【JQ056】数控车床上下工件机械手[2A0]【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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- 内容简介：
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I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、 题目及专题： 1、 题目 数控车床上下工件机械手 、专题 二、课题来源及选题依据 数控车床要实现自动化，可设计专门的上下料装置，但是要实现上下料的柔性化，机械手就是其最好的组合。随着机器人学科的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学 习功能。数控车床与机械手的结合是现代制造业发展的一个选择，它是实现一个人操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。 三、 本设计（论文或其他）应达到的要求： 原始参数： 1）抓重 :600g (夹持式手部 ) 2）自由度数 :4 个自由度 3）坐标型式 :直角坐 标型 4）横臂手臂长度 :2180）手臂最大高度 : 6）手腕运动参数 回转范围 : 0 7）手臂运动参数 升降行程： 920 计要求： 1、总体方案的确定。主要确定机械结构部 分和控制部分。 2、机械结构的设计，包括手部模块、腕部模块、直臂模块的设计。 并绘制整体装配图。 3、重要部件的设计，包括直臂导杆气缸的设计，多工位动态精度的实现，防倾覆装置的设计等。并绘制导杆气缸的装配图。 4、控制部分的初步设计。 5、设计说明书一份。 6、所有非标零件需画出零件图。 注：所有图纸需计算机打印 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 刘忠和 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教研室主任 3 学科组组长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 英文原文 in as is an of It be to in a of in of in s of a of to in of of NC it is in NC or to to of up is a s to of is a an of is a of be be to in of be to an in to in a in of in s in to to a of as as to s up in of to or of is to of to a or of In a In of is is of in it of a as as a 4 is to of of to in as to of a to be in a to a to as 1. do (of 2. is is of to 3. of is be 4. to is of 5. it to it in 1. As of in of in as of 2. As of be in to is to of do or a of be a on of is is of be In is is of of it to It be in to in of a of is as of by 1. by is to to to of be up A to be as 2. he to be by 3. s is to to of a is up a be so to of to is It is an a It be to of to of It is is to do of It in of to a to to as in is of or to up in as is of of a . of in of a of In as of of a a of to of is as as it to of I do of of to (1) in is (2) In in it be to in t be to (3) be to to (4) be in as so (5) (6) as is a of of a to of of of a of it be a or to of in or of of in 0th 40, of in a to 50 to to as an in of so on to by of of of of be of in of a or It in to of in to is in or as or of of in do a by as in is to as by of is or to by of a of as as so of a of or to to of by is of a in of is a of In as of of a a of to of of of to in it be in NC At a in an of in a or a it to a of is to to to At s to is a of of of of a on of of is of is to of is by to of of is a of (1)(2)(3)(4)(5)of (6) of a he of to of of of of ) to s of a to of in at to is 1- 4 in he of to it as of to it as in 1st of in In of as 00,000 / it is be In of of is is or in a as to a of to of to is it 0m/is up 00m/to be to A of au编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 相关资料 题目： 数控车床上下工件机械手 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923077 学生姓名： 刘忠和 指导教师： 冯鲜 （职称： 讲 师 ） （职称： ） 2013年 5月 25日 目 录 一、毕业设计（论文）开题报告 二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文 三、学生 “毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表 ” 四、实习鉴定表 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 开题报告 题目： 数控车床上下工件机械手 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923077 学生姓名： 刘忠和 指导教师： 冯鲜 （职称： 讲 师 ） （职称： ） 2012年 11月 26日 课题来源 由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性 制造系统 一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具具有重要意义。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的 工作效率 ,降低成本 ,并使生产线发展成为柔性制造系统 ,适应现代自动化大生产 ,针对具体生产工艺 ,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工上下工件工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。 科学依据 （包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等） 科学意义： 随 着机器人学科的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学习功能。数控车床与机械手的结合是现代 制造业发展的一个选择，它是实现一个人 操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。 国外应用： 美国制造 155 毫米的钢弹体洛克福特军械厂，从胚料加工开始到加工完毕直至弹体包装都自动进行，不用人手去接触，达到全自动生产。工业机械手还能用来代替人工进行打磨、抛光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工厂打磨和抛光不锈钢子弯头时，采用 械手，提高加工效率 30%以上，而且产品质量稳定，不伤害工人。又如：瑞典沃尔沃公司在机械手上装了三个环形磨轮装置，用来对传动箱外表面去毛刺，比手工方法节省工时 50%。 国内运用： 国内在金属切削加工中，用机 械手来完成刀具的自动更换。如北京第二机床厂，北京第八机床厂，上海第二机床厂，上海第八机床厂，宁夏大河机床厂等单位研制的自动换刀机床，均用机械手自动更换刀具。在生产自动线上，用机械手完成的传递和上下料，如：沈阳水泵厂深井泵体加工自动线，无锡柴油机厂和甘肃汽车齿轮厂的齿胚的加工自动线都采用了机械手。大连工矿车辆厂的 800架的加工，采用机械手抓取、传递和安放并与一些机床组合成侧架切削加工自动线，提高效率 10 倍。 应用前景：国内应加强机械手基础性能的实验以及基础理论研究，克服和解决制造技术及其它存在的问题。 提高机械手运动速度。尤其是应用于冲压行业中的机械手，以适应提高生产率和符合生产节拍的需要。要研究解决机械手的运动速度和缓冲、定位技术。引进国外先进技术，培训专门技术人才，普及机械手有关知识。尽快解决机械手的定型设计、定点、定量生产以及配套件的生产和供应问题，推进机械手设计制造中的现代化（ 标准化、系列化工作，以满足国内外市场的需求。目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能不断提高，其发展趋势是：扩大机械手在工业上的应用、提高工业机械手的工作性能、发展组合式机械手、研制具有“视觉”和“触觉”的“ 智能机器人”。 研究内容 1、总体方案的确定。主要确定机械结构部分和控制部分。 2、机械结构的设计，包括手部模块、腕部模块、直臂模块、横臂模块和支架模块的设计。 并绘制整体装配图。 3、重要部件的设计，包括直臂导杆气缸的设计，多工位动态精度的实现，防倾覆装置的设计等。并绘制导杆气缸的装配图。 4、控制部分的初步设计 。 5、设计说明书一份。 6、所有非标零件需画出零件图。 拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 （ 1）研究方法 通过互联网图书馆等资粮来源，查阅有关工业机械手的学术论文、报告的资料文献 ， 了解国内外工业机械手的新动向和发展水平，更加深入的了解机械手的原理，扩 展思维。 （ 2）技术路线 用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。 （ 3）可行性分析 1、具备的条件具备的条件具备的条件具备的条件 （ 1）技术基础：现在已有在锻造流水线上，零件装卸的专用机械手，可以用来借鉴和参考，提供了一定的技术基础。 （ 2）设备基础：通过到相关企业实习，参观，了解相关机械手设备的具体情况，这提供了一定的设备基础。 2、待解决的问题待解决的问题待解决的问题待解决的问题 主要存在的问题：（ 1）机械手本身结构的复杂性与机械手灵活性的矛盾； （ 2）机械手装卸加持零件准确性的问题； （ 3）机械手控制部分，使其操作灵活性的问题； （ 4）机械手装卸零件效率的问题； 研究计划及预期成果 研究计划： 2012 年 11月 12 日 11月 20 日 确定选题、收集相关资料 2012 年 11月 21 日 12月 25 日 撰写开题报告与设计方案 2012 年 12 月 30 日 2013 年 2 月 15 日 收集资料，开展研究，形成写作提纲 2013 年 2 月 16 日 3 月 30日 深入研究，形成论文初稿及 2013 年 4 月 1 日 6 月 15 日 论文修改、定稿、打印、答辩 预期结果： 通过这次毕业设计，能完成一种装料与卸料机械手设计，代替传统的人工装料，卸料，降低劳动强度，提高生产效率。得到以下具体预期成果： （ 1）机械手机构设计简单，操作简便； （ 2）采用单片机自动控制机械手，提高自动化水平； （ 3）详细设计计算说明书一份； （ 4）用 制出各零部件 装配图和零件 。 特色或创新之处 使用气体驱动，避免了采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低和采用液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的副面影响的问 题，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上 制系统实现机电气一体化控制。 已具备的条件和尚需解决的问题 实验方案思路已经非常明确，已经具备使用 图 的能力和图像处理方面的知识。 使用 图 的能力尚需加强。 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日 系意见 主管领导签名： 年 月 日 摘 要本设计是数控车床上下工件机械手的设计，包括总体方案的确定，机械结构的设计以及重要部件的设计。随着现代工业的发展和竞争的加剧，对加工效率提出了新的要求，数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求，当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低；如果采用液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的副面影响。随着气动技术的不断发展，气体驱动也能成为机械手的驱动力量，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上PLC控制系统实现机电气一体化控制。本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面:(1)设计了模块化气动装卸机械手的总体结构;(2)研究了大跨度气缸的固定支撑形式;(3)研究了水平运动气缸的防侧翻技术;(4)研究并实现了气缸输出杆高精度柔性调节技术(5)初步设计了气动控制回路和PLC控制系统。关键词：机械手；自动化；上下料；气体驱动3Abstract This design is the numerical control lathe workpiece manipulator design, including the determination of overall scheme, design of mechanical structure design and important parts. Along with the development of modern industry and the competition put forward new requirements to processing efficiency, numerical control lathe workpiece loading and unloading automation becomes the current manufacturers one of the important requirements for machine tools. In order to meet the needs of users, the current Chinas machine tool manufacturers began on the part of numerical control lathe automatic up-down material manipulator configuration artifacts.But, if the servo motor drive and control its high cost, complex structure, slow speed, the efficiency is low; If adopts hydraulic drive, the leak on the CNC requirements of clean environment certain side effects.With the continuous development of pneumatic technology, gas drive also can become a driving force of the manipulator, end of the cost, simple structure, high efficiency, clean, coupled with the PLC control system to realize integration of mechanical and electrical gas control.This design is mainly design with low cost, high speed of the cylinder to form a modular pneumatic manipulator, and implement numerical control lathe automatic loading and unloading of workpiece, overcome existing in the application of servo motor limitations of high cost and low efficiency. The thesis completed the main design work includes the following several aspects: (1) the overall structure of the design of modular pneumatic loading and unloading manipulator; (2) study the long-span cylinder fixed support form; (3) studies the technique of side flip horizontal motion cylinder; (4) the research output and implements the cylinder rod (5) high precision flexible adjustment technology pneumatic control loop and PLC control system is designed. Key words:manipulator;automation;up-down material ;gas drive目录摘 要IAbstract2目 录. II1 绪论错误!未定义书签。1.1 前言和意义错误!未定义书签。1.2 工业机械手的简史错误!未定义书签。1.3 国内外研究现象和趋势错误!未定义书签。1.4 设计原则错误!未定义书签。2 数控车床上下工件机械手的总体设计错误!未定义书签。2.1 技术要求错误!未定义书签。2.2 机械手总体设计错误!未定义书签。2.2.1 执行机构的选择错误!未定义书签。2.2.2 驱动机构的选择错误!未定义书签。2.2.3 传动结构的选择错误!未定义书签。2.2.4 机械手的基本形式选择错误!未定义书签。2.2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动错误!未定义书签。2.2.6 机械手的技术参数错误!未定义书签。3 各模块的设计错误!未定义书签。3.1 机械手手部模块的设计错误!未定义书签。3.1.1 手部设计基本要求错误!未定义书签。3.1.2 典型的手部结构错误!未定义书签。3.1.3 机械手手爪的设计计算错误!未定义书签。3.2 机械手腕部模块的设计错误!未定义书签。3.2.1 腕部设计的基本要求错误!未定义书签。3.2.2 腕部的结构以及选择错误!未定义书签。3.2.3 腕部的设计计算错误!未定义书签。3.3 机械手手臂模块的设计错误!未定义书签。3.3.1 手臂的结构的选择及其驱动机构错误!未定义书签。3.3.2 滚珠丝杠设计错误!未定义书签。3.3.3 锥齿轮及锥齿轮轴的设计错误!未定义书签。3.3.5 电机选型错误!未定义书签。4 直臂导杆气缸的设计错误!未定义书签。4.1 气缸体的设计错误!未定义书签。4.1.1 预选气缸的缸径错误!未定义书签。4.1.2 预选气缸的行程错误!未定义书签。4.1.3 气缸的类型选择错误!未定义书签。4.1.4 活塞杆直径d的计算错误!未定义书签。4.1.5 气缸筒壁厚的计算错误!未定义书签。4.1.6 气缸输出拉力的校核错误!未定义书签。4.1.7 耗气量的计算错误!未定义书签。4.2导杆机构的设计错误!未定义书签。6 结论与展望错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。参考文献29 存档编码：无无锡锡太太湖湖学学院院 2013 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表 系别：信机系 班级：机械92 学生姓名：刘忠和 课题（设计）名称：数控车床上下工件机械手 开始日期：2012年11月12日周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注1-32012年11月12日-12月02日教师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书通过跟导师的交流和沟通，增加了对课题的了解4-102012年12月03日-01月20日指导专业实训网上搜索机械手的资料通过网上搜索来了解机械手的结构11-122013年01月21日-03月01日指导毕业实习熟悉现有机械手的具体结构，为毕业设计做好前期工作需要反复查阅资料，工作量大，可以克服132013年03月04日-03月10日熟悉机械手的结构及设计参数根据现有资料，熟悉整个机械手的结构及设计参数，为下面的工作做充分准备支架的结构复杂，设计参数多，需要耐心研究142013年03月11日-03月17日收集气动相关资料根据气动装需要，确定气缸类型查阅气缸资料，研究其特性152013年03月18日-03月24日绘制草图根据所夹工件的结构特点和相关参数，完成相贯线切割机总体结构的设计草图绘制草图时要综合考虑多方面因素162013年03月25日-03月31日绘制草图根据所夹工件的结构特点和相关参数，完成相贯线切割机总体结构的设计草图绘制草图时要综合考虑多方面因素172013年04月01日-04月07日具体设计根据设计参数要求，完成相关计算（主要包括气缸的选型和校验、电机的选型和齿轮的计算等等）这一阶段需要计算的量较大，工作繁重；具体选型方面，需查阅各方面资料，任务重182013年04月08日-04月14日具体设计根据设计参数要求，完成相关计算（主要包括气缸的选型和校验、电机的选型和齿轮的计算等等）这一阶段需要计算的量较大，工作繁重；具体选型方面，需查阅各方面资料，任务重周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注192013年04月15日-04月21日装配图的绘制继续上一阶段工作，并根据计算结果确定机械手的结构尺寸，完成部分总装图这一段时期的任务比较烦重，是整个设计的重中之重，需要格外细心202013年04月22日-4月28日装配图的绘制继续上一阶段工作，并根据计算结果确定机械手的结构尺寸，完成部分总装图这一段时期的任务比较烦重，是整个设计的重中之重，需要格外细心212013年04月29日-05月05日零件图的绘制完成装配图和重要零部件的部件图或零件图绘制总装图及零件图，需要有足够的耐心222013年05月06日-05月12日零件图的绘制完成装配图和重要零部件的部件图或零件图绘制总装图及零件图，需要有足够的耐心232013年05月13日-05月19日整理说明书整理设计说明书反复检查以前工作中的纰漏，并做修改242013年05月20日-05月25日整理资料，准备答辩整理相关资料，完成设计说明书，准备答辩针对答辩充分准备 说明： 1、“工作计划、进度”、“指导教师意见并签字”由指导教师填写，“每周主要完成内容”，“存在问题、改进方法”由学生填写。 2、本表由各系妥善归档，保存备查。 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 数控车床上下工件机械手 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923077 学生姓名： 刘忠和 指导教师： 冯鲜 （职称： 讲 师 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业 设计（论文） 数控车床上下工件机械手 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号： 0923077 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、 题目及专题： 1、 题目 数控车床上下工件机械手 、专题 二、课题来源及选题依据 数控车床要实现自动化，可设计专门的上下料装置，但是要实现上下料的柔性化，机械手就是其最好的组合。随着机器人学科 的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学习功能。数控车床与机械手的结合是现代制造业发展的一个选择，它是实现一个人操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。 三、 本设计（论文或其他）应达到的要求： 原始参数： 1）抓重 :600g (夹持式手部 ) 2）自由度数 :4 个自由度 3）坐标型式 :直角坐标型 4）横臂手臂长度 :2180）手臂最大高度 : 6）手腕运动参数 回转范围 : 0 7）手臂运动参数 升降行程： 920 计要求： 1、总体方案的确定。主要确定机械结构部分和控制部分。 2、机械结构的设计，包括手部模块、腕部模块、直臂模块的设计。 并绘制整体装配图。 3、重要部件的设计，包括直臂导杆气缸的设计，多工位动态精度的实现，防倾覆装置的设计等。并绘制导杆气缸的装配图。 4、控制部分的初步设计。 5、设计说明书一份。 6、所有非标零件需画出零件图。 注：所有图纸需计算机打印 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 刘忠和 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教研室主任 学科组组长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 要 本设计是数控车床上下工件机械手的设计，包括总体方案的确定，机械结构的设计以及重要部件的设计。 随着现代工业的发展和竞争的加剧，对加工效率提出了新的要求，数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求，当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低；如果采用液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的副面影响。随着气动技术的不断发展，气体驱动也能成为机械手的驱动力量 ，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上 制系统实现机电气一体化控制。 本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面 :(1)设计了模块化气动装卸机械手的总体结构 ;(2)研究了大跨度气缸的固定支撑形式 ;(3)研究了水平运动气缸的防侧翻技术 ;(4)研究并实现了气缸输出杆高精度柔性调节技术 (5)初步设计了气动控制回路和 制系统。 关键词 ： 机械手； 自动化；上下料；气体驱动 V is of of of to s of In to of s on of if is If on NC of of a of of LC to of is of to a of in of of (1) of of (2) (3) of (4) 5) LC is 录 摘 要 . V 目 录 . . 绪论 .言和意义 .业机械手的简史 .内外研究现象和趋势 .计原则 . 数控车床上下工件机械手的总体设计 .术要求 .械手总体设计 . 执行机构的选择 . 驱动机构的选择 . 传动结构的选择 . 机械手的基本形式选择 . 机械手直臂部分的主要部件及运动 . 机械手的技术参数 . 各模块的设计 .械手手部模块的设计 . 手部设计基本要求 . 典型的手部结构 . 机械手手爪的设计计算 .械手腕部模块的设 计 . 腕部设计的基本要求 . 腕部的结构以及选择 . 腕部的设计计算 .械手手臂模块的设计 . 手臂的结构的选择及其驱动机构 . 滚珠丝杠设计 . 锥齿轮及锥齿轮轴的设计 . 电机选型 . 直臂导杆气缸的设计 .缸体的设计 . 预选气缸的缸径 . 预选气缸的行程 . 气缸的类型选择 . 活塞杆直径 d 的计算 . 23 缸筒壁厚 的计算 . 23 缸输出拉力的校核 . 24 气量的计算 . 24 杆机构的设计 . 25 6 结论与展望 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 数控车床上下工件机械手 1 1 绪论 言和意义 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加 工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生产线发展成为柔性 制造系统 ,适应现代自动化大生产 ,针对具体生产工艺 ,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前 ，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 业机械手的简史 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。 1962 年，美国机械铸造公 司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 万能自动 )。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（ ,专门生产工业机械手。 1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但 都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于 1 毫米。 无锡太湖学院学士论文 2 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 司建立了8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到 米。 德国 机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 瑞士 司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。 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机械手后，大力研究机械手的研究。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 年个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。其中固定程序和可变程序约占一半，达222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50% 60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它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。 内外研究现 象和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： （ 1） 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 （ 2） 工业机器人控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （ 3） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了 视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 数控车床上下工件机械手 3 （ 5） 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； （ 6） 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先 进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 计原则 在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产 要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（ 电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。无锡太湖学院学士论文 4 2 数控车床上下工件机械手的总体设计 术要求 数控车床要实现自动化，可设计专门的上下料装置，但是要实现上下料的柔性化，机械手就是其最好的 组合。随着机器人学科的发展，机器人在某些方面可以代替人的工作，特别是一些高强度的工作，甚至还具备了一定的学习功能。数控车床与机械手的结合是现代制造业发展的一个选择，它是实现一个人操作多台车床，实现生产效率进一步提高的有效途径。 随着现代工业的发展和竞争的加剧，对加工效率提出了新的要求，数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求，当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低；如果采用 液压驱动，其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的副面影响。随着气动技术的不断发展，气体驱动也能成为机械手的驱动力量，其成本底，结构简单，工作效率高，清洁，再加上 制系统实现机电气一体化控制。 本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手，实现数控车床工件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面 :(1)设计了模块化气动装卸机械手的总体结构 ； (2)研究了大跨度气缸的固定支撑形式 ； (3)研究了水平运动气缸的防侧翻技术 ； (4)研究并实现了气缸输 出杆高精度柔性调节技术 (5)初步设计了气动控制回路和 制系统。 械手总体设计 行机构的选择 （ 1） 手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。 （ 2） 腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、左右摆动、上下摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700） ,并且要求严格密封，否则就难 保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构 。 （ 3） 臂部 ，手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位 ） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂数控车床上下工件机械手 5 部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和 工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 1 动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 可分为以下四类 : （ 1） 气压传动机械手 气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。 （ 2） 液压传动机械手 液压传动机 械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。 （ 3） 机械驱动机械手 机械驱动机械手是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。 （ 4） 电气驱动 机械手 电气驱动机械手是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为 ： 运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。 驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。按照各驱动特点以及机械手的工作环境采用电 气 动驱动。 2 动结构的选择 （ 1） 齿轮传动机构 在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。 （ 2） 谐波齿轮传动 谐波齿轮传动具有结构简单、 体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。 无锡太湖学院学士论文 6 （ 3） 螺旋传动 螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。 丝杠螺 母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（ 30%40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（ 92%98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。 （ 4） 同步带传动 同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达 98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达 40m/s）、传动比可达 10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高 、 中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形 齿形和圆弧齿形。 （ 5） 钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大 、 寿命长，钢带无蠕变 、 传动效率高。 （ 6） 链传动 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。 （ 7） 钢丝绳轮传动 钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。 3 根据实际要求，本设计主要选取了齿轮传动和 螺旋传动 。 械手的基本形式选择 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种 1。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 ： (1)直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（ m 级）。但是，这种直 角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小数控车床上下工件机械手 7 的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 (2)圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标机器人结构 球坐标机 器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 (4) 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种 。 图 械手基本形式 按照机械手的工作环境采用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比较满足设计要求。 械手直臂部分的主要部件及运动 在直角坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，关于机械手具有 4 个自由度 ,即：手爪张合；手腕回转；直臂升降；
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