凸轮轴机床的工件输送机构的设计【9张CAD图纸和说明书】
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凸轮轴
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目 录
1 绪论 1
1.1题目背景 1
1.2研究意义 1
1.3国内研究的情况 1
1.4国外研究情况 2
1.5本课题研究的主要内容 2
1.5.1凸轮轴机床的工作原理 2
1.5.2机械手总体结构的设计 3
2 机械手的总体设计 5
2.1机械手的设计原则 5
2.2机械手的座标型式与自由度 6
2.2.1确定大体参数 6
2.3机械手的手部结构方案设计 6
2.4机械手的手腕结构方案设计 7
2.5机械手的手臂结构方案设计 7
2.6机械手的控制方案设计 7
2.7机械手的主要技术参数 7
3 手部结构设计 9
3.1夹持式手部结构 9
3.1.1手指的形状和分类 9
3.1.2设计时考虑的几个问题 9
3.1.3手部夹紧液压缸的设计 10
4 手腕结构设计 14
4.1手腕的自由度 14
4.2手腕的驱动力矩的计算 14
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 14
4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算 16
4.2.3手腕回转缸的尺寸及其校核 17
5 手臂液压缸的尺寸设计与校核 19
5.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 19
5.1.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计 19
5.1.2尺寸校核 19
5.1.3导向装置 19
5.1.4平衡装置 20
5.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 20
5.2.1尺寸设计 20
5.2.2尺寸校核 20
5.3手臂回转液压缸的尺寸设计与校核 21
5.3.1尺寸设计 21
5.3.2尺寸校核 21
6 机械手的PLC控制系统设计 23
6.1可编程序控制器的选择及工作过程 23
6.1.1可编程序控制器的选择 23
6.1.2可编程序控制器的工作过程 23
6.2可编程序控制器的使用步骤 24
6.3机械手可编程序控制器控制方案 24
6.3.1控制系统的工作原理及控制要求 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献 28
毕业设计(论文)知识产权声明 29
毕业设计(论文)独创性声明 30
1 绪论
1.1题目背景
在现代企业生产过程中,生产线零件的输送是非常重要的工作之一,随着生产自动化的发展,目前,这一工作已由机械手的自动搬运逐渐替代传统的人工完成。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。本课题设计一种在七工位凸轮轴加工机床上应用的机械手,用于实现工件的输送。明确机械手的功能、技术参数、工作原理、主要结构及特点。要求结构简单、抓取重量大、开合行程长、运行可靠,从而提高生产效率。
1.2研究意义
机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备[1]。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛[2]。因此,进行凸轮轴机床的工件输送机械手的研究设计具有重要意义。我感觉设计所需要的知识仅课堂所学的是完全不够的,但正是这样,才更能锻炼自己,才更富有挑战,我想在这次的设计中我一定会尽全力做好的!
1.3国内研究的情况
我国的工业机械手的研究研发开发始于20世纪70年代左右。1972年我国的第一台工业机械手开发制造于上海,随着全国各省都开始研制和研发应用机械手。如今我国正从一个“制造型大国”向“制造型强国”迈进,中国的制造业正在面临着与国际接轨、世界接轨、参与国际分工的巨大工作和挑战当中,这将会给机械手产业发展注入新的动力和活力[3]。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的不断提高,中国的机械手已在众多领域得到了广泛普遍的应用。已经从传统的工业制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年,我国将在传感技术、激光技术、工程网络技术中机械手将会被广泛应用,因此这些技术会使机械手的应用更为高效、高质,运行成本将更低[4]。据一系列现象证据表明,今后机械手将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业生产等各领域得到广泛应用。
1.4国外研究情况
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产品[5]。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。在此基础上美国通过不断改进完善,研制出一系列新的机械手,美国的研制十分注意提高机械手的可靠性,改进其结构,降低其成本。德国从1970年开始在制造行业中应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。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的机械手后,便开始大力进行机械手的研究。据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个;1976年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。使用机械手最多的行业是汽车工业,其次是电机、电器和电子行业。到目前在日本工作的工业机械手已有100万台左右。第二代机械手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FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多[6]。
1.5本课题研究的主要内容
1.5.1凸轮轴机床的工作原理
如图1.1所示零件为凸轮轴。凸轮轴是发动机中的重要零件之一,其通常是由具有多段高次曲线型面的非圆轮廓面组成,其升程、转角与砂轮半径之间存在非线性关系,且大部分凸轮轴属细长轴类零件。而凸轮轴加工精度和质量直接影响到发动机的质量、废气排放、使用寿命、节能和效率。图1.2是某型号发动机的凸轮轴示意图,其法兰面上的孔系的加工是在一台卧式单面七工位的机床上完成的,该机床用一个多轴头在5个加工工位上完成了5道加工工序。在加工工位之前有一个零件装卸工位,为了在装卸工位卸下工件,必须解决工件的返回问题。为此,我们设计了机械手在五个加工工位之后的等待工位抓取工件,并实现工件的返回。如图1.3所示为各加工工位布局图,工位Ⅰ是装卸工位,工位Ⅶ是机械手抓取工位,凸轮轴从Ⅰ工位通过步伐式棘爪输送机构依次自动输送至Ⅱ~Ⅶ工位,而机械手用来实现工件由Ⅶ工位返回至Ⅰ工位。











- 内容简介:
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毕业设计(论文)中期报告 题目: 凸轮轴机床的工件输送机构的设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 3 月 20 日 1 文)进展状况 本阶段 的 主要 任务 是完 成 了 外文文献 的翻译工作 , 对 机械手结构设计进行了更深层次的分析和理解 , 包括机械手结构的设计和结构受力的分析,大概了解了机械手结构在选用过程中所依据的原则 。 参考大量文献资料的情况下,证实了开题报告中所提出的的机械手整体结构设计方案可行。原因是其满足了结构简单、抓取量大、开合行程长、运行可靠的原则。 械手主要运动部分由动力型旋转关节和前 、 后 两臂及手爪组成,臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活,所占空间小,工作范围大。 械手整体 结构 如图 1 所示。 图 1 机械手整体结构图 计整体为 3 个自由度。分别为: ( 1) 手爪相对于小臂的回转; ( 2) 小臂相对于大臂的回转; ( 3) 大臂相对于机架的回转。 计的工作原理如下 : 机械手在抓取工位等待,控制系统发出指令,使机械手的小臂的升降油缸将手爪下降到取料位置。手指开合的活塞杆下端联接一连杆滑块机构,当活塞上下移动时,连杆滑块机构使两手指合拢。这是,小臂的油缸活塞上升,将工件提升到预订高度后,行程开关发信号,使大臂回转。此后,小臂下降,将工件准确地放到上下料位置,然 2 后手指张开将工件松开 。小臂上升,大臂反方向回转复位。 部结 构设计 根据工件的结构特点 ,机械手手指采用平移型双手双指式手指来夹持工件的两端 ,其手指通过连接架与手指开合油缸端部相连接 ,如图 2 所示。 图 2 手部结构图 臂回转机构设计 依靠带齿轮的无杆活塞油缸 ,通过齿轮 图 3所示 ,调整固定在回转立柱体上的两个可调定位挡块 1,可保证大手臂回转定位的准确 ;调整油缸端盖处的两个死挡铁螺钉 3,使它与齿条活塞端部刚刚接触或留有约 01右的间隙 ,以控制大手臂的回转角度 ,大手臂回转到 等待 工位和 上下料 工位的动作信号分别由两个行程开关 2 发出。在无杆活塞油缸的两端部 ,均设有节流缓冲装置 ,以减小机械手在到达始、末两位置时由于惯性所产生的冲击 ,保证大手臂的定位稳定可靠。 图 3 大臂回转机构图 定大体参数 3 ( 1) 抓重: 15 千克 ( 2) 自由度数: 3 个 ( 3) 小臂升降范围: 0 200 4) 大臂回转范围: 0 90 ( 5) 手爪夹持范围: 0 100臂相对于机架的回转应采取什么方式传动? 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,提高负载能力 。对机械手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,这样可以提高固有频率,并大大减小低频振动。 ( 3) 回差要小,即由止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。 为了减小机构运行过程中的冲击和振动,并且不降低控制精度,采用了齿形带传动。齿形带传动是同步带的一种,用来传递平行轴的运动。 齿形带的传动比计算公式为: i=2=2 能熟练使用制图软件,致使工作无法正常快速进行。其次,对机械手结构理解的还不是很到位等。 通过与同学的探讨及老师的指点,使我对自己的毕业设计有了更深一步的认识。我深深明白了设计与实际要紧密结合,要多动头脑,勤思考,平时还要多练习软件。 ( 1)翻阅资料,查找公式; ( 2)计算并核算选型; ( 3)绘制设计相关的零件图和装配图; ( 4) 撰写毕业论文,交给老师审阅 ; ( 5) 准备答辩。 4 注: 1) 正文:宋体小四号字,行距 20 磅 ,单面打印;其他格式要求与毕业论文相同。 2) 中期报告由各系集中归档保存,不装订入册。 指导教师签字: 年 月 日 2011, 1, 47011 () 2011 of a rm , 9, 2011; , 2011; 5, 2011 he of to of of to as be a as an is do so no To we to a of of it . he is as of 1. to as of a an is a or to to of 2. on is SO as an in or 1. to or to a of An or to as as or 007 % 14,000 At 007 in an 0,000 3. to of an to to in a a of a of of 4. of SA of is to a of a to a of 5. In is of of to a of as of a at of 6. on to . 48 1,000 in of is of up an by In a a a to a is of a a to be to to In in to of an of to as be a as an 2. he of is on a to a 6 of a by of is to a of of is or it is to of As is in a is is is of . of of in it is to a of is of a of 4 a of of of is is in in . by to of is is 80 by 9. of on by In of 0 of at , it is by A. on B, B ) C D) as . of 2011 49A. . of . of B. of E) of D) of B) L = 1 of m (of C) m (of D) m (of E) of in as , B, 1)-(4). of , 5), , 6), to , 7) 8), 0 (1) .8 m s (2) 0 (3) .8 m s (4) 220E m CD D L M (5) 2202D c M (6) m 278.6 oz (7) m oz (8) on is a 80 oz/it is we at , 8), we at to is at is 60 oz/of be , 0 30 a 7.9 of be to to 2011 . 50 it a we to of It to t a on be as In to a to to in of . By of in in we of In we of of a on in a of it is an in in of is . 3. o of to of . D . a by as . a in in y in x z by xz as . In 9: z: in z x: in x y: in y as , 21as 9) 10). 2222180 BC x 2(9) 222122x z2(10) 0(11) is to 1 is to 2. is 2011 51A. . . 11). of in to to 4. he is of of it is to a to it be or is in an we of of is of is a as 0. is by a in 0. 5. he be or In a a a to a to do In we of a a a in it be in a of is 1. is 68 a as 2. is in of , it a it is to is is a It to a as as 3, a s 2011 . 52 1. of 2. 3. on or a In is n As is a as 4. to a to or to to is In x y z 1 2 by an so be in a is is a as 5. to In it a 4. 2011 53A. 5. of it an of be as A on is a 80. of is an in In of we of a of as a to In to a as 6, be to as an a in by a or a of we 6. to as 7. by by to on to a on or on by to of to We a to 6. 7. of is by a in it is by to by in to of an polarizati 毕业设计 (论文 )开题报告 题目: 凸轮轴机床的工件输送 机构 的设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 25 日 文)综述(题目背景、研究意义 及国内外相关研究情况 ) 目背景 在现代企业生产过程中,生产线零件的输送是非常重要的工作之一,随着生产自动化的发展,目前,这一工作已由机械手的自动搬运逐渐替代传统的人工完成。 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。 本课题设计一种在七工位凸轮轴加工机床上应用的机械手 ,用于实现工件的输送。明确机械手的功能、技术参数、工作原理、主要结构及特点。要求结构简单、抓取重量大、开合行程长、运行可靠 ,从而提高生产效率 。 究意义 机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备 【 1】 。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛 【 2】 。 因此,进行 凸轮轴机床的工件输送 机械手的研究设计具有重要意义。 我感觉 设计 所需 要 的知识 仅课堂所学的是完全不够的 ,但正是这样,才更 能锻炼自己,才更富有挑战,我想 在这次的设计中 我 一定会 尽全力做好的! 我国的工业机械手的研究研发开发始于 20世纪 70年代左右。 1972年我国的第一台工业机械手开发制造于上海,随着全国各省都开始研制和研发应用机械手。如今我国正从一个“制造型大国”向“制造型强国”迈进,中国的制造业正在面临着与国际接轨、世界接轨、参与国际分工的巨大工作和挑战当中 ,这将会给机械手产业发展注入新的动力和活力 【 3】 。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的不断提高,中国的机械手已在众多领域得到了广泛普遍的应用。已经从传统的 工业 制造领域向非制造领域延伸。如采矿机 器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。 在未来几年,我国将在传感技术、激光技术、工程网络技术中机械手将会被广泛应用,因此这些技术会使机械手的应用更为高效、高质,运行成本将更低 【 4】 。据一系列现象证据表明,今后机械手将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业生产等各领域得到广泛应用。 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 产品 5。 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。 在此基础上美国通过不断改进完善,研制出一系列新的机械手,美国的研制十分注意提高机械手的可靠性,改进其结构,降低其成本。德国从 1970年开始 在制造行业中应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。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的机械手后,便开始大力进行机械手的研究。 据报道, 1979年从事机械手的研究工作的大 专院校、研究单位多达 50多个 ; 1976年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。使用机械手最多的 行业 是汽车工业,其次是电机、电器 和电子行业 。 到目前在日本工作的工业机械手已有 100万台左右。 第二代机械手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。随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多 6。 究方法或措施 要内容 解凸轮轴机床工作原理,工业机器人的发展及在工业生产中的应用; 确该机械手的规格参数,分析其组成和工作原理; 成该机械 手的结构设计和主要部件的设计计算; 用软件绘制所设计机械手的装配图 。 究方案 轮轴机床的工作原理 如图 1 所示零件为凸轮轴。凸轮轴是发动机中的重要零件 之一 ,其通常是由具有多段高次曲线型面的非圆轮廓面组成,其升程、转角与砂轮半径之间存在非线性关系,且大部分凸轮轴属细长轴类零件 。 而凸轮轴加工精度和质量直接影响到发动机的质量、废气排放、使用寿命、节能和效率。 图 2 是某型号发动机的凸轮轴示意图 ,其法兰面上的孔系的加工是在一台卧式单面七工位的机床上完成的 ,该机床用一个多轴头在 5 个加工 工位上完成了 5 道加工工序。在加工工位之前有一个零件装卸工位 ,为了在装卸工位卸下工件 ,必须解决工件的返回问题。为此 ,我们设计了机械手在五个加工工位之后的等待工位抓取工件 ,并实现工件的返回。如图 3 所示 ,工位是装卸工位 ,工位是机械手抓取工位 ,凸轮轴从工位通过步伐式棘爪输送机构依次自动输送至 工位 ,而机械手用来实现工件由工位返回至工位。 图 1 凸轮轴 图 2 凸轮轴示意图 图 3 各工位布局图 械 手总体结构的设计 如图 4 所示 , 机械手装置安装在机床的侧面,机械手大臂的回转运动,靠液压缸 2 通过齿轮、齿条机构来实现。机械手小臂的升降,由油缸 1 驱动。手爪 4 的开合动作由液压缸 3驱动的连杆、滑块机构来实现。为了确保机械手大臂回转输送时,随行夹具在此时是平面平行移动,采用了平行四边形机构。机械手的动作顺序是:机械手在等待工位 (抓取工件工位 )等候 机械手小臂下降 手爪收拢抓取随行夹具 小臂上升 大臂回转至装卸料工位 小臂下降 手爪放松 小臂上升 大臂回转至等待工位等候。机械手的动作全部采用液压驱动,电气控制。 (1) 机械手腰座结构的设计 (2) 机械手手臂结构的设计 (3) 机械手手 腕 结构的设计 (4) 机械手手 爪 结构的设计 如图 5 所示,手爪是用来抓取工件的,要求其结构简单,动作灵敏,操作方便。 (5) 机械手 机械传动机构 的设计 (6) 机械手 驱动系统 的设计 图 4 机械手结构图 图 5 手爪示意图 究方法 先阅读毕业设计题目和任务书,查阅相关文献和资料,做出初步规划设计方案 , 积极开展调研论证; 陆 中国知网查阅资料文献; 出草图; 其进行深入的实践; 指导老师修改。 期已开展工作 究的重点及难点 机械手结构的设计 及其传动机构和驱动系统的设计 ;机械手零件设计及其 装配 关系;机械手的 技术参数、结构特点和受力分析 。 期已展开的工作 找和阅读大量期刊、书籍、报纸及优秀硕士论文分析相关数据; 步拟定了整体结构和设计方案; 习 零件的结构设计的有关知识; 学校电子阅览室查找了有关机械手的外文翻译。 按周次填写 ) ( 1) 1 3周:调研并收集资料; ( 2) 4 6周:明确该机械手的规格参数,分析其组成和工作原 理; ( 3) 7 9周:完成该机械手的结构设计计算; 注: 1) 正文:宋体小四号字,行距 20 磅 , 单面打印 ;其他格式与毕业论文要求相同。 2) 开题报告由各系集中归档保存。 3) 开题报告引用参考文献注释格式可参照附录 E“毕业设计(论文)参考文献样式”执行。 不进入正 文 ,可以作为附件放在开题报告后面。 ( 4) 10 12周:完成该机械手的装配图; ( 5) 13 15周:完成论文撰写,准备答辩。 课题的深度、广度及工作量的意见) 指导教师 : 年 月 日 审查 意见: 系主管领导 : 年 月 日 参考文献 1 姚志良 . 工业机械手浅谈(二) J. 组合机床与自定化技术 . 1977, (03) : 6- 9 2 郭益友 . 工业机械手在制造工艺中的发展及 应用 J. 淮南职业技术学院学报 . 2002, (01) : 5- 7 3 国内机械行业 . 机械手应用与技术发展概况(上) J. 科技简报 . 1975, (07) : 9- 11 4 邹莉 . 传感检测技术在机械手中的应用 J. 科技信息(学术研究) . 2008, (36) : 25- 31 5 吴振彪, 王正家 . 工业机器人 M. 武汉: 华中科技大学出版社 . 2006 6 W. of a by of 2000, (1) : 13- 18 7 陶湘厅 , 袁锐波 , 罗璟 . 气动机械手的应用现状及发展前景 J. 机床与液压 . 2007, (08) : 35- 41 8 雷勇涛 , 李大明 . 机械手运动稳定性分析 J. 茂名学院学报 . 2006, (01) : 13- 17 9 孙恒,陈作模,葛文杰 . 机械原理 M. 北京: 高等教育出版社 . 10 胡玉 睿 . 机械手原理 M 央广播电视大学出版社 . 2004 11 陆祥生 ,杨秀莲 . 机械手理论及应用 M 1985 12 马振福 . 液压与气压传动 M. 机械工业出版社 . 2004 13 裴仁清 . 机电一体化原理 . 上海大学出版社 . 1998 14 工业机械手设计基础编写组 . 工业机械手设计基础 M . 天津科学技术出版社 . 1980 15 方明伦 ,应振澍 ,裴任清 . 工业机器人 . 北京 :机械工程师进修大学 . 16 张建民 . 工业机械人 . 北京:北京理工大学出版社 . 1992 17 of of a J. 2007, (02) : 45- 57 18 . of a 5J. 2005, (02) : 23- 45 I 凸轮轴机床的工件输送机构的设计 摘 要 在现代企业生产过程中,生产线零件的输送是非常重要的工作之一,随着生产自动化的发展,目前,这一工作已由机械手的自动搬运逐渐替代传统的人工完成。 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。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备 。 本课题设计一种在七工位凸轮轴加工机床上应用的 机械手 ,用于实现工件的输送。明确机械手的功能、技术参数、工作原理、主要结构及特点。要求结构简单、抓取重量大、开合行程长、运行可靠 ,从而提高生产效率。 关键字 : 机器人; 抓取装置 ; 工业机械手 ; 手爪 AM of n of of is of of by of of to of a in of is of to or to a is a in of an in to of of it of is 录 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 目背景 . 错误 !未定义书签。 究意义 . 错误 !未定义书签。 内研究的情况 . 错误 !未定义书签。 外研究情况 . 错误 !未定义书签。 课题研究的主要内容 . 错误 !未定义书签。 轮轴机床的工作原理 . 错误 !未定义书签。 械手总体结构的设计 . 3 2 机械手的总体设计 . 错误 !未定义书签。 械手的设计原则 . 错误 !未定义书签。 械手的座标型式与自由度 . 错误 !未定义书签。 定大体参数 . 错误 !未定义书签。 械手的手部结构方案设计 . 6 械手的手 腕结构方案设计 . 错误 !未定义书签。 械手的手臂结构方案设计 . 错误 !未定义书签。 械手的控制方案设计 . 7 械手的主要技术参数 . 7 3 手部结构设计 . 9 持式手部结构 . 9 指的形状和分类 . 9 计时考虑的几个问题 . 9 部夹紧液压缸的设计 . 10 4 手腕结构设计 . 14 腕的自由度 . 14 腕的驱动力矩的计算 . 14 腕转动时所需的驱动力矩 . 14 转液压缸的驱动力矩计算 . 16 腕回转缸的 尺寸及其校核 . 17 5 手臂液压缸的尺寸设计与校核 . 19 臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 . 19 臂伸缩液压缸的尺寸设计 . 19 寸校核 . 19 导向装置 . 19 衡装置 . 20 臂升降液压缸的尺寸设计与校核 . 20 寸设计 . 20 寸校核 . 20 臂回转液压缸的尺寸 设计与校核 . 21 寸设计 . 21 寸校核 . 21 6 机械手的 制系统设计 . 23 编程序控制器的选择及工作过程 . 23 编程序控 制器的选择 . 23 编程序控制器的工作过程 . 23 编程序控制器的使用步骤 . 24 械手可编程序控制器控制方案 . 24 制系统的工作原理及控制要求 . 25 结 论 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 毕业设计(论文)知识产权声明 . 29 毕业设计(论文)独创性声明 . 30 1 设计和开发一个竞争低成本四自由度机器人手臂 作者: 收于 2011 年 10 月 19 日, 2011 年 11 月 7 日修订, 2011 年 11 月 15 日接受 文摘: 这项工作的主要焦点是设计、开发和实施低成本、强控制、有竞争力的机器人手臂。 设计四自由度和才华横溢的机器人手臂尽快实现精确简单的任务 ,如光材料处理 ,这将被集成到一个移动平台 ,作为一个助理工业的劳动力。机器人手臂配备有伺服电机来做手臂之间的联系和执行 手臂的动作。伺服电机包括编码器 ,以至于没有控制器实现。我们控制机器人使用 的 虚拟仪器 ,它执行逆运动学计算和串行通信的适当的角度对一个单片机 ,驱动伺服电机 的功能修改 位置、速度和加速度。 测试和验证的机器人手臂结果显示它正常工作。 关键词: 机器人手臂 ,低成本,设计,验证,四自由度 ,伺服马达 ,器人控制,虚拟仪器机器人控制 机器人术语实际上是定义为研究、设计和使用机器人系统制造 1。机器人通常用于执行不安全的 ,危险的 ,高度重复 ,和不愉快的任务。他们有很多不同的功能 ,如物料搬运、装配、电弧焊 、电阻焊、机床装载和卸载功能、绘画、喷涂等。 主要有两种不同的机器人 :服务机器人和工业机器人。服务机器人是机器人运行的半或全自主执行服务有用的福祉人类和设备 ,不包括制造业务 2。工业机器人 ,另一方面 ,是由 式定义为 可编程在三个或三个以上轴的 自动控制和多功能 的 机械手 1。 工业机器人的目的是实现材料、零件、工具或专门的设备通过变量编程动作来执行各种任务。一个工业机器人系统不但包括工业机器人而且包括任何设备和 /或传感器需要机器人来执行其任务以及测序或监控通信接口。 2007年世界市场增长了 3%,其中大约有 114000个新安装的工业机器人。 2007年底约有一百万工业机器人在使用中 ,相比之下 ,估计有 50000 服务机器人对工业使用 3。 由于使用的工业机器人手臂的增加 ,一个进化的话题开始试图模仿人类的动作在一个细节模式。例如一群学生在韩国做了一个机械手臂的设计创新 ,考虑到跳舞的手 ,举重 ,中国书法写作和颜色分类 4。另一组工程师在美国发展八自由度机器人手臂。这个机器人能够掌握很多形状对象从一笔一个球和模拟人类的手 2 5。 在太空中 ,航天飞机远程控制器系统 ,称为 和它的继任者是例子 ,多自由度机器人手 臂 ,已经被用来执行各种任务 ,如检查航天飞机的使用的一种专门部署与相机和传感器连接在末端的执行器和卫星部署和从航天飞机的货舱检索策略 6。 在墨西哥 ,科学家有望设计 和开发许多机器人手臂 ,墨西哥政府估计 ,在墨西哥大约有 11000个机器人手臂用在不同的工业应用。然而 ,专家认为 ,最奢华的机器人手臂不仅是高质量的 ,而且要准确、可重复性和粗短的成本。 大多数机器人设置为一个操作的教和重复技术。在这种模式下 ,一个训练有素的操作者 (程序员 )通常使用便携式控制装置 (一个示教器 )教机器人其任务手动。机器人的速度在这些编程会话 是缓慢的。目前的工作是一个两阶段的项目的一部分 ,这就需要一个移动机器人能够运输工具从库房到工业电解槽。在这个阶段 ,该项目开展的科技大学 ,墨西哥蒙特雷 ,主要关注的是设计 ,发展和实施一个工业机器人手臂粗短的成本、准确和优越的控制。 设计四自由度和才华横溢的机器人手臂尽快实现精确简单的任务 ,如光材料处理 ,这将被集成到一个移动平台 ,作为一个助理工业的劳动力。 机械设计的机器人手臂是基于机器人机械手和一个人类的手臂具有相似的功能 6 - 8。这样一个机械手的链接进行连接接头允许转动运动和链接的机械手被认 为形成一个运动链。业务结束的运动链机械手称为末端执行器或结束臂工具,它类似于人类的手。 图 1 显示了自由体对机械设计的机械臂。 如图所示 ,末端执行器不包括在设计中,因为商用夹具已被使用。这是因为 ,末端执行器是一种最复杂的系统的部分 ,反过来 , 比建造它更容易经济使用在商业中。 图 2 显示了工作区域的机械手臂。这是典型的工作空间有四自由度 (4 自由度 )机械手臂。机械设计仅限于 4 自由度主要是因为这样一个设计允许最必要的运动和保持成本和复杂的机器人有竞争力。 因此 ,转动关节活动受到限制 ,旋转完成约两轴肩和周围只有一个在手肘和手 腕 ,见图 1。 机械臂关节通常由电机驱动。 伺服电机的选择 ,因为它们包括编码器自动提供反馈到汽车和相应的调整位置。但是 ,这些汽车的缺点是 ,旋转范围小于 180跨度 ,大大降低了胳膊达到的区域和可能的位置 9。选择伺服电机基于最大扭矩所需的结构和可能的负载。在目前的研究中 ,这些材料用于结构丙烯酸。 3 图 1:自由体的机器人手臂 图 2:工作区域的机械手臂。 图 3 显示了用于负荷计算力线图。进行的计算只对关节最大的负载 ,因为其他 关节会有相同的运动 ,即电动机可以移动链接没有问题。计算考虑了 电动机 的重量 ,约 50克 ,除了 电动机的 重量在联合 B,因为它进行链接英航。 图 4显示了力图在链接 中包含关节 ()具有最高负荷 (携 带链接 D)和计算进行了如下。 值用于计算转矩: 重量链接 重量链接 重量链接 L = 1 负载 ) 电动机重量 ) m (长度链接 m (长度链接 m (长度链接 执行力的总和在 Y 轴 ,使用负载如图 4,和解决为 方程 (1)-(4)。类似地 ,执行时刻的总和在 C 点 ,方程 (5)和 B 点 ,方程 (6),得到扭矩在 C 和 B,方程 (7)、 (8),分别为。 4 所选择的伺服电机 ,根据计算结果 ,是 矩 280/盎司。 这个电动机 是推荐的 ,因为它比其他任何相同规格电动机更便宜。因为我们需要更多的扭矩在联合 B,见方程 (8),我们使用两个 电动机 在 然而 ,一个 电动机 对于其他关节是足够的。使用两个 电动机 联合 B 是比使用一个 560/盎司大的电动机便宜很多 。 在图 5 中的 其他相关特征的 电动机 ,他们可以在 130毫秒内转换 60度并拥有 一旦最初尺寸的机器人手臂和电动机被定义 ,设计进行使用 台 ; 设计应该仔细考虑亚克力板的厚度和其他每个碎片会被附加到 哪里 。 用来制造机器人 的 这个亚克力是 在 1/8 的厚度薄钢板 中 被选中 ,因为它方便加工 且 更少的重量与良好的阻力。 在设计过程中,我们遇到了一些困难,由于强烈的方式,加入薄丙烯酸部分。这是需要工具来燃烧, 并加入丙烯酸,并且不是小组认为,机械交界处的螺钉和螺母的基础上,将远强于其他的替代品,如胶水为例。为了做到这一点,一个小的功能的设计允许紧固螺栓与螺母,而无需拧入薄的丙烯酸层。这个过程的结果是在图 6中显示的三维设计。 设计结束,每个部分在满量程卡纸印刷,然后我们核实了所有的装配尺寸和 5 接口。反过来,我们建立了第一个原型的机器人手臂。接着,对上述机器人手臂的部分被加工的丙烯酸系片材,使用圆锯和皮肤工具。 因为 在一个专业的车间进行机器人手臂的部分太小,它不容易实现这样小和精确 的 切割 ,对 部分 详细说明做了专业研讨 。 在组装机器人部件与电机的过程中,很少有问题弹出。关键点无法抗拒紧固,反过来,可能会 出现故障 ,因此,加强这些点被 考虑在内 。上述机器人手臂的最终结果在图 7中所示。 图 3:机械手臂力线图 图 4:力图链接 图 5:伺服电动机 3 机器人 手 臂逆运动学 为了验证正确的定位的机器人手臂,逆运动学进行计算。这种计算被用于获得通过使用在笛卡尔坐标系统从给定的位置,如在图 8 中所示的每个电机的角度。每个电机将有一个特定的功能 :位于在 A 的电机中的 6 电动机 在 x 轴和 问题是简化使用 面 ,如图 9 所示。在这下面的已知值定义 9: 使用三角关系 ,如图 9所示 ,电动机角度得到 2 和 1, 见方程 (9)和 (10)。电动机 和电动机 。用于电机的角度 在方程( 11)中看到。这些计算,得到的伺服电机的角度并依次他们采取的行动,以移动整个结构的特定位置。 端部执行器可能是系统的最重要和最复杂的部分之一。明智的是,这是很容易使用一个商业和经济 建设。端部执行器,主要是根据应用程序和任务,机器人手臂的完成而变化,它可以是气动,电动或液压。由于我们的机器人手臂在电力系统中,我们可以选择的末端执行器的电气基础。此外,我们的系统的主应用程序的处理,因此,我们的最终建议类型的执行器,如在图 10 中示出的叼纸牙。请注意,端部执行器的控制由一个伺服电机,反过来,总伺服电机用于我们的机器人手臂 5移动的结构的电机。 机器人手臂可以自主或手动控制。在手动模式下,一个训练有素的操作者(程序员)通常使用的便携式控制装置(示教)教手动做任务的机器人。在这 些编程会话机器人的速度很慢。在当前的工作中,我们封闭了这两种模式。 所提出的机器人手臂的控制基本上包括三个层次:一个微控制器,驱动器,和一个基于计算机的用户界面。此系统具有独特的特性,可以在编程和控制方法,它是采用逆运动学的灵活性,除了它也可以被实现在全手动模式。在图 11 中所示的电子控制设计。 采用的微控制器是带有命名为“ ”开发 /编程板的 图 12所示。是非常类似于 有助于控制的 I / 时器, 7 串行通信的的几个 微控制器的选择,因 为它具有低的价格,这是很容易重新编程,编程语言是简单,和中断是可用于这个特定的芯片。 使用的驱动程序是一个六声道微型的大师伺服控制器板。它支持三种控制方式: 接连接到计算机, 口,用于与嵌入式系统,如 微控制器,内部脚本的自包含的,无主控制器应用程序。这个控制器中,如在图 13中所示,包括一个 进行测试,以验证的机器人的臂和它的组件。睾丸覆盖的特定元素和整个系统的,如在图 17 中示出。对于单片机,发生在测试的软件的微控 制器通过发送不同的命令和检查的输出连接到伺服电机,打开或关闭根据命令。 伺服电机进行测试之后通过不同的直接脉冲发送到每个伺服马达和验证移动到正确的位置的响应。我们使用了一个马克知道在哪里的初始位置,并通过与微控制器发送信号,反过来,它被解释由伺服和编码器所提供的信号相比,导致确定电机的最终位置到所需的位置的转动。在这个测试中,伺服电机是不一致的机器人手臂系统,因为不正确的极化。 伺服电机驱动器也使用 件测试将命令发送到微控制器发送特定的命令来驱动一台电机连接改变位置。重要的是要注意到,在项目开 始的选择,不同的伺服电机驱动器和微控制器之间的通信相关的几个问题的出现。所以,我们选择的驱动程序,它允许直接从计算机发送的数据到它与只有一个 以在手动控制的执行的情况下,所以单片机只会被用在案例的实现手动控制。 进行其他测试,以验证了整个系统的功能,如在图 18 中示出。通过引入一个特定的位置在 接口和测量的参考点之间的距离的最后一点,以便核实:从逆到直接运动学正确的转换,在指定的角度之间的关系的旋转而发生这些测试电机。 机器人手臂的测试和验证是需要细长的时间,因为需要多次迭代的任务之一 。在我们的测试中,出现许多问题:错误的角度的计算,错误校正电机,与物理的角度和位置的测量的问题,以及因过载而预期不会燃烧的伺服电机之一。 机器人手臂在不同的工作条件下,结果如下: 得到的伺服电动机的限制,因为这种类型的电机包含规范,它具有小于 180度的跨度。所有电机的实际的范围被认为是在范围 125 - 142度,如表 1中所示。这清楚地表明,实际操作机器人手臂的从旁观者情况下不同。 8 电流消耗取决于负载和机器人臂的运动的类型。在目前的研究中,有 4个级别的电 流消耗。 本文介绍了机器人的手臂,这有天赋完成简单的任务,如光材料处理的设计,开发和实施。机器人手臂的设计和建造由丙烯酸材料伺服电机,执行武器之间的联系和执行手臂的动作。伺服电机包括编码器,使得没有控制器实施,但是,电动机的旋转范围是小于 180的跨度,从而大大减小由臂和可能的位置达到的区域。限于四个自由度的机器人手臂的设计,因为这样的设计使大部分必要的运动和保持竞争力的成本和复杂性的机器人。不包括末端执行器的设计,因为市售夹具使用,因为它是非常容易和经济的使用不是建立一个商业。 在设计过程中,我 们遇到了一些困难,由于强烈的方式,加入薄丙烯酸部分。用螺钉和螺母的基础上的机械结,并为了实现这一点,一个小的功能被设计允许紧固螺栓与螺母,而无需拧入薄的丙烯酸层。 控制的机器人手臂,三种方法实现的:一个微控制器,一个驱动器,和一个基于计算机的用户界面。此系统具有独特的特性,可以在编程和控制方法,它是采用逆运动学的灵活性,除了它也可以被实现在全手动模式。这个机器人手臂是便宜得多的可用机器人手臂与他人的对比,也可以控制它的运动从一台计算机,使用 几个进行测试,以验证其中睾丸覆盖的特定 元件 和整个系统的机器人臂,在不同的操作条件下的结果表明的机器人手臂值得信任。 1 绪论 1 1 绪论 目背景 在现代企业生产过程中,生产线零件的输送是非常重要的工作之一,随着生产自动化的发展,目前,这一工作已由机械手的自动搬运逐渐替代传统的人工完成。 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。 本课题设计一种在七工位凸轮轴加工机床上应用的机械手 ,用于实现工件的输送。明确机械手的功能、技术参数、工作原理、主要结构及特点。要求结构简单、抓取重量大、开合行程长、运行可靠 ,从而提高生产效率。 究意义 机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备 1。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛 2。因此,进行 凸轮轴机床的工件输送 机械手的研究设计具有重要意义。 我感觉设计所需要的知识仅课堂所学的是完全不够的,但正是这样,才更能锻炼自己,才更富有挑战,我想在这次的设计中我一定会尽全力做好的! 我国的工业机械手的研究研发开发始于 20世纪 70年代左右。 1972年我国的第一台工业机械手开发制造于上海,随着全国各省都开始研制和研发应用机械手。如今我国正从一个“制造型大国”向“制造型强国”迈进,中国的制造业正在面临着与国际接轨、世界接轨、参与国际分工的巨大工作和挑战当中,这将会给机械手产业发展注入新的动力和活力 3。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的不断提高,中国的机械手已在众多领域得到了广泛普遍的应用。已经从传统的工业制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机 器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年,我国将在传感毕业设计(论文) 2 技术、激光技术、工程网络技术中机械手将会被广泛应用,因此这些技术会使机械手的应用更为高效、高质,运行成本将更低 4。据一系列现象证据表明,今后机械手将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业生产等各领域得到广泛应用。 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 产品 5。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。 在此基础上美国通过不断改进完善,研制出一系列新的机械手,美国的研制十分注意提高机械手的可靠性,改进其结构,降低其成本。德国从 1970年开始在制造行业中应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。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的机械手后,便开始大力进行机械手的研究。 据报道, 1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50多个 ; 1976年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。使用机械手最多的 行业 是汽车工业,其次是电机、电器 和电子行业 。 到目前在日本工作的工业机械手已有 100万台左右。 第二代机械手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。随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多 6。 课题研究的主要内容 轮轴机床的工作原理 如图 示零件为凸轮轴。凸轮轴是发动机中的重要零件之一,其通常是由具有多段高次曲线型面的非圆轮廓面组成,其升程、转角与砂轮半径之间存在非线性关系,且大部分凸轮轴属细长轴类零件 。而凸轮轴加工精度和质量直接影响到发动机的质量、废气排放、使用寿命、节能和效率。图 某型号发动机的凸轮轴示意图,其法兰面上的孔系的加工是毕业设计(论文) 3 在一台卧式单面七工位的机床上完成的 ,该机床用一个多轴头在 5 个加工工位上完成了 5 道加工工序。在加工工位之前有一个零件装卸工位 ,为了在装卸工位卸下工件 ,必须解决工件的返回问题。为此 ,我们设计了机械手在五个加工工位之后的等待工位抓取工件 ,并实现工件的返回。如图 工位 是装卸工位 ,工位是机械手抓取工位 ,凸轮轴从 工位通过步伐式棘爪输送机构依次自动 输送至 工位 ,而机械手用来实现工件由工位返回至工位。 图 轮轴 图 轮轴示意图 图 加工工位布局图 械手总体结构的设计 如图 示, 机械手装置安装在机床的侧面,机械手大臂的回转运动,靠液压缸 2 通过齿轮、齿条机构来实现。机械手小臂的升降,由油缸 1 驱动。手爪 4 的开合动作由液压缸 3 驱动的连杆、滑块机构来实现。为了确保机械手毕业设计(论文) 4 大臂回转输送时,随行夹具在此时是平面平行移动,采用了平行四边形机构。机械手的动作顺序是:机械手在等待工位 (抓取工件工位 )等候 机械手小臂下降 手爪收拢抓取随行夹具 小臂上升 大臂回转至装卸料工位 小臂下降 手爪放松 小臂上升 大臂回转至等待工位等候。机械手的动作全部采用液压驱动,电气控制。 图 械手结构图 2 机械手的总体设计 5 2 机械手的总体设计 对液动机械手的基本要求是能快速、准确地拾 就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液动机械手的原则是 :充分分析作业对象 (工件 )的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件 ;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械手是通用液动上下料机械手(如图 是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它也可用于操作环境恶劣的场合。 图 毕业设计(论文) 6 按机械手手臂的不同运动形式 及其组合情况,其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度(如图 定大体参数 a. 抓重: 15 千克 b. 自由度数: 4 个 c. 小臂升降范围: 0 200cm d. 大臂回转范围: 0 90 e. 手爪夹持范围: 0 100 本设计机械手夹持工件为凸轮轴,为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。 根据工件的结构特点 ,机械手手指采用平移型双毕业设计(论文) 7 手双指式手指来夹持工件的两端 ,其手指通过连接架与手指开合油缸端部相连接 ,如图 示。 图 械手结构图 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液压缸 。 按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和降 (或俯仰 )运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器 (机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时,只需改变 常方便快捷。 毕业设计(论文) 8 a. 机械手的最大抓重是其规格的主参数,由于是采用液动方式驱动, 因此考虑抓取的物体不应该太重,查阅相关机械手的设计参数,结合工业生产的实际情况,本设计设计抓取的工件质量为 15公斤。 b. 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。如图 作范围对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 最大回转速度设计为 s/90 ,平均移动速度为 平均回转速度为 s/60 。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用 自动传送装置为好。根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为 600大工作半径约为 手臂升降行程定为 200 图 部结构设计 9 3 手部结构设计 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 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。 a. 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。 b. 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。 c. 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。 d. 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,当应毕业设计(论文) 10 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。 e. 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 a. 手部驱动力计算 本课题液动机械手的手部结构如图 图 其工件重量 G=15公斤, 1202 , 41 2 0 ,摩擦系数为 10.0f 。 (1) 根据手部结构的传动示意图,其驱动力为 : N (2) 根据手指夹持工件的方位,可得握力计算公式 : )( ()(25)42560( 毕业设计(论文) 11 所以 N )(245 N (3) 实际驱动力 : 21实际因为传力机构为齿轮齿条传动,故取 ,并取 K 。若被抓取工件的最大加速度取 时,则 : 412 所以 )(p 实际所以夹持工件时所需夹紧液压缸的驱动力为 b. 液压缸的直径 本液压缸属于单向作用液压缸。根据力平衡原理,单向作用液压缸 活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力,其公式为 : 4 21 (式中 : 1F - 活塞杆上的推力, N; 簧反作用力, N; 液压 缸工作时的总阻力, N; P - 液压缸工作压力, 弹簧反作用按下式计算 : )( (1418 (式中 :簧刚度, N/m; l - 弹簧预压缩量, m; s - 活塞行程, m; 1d - 弹簧钢丝直径, m; 1D - 弹簧平均直径 ,m; n - 弹簧有效圈数 ; G - 弹簧材料剪切模量,一般取 。 在设计中,必须考虑负载率 的影响,则 : 421 (毕业设计(论文) 12 由以上分析得单向作用液压缸的直径 : (4 1 (代入有关数据,可得 fG 4333915)1030(8) )/( )1( )(N 所以 : 1(4 )( 查有关手册圆整,得 5 由 可得活塞杆直径 : ( 圆整后,取活塞杆直径 8 校核,按公式 )4/( 21 有 : /14( 其中, , 501 则 : 2 0/4 9 04( d 满足实际设计要求。 c. 缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力,必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10,其壁厚可按薄壁筒公式计算 : 2/ ( 式中 :6- 缸筒壁厚, D - 液压缸内径, 验压力,取 材料为 : =3入己知数据,则壁厚为 : 毕业设计(论文) 13 2/ )(032/(10665 65 取 ,则缸筒外径为 : )( 4 手腕结构设计 14 4 手腕结构设计 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 用最多的为回转油 (气 )缸,因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑,但回转角 度小于 360 ,并且要求严格的密封。 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。图 毕业设计(论文) 15 图 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : 封摩偏惯驱 ( 式中 : 驱驱动手腕转动的驱动力矩 ( ); 惯惯性力矩 ( ); 偏参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 ( ); 封手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 ( )。 下面以图 4析各阻力矩的计算 : a. 手腕加速运动时所产生的惯性力矩惯腕转动时的角速度为 ,起动过程所用的时间为 t ,则 : ).(1 )(惯(式中 :J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ).( 2 1J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ).( 2 若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量 1J 为 : 毕业设计(论文) 16 c 11 21e (式中 : 件对过重心轴线的转动惯量 ).( 2 1G - 工件的重量 (N); 1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距 ( - 手腕转动时的角速度 (弧度 /s); t - 起动过程所需的时间 (s); - 起动过程所转过的角度 (弧度 )。 b. 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩偏M偏M 11+ 33( ) (式中 : 3腕转动件的重量 (N); 3腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 ( 当工件的重心与手腕转动轴线重合时,则 11 。 c. 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M封M )(2 12 A ( ) (式中 : 1d , 2d - 转动轴的轴颈直径 ( f - 摩擦系数,对于滚动轴承 01.0f ,对于滑动轴承 1.0f ; 处的支承反力 (N),可按手腕转动轴的受力分析求解。 根据 0 )( ,得 : 33 22 l 32211 同理,根据 (F) 0 ,得 : l )()()( 332211 式中 : 2G - 重量 (N); 321 , 图 4 d. 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M,与选用的 密封 装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸,它的原理如图 片 1与缸体 2固连,动片 3与回转轴 5固连。动片封圈 4把气腔分隔成两个 。 当压缩气体从孔 动输出轴作逆时 4回转,则低压腔的毕业设计(论文) 17 气从 之,输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力 )( 2 22 p 或 2)( 22 腕回转缸的尺寸及其校核 a. 尺寸设计 液压缸长度设计为 00 ,液压缸内径为 1D =96径 8 ,轴径 2D =26径 3 ,液压缸运行角速度 = s/90 ,加速时 间 t =强 , 则力矩: 2 )(22 ).( 2 226 b. 尺寸校核 (1) 测定参与手腕转动的部件的质量 01 ,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径 0 的圆盘上,那么转动惯量: 221 2 ( 工件的质量为 5质量分布于长 00 的棒料上,那么转动惯量: ).(c假如工件中心与转动轴线不重合,对于长 00 的棒料来说,最大偏心距 , 01 ,其转动惯量为 : ).(0 1 6 4 c毕业设计(论文) 18 惯 )( 1).( (2) 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为偏M,考虑手腕转动件重心与转动轴线重合, 01 e ,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线03 ,则: 偏M 11+ 33).( (3) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M,对于滚动轴承 01.0f ,对于滑动轴承 f =1d , 2d 为手腕转动轴的轴颈直径, 01 , 02 , 轴颈处的支承反力,粗略估计 00 , 50 。 摩M )(2 12 A ) ).(05.0 ( 4) 回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M,与选用的 密封 装置的类型有关,应根据具体情况加以分析。在此处估计封 封M 3摩M ).(15.0 封摩偏惯驱 ).(29 所以,设计 尺寸符合使用要求。5 手臂液压缸的尺寸设计与校核 19 5 手臂液压缸的尺寸设计与校核 手臂伸缩液压缸采用烟台液动元件厂生产的标准液压缸,参看此公司生产的各种型号的结构特点,尺寸参数,结合本设计的实际要求,液压 缸用 寸系列初选内径为 100/63。 a. 在校核尺寸时,只需校核液压缸内径 1D =63径 R=设计使用压强 ,则驱动力: 2 ()(6N b. 测定手腕质量为 50计加速度 )/(10 ,则惯性力: 1 ()(5001050N c. 考虑活塞等的摩擦力,设定摩擦系数 2.0k 。 ( )( 所以 总受力 10)(600100500N 0 , 所以标准 气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动, 以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂结构时,应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具毕业设计(论文) 20 体结构和抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆,双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 在本设计中,为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态,减少手抓一侧重力矩对性能的影响,故在手臂伸缩液压缸一侧加装平衡装置,装置内加放砝 码,砝码块的质量根据抓取物体的重量和液压缸的运行参数视具体情况加以调节, 务必 使两端尽量接近平衡。 液压缸运行长度设计为 l =118压缸内径为 1D =110径 R=55压缸运行速度,加速度时间 t =强 P=驱动力: 0 . 26 )(3799 N a. 测定手腕质量为 80重力: )(8001080N b. 设计加速度 )/(5 ,则惯性力: 1 )(400580N c. 考虑活塞等的摩擦力,设定一摩擦系数 1.0k 。 )( 所以总 受力 1)(124040400800N 毕业设计(论文) 21 0, 所以设计尺寸符合实际使用要求。 液压缸长度设计为 20 ,液压缸内径为 101 ,半径 R=105径 02 , 半径 0 ,液压缸运行角速度 = s/90 ,加速度时间t 强 ,则力矩: 2 )(22 ).(2552)26 a. 测定参与手臂转动的部件的质量 201 ,分析部件的质量分布情况,质量密度等效分布在一个半径 00 的圆盘上,那么转动惯量: 221 2 ( ( b. 考虑轴承,油封之间的摩擦力,设定一摩擦系数 2.0k 。 惯摩 )( 总驱动力矩: 摩惯驱 毕业设计(论文) 22 )( , 设计尺寸满足使用要求。6 机械手的 制系统设 计 23 6 机械手的 考虑到机械手的通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器 (机械手进行控制 需改变 常方便快捷。 目前,国际上生产可编程序控制器的厂家很多,如日本三菱公司的 C,德国西门子公司的 C、日本 石 )公司的 虑到本机械手的输入输出点不多,工作流程较简单,同时考虑到制造成本,因此在本次设计中选择了 28 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各 种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。 第一阶段是初始化处理。 可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连, 入输出状态暂存器也称为 I/0状态表 中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器 ;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时, ,然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后,进入下一阶段。 第二阶段是处理输入信号阶段。 在处理输入信 号阶段, 获得的各个输入端子的状态信息送到 I/0状态表中存放。在同一扫描周期内,各个输入点的状态在 I/0状态表中一直保持不变,不会受到各个输入端子信号变化的影响,因此不能造成运算结果混乱,保证了本周期内用户程序的正确执行。 第三阶段是程序处理阶段。 当输入状态信息全部进入 I/0状态表后, 这个阶段中,可编程序控制器对用户程序进行依次扫描,并根据各 I/0状态和有关指令进行运算和处理,最后将结果写入 I/0状态表的输出状态暂存器中。 毕业设计(论文) 24 第四阶段是输出处理阶段。 将运算结果写入到 I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,控制被控设备进行各种相应的动作。然后, 在可编程序控制器与被控对象 (机器、设备或生产过程 )构成一个自动控制系统时,通常以七个步骤进行 : a. 系统设计 即确定被控对象的工作原理,控制要求,动作及动作顺序。 b. I/0分配 即确定哪些信号是送到可编程序控制器的,并分配给相应的输入端号 ;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的,并分配相应的输出端号 用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。 c. 画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同,表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器 (则画出梯形图相当于编制出了程序,可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器,则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。 d. 助记符机器程序 相当于微机的助记符程序,是面向机器的 (即不同厂家的可编程序控制器,助记符指令形式不 同 ),用简易编程器时,应将梯形图转化成助记符程序,才能将其输入到可编程序控制器中。 e. 编制程序 即检查程序中每条语法错误,若有则修改。这项工作在编程器上进行。 f. 调试程序 即检查程序是否能正确完成逻辑要求,不合要求 ,可以在编程器上修改。程序设计 (包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试 )也可在别的工具上进行。如 要这个机器配有相应的软件。 g. 保存程序 调试通过的程序,可以固化在 毕业设计(论文) 25 求 a. 控制对象为圆柱座标液动机械手。它的手臂具有三个自由度,即水平方向的
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