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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘 要冲压上下料机械手主要是为了提高工厂的生产效率，减小工人的工作量而设计的，其设计思路和原理也是依托工程在冲压生产过程中的特点，根据生产需要所设计的专门应用冲压作业的自动化机械设备。本次毕业设计首先根据设计要求，结合实际生产过程，去图书馆查阅了相关设计资料，同时利用网络资源，在视频网站上观看研究了现在已有的冲压上下料机械手工作工程，为后面的设计提供思路；在前期查阅相关资料的基础上介绍了现有机械手的主要应用和组成，并根据设计要求确定了本次设计所设计的机械手的整体设计方案，对关键部件做了相应的选型计算，利用三维建模软件绘出三维模型，再以此为基础转成二维工程图纸；在机械设计的同时，要根据设计要求分析机械手控制并制定控制方案。关键词 机械手；三维建模；冲压第 II 页 共 页本 科 毕 业 设 计AbstractUp-down material characteristics in the process of stamping manipulator is based on the actual production, specially in order to improve the production efficiency, human liberation and so on and developed an automated machinery and equipment. Based on the search after reading information about manipulator, simply introduces the function, composition and classification. Overall design of manipulator in accordance with the requirements of project, to determine the coordinates of the manipulator, degrees of freedom of movement and technical parameters of the manipulator. According to the manipulator hand, wrist, arm, and the fuselage structure design and calculation of the obtained data, and through 3D software solidworks to map the product model, and finally to improve the structure of the manipulator. At the same time, draw the manipulator working principle of the pneumatic system diagram, select the appropriate components. Using PLC to control the manipulator, selected the suitable PLC model; According to the working process of the manipulator made the control scheme of programmable controller, draw the operation flow chart of the manipulator.Key Words manipulator Parameter design Software simulation Stamping目 录1 绪论411 引言412 机械手概述413 机械手的组成52 机械手总体设计方案721 机械手分类723 控制方案的确定925 机械手技术参数确定103 手腕回转结构设计113.1 手腕处轴承的选择113.2 电机及减速器选择123.3 同步带选择123.4 带轮的设计134 手臂伸缩装置结构设计154.1 伸缩装置结构方案设计154.2 直线导轨与滑块的选择164.3 传动同步带选择与相应带轮的设计175 机械手升降部分结构设计195.1 滚珠丝杠的选择195.2 伺服电机的选择216 机械手臂旋转设计246.1 转盘轴承的选择246.2 伺服电机的选择以及减速比的确定25致谢26参 考 文 献27第 27 页 共 40 页本 科 毕 业 设 计1 绪论11 引言机械手的主要作用就是在实际生产过程中用来抓取和移动工件，是现代企业生产加工过程中主要应用最为广泛的机械自动化设备1。机械手的广泛应用不仅可以减小工人劳动力，而且相对人工而言，机械手的工作效率更高，同时，机械手在实际生产中，经常也会碰到比较危险的工作情况，这时，如果是人工进行作业就非常危险，而机器人的应用就会有效的避免工作人员受伤的情况，进而提高工程生产效率和生产安全性。随着我国经济的快速发展，我们国家的工业自动化程度也有了大幅度的提高，机械手在工业中的应用也越来越广泛，现在的机械手已经从单一的抓取、移动工件发展成为可以进行工业装配这样复杂作业的机械手，机械手的工作精度也在逐步提高，作业性能越来越强2。虽然近些年我国自动化程度得到了很大的提升，但相对于国外的很多工业发达国家，例如：美国、日本、德国等，我们国家的机器人水平还是比较落后的，无论是机械人的作业效率、工作精度还是结构设计，我们国家和那些制造业发达的国家相比都比较落后。当今世界，制造业水平就代表着国家的世界地位，因此，对机械手的深入研究是十分有价值的。12 机械手概述很早之前的机械手和现在广泛应用在工业生产中的机械手有很大的差别，前期的机械手功能比较单一，它的工作就是在一些机床边上，用机械来完成简单的上下料工作，这种功能比较单一，只是简单的抓取或者移动工件，正因如此，这类机械手的设计也相对简单，但它的应用性能很好，只需要完成固定的工作就行，出错概率小。但是随着经济发展，科技飞速进步，工业自动化水平也不断提高，特别是计算机语言，智能化的出现，这给机械手的发展带来了福音，于是出现了可编程序控制的机械手，通过各种编程语言对机械手进行控制，让它来完成程序里指定的动作，应用性强且可操作性更高3。一个机械手的设计研发结合了现代社会里的各种高新技术，例如：计算机、自动控制理论、机械原理、机械设计、力学、材料学、传感气技术、人工智能等等，机械手作为应用最广泛的自动化设备，由于他自身独特的应用性能而被不断研究制造，进而逐步的形成了一个信息水平和市场活跃度高、应用范围广泛的技术领域。从某种意义上来说，机械手的研发应用水平也就代表了一个国家的自动化水平。13 机械手的组成一个完整的机械手系统主要包括了一下几个方面：1）执行机构；2）驱动系统3；）控制系统；4）位置检测装置。组成机械手的各个系统之间有着不同的关系，具体如图1.1所示。图1.1 机械手的组成方框图控制系统驱动系统执行机构被抓取工件位置检测装置1) 执行机构组成机械手的执行机构的部件主要有下面这几个：手部 、手腕、手臂和立柱等，这些部件的设计基本都是参考人的行为动作，根据人工作业时的流程和动作来设计机械结构。(a) 手部机械手执行机构里的手部，类似于人的手，用来抓取或者移动物品的。由于抓取物品的方式多种多样，机械手的手部结构也就会有很多种，我们根据机械手执行部件的手部和被抓取物件之间接触方式的的不同，可以将手部大致分为夹持式和吸附式两种。(b) 手腕手腕是机械手的关键部件，它主要是用来连接机械手的手部和手臂。(c) 手臂手臂是整个机械手系统的关键部件，它主要是用来支承手部，同时在进行作业时，手臂也要支撑被抓物件的的重量。机械手的手臂在驱动力的作用之下将驱动机械手的手部来抓取物件，然后将按照我们之前所编定好的程序，将物料送到我们所要求的位置。在设计机械手臂时，一定要考虑到手臂的承载问题，确保手臂能够满足承载要求。2) 驱动系统我们在设计机械手系统时，驱动系统是设计的关键点，这个机械手系统要想正常的工作，没有合理的驱动系统是无法实现的。而保证机械手运动部件动作的动力装置主要是由动力源、控制调节装置以及辅助装置几个部分组成。经过查阅大量机械人方面的设计材料以及各大工厂已经在投入使用的机械人结构，总结出来机械系统的驱动系统一般包括有液压、气压、电机或者机械驱动等几种，每种的应用范围已经设计难度和成本也各不相同，具体选择要根据实际设计需要来进行确定。2 机械手总体设计方案我们在设计机械手时要满足一定的设计原则：根据实际工作需要分析相关设计要求，在满足了系统功能的前提下，要尽可能的保证动作合理平稳，尽量选择简单易于控制的结构，并且在能满足工作要去的情况下要尽量选择成本较低的结构，节省费用。21 机械手分类1) 按使用范围虽然现在市场上的机械手种类众多，性能也各不相同，但是，不同类型的机械手的应用范围也各不相同，我们根据机械手的实际应用可以把机械手大致分为两类，一是专用机械手，二是通用机械手。(a) 专用机械手所谓的专用机械手，这类机械手的结构简单，功能较为单一，一般是设置在某台机床或者其他设备旁边，这类机械手也会有固定的运行程序来完成作业，但是它没有独立的控制系统，因此这类机械手的动作简单，可能只是一个或者几个简单固定的动作，正因如此，这种机械手的工作对象也是比较单一的，只能是固定大小形状的零件，但是这类机械手的造价也比较低，属于是早期的机械手，一般应用在需要大批量生产的场合，例如自动化生产线、机床上下料等7。(b) 通用机械手通用机械手和专用机械手有很大的不同，这类机械手具有自己独立的控制系统，程序也是可以调节的，这类机械手运动更加灵活，且动作多样。一般情况下，通用机械手的驱动系统和它的控制系统都是独立存在的，它可以在机械手的应用范围内，通过改变我们之前所设计的控制程序，就可以让机械手在不同的工作条件下进行生产作业，所以这类机械手被广泛应用在小批量的加工生产中，一般在进行小批量生产的产品规格都不是同一的，要根据不同的规格进行作业，这类机械手的灵活性刚好满足要求。2) 按驱动方式(a) 液压传动机械手液压传动机械手的工作原理就是通过液压来驱动执行机构进行运动。这类机械手的特点就在于，由于是液压驱动的，所以机械手的抓取力很大，而且传动平稳，整个机械设备的结构合理，布局紧凑。但是也有它自身的缺点，由于是液压驱动，机械手的动力来源就是液压，由于液压油的特殊性，它的应用条件就受到了很大限制，特别是在一些高温、高压、低温等条件下，液压传动可能就会受影响，同时，由于是液体的流动性，液压传动的关键就是密封问题，这将直接影响机械设备的使用安全及性能。(b) 气压传动机械手气压传动机械手的工作原理就是通过压缩空气的方式来驱动机械手的执行部件运动。这类机械手的主要特点就是，气源比较方便获得，而且成本较低，空气获取方便，并且空气的输出力也比较小，气压传动的特点就是速度快，设备的结构合理，设备的后期维修方便。但是，这类机械手也有一些缺点，因为压缩介质为空气，气体具有压缩特性，这样就会导致设备在工作过程中可能会由于工作速度的影响而导致运行不稳定的情况，由于气动一般都比较快，所以工作时设备的冲击也就比较大，另外一个关键部分就是抓取力，由于气源额压力比较低，所以在通过气压传动时，由于压力的限制就是对抓取物尺寸有一定的限制。(c) 机械传动机械手机械传动机械手和其他传动方式的机械手不同，这类机械手的传动主要是依靠纯机械结构来实现，在我们之前所学习的机械原理和机械设计中我们知道，连杆机构、齿轮传动机构、凸轮机构以及各种间歇机构都能都实现机械传动。由于机械结构的机械性，工作方式也就比较单一，因此这类结构的机械手一般都是作为某种设备的专用机械手，这类机械手的主要特点就是结构刚度高，运动频率大，但是由于这类机械手传动部件采用的是纯机械结构，所以它的结构尺寸相对于其他结构而言就会大很多，而且动作单一。(d) 电力传动机械手电力传动机械手的工作原理就是依靠各类驱动电机直接驱动运动结构动作，这类机械手的结构一般都比较简单，由于是通过电机直接给驱动机械结构，这样就省去了很多动力转换机构。23 控制方案的确定考虑到机械手在实际生产加工过程中的通用性，我们在本次毕业设计中对机械手的控制部分采用的是PLC控制。利用PLC控制的优点就在于当机械手的工艺流程发生改变时，我们就只需改变相应PLC程序即可实现，非常方便快捷17。24 机械手运动方案设计本次毕业设计的所研究的的机械手应能满足水平伸缩、垂直升降、轴向旋转三个方向的运动，由机械原理的相关知识可以知道，本次设计的机械手应该具有4个自由度：手腕回转、手臂伸缩、手臂升降和手臂左右摆臂4个运动。我们通常所见到的机械手根据手臂的动作形态,基本上可以分为以下4种: a.直角坐标型；b.圆柱坐标型；c.球坐标型；d.多关节型。冲床上下料机械手是实现冲床上工件的上下料工序，考虑实际生产中的作业空间，结合以上几种机械手的特点，最终选定机械手为圆柱坐标型机械手，经过前面工作的设计分析，综合设计要求以及实际工作环境，初步确定一下设计方案：1. 机器人的手臂伸缩结构同步带实现，利用伺服电机驱动带轮转动，然后同步带带动滑块沿直线导轨左右移动，这样就完成了机器人手臂的伸缩；2. 机器人的手臂升降装置初步设计为滚珠丝杠结构，通过伺服电机驱动丝杠转动，然后丝杠螺母带动滑块沿直线导轨上下运动；3. 机器人的手臂转动是通过伺服电机驱动齿轮转动，通过齿轮啮合使转盘转动，以此来实现手臂旋转。4. 机器人的手腕回转采用伺服电机驱动同步带的方式。5. 采用PLC对机械手进行控制。25 机械手技术参数确定1） 自由度：4 ； 2） 承载重量0-10kg ；3） 直线最大速度0.5m/s；4) 旋转半径：1200mm-1700mm ；5) 设备总高 1500mm-2000mm ； 6) 吸盘回转角180。；7) 伸缩长度1000mm-1700mm ；8) 定位精度0.1mm 。3 手腕回转结构设计3.1 手腕处轴承的选择根据前面我们对机械手的分析和方案设计，由设计要求可以选用内径为d=25mm的深沟球轴承，转速约30r/min，轴承的径向载荷约Fr=100N，轴向载荷约，工作寿命。在设计过程中，我查阅了关于轴承的设计手册，通过查看手册里的轴承选型表，初步选用的轴承代号为61805，d=25mm，基本额定动载荷，滚珠直径为，滚珠数量为，基本额定静载荷。, 查表得：轴径载荷比，X=0.56，Y=2.022，径向当量动载荷：查表得：力矩载荷因数为，冲击载荷因数，速度因数，温度因数，寿命因数：通过上面的额计算我们可以清楚的知道所选择的轴承动载荷满足设计要求，因此轴承的选择合适。校核轴承的额定静载荷：，取，取，故轴承61805满足要求。3.2 电机及减速器选择由前一章中我们对机械手方案设计部分的分析可以知道，机械手的额手臂部分采用的是伺服电机驱动同步带轮转动，最终将动力传到手腕处实现手腕处工件的回转。我们在手腕处假设被抓物品的重量为，工件直径，手腕处转速。设计计算：计算工件转动惯量：假设减速器传动部分的总共减速比为,故而最终折算到伺服电机上的转动惯量为。计算过程中我们要按照负载惯量小于3倍的电机转子惯量的设计原则：查阅电机设计手册，并且在网上查阅了电机的选型，最终选用电机，则, , ，取校核输出转速：，满足要求。为了尽可能的减少结构的重量和机械手的尺寸，我们在设计时会尽量的选择级数相对来说比较低的减速器，与此同时，我们也要尽可能的保证较高的定位精度，结合之间我们分析的机械手设计方案，可以选择直角型的一级减速器，通过查阅减速器的设计手册得知，一级减速器的最高减速比为，因此我们可以在本次的设计中选择同步带轮减速设计为。3.3 同步带选择根据前面的选型计算，我们确定了同步带轮的减速比为2，手腕部抓取的工件由静止状态加速到最大转速转速30r/min，也就是说它的角速度为时，这个过程用时大约需要，因此，在这个过程中设备转动需要做的功为，平均功率，最大功率约为。设计计算：计算设计功率(为工况系数）通过上面的设计计算，同时查阅同步带的设计选型手册，最终考虑采用圆弧型同步带，,因此选择带节距为。3.4 带轮的设计确定小带轮齿数：，大学期间我们都学过机械设计，通过对带轮的学习，我们知道，带轮的最少齿数为，查阅机械设计手册中的带轮设计部分，最终选择小带轮齿数。带轮结构如图所示：图3.1 带轮结构示意图小带轮节圆直径带速：式中：允许的最大转速，经过计算我们可以得出结论带速齿数合适。由传动比，得大带轮齿数大轮节圆直径根据结构需要初定中心距约为，则初定带节线长度通过查阅机械设计手册中的同步带及带轮设计部分，我们可以确定同步带的节圆长，齿数。实际中心距计算小带轮的啮合齿数，因此我们的设计是合理的，能够满足设计要求。通过查表可得，基准额定功率，小齿轮啮合系数，圆弧齿的带长系数。通过查阅机械设计手册中的同步带部分知道基准带宽，故带宽查相应表格，选定带宽为15mm。4 手臂伸缩装置结构设计本次设计的自动上下料机器人要满足三个方向的运动，其中伸缩运动主要就是依靠伸缩装置来完成，本章将随机械人伸缩部分进行分析设计，并对伺服电机进行计算选型。4.1 伸缩装置结构方案设计伸缩装置是机械手臂的动力来源，机械手臂作为整个机械手系统最重要的部件，承载了机械手工作时的重量，所以要有足够的动力才能驱动它进行运动，我们通常所见到的机械手手臂的动力源一般就是液压、气压或者是电机直驱等，在这些动力源的驱动作用下，机械手臂的执行部件运动实现手臂伸缩动作。在进行机械手臂结构设计时，伸缩手臂的结构设计关键部分，合理的选择机械手臂伸缩结构将直接影响整个机械手工作性能。一般情况下，由我们之前所学习的机械原理及机械设计可以总结机械手臂的执行部件一般可以是以下几种：液压油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、凸轮机构等，这些结构都能实现手臂的伸缩动作。要实现手臂在伸缩平稳的动作，避免手臂在运动过程中绕轴线转动，一般情况下我们在进行设计时都会对伸缩结构加上导向装置，导向装置的主要作用就是以保证机械手臂能够安全平稳运动，保证工作精度。除此之外，机械手的手臂作为整个机械手系统中重要的承载部件，在进行结构设计时应尽量减小手臂的受力，因此，加装导向装置不仅可以保证机械手臂平稳工作，还能承载机械手臂在系统中所受的各种力矩，使整个机械手系统运动平稳，受力合理。我们通常所见到的导向装置一般是以下几种：单圆柱、双圆柱、四圆柱和燕尾槽、V形槽等结构，我们可以根据具体的设计需要进行合理选择。图4.1 伸缩结构示意图本次设计采用的就是燕尾槽导向装置，同时利用伺服电机作为伸缩装置的动力来源，伺服电机驱动同步带转动，滑台在同步带的运动作用下左右移动，实现机械手臂的伸缩，具体结构示意图4.1所示。4.2 直线导轨与滑块的选择根据本次毕业设计的设计要求，伸缩装置的移动速度在装置中就是移动滑块的移动速度，其中最大速度，伸缩运动的行程为1000mm，根据设计要求我去图书馆借阅了直线导轨设计手册，并且在网上也查阅了很多有关直线导轨的设计资料，最后初步采用导轨滑块型号为H20FN（TBI直线导轨手册），在移动装置中，本次设计采用了四个滑块来完成承载移动，滑块导轨的基本额定动负荷:,基本额定静负荷：。1）静安全系数计算根据上面的设计以及查阅有关直线导轨滑块的设计手册得知，导轨滑块的最大等效负载为,因此安全系数计算如下：2）额定寿命的计算表4.1 负载系数振动冲击速度（V）振动（G）微 小 大 根据上面的负载系数表数据，我们选取滑块的负载系数 。查阅设计手册计算直线导轨的额定寿命，根据下面的计算公式分别计算四个导轨滑块的使用寿命：经过以上计算我们可以直观的看到，设计的直线导轨的寿命为：。，最终计算出使用寿命时间为：因此满足设计需求。4.3 传动同步带选择与相应带轮的设计通过对导轨和滑台的设计，并在三维软件中建立模型，利用三维软件的质量检测功能，可得导轨滑块上移动单位质量大概有，设定负载和滑台之间的摩擦系数为。传动结构图如图3.2所示：图4.2 传动结构图设计计算：1)负载折算到驱动电机轴上的转动惯量计算过程如下：计算过程中我们按照负载惯量小于3倍电机的转子惯量的设计原则，则 2）电机扭矩计算电机在驱动负载时需要克服摩擦力，在这个过程中电机所需要转矩计算如下：在加速时所需转矩：经过以上计算，伺服电机额定转矩最大扭矩。3）电机转速经过上面的设计计算，查阅电机和同步带的设计手册，最终决定选择电机型号为ECMA-C0807。同时电机输出轴出的同步带型号为：圆弧型5M,带宽20mm。5 机械手升降部分结构设计5.1 滚珠丝杠的选择通过上面的设计计算，我们可以确定移动物重量大概是，机器人的升降行程为，升降速度为，要求寿命，摩擦系数，升降部分的结构简图以及电机运转条件分别如图5.1和图5.2所示。图5.1 丝杠垂直运动图5.2 运动时间图设计计算：1）容许轴向负荷假定向上为正1) 在等加速度下降过程中：2) 在等速下降时3) 等减速下降时4) 等加速上升时5) 等速上升时6) 等减速上升时经过上面的计算我们可以知道，最大轴向负荷出现在等加速上升阶段：2）基本动额定负荷表5.1 运转过程明细表运转条件轴向负荷（N）平均转速（rpm)使用时间（s）加速下降12000.1等速下降24001.65减速下降12000.1加速上升12000.1等速上升24001.65减速上升12000.1平均负荷平均转速根据之前我们所设定的疲劳寿命20000小时此为普通运转机构，故动额定负荷3）基本静额定负荷（其中）综合以上的设计计算，查阅滚珠丝杠的相关设计手册，最终采用滚珠丝杠型式：SFI02505-4，轴颈25mm，导程为5mm。5.2 伺服电机的选择（一）惯性矩1) 丝杆轴：2) 可动部：3) 传动件惯性矩总和：（二）驱动扭矩的计算1) 外部负荷造成的摩擦扭矩(a) 等加速下降时(b) 等速度下降时(c) 等减速度下降时(d) 等加速度上升(e) 等速度上升(f) 等减速度上升时2) 由于角加速度所引起的惯性扭矩计算：查阅伺服电机设计选型手册，最终选择型号为ECMA-C0807的伺服电机，其。3) 总扭矩(a) 等加速下降时：(b) 等速下降时：(c) 等减速下降时：(d) 等加速上升时：(e) 等速上升时：(f) 等减速上升时：通过上面的计算我们可以清楚的知道最大扭矩发生在等加速上升时：因此选型合适。6 机械手臂旋转设计6.1 转盘轴承的选择计算条件：由以上计算有，,，.其结构简图如图6.1所示：图 6.1 结构简图设计计算：旋转机构的转盘轴承部分所需要静负荷以及倾覆力矩，其中安全系数静负荷：倾覆力矩：因为旋转机构的转速并不是特别的高，而且旋转部分采用的是纯机械结构，因此通过综合分析讨论，最终决定采用四点接触球转盘轴承，内径135mm，外径234mm，高38mm。6.2 伺服电机的选择以及减速比的确定根据实际结构结合三维软件辅助设计，确定为转盘轴承上安装齿轮的形式驱动，通过多次绘图模拟确定，转盘轴承上齿轮模数为2，齿数为120个；驱动齿轮模数为2，齿数为20个。为降低整机零件的多重性，故拟选择伺服电机为750W,与上一样，此时假设伺服电机减速器的减速比为R。计算折算到电机轴上的转动惯量：按照负载惯量3倍电机转子惯量的原则，则故选择减速比为7的伺服减速机。致谢经过几个月的时间，这篇论文终于写完了，一开始选定这个题目的时候，我是有些犹豫的，我对自己的设计能力并没有很大的自信，觉得自己不能完成此次设计。在这几个月分析探讨的过程中，我通过对资料的收集、检索以及查找，找到了很多此次毕业设计有用的资料，这对我今后的学习是很有帮助的。但是回首整个写作过程，其中的辛苦和无奈还是大大超出了自己的预料，在这个过程中，我先到网上查找了很多的资料视频，对论文题目进行深入了解后才开始写作的。在论文的写作过程中由于自己的学识有限、准备时间紧张等因素导致资料搜集不够完整，本文还有许多地方有些不合理，不足之处恳请各位老师、同学批评指正。在此要特别感谢我的论文指导老师XXX老师，一开始就在资料方面给我提供了很大的支持，把自己的资料借给了我。论文标题初拟的时候经的指导我，在后期论文的写作和修改过程中更是不厌其烦，提出了很多中肯的建议，经过几次的修改，这才有了这篇论文的存在。感谢一直陪伴在我身边的亲人朋友们，谢谢你们一直以来的鼓励和支持，感谢你们在我写论文期间提供的无私帮助，同时因为我个人的能力有限，所以在论文的写作过程中可能会有不合理之处