业机器人向更深更广方向 的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范围还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造等领域中。 业机器人的分类 表 器人分类 分类名称 简要解释 操作型机器人 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作 示教再现型机器人 通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作 数控型机器人 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 适应控制型机器人 机器人能适应环境变化，控制自身的行为 学习控制型机器人 机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中 智能机器人 以人工智能决定其行为的机器人 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的 分类方式如上表 示： 业机械手的应用 工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械，电子，自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门。 工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件和握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用 ，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。 工业上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式亦各有不同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地，重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操作的机械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遥控的非自动的单循环 的机械手等。 实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期，频繁，单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它还能在高温，低温，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 内外发展的状况 国内工业机器人市场具有如下特征： （ 1） 国内汽车业。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是自动化程度要求高、竞争相当激烈的行业。可以说，汽车工业的发展史近几年我国 工业机器人增长的主要原动力之一。 （ 2） 沿海经济发达地区。国内相当数量的企业技术实力得到很大提高，生产设备更新换代，为了更好地适应市场经济发展的需要，提高生产率，提高产品质量和企业竞争力，改善工人劳动条件，企业对工业机器人的需求不断增加。 （ 3） 外商独资企业、中外合资企业。外商独资或中外合资企业自动化程度一般比较高，导致工业机器人的需求量较大。 （ 4） 国内一些现代买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 化水平比较高的企业。国内一些汽车厂、军工企业、船舶行业等。 课题的预期结果 在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成 一条自动流水加工线。但在流水线上加工时，需要许多工人搬运工件，有时劳动强度较大。当生产效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种通过电气控制的搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线，并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，减轻工作量，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。而事实上，在生产领域真正用来加工的时间一般不大于整个生产时间的 10 ，大部分时 间是用在了工件的搬运、装夹等辅助工序上。从这个方面可以看出研制一种自动化搬运机械手的迫切性和重要性，它能大大提高生产的效率。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第 2 章 机械手的总体设计 计要求 某生产线上搬运工件原由人工完成 , 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率 , 降低成本 , 使生产线发展成为柔性制造系统 , 适应现代自动化大生产 , 针对具体生产工艺 , 利用机器人技术 , 设计用一台搬运机械手代替人工工作。 该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸手指夹紧抓料手臂上升手臂缩回机身回转手腕回转手臂下降手臂前伸手指松开手臂缩回机身回转复位手腕回转复位待料。 工作对象为 50100量为 4060曲轴，定位精度为 1。 械手的总体设计方案 械手的组成及各部分关系 机械手由三大部分（机械部分、液压部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、液压系统、机器人 机交互系统、控制系统）组成。 机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器 、手腕、手臂、机身（立柱）、机座。 驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。 控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（ 连续轨迹控制方式（ 力（力矩）控制方式和智能控制方式。 体设计任务 (1) 结构形式的设计 : 机械手常见的运动形式有 1）直角坐标型 2） 圆柱坐标型 3）球坐标（极坐标）型 4） 关节型 （ 回转坐标 ） 型 5） 平面关节型 五种。 圆柱坐标型是 由 三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。 球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做 上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。 关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。 平面关节型 ， 采用两个回转关节和一个移动关节 ， 两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构 简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。 综上，本次设计中采用圆柱 回转坐标型 。 (2) 自由度的确定：自由度 (指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动 P，旋转运动R。 自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转 直线 (3) 驱动方式的选择 :1）驱动系统有液压驱动 2）气压驱动 3）电机 驱动 4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用。 液压驱动 ：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且 液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。 气压驱动 ： 具有速度快、系统结构简单、 造 价 较 低 、 维修方便 、清洁 等特点，适用于中小负载的系统中 ，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低， 难于实现伺服控制。 电 机 驱动 ：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于 抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活， 安装维修方便 。但 控制性能差，惯性大，不易精确定位。 机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。 并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制 工作。液压元件基本已经上系列化、通用化和标准化，利于 术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。 综上，本次设计采用液压驱动。 (4) 控制方式的选择 :1）点位控制方式（ 2）连续轨迹控制方式（ 3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。 点位 控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。 连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精 度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。 力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。 智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。 综上，本次设计采用点位控制。 另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用电气控制机械手实现设计要求的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。 综合上述，此次采用电 服点位控制，可以很好的完成自动线工作。 体设计方案拟定 因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用悬臂式四自由度的机械手，如下图 示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 123456图 机械手总体结构简图 机座：起支撑机身的作用，同时与地面通过地脚螺栓固定承受着机械手整 体的比较大的压力。由于体积大，所以用铸造，铸造材料为铸铁。 机身：保证了整个机械手能够连接在一起从而保证机械手能够顺利的完成各项运动，由于体积大，所以用铸造，机身的材料为铸铁。机身分为上、下机身体，上、下机身通过螺栓连接在一起，摆动液压缸放在下机身里。用一根轴立柱通过键将摆动液压系统与机身连接在一起，通过液压缸摆动带动机身的摆动。 俯仰手臂：与下机身通过销与相连，与手臂也通过销相连。起连接作用，同时，俯仰手臂的伸缩会控制手臂的上下摆动。 手臂：通过销与上机身相连，液压系统控制了它的伸缩功能，与手腕通过法兰连接在一起。 手腕：具有摆动功能，与手臂和手指相连。内置摆动液压缸。 手指：具有夹紧工件的作用。 自由度具体分配如下： 1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。 2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来 调整。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。 4）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。 章小结 本章主要介绍机械手的总体设计方案，根据设计要求，选择 机械手的结构设计方案、驱动方案、控制方案以及选择各个方案对机械手工作的影响，画出机械手结构的大体简图和重要的几个结构部分。根据工作时空间自由度的选择，大体结构，控制方式的选择，完成各个部分的工作性能。描绘机械手大体结构图为以下计算设计做准备。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 第 3 章 机械手结构的设计 械手的主要结构 机械手 的机械结构主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）、机座。 这些结构通过驱动系统、控 制系统之间的相互联系结合在一起，实现机与电的结合。驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（ 连续轨迹控制方式（ 力（力矩）控制方式和智能控制方式。 端操作器的设计 端操作器的概述 工业机器人的末端操作器是机器人直接用 于抓取、握紧、吸附专用工具等进行操作的部件，根据被操作工件的形状、尺寸、重量、材质及表面形态各有不同，其形式也多种多样，大部分末端操作器的结构是根据特定的工件专门加工的，常用的有四类：1）夹钳式取料手 2）吸附式取料手 3）专用操作器及转换器 4）仿生多指灵巧手。 夹钳式取料手是工业机器人最常用的一种末端操作器形式，在流水线上应用广泛。它一般由手指、驱动机构、传动机构、连接与支承元件组成，工作机理类似于常用的手钳。 吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手应用于大平面（单面接 触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体。 因为专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手的 技术难度及成本要求都比较高，故在此不多做介绍。 端操作器结构的设计 根据发动机曲轴结构特点，本次设计的机械手的末端操作器宜采用夹钳式取料手。 夹钳式取料手的手指的结构形式通常取决于被夹持工件的形状和特性。本设计是曲轴搬运机械手，搬运的对象是曲轴，所以要求使用 V 形手指，其中 V 形指一般用于夹持圆柱形工件，具有夹持平稳可靠，夹持误差小等特点。它通过单向液压缸进行加买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 紧工作，主要是通过液压缸的 4 活塞杆推底 端使手指夹紧，然后通过 2 弹簧进行复位。圆柱销 3起到连接的作用，连接手指与手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夹紧平稳。结构如图 示： 1234 图 V 型手指结构图 腕的设计 机器人手腕（如图 连接末端操作器和手臂的部件，它的作用是调节或改