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 1 目录 0 前言 2 第一章 绪论 3 1 1 摘要 3 1 2 设计要求 4 第二章 喷漆机械手总体设计方案 4 2 1 喷漆机械手总体方案论述 4 2 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 6 3 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 8 3 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 13 3 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 2 第四章 设计总结 18 附 设计说明书 二维喷漆机械手设计二维喷漆机械手设计 前前 言言 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 3 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 第一章第一章 绪论绪论 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 T2350 GB T3452 2 GB T2349 GB T10374 GB T10366 GB T5963 GB T14042 摘要 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 4 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 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 5 80 公斤之间 尺寸范围在 800 800 800 300 300 300 之间 第二章第二章 总体方案确定总体方案确定 2 12 1 总体方案设计论述 总体方案设计论述 5 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 6 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 7 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 22 2总体方案确定总体方案确定 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 第三章第三章 喷漆机械手子系统设计喷漆机械手子系统设计 3 13 1 机械传动设计机械传动设计 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 13 1 1 蜗轮蜗杆传动的特点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 8 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 23 1 2 齿轮齿条传动的特点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 33 1 3 滚珠丝杠副传动的特点滚珠丝杠副传动的特点 9 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 10 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 11 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 m in 600630132008300551310000 12 轴承 轴承固定方式 采用两端固定方式 3 23 2 液压传动子系统 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 13 2 1 气压传动的特点气压传动的特点 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 23 2 2 机械传动的特点 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 13 大 在机械设计中有很多死角及不能完成的作业 3 2 33 2 3 液压传动的特点 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 14 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 43 2 4 液压传动系统主要参数 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 70BE E Z1 15 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 mm 167210012410001071850 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 8 153额定 16 2 1 最高 额定 最高 1800r min 0 8 0 9 上海液压件厂 4 电机选择 选 Y 系列 Y225M Z 三相异步电动机 其额定功率 45KW 满载转速 2950r min 最大转矩 2 2N M 5 油箱选择 J B T7938 1999 油箱公称容量系列 2 54 06 31016254063100160 2503154005006308001000125016002000 按标准 V 800L 16 3 33 3 电气控制的设计 电气控制的设计 3 3 13 3 1 方案论证 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