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数控机床30公斤上下料机械手的设计

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关键词：: 数控机床 30 公斤千克上下机械手设计

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数控机床30公斤上下料机械手的设计

摘要

本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，各种驱动方式的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。另外本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构和各部分的结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手臂伸缩、升降用液压缸的具体尺寸;设计了手臂伸缩、升降用液压缸和手臂回转用伺服减速机。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作程序做出了相应的梯形图。

关键词：工业机器人，机械手，液压传动，可编程序控制器(PLC)

Abstract

At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. What's more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree andthe form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.The paper designs the structure of the wrist,computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes,ascend,descend andwheels . The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair. The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine tothe work flow of the manipulator.The paper draws out the worktime sequence chart and the trapezia chart.Whats more,the paper work out the control program of the PLC.

KEY WORDS :industrial robot, manipulator pump, Hydraulic drive,PLC

参考文献

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内容简介：: 1摘要本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，各种驱动方式的特点，PLC 控制的特点及国内外的发展状况。另外本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构和各部分的结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手臂伸缩、升降用液压缸的具体尺寸;设计了手臂伸缩、升降用液压缸和手臂回转用伺服减速机。设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的 PLC 型号，根据机械手的工作程序做出了相应的梯形图。关键词：工业机器人，机械手，液压传动，可编程序控制器(PLC) 2Abstract At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. Whats more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree andthe form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator. This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.The paper designs the structure ofthe wrist,computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexes,ascend,descend andwheels . The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair. The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine tothe work flow of the manipulator.The paper draws out the worktime sequence chart and the trapezia chart.Whats more,the paper work out the control program of the PLC. KEY WORDS :industrial robot, manipulator pump, Hydraulic drive,PLC3目录摘要 .1Abstract .2第一章绪论 .4第二章设计方案的论证 .6第一节机械手的概述 .6第二节机械手的组成与分类 .6第三节机械手的总体设计 .8第四节机械手腰座结构的设计 .10第五节机械手手臂和手爪的结构设计 .12第六节机械手的机械传动机构的设计 .17第七节机械手驱动系统的设计 .21第八节机器人手臂的平衡机构设计 .27第三章理论分析和设计计算 .29第一节确定液压系统基本方案 .29第二节拟定液压执行元件运动控制回路 .30第三节确定液压系统的主要参数 .31第四节计算和选择液压元件 .36第四章电机选型有关参数计算 .38第一节有关参数的计算 .38第二节电机型号的选择 .40第五章机械手控制系统的设计 .42第一节机械手控制系统设计 .42第二节 PLC 外部接线设计 .45第三节机械手控制系统软件设计 .47结束语 .49参考文献 .50英文文献 .51中文翻译 .54致谢 .574第一章绪论机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加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。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 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，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强 1。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学期间所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要5求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。目前，在国内外各种机器人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 2：(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，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。(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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。(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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 (5) 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、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。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，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，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，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。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，6脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第二章设计方案的论证第一节机械手的概述工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技术发展最快的领域之一，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准 GB/T12643-90 也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业” 。第二节机械手的组成与分类工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图 1 所示：7图 1 工业机械手组成框图机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其它部分。(1) 手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用； (2) 传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用； (3) 驱动部分它是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式；(4) 控制部分它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序 (程序) 、位置和时间( 甚至速度与加速度)等；(5) 其它部分如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：(1) 按机械手的使用范围分类：专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。通用机械手（也称工业机器人）指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较8多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。(2) 按机械手的驱动方式分类：液压驱动机械手以压力油进行驱动；气压驱动机械手以压缩空气进行驱动；电力驱动机械手直接用电动机进行驱动；机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。(3) 按机械手的臂力大小分类：微型机械手臂力小于 1kg；小型机械手臂力为 110kg；中型机械手臂力为 1030kg；大型机械手臂力大于 30kg。在现代的机械加工中，消耗于上下料的时间损失是组成零件单件加工时间的一部分，它属于辅助时间，我们知道要想提高生产率，减少生产中的辅助时间，将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间必须实现生产自动化，自动上下料机构就是为实现生产中上下料工序而设计的一种专用机构。自动上下料机构中供散乱的中、小型工件毛坯，经过定向机构，实现定向排列，然后顺序的由上下料机构送到机床或工作地点去。这在自动化成批大量的生产中显然是实用的，它不但可把操作人员从复杂而繁重的劳动中解脱出来，而且对保证安全生产也是一种行之有效的方法。工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它是在自动上下料的基础上发展起来的一种机械装置。开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围的不断扩大，现已用来操持工具和完成一定的作业。实践证明：使用自动上下料的机械手可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，还具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量臂人手大等特点。因此，自动上下料机械手已得到越来越广泛的得到应用。第三节机械手的总体设计9一机械手总体结构的类型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。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 3。(1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人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，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m 级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙

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