二维机械手方案

SHANDONG 课程设计 二维喷漆机械手设计 学 院： 农业工程与食品科学学院 专 业： 农业机械化及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 程卫东 2011 年 07月03日目录0、前言.2第一章 绪论.31.1 摘要.31.2 设计要求.4第二章 喷漆机械手总体设计方案.42.1 喷漆机械手总体方案论述.42.2 喷漆机械手的总体方案确定.。.6第三章喷漆机械手子系统设计.63.1 机械传动设计.6 3.1.1 蜗轮蜗杆传动的特点.7 3.1.2 齿轮齿条传动的特点.7 3.1.3 滚珠丝杠副传动的特点.83.2 液压传动设计.11 3.2.1 气压传动的特点.11 3.2.2、机械传动的特点.11 3.2.3、液压传动的特点.12 3.2.4、液压传动系统主要参数.133.3 电气控制的设计.14 3.3.1 方案论证.14 3.3.2 电气控制方案.16第四章 设计总结.18附：设计说明书二维喷漆机械手设计前 言机械手：mechanical hand，也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，广泛应用于机械制造。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。自由度是机 械手设计的关键参数越多、自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性好。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。第一章 绪论本产品设计符合国家标准 ：GB276 GB1.1-87 GB3935.1-83 GB321-80 GB4025-83 GB4064-83 GB4720-84 GB4728.1 GB5465.1 GB/T2348 JB/T7938 GB/T2349 GB/T2878 GB/T786.1 GB/T2346 GB/T2350GB/T3452.2 GB/T2349 GB/T10374 GB/T10366GB/T5963 GB/T14042 摘要： 工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平，解决了工业生产中长期频繁单调的操作。也提高了工件的生产加工速度，所以机械手的使用是非常高效的。本设计简要介绍了机械手的种类及其发展过程，国内外机械手的研究动态及发展趋势，通过参考各方文献，分析比较了各种机械手的优缺点，并结合所要搬运零件的自身特点，确定了设计结构，采用直角坐标型的手臂运动形式，来实现一个绕垂直轴线的转动和两个绕自身轴线的伸缩，然后通过对驱动方式的比较，选择了采用变频电机和气缸作为驱动，使机械手所占的空间尺寸小，工作范围大，最后对机械手进行了设计计算。关键词：机械手；直角坐标型；液压缸设计要求： 某产品连续生产过程中需要对一平面进行喷漆处理（如图所示），为实现自动生产，减少工人的劳动强度，需要设计一台喷漆机械手来实现，要求完成1块物料喷漆的时间控制在5分钟以内。已知生产线的移动为间歇移动，速度为0.15米/秒，产品重量范围在580公斤之间，尺寸范围在800800800-300300300之间。第二章 总体方案确定2.1、总体方案设计论述 （方案一 运动简图）方案一：机械手由底座，立柱，机械臂和喷头组成，机械臂有PLC和气动控制。底座开有T形轨道槽，槽两侧有一对轴承，支撑滚珠丝杠副。在步进电机和滚珠丝杠副的共同作用下，机械臂沿槽做前后运动。喷头在液压缸的作用下实现左右运动。整个系统有PLC控制。液压缸的动作时刻，动作时间的长短，步进电机的动作时间，正反转及动作速度全部由PLC变成决定。机械手臂最末端是油漆喷头，由液压控制，由液压泵提供动力，然后将油漆从喷头喷出。立柱上设有螺纹限高装置可以根据现场环境来调节机械臂的高度，从而更好的完成任务。 （方案二 运动简图）方案二：采用立柱与底座固定式，在立柱上安装液压缸使得机械手在有水平方向上进行移动从而使得机械手能够对平面进行喷漆作业。整个系统有PLC控制。液压缸的动作时刻，动作时间的长短，步进电机的动作时间，正反转及动作速度全部由PLC变成决定。机械手臂最末端是油漆喷头，由液压控制，由液压泵提供动力，然后将油漆从喷头喷出。立柱上设有螺纹限高装置可以根据现场环境来调节机械臂的高度，从而更好的完成任务。两方案比较：方案一结构简单，经济性好，能够很好的适应平面喷漆 产品的性能要求，而且工作效率高，但是灵活性较方案二较差，是专用类型的机械手。方案二灵活性和适应性比较好，但较方案一结构复杂，经济性较差同样的工作方案二成本高于方案一。2.2 总体方案确定 根据设计要求采用方案一进行产品设计，机械传动选用滚珠丝杠副进行机械传动，液压传动方案实现喷头的自由移动，电气控制采用PLC控制以实现自动控制。 第三章 喷漆机械手子系统设计3.1 机械传动设计传动方案的选型：根据设计要求机构2要能在1内往复运动而且要运动平稳使用可靠，因此选用滚珠丝杠副传动方案。在机械传动方案中，能够实现往复自由运动的传动方案有：滚珠丝杠副，涡轮蜗杆传动以及齿轮齿条。3.1.1 蜗轮蜗杆传动的特点蜗轮蜗杆传动的两轮啮合齿面间为线接触，能获得比交错轴斜齿轮机构更好的啮合效果，传动比和承载能力也更高。蜗轮蜗杆传动是一种螺旋式传动，传动中主要形式为齿啮合传动，因此传动更为平稳、振动小、噪音低，适合需要稳固状态的机械使用。蜗轮蜗杆传动机构比其他传动机构突出的优点在于其自锁功能，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆导程角小于啮合轮齿间当量摩擦角时，蜗轮蜗杆传动机构就会反向自锁，这时只能是蜗杆带动蜗轮，而蜗轮无法带动蜗杆，即可实现对机械的安全保护。3.1.2 齿轮齿条传动的特点蜗轮蜗杆传动的缺点在于其传动效率较低，传动中发生的磨损严重，这是因为蜗轮蜗杆传动是啮合齿轮传动，啮合齿轮间有较大的相对滑动速度，会导致齿面的磨损、发热和能量消耗。另外，为了减少齿面磨损，蜗轮蜗杆机构经常使用昂贵材料和良好的润滑装置，增加了成本。齿轮齿条传动与带传动相比主要有以下优点： （1）传递动力大、效齿轮传动的特点。齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。 （2）寿命长，工作平稳，可靠性高； （3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 齿轮传动与带传动相比主要缺点有： （1）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高； （2）不宜作远距离传动。3.1.3 滚珠丝杠副传动的特点 滚珠丝杠副可以获得精确、高效、灵敏、耐用、可靠等效果。在特殊环境或者特殊要求下如：高温、低温、高压、真空、强磁场、强辐射、无润滑磨蚀介质中工作以及要求可逆运动、同步运动、瞬时高低速转换等均均有良好的传动性能。 滚珠丝杠副的特点：（1）传动效率高（2）运动平稳（3）传动可靠（4）可以预紧（5）定位精度和重复定位精度高（6）同步性好（7）使用寿命长（8）使用可靠润滑简单维修方便传动形式：丝杠转动螺母移动（如图所示）螺母：丝杆：循环方式：内循环浮动反向器特点：（1）、滚珠返回通道短，不受载荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失少，提高了传动的灵敏度。（2）、有较高的可靠性。（3）反向器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪音小，一次成型，工艺简单成本低。预紧方式：单螺母垫片预紧特点：（1）、轴向尺寸较小，可以消除因双螺母的形状、位置误差的干涉对传动副精度和性能的影响。 （2）、改变滚珠的直径可调整预紧力，适用于中小负荷的场所。精度等级：7级滚珠丝杠副规格公称直径d0基本导程ph负荷滚珠总圈数旋向 3210 32 10 3.5右旋 D3 D4 B D5 D6 h 90 71 15 9 18 11基于设计要求中传动效率 P=1.2kw，转速n（最大）=1500r/min，每天工作十小时。轴承径向载荷Fr=2000N，轴向载荷Fa=1000N，无冲击轴径d=20.使用寿命应大于等于1000h。可靠度90%，脂润滑。轴承选择：轴承类型d/mmCr/NC0r/mmD/mmB/(mm)N0/(r/min)600630132008300551310000轴承：轴承固定方式： 采用两端固定方式3.2、液压传动子系统传动系统主要有机械传动、液压传动、气压传动。3.2.1 气压传动的特点气压传动以压缩气体为工作介质，靠压力传动动力或信息的流动传动。气压传动的工作介质是空气，它取之不竭，用后的空气可排到大气中去，不污染环境；气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。但是气压传动缺点很多，由于空气的可压缩性大，气压传动的速度稳定性差，给系统速度和位置控制带来很大的影响；另外，气压传动的噪声大，尤其是排气时，需加消声器3.2.2、机械传动的特点机械传动是一种技术成熟，质量可靠的传动方式，但体积庞大，制造成本高，维修困难，动作反应迟钝。产品升级自动化控制难度大，在机械设计中有很多死角及不能完成的作业。3.2.3、液压传动的特点液压传动是在机械传动的基础上诞生的一种新型的传动方式，它以液体为工作介质，通过动力原件将原动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过控制原件，借助执行原件将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。体积小，传动平稳，性能可靠，能轻松实现很多机械传动不能完成的作业，是现代工业自动化控制系统的最佳选择。本设计系统中，执行原件的速度为0.15m/s，要求运动平稳，速度变化小，液压传动为最佳选择。 （ 液压系统原理图） 液压传动系统主要由五部分组成：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质。此次设计中动力元件指液压泵，执行元件为液压缸，控制元件为各种液压阀，辅助元件为一些密封等装置，工作介质为粘度为通用液压油。3.2.4、液压传动系统主要参数（1） 、液压缸主要参数、结构及连接方式:双作用但活塞杆差动连接、液压缸油口尺寸：d0=10mm、缸筒与缸盖的的连接形式 ： 外螺纹连接、缸筒缸盖材料缸筒材料：45缸，无缝钢缸盖材料：HT200、液压缸壁厚：12mm、液压缸外径：124mm、液压缸内径：100mm、活塞和活塞杆组件、活塞和活塞杆连接方式:采用整体结构。、活塞材料 耐磨铸铁，套上尼龙66、密封装置Y型密封圈、排气装置排气塞、缓冲装置间隙缓冲液压缸型号：HSGL*100/70BEE Z1压力/MPa流量/L/min内径/mm外径/mm行程/mm壁厚/mm活塞杆直径/mm活塞杆长度/mm167210012410001071850（天津工程液压件厂）(2) 、液压回路方案 限压式定量泵供油和调速阀联合的容积节流调速方案 (3) 、液压泵的选择PVL双作用定量叶片泵型号工程排量ml/min压力压力转速转速容积效率PVL5.8153额定16、21最高额定最高1800r/min0.80.9(上海液压件厂)(4) 、电机选择选Y系列Y225MZ三相异步电动机其额定功率45KW，满载转速2950r/min，最大转矩2.2NM(5)油箱选择J B/T79381999油箱公称容量系列2.54.06.310162540631001602503154005006308001000125016002000按标准 V=800L3.3、电气控制的设计3.3.1、方案论证方案一：常规电气控制。 有接触器，热继电器和熔断器在现场进行接线组成控制电路，原理简单容易实现抗干扰性好，经济实用。在动作频率低线路连接复杂，检修维护工作量大体积庞大，而且只实用于一个固定不变的控制要求。当被控设备或其工艺要求变化时，必须重新接线，有时甚至使原系统报废，造成不必要的浪费，灵活性和通用性也较差。方案二：PLC控制 PLC控制系统不仅保留了传统控制系统的优点，同时具有体积小功能强，通用性和灵活性强，使用和维修方便（1）使用软件控制省去了大量的控制电器及线路连接。当改变控制要求和参数时，只需改动程序的相应部分，外部线路基本上不用改动，因而节省了资源。（2）执行程序时间段，一些电器元件的触电可以用无触点开关代替，所以整个系统的动作频率高，生命长，这些较好的克服了传统控制系统存在的缺点。所以经过比较和设计要求最终选用PLC控制来满足在一定范围内进行不同规格产品的加工。3.3.2 电气控制方案电路控制见图（一）转换图见图（二） 图一X0:开始按钮M0：是否按下停止按钮标志C0：计数器T0，T1，T2，T3：计时器 图二PLC步进指令工作过程按下开启按钮，此时