数控机床上下料机械手设计及运动学仿真【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 1 学校代码： 11059 学 号： 0606012043 科毕业设计 论文题目： 数控机床上下料机械手及运动学仿真 学科专业： 作者姓名： 导师姓名 ： 完成时间： 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 2 数控机床上下料机械手设计及运动学仿真 中文摘要 本设计主要是 随着社会工业的发展，数控机床的运用越来越普遍，从而减轻繁重劳动的上下料机械手 的需求越来越迫切。本文结合普通的数控机床来进行设计机械手臂， 进行机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动 控制 系统的设计。 主要 行控制程序设计。 还要进行 图，及 运用 动力学 仿真 。 关键词：机座设计， 执行器（ 手爪）的结构 ，传动设计， 控制 系统设计 ,买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 3 of p of of up is to of of of of of of of of of LC G of of of of LC G of . 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 4 目 录 . 1 中文摘要 . 2 . 3 目 录 . 4 第一章 绪 论 . 5 控机床上下料机械手简介 . 5 计目的 . 6 内外研究现状和趋势 . 7 计原则 . 7 第二章 结构设计 . 9 取机构部分 . 9 取机构 . 9 计时考虑的几个问题 . 9 . 10 腕的自由度 . 10 腕转动时所需的驱动力矩 . 11 座设计 . 11 座设计 . 12 动设计 . 12 动方式 . 14 第三章 运用 序控制设计 . 15 入和输出点分配表及原理接线图 . 15 制程序 . 17 械手传送系统梯形图 . 20 第四章 机器人运动学及运用 件实现运动仿真 . 26 言 . 26 真软件介绍 . 26 于 机器人运动学正反解验证 . 30 于 函数的机器人动力学仿真 . 31 个程序如下 . 35 制规律 S 函数： . 35 模控 制规律 S 函数： . 36 械手被控制对象 S 函数： . 38 图程序： . 39 第五章 结 论 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 42 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 5 第一章 绪 论 控机床上下料机械手 简介 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， 数控机床代表先进的生产力，代表先进的技术，精确化，自动化和模块化的标志。同时， 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。 机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。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。 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。 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机图 1器人的结构 目前， 赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠 加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。 机械手 已发展成为柔性制造系统 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 6 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。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。 为了更好实现运动则运用 因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 计目的 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，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 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率 ,降低成本 ,并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，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 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。 对数控机床上下料机械手运用 件进行运动学仿真。实现接近真实效果。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 7 内外研究现状和趋势 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： A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。 B工业机器人控制系统向基于 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。 C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。 D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； E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。 计原则 在设计之前，必须要有一个指导原则。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 8 这次毕业设计的设 计原则是： (1) 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。 (2)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。 (3)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（ 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， (4)运用软件 G 等 (5)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，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 9 第二章 结构设计 手部抓取机构是用来直接握持工件由于握持工件的形状 ,尺寸大小，重量，材料性能，表面状况等的不同，所以机械手的手部结构多种多样，大部分 的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结 起来， 常用的手部，握持工件原理，大致可分为夹持和吸附两类，即夹紧和电磁铁吸附。 根据设计要求，这里主要探讨钳式的抓取机构， 还结合自动 化程度、设计和制造工作量的大小以及成本的高低。 取机构部分 取机构 抓取装置可分为手指，传动机构 和驱动装置三部分组成的 1、 手指部分的设计， 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指 ;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小， 结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件 。 采取两指，对抓取各种形状的工件具有较大适应性 。 可抓取轴，盘，套等零件。 2、 传动部分的设计，通常的传动机构往往通过凸轮机构，齿轮机构，带传动机构和链传动机构来实现机构的夹紧和放松 。 平行手指的张开闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板和方料等，在夹取直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移 ，其机构复杂，体积较大加工精度要求较高 。根据设计要求，工件为小圆柱，所以采取回转型手指， 其张开和闭合靠枢轴支点回转运动来完成的。有两个支点的，称为双支点回转型，有一个支点称为单支点回转型。回转型结构 简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生定位误差 。 本设计采用单支点回转型。 而且还要安装电机和传感器，为控制做好伏笔。 计时考虑的几个问题 (一 )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。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 10 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两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。手指的开闭角应 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。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三 )保证工件准确定位 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。 (四 )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，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩 最小为佳。 (五 )考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 结构如附图所示。图 2械手爪 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的 动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 11 运动的机构 . 腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 手腕受力的示意图。 图 2座 设计 基座是整个机器人本体的支撑， 基座底部可有轴和齿轮连接，该齿轮可与一连接电动机齿轮连接，从而达到减速 和该齿轮转动 目的。基座齿轮是为整个基座转动而制造的。此外，轴上端可制造称为螺杆。 整个由一个较大的圆盘作为底部，盖住齿轮，还可支撑上面的受力需要。 基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 12 座设计 实现 中间连接所需要的设施 ，由螺杆和一 内 齿轮连 接连接 ，而内齿轮与机械手臂连接从而随底部的齿轮转动而转动。而且需要两个较高的支撑架在底座上，实现对机械手臂的固定。从而可实现机械手臂的上升和下降。还要在手臂上安装电动机和传感器等 机械手臂 可由 一个孔与机械手部连接，从而实现机械手的伸长和收缩。 动设计 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。 机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表 表 种驱动方式的特点对照 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电 机 驱动 输出功率 很大，压力范围为50 140，压力范围为 4860大可达 大 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功 率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除 动机外，难买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 13 小，结构紧凑，密封问题较大 紧凑，密封问题较小 以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介质， 在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于10000 个大气压 )时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差 对环境的影响 液压系统易漏油，对环境有污染 排气时有噪声 无 在工业机器人中应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器 人，如 服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求 方便 较复杂 机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有： 1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； 2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； 3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； 4）安全可靠； 5）操作和维护方便； 6）对环境无污染， 噪声要小； 7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 14 基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表 选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表 器人驱动电机参数 电机参数 腰关节 肩关节 肘关节 腕关节 手爪 型号 定电压 18v 18v 18v 6v 6v 额定转矩 m m m m m 最大转矩 m m m 额定转速 7980980980460460高转速 转子惯量 9200200200动方式 由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有： （ 1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （ 2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （ 3） 回 差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （ 4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 15 第三章 运用 序控制 设计 入和输出点分配表及原理接线图 机械手传送系统输入和输出点分配表 a、确定中间传动轴 14 的位置 启动 0 下限行程 1 上限行程 2 右限行程 3 左限行程 4 停止 5 手动操作 6 连续操作 7 夹紧 10 放松 11 单步上升 12 单步下降 13 单步左移 14 单步右移 15 回原点 16 工件检测 17 名 称 代号 输入 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 16 图 3定中间传动轴 14 的位置 电磁阀下降 0 电磁阀夹紧 1 电磁阀上升 2 电磁阀右行 3 电磁阀左行 4 名 称 代号 输出 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 17 制程序 操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序 图 3原理是： 把旋钮置于回原点， 通，系统自动回原点， 动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则 通，其常闭触头打开，程序 不跳转（ 一跳转指令，如果 动，则跳到指针 0 处），执行手动程序。之后，由于 闭触点，当执行 令时，跳转到 指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既 闭闭合、 闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 回原位程序 回原位程序如图 4 所示。用 12 作回零操作元件。应注意，当用 19 作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器 1。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 18 图 3位转移图 手动单步操作程序 图中上升 /下降，左移 /右移都有联锁和限位保护 图 3动单步操作程序 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 19 自动操作程序 自动操作状态转移见图所示。当机械手处于原位时，按启动 通，状态转移到 图 3动操作程序 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 20 动下降 到达下限位使行程开关 通，状态转移到 动复位。 动 位，延时 1 秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当 通，状态转移到 动 上升到达最高位， 通，状态转移到 动 移。 移到最右位， 通，状