120t冲床自动上料机械手设计论文.doc

摘要科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台冲床自动上料机械手有着深远的科教意义。本课题设计的120t冲床自动上料机械手设计，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的回转。设计中分析了该机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转。设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作。关键词 机械手；气动装置；四自由度；控制系统8AbstractScientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance.The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robots overall design, robot mechanical structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumatic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching demonstration.Keywords Manipulator Teaching type Four Degrees of Freedom SCM目 录1 绪论11.1 机械手概述11.2 机械手的组成和分类11.2.1 机械手的组成11.2.2 机械手的分类41.3 国内外发展状况51.4课题研究的主要内容71.5机械手的功能要求72 机械手的设计方案82.1 机械手的座标型式与自由度82.1.1 机械手的坐标型式82.1.2 机械手的自由度92.2 机械手的手部结构方案设计102.3 机械手的主要参数112.4 机械手的技术参数列表123 机械手机械系统设计143.1 手部结构设计143.1.1设计时考虑的几个问题143.1.2手爪夹持装置的机构选型143.1.3手部夹紧气缸的设计163.2手腕结构设计183.2.1 手腕的自由度183.2.2 手腕的驱动力矩的计算183.3手臂结构设计223.3.1手臂伸缩与手腕回转部分223.3.2手臂升降和回转部分243.3.3手臂升降气缸的设计243.3.4手臂回转缸体的设计284机械手气压系统的设计294.1气压传动系统工作原理图294.2气动元件介绍29结论33致谢34参考文献351 绪论1.1 机械手概述机器人由操作机（机械本体），控制器，伺服驱动系统和检测传感装置构成一个人形操作，自动控制，可重复编程，能在自动化生产设备的三维空间机电一体化的完成各种工作。特别适合于多品种，体积可变的柔性生产。其稳定性，并提高产品质量，提高生产效率，提高起着的劳动条件和产品的快速更新换代非常重要的作用。高科技机器人技术是计算机，控制论，组织，信息和传感技术，人工智能，仿生学并形成其他学科的结合，是当代研究十分活跃，日益广泛领域的应用。机器人技术的应用，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人代替人工的劳动不是简单意义上的，而是一个人谁有意优势的机电设备机械和专业知识，无论人们对环境状况和快速反应能力，分析和判断，另一台机器很长一段时间继续工作，精确度高，抗恶劣环境，从某种意义上，它也是机器，这是一个重要的生产和工业及非工业界每一组是不可缺少的先进服务的进化过程的产物制造技术自动化设备。机器人是模仿人手的行动的一部分，根据给定的程序，跟踪和自动机械装置的自动采集，处理或操作要求。在工业机器人称为应用“工业机器人”。在生产自动化机器人应用可以提高生产水平和劳动生产率：可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，特别是在高温，高压，低温，低压，粉尘，易爆，有毒气体和放射性和其他恶劣环境下代替正常的劳动人民更是显著。因此，越来越广泛引用于机械加工，冲压，铸造，锻造，焊接，热处理，电镀，涂装，总装及轻工，交通等方面的问题。机器人开始正式结构相对简单，高度敬业的，只有一台机器装卸设备连接到本机专用机械手。随着工业技术的发展，通过程序控制制成，可实现独立的重复操作，“万能机器人控制程序”的范围很广，简称通用机械手。因为一般的机器人可以迅速改变工作方案，适应性，所以它是不断变化的品种小批量的生产积累了丰富的参考资料。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成主要由机器人执行器，驱动形成系统，控制系统和位置检测装置。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。 控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1-1机械手的组成方框图(一)执行机构它包括手，手腕，手臂和列的其他部分，和一些额外的行走机构。手部该部件与所述对象接触。由于不同的形式与对象接触，可以分为夹子和吸附手。片手用手指（或爪）和传力机构构成。手指与对象组件手指运动的常用形式回转型和平移型直接接触。回转型手指结构简单，易于制造的组件，所以广泛应用。少平移的应用，其原因是复杂的结构，但是平移圆形夹紧手指部分，工件直径变化不影响其轴线的位置，因此，在大径范围适于保持工件。手指结构取决于物体的表面被抓取的形状，夹件（外部轮廓或空穴）和重和该对象的尺寸。常见的有手指平，V形表面和表面：手指夹式和卡片;指数有两个手指，多指式和手，如两个手指的风格。 通过手指夹生成把对象来完成任务的动力传递机构的夹紧力。传力机构型式较常用的有:连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件，光滑的板材，通常用吸盘吸。造成消极的方式有气流和真空负压式。 为圆环的渗透性，和一个穿孔的磁盘部件，并且有网状金属板，通常电磁吸盘吸力。由直流和交流电磁铁的电磁铁产生的电磁吸盘吸力。 带吸盘和吸入电磁吸盘，其形状，数目，大小吸附力吸盘，可根据被吸附的对象的形状，大小和重量的大小。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂所述支撑臂被捕获的对象，手，腕的重要组成部分。操作臂带动手指抓住一个对象，然后要求将其定运输到指定地点。通常由机器人臂部件（如气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，凸轮机构和螺杆机构等）和驱动源（例如液压的，气动的或电机等）的驱动器手臂的运动，使手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下: 手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。当伸缩臂携带或升降运动，以防止绕其轴线旋转时，都需要一个导向装置，以确保手指的运动的正确方向。此外，该指南还承担当弯矩和扭矩和摆动手臂运动开始，由制动转矩产生，使运动部件的应力状态是简单的转动惯量遭受武器。 引导装置结构的形式，常用的有：单缸，两缸和四缸型，如取向。4、立柱柱支承臂部件，列也可能是手臂的一部分，手臂和电梯（或沥青）运动的旋转运动都与列相关联。该机器人是一般的工作需要固定的列，但有时也可以横向移动，被称为便携式列。5、行走机构相比与工业机器人需要完成的操作距离，或扩大使用范围，辊可安装在基体中，轨运行的齿轮等上，以实现在整个工业机器人的运动。辊行走机构可分为2轨和无轨。运动应增设四轮驱动机械传动装置。6、机座基座是一个基本组成部分的机器人，和驱动系统组成的机器人驱动器被安装在支架上，它作为支撑和连接。(二)驱动系统机器人驱动系统驱动一个动力致动器的运动装置，通常由一动力源，所述控制装置和所述辅助调节装置的组成部分。有驱动系统液压四种常见形式，气动传动，动力传动和机械传动等。（三）控制系统控制系统由工业机器人运动控制系统的要求为主。目前机械手控制系统的一般过程控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统。控制系统一般采用电器控制，可根据规定的动作程序，哪些占主导地位的机器人，和人们的记忆中给机器人指令信息（如动作顺序，轨迹，速度和时间），而他们的信息控制系统的执行器发出一个指令，如果需要，监视机器人的运动，当发生错误或故障的报警信号的作用。(四)位置检测装置机器人的运动控制致动器位置和致动器的任何时候反馈到控制系统中的实际位置，并与所述位置集合，然后由控制系统调节，使得致动器被设置为在一定的位置精度进行比较。1.2.2 机械手的分类许多类型的机器人，在分类问题，有一个在国家分类标准不统一，在此暂按范围，驱动器和分类控制系统。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它被连接到主机，与没有机械设备的独立控制系统的固定程序。特种机器人有少动，工作对象单一，结构简单，工作可靠，成本低的特点，往往在这种自动化的自动机，自动线切割机器人和“加工中心”批量生产自动换刀装置的使用。2、通用机械手它是一个独立的控制系统，该过程变量，机器人的灵活操作。可通过调节驱动系统和性能范围，其中操作方案是可变的并且是独立于控制系统的用于在不同的场合。通用机器人工作范围，定位精度高，通用性强，适合生产品种变化小批量的生产自动化。 通用机械手控制自己的方式和伺服定位可分为两种简单：简单的“开关”控制位置，控制点只有：与伺服定位系统，可以点位置控制伺服控制，也可以实现连续路径控制，通用机器人伺服数控型。(二)按驱动方式分1、液压传动液压操纵器的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百公斤，传动平稳，结构紧凑，动作灵敏。然而，在密封装置，或油泄漏性能机械臂严格要求有很大的影响，并且应工作在高温和低温下。如果机器人使用电动液压伺服驱动系统，可实现连续路径控制扩大机器人的通用性，但高精度的电动液压伺服阀，流体过滤苛刻和昂贵的制造。2、气动驱动机器人是一种压缩空气的压力来驱动机器人的致动器的运动。其主要特点是：媒体源极为方便，体积小输出功率，气动快速动作，结构简单，成本低。然而，由于空气是可压缩的特性，工作速度的稳定性差，大和低气压的影响，制动器30千克的重量通常是在相同的条件下重新抓它比机器人的液压结构变大，因此，适用于高速工作，轻载，高温，多尘的环境。3、机械传动机械手也就是说，机械传动机构（如凸轮，连杆，齿条和齿轮机构等间歇地）驱动的机械手。这是工作机器人专用主机，其功率是由一个工作机器交付之附属公司。它主要特点是运动准确可靠，伟大的运动频率，但较大的结构，动作程序不能改变。它经常被用来在主机上，切割的工作。4、电力传动机械手即，感应电动机的特殊结构中，线性马达或步进马达直接驱动机器人致动器的动力运动，因为没有中间转换机构，该机械结构简单。其中线性电机的机器人的移动速度和冲程长度，维护和易于使用。这种机器人是目前不多，但有希望的。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动来移动点之间的空间，在运动控制位置只有几个点，无法控制它的轨迹。若欲多个控制点，势必增加了电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机器人都属于这一类。2、连续轨迹控制它是任何空间轨迹的连续曲线，其特点为无限集合点，整个过程是在移动的控制下，可以是光滑的和准确的移动，并使用范围很广，但电气控制系统的复杂性。这种机器人一般采用小型计算机控制。1.3 国内外发展状况近年来，机器人的海外发展领域有以下趋势：(1) 机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和维护），以及单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2) 机械结构向模块化，可重构化发展。如关节模块伺服电机，减速机，三一检测系统：关节模块，利用重组机器人机械构造链路模块;国外已经要求全市模块化装配机器人。(3) 以基于PC的易标准化，网络的开放型控制器方向机器人控制系统的开发，提高设备集成度，控制柜变得越来越紧凑，模块化结构：大大提高了系统的可靠性，易于操作和维护。(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，加速度传感器，装配，焊接机器人还应用远景，力传感和其他传感器和远程控制机器人采用视觉，声觉，力，触觉等多传感器融合技术来进行环境建模及决策控制，多传感器融合技术已经成熟的应用程序配置在系统中的产物。(5) 虚拟现实技术中的模拟，对过程控制排演的发展，如远程控制机器人操作员，以产生暴露于远程操作环境来操纵机器人的触感机器人的作用。(6) 拥有现代化的遥控机器人开发系统是不追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人控制，遥控加局部自主系统，是监控系统的完整的远程操作之间的人机交互，使智能机器人走出实验室进入实用阶段。美国发起的“旅居者”机器人成功的这样一个系统的应用是火星上最有名的例子。(7) 机器人机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新装置已成为国际热点研究之一，已经探索扩大实际应用的领域。中国从20世纪80年代，工业机器人，“规划”科技攻关开始通过“七五”国家的支持下，“八一”技术，已基本掌握了机器人操作机的设计和制造技术，控制系统硬件和软件开发涂装，焊接，点焊，装配，搬运等机器人设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产一些机器人的关键部件；其中有130余台套喷漆机器人在20多家企业的应用规模，对工厂近30自动喷漆生产线（站）在汽车焊接机器人焊接生产线应用。但有一定的水平和国外比从整体来看，中国的工业机器人和工程应用，如：可靠性低于国外产品：机器人应用工程起步较晚，狭窄的应用，技术和生产线国外比有差距的制度;在应用中国国内工业机器人的规模已经安装了约200个单位，占全球安装万分之四的单位数。主要的原因是没有上述机器人产业形成，目前生产的机器人是用户的要求， “一个客户，一个重新设计” ，品种规格齐全，体积