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凸轮轴 机床 工件 输送 机构 设计

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毕业设计（论文）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1.1凸轮轴图1.2凸轮轴示意图图1.3各加工工位布局图1.5.2机械手总体结构的设计如图1.4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。图1.4机械手结构图252 机械手的总体设计2.1机械手的设计原则对液动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这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2.1所示），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2.1机械手的整体机械结构2.2机械手的座标型式与自由度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2.2所示）。2.2.1确定大体参数a. 抓重：15千克b. 自由度数：4个c. 小臂升降范围：0200cmd. 大臂回转范围：090e. 手爪夹持范围：0100cm图2.2机械手的运动示意图2.3机械手的手部结构方案设计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2.3所示。图2.3机械手结构图2.4机械手的手腕结构方案设计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。2.5机械手的手臂结构方案设计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。2.6机械手的控制方案设计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(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7机械手的主要技术参数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2.4所示，工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，平均移动速度为，平均回转速度为。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600mm,最大工作半径约为，手臂升降行程定为200cm。图2.4机械手的工作范围3 手部结构设计3.1夹持式手部结构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。3.1.1手指的形状和分类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。3.1.2设计时考虑的几个问题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V型。3.1.3手部夹紧液压缸的设计a. 手部驱动力计算本课题液动机械手的手部结构如图3.1所示：图3.1齿轮齿条式手部其工件重量G=15公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为。(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (3.1)(2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: (3.2) 所以(3) 实际驱动力:因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以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: (3.3)式中: - 活塞杆上的推力，N； - 弹簧反作用力，N；- 液压缸工作时的总阻力，N；- 液压缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算: (3.4) (3.5)式中:- 弹簧刚度，N/m；l - 弹簧预压缩量，m；- 活塞行程，m；- 弹簧钢丝直径，m；- 弹簧平均直径,m；- 弹簧有效圈数；- 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: (3.6)由以上分析得单向作用液压缸的直径: (3.7)代入有关数据，可得所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则: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: （3.8）式中:6- 缸筒壁厚，mm；- 液压缸内径，mm；- 实验压力，取, Pa。材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为: 取，则缸筒外径为: 4 手腕结构设计4.1手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x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(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，并且要求严格的密封。4.2手腕的驱动力矩的计算4.2.1手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。图4.1所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕 图4.1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: （4.1）式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩()；- 惯性力矩()；- 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()；- 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4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:a. 手腕加速运动时所产生的惯性力矩若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: (4.2)式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量；- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为: (4.3)式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量；- 工件的重量(N)；- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)；- 手腕转动时的角速度(弧度/s)；- 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 + () (4.4)式中: - 手腕转动件的重量(N)； - 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)。当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则。c. 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 () (4.5)式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm)；- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解。根据,得:同理，根据(F),得:式中:- 重量(N)；- 如图4-1所示的长度尺寸(cm)。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。4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算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4.2所示，定片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a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为: 或 4.2.3手腕回转缸的尺寸及其校核a. 尺寸设计液压缸长度设计为,液压缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,液压缸运行角速度=，加速时间=0.1s,压强，则力矩： b. 尺寸校核(1) 测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （）工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距,，其转动惯量为: (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，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： + (3) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,。 （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。在此处估计为的3倍。3 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5.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核5.1.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计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CTA型液压缸，尺寸系列初选内径为100/63。5.1.2尺寸校核a. 在校核尺寸时，只需校核液压缸内径=63mm,半径R=31.5mm的液压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力： (5.1) b. 测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力： (5.2)c. 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数。 （5.3）所以总受力，所以标准CTA液压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。5.1.3导向装置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。5.1.4平衡装置在本设计中，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。5.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核5.2.1尺寸设计液压缸运行长度设计为=118mm,液压缸内径为=110mm,半径R=55mm,液压缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强P=0.4MPa,则驱动力：5.2.2尺寸校核a. 测定手腕质量为80kg,则重力：b. 设计加速度，则惯性力： c. 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数。 所以总受力 ，所以设计尺寸符合实际使用要求。5.3手臂回转液压缸的尺寸设计与校核5.3.1尺寸设计液压缸长度设计为,液压缸内径为,半径R=105mm,轴径，半径,液压缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强,则力矩： 5.3.2尺寸校核a. 测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：（）b. 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数。 总驱动力矩： ，设计尺寸满足使用要求。毕业设计（论文）6 机械手的PLC控制系统设计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(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6.1可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1可编程序控制器的选择目前，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F系列PC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考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OMRON公司的C28P型可编程序控制器。6.1.2可编程序控制器的工作过程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，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其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，CPU首先使I/0状态表清零，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，CPU对输入状态进行扫描，将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，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，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。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到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，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2可编程序控制器的使用步骤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.此外，对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(LCD或CRT)，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IBM-PC机，只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EPROM中或保存在磁盘上备用。6.3机械手可编程序控制器控制方案6.3.1控制系统的工作原理及控制要求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，即水平方向的伸、缩；竖直方向的上、下；绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置机械手，还可完成抓、放功能。以上各动作均采用液动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个液压缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使液压缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。b. 控制要求为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。(1) 手动工作方式便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。(2) 单动工作方式从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步的工作后，自动停止。(3) 自动工作方式按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续工作，直到按下停止按钮，机械手在完成最后一个周期的动作后，返回原点自动停机。结 论毕业设计是大学四年所学知识的一个考察,它兼顾了四年中所学的基础和专业知识,因此不同于以前的课程设计,毕业设计是课程设计一个质的飞越.认识到这点,我对待毕业设计的态度也不敢懒散,一直抱以认真谨慎的学习态度。在接到毕业设计课题后首先要做的就是搜集各方面的资料，以前的课程设计都是老师给出的，不用自己去烦恼。但是毕业设计就不同了，它是一个综合设计，很多资料，数据都需要自己通过各种途径搜集得到。在本次设计中，要用到许多基础理论，由于有些知识已经遗忘，这使我们要重新温习知识，因此设计之前就对大学里面所涉及到的有关该课题的课程认真的复习了一遍，开始对本课题的设计任务有了大致的了解，并也有了设计的感觉。同时，由于设计的需要，要查阅并收集大量关于机械制造方面的文献，进而对这些文献进行分析和总结，这些都提高了我们对于专业知识的综合运用能力和分析解决实际问题的能力。通过本次设计还使我更深切地感受到了团队的力量，在与同学们的讨论中发现问题并及时解决问题，这些使我们相互之间的沟通协调能力得到了提高，团队合作精神也得到了增强。可以说，毕业设计体现了我们大学四年所学的大部分知识，也检验了我们的综合素质和实际能力。同时也跨出了我的工程师之路的第一步。致 谢为期三个多月的毕业设计就要结束了，我也顺利的完成了我的课题设计，在此之际我要衷心的感谢在设计过程中一直帮助我支持我的老师。我要感谢指导老师，老师在整个设计过程中对我的影响很大，设计过程中的很多个难点都是在老师的悉心指导下才克服的。还有老师为人热心、和蔼、负责、治学严谨细心也是我在整个设计过程中感受最深的。也因为这样，和老师之间存在着师生心理障碍一下全无，我也就大胆的有问题就问，有想法就提，这也使得我能更多的发现设计中存在的问题，并解决问题。老师严谨的治学态度，渊博的专业知识，诲人不倦教学精神，在学术上和为人上都是我们的楷模和榜样。同时我还要感谢跟我一起参与设计的同学，虽然我们课题不同，但是都能在讨论中发现各自的问题，并互相提出解决的方法，设计能够顺利完成，也因为他们的帮助。结束代表着新的开始，新的征程，本次的毕业设计将会成为我今后工作，学习生活中的一份坚实的基础和保证。从中吸取的经验教训也将成为我们在今后生活道路上的一笔财富，挫折永远是前进道路上所必须面对的，相信我们的未来会走的更好，也可以让我们大学的老师放心。真心的感谢在大学帮助过我的老师和同学们，再次感谢你们！最后，衷心感谢于百忙之中评阅论文的各位老师、专家、教授！谢谢！西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）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 Tsai LW. Solving the inverse dynamics of a Stewart-Cough manipulator by the principle of virtual work. Journal of Mechanical Design . 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. 2006.10 胡玉睿. 机械手原理 M .北京：中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 .中国铁道出版社.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. 1989. 16 张建民. 工业机械人. 北京：北京理工大学出版社. 1992.17 HILLER Manfred. Simulation Modeling of the Motion Control of a Two Degree of Freedom,Tendon Based,Parallel Manipulator in Operational Space Using MATLAB J. Journal of China University of Mining & Technology. 2007，(02) ：45- 57.18 Carlos，Acosta Calderon，John Q. Gan. An Analysis of the Inverse Kinematics for a 5-DOF Manipulator J. International Journal of Automation and Computing. 2005，(02) ：23- 45.毕业设计（论文）独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。毕业设计（论文）与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。毕业设计（论文）作者签名：指导教师签名：日期：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.设计（论文）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。1.1在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。1.2机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。1.3机械手整体结构如图1所示。图1 机械手整体结构图1.4设计整体为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。1.5设计的工作原理如下：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，然后手指张开将工件松开。小臂上升，大臂反方向回转复位。1.6手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1.7大臂回转机构设计依靠带齿轮的无杆活塞油缸,通过齿轮-齿条机构实现大手臂的回转。如图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01mm左右的间隙,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2.存在问题级解决措施：2.1确定大体参数（1）抓重：15千克（2）自由度数：3个（3）小臂升降范围：0200mm（4）大臂回转范围：090（5）手爪夹持范围：0100mm2.2大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=N1/N2=Z1/Z22.3不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。3.后期工作安排：（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。 指导教师签字： 年 月 日注：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。4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1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）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。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1主要内容2.1.1了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；2.1.2明确该机械手的规格参数，分析其组成和工作原理；2.1.3完成该机械手的结构设计和主要部件的设计计算；2.1.4应用软件绘制所设计机械手的装配图。2.2研究方案2.2.1凸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2.2.2机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