车间运输机器人系统设计——毕业设计（论文）

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1引言在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，一般采取示教再现的工作方式。“工业机器人”（INDUSTRIALROBOT）多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置，国内称作工业机器人或通用机器人。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优点，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机器人称为通用机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。一般而言，机器人通常就是由这三部分组成，这些系统的性能就决定了机器人的性能。王林车间运输机器人系统设计21机器人介绍11机器人简介机器人（ROBOT）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的，用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。12机器人的研究历史及现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出世界上第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一个回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力开展机器人的研究。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论是数量、品种，还是性能方面都还不能完全满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3工作环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就会导致零部件甚至机器人本身的损坏。我国虽然开始研制工业机器人的时间仅比日本晚56年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。13机器人的发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人的设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，现代工业机器人有以下几个发展趋势1）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。2）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合。3）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。14运输机器人的应用简况在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机王林车间运输机器人系统设计4械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，运输机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）52运输机器人机械部分设计21运输机器人设计概况本运输机器人用于生产线各工序之间零件的搬运，所搬运零件为法兰盘，如图21所示。当工件的一道工序加工完之后，通过按钮呼叫运输机器人，机器人将工件搬到下一道工序，设计机器人的手臂长度为导轨与加工完的工件放置位置的距离，使手抓始终在工件的上端，机械手臂只需上下移动而无需伸缩，手抓始终水平放置，使机械手结构简单，本机械手需要3个自由度，手臂的上下移动，手抓张合，运输机器人在导轨上的移动。图21法兰盘FIG21FLANGECONSTRUCTED本设计主要有机身、手臂、机械手。手部的一个直线液压缸通过机械结构实现手抓的张合，机身一个直线液压缸实现机身带动手臂的上下移动，机身通过三相异步电动机的正反转实现的运输机器人在导轨上的移动。本运输机器人由机械手和导轨小车组成，机械手采用平动搬运机械手设计，导轨小车用双向电动机驱动小车在导轨上移动。本部分设计的主要任务是完成结构方面的设计。在本章中进行了坐标形式、自由度、驱动机构的确定。法兰（FLANGE）又叫法兰盘或凸缘盘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于王林车间运输机器人系统设计6管端。法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接，管道法兰系指管道装置中配管用的法兰，用在设备上系指设备的进出口法兰。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝扣连接）法兰和焊接法兰和卡夹法兰。22机械手的设计221工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1）建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。2）在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚辽宁工程技术大学毕业设计（论文）7铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面一是160T以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200T环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400T冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120T和40T多工位冲床机械手等。3）铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3T、5T、10T模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。222机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构1）手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，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、上下摆动、左右摆动。本设计只要求上下移动，要求功能较简单，一般腕部设有回转运动再增加一个上下运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。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，而且自身运动王林车间运输机器人系统设计8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。4）行走机构有的工业机械手带有行走机构。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,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。223机械手基本形式的选择圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标。根据设计要求，本机械手有3个自由度手抓张合、手臂升降、机身在导轨上移动。本设计由3大部件（手爪、手臂、机身）和两个液压缸、一个双向电动机驱动。手爪张合、手臂上下移动采用直线液压缸移动，机器人在导轨上移动采用双向电动机驱动。224手部设计基本要求1有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图22所示。3力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4手指应有一定的强度和刚度5其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方辽宁工程技术大学毕业设计（论文）9式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。图22机械手开闭示例简图FIG21FLANGECONSTRUCTED225选择手爪的类型及夹紧装置手抓张合角，夹取重量为5KG。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,06分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。226手抓的力学分析王林车间运输机器人系统设计10下面对其基本结构进行力学分析1滑槽杠杆图23（A）为常见的滑槽杠杆式手部结构。AB图23滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指2销轴3杠杆FIG23CHUTEHANDLEVERTYPESTRUCTURE,STRESSANALYSIS1FINGERS2PINSHAFT3LEVER在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，1O2O交和的延长线于A及B。1F2由0得X12F0得Y12COS1F0得H01MF1N辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11COSAHF（21）2NBF式中A手指的回转支点到对称中心的距离（MM）工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会FNF导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好。034227夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据2。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算（22）12NFKG式中机械手橡胶与工件的摩擦系数；安全系数，通常1220；1K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中2K21BKAA，重力方向的最大上升加速度；MAXVT响运载时工件最大上升速度MAXV系统达到最高速度的时间，一般选取00305ST响G被抓取工件所受重力（N）。表21液压缸的工作压力TABLE21HYDRAULICCYLINDERPRESSUREOFWORK作用在活塞上外力F/N液压缸工作压力/MPA作用在活塞上外力F/N液压缸工作压力/MPA小于50000812000030000204050001000015230000500004050100002000025350000以上5080计算3设A40MM,B20MM,15时，取Z为整数。因此取Z7，弹簧总圈数Z1585圈17）弹簧刚度C27N/MM38FGDCZ63014858）弹簧尺寸的确定弹簧的中经D24MM,弹簧丝直径D4MM，弹簧小径，弹簧1D240MD大径2428MDD弹簧长度。当Z15时PZD0H1Z0H节距PD，一般PD/2D/3D24P812取P8MM所以8854720取72MMH7对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比，本设计弹簧是2端自由，但中间有072B34HD活塞杆作为导杆，可作为两端固定考虑。当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，53B7B。26B王林车间运输机器人系统设计16结论本设计弹簧B353，因此弹簧稳定性合适。8疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行310N静应力强度验算）。现在由于设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式（2MAXCAS7）选取1317（力学性精确能高）SS（2MAX38KDFD8）MAX38FD22156384CMPA6MAX038CASS结论经过校核，弹簧适应。24腕部的设计241腕部的设计要求1）力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2）结构考虑，合理布局腕部承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。3）必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）17242腕部的结构根据本设计的方案，机械手无需转动，因此无需转动液压缸，腕部只包含驱动手爪的直线型液压缸，因此腕部的结构较简单。腕部和手爪设计成一个整体，通过螺栓组与手臂连接。图26手爪、手腕示意图FIG26PAWS,WRISTSCHEMES如图26所示，机械手的腕部主要包含一个直线型液压缸，当液压缸冲入压力油时，液压缸右腔压力上升，弹簧压缩、液压杆左移，机械手抓打开夹取物体，当液压缸卸载时，压力消失，弹簧压力推动液压杆右移，此时手爪夹有物体，所以液压杆不能右移，此时靠弹簧压力夹紧工件。腕部右端通过螺栓组与手臂连接。243手腕螺栓组的设计及校核手腕通过螺栓组与手臂连接，因此要进行螺栓组的校核6。螺栓组有两个水平布置的螺栓组成，采用普通螺栓，通过预紧力产生的摩擦力传递载荷。连接螺栓的中心线之间的距离是30MM，如图27所示。图27螺栓组受力图FIG27BOLTBYTRYINGTOGROUP王林车间运输机器人系统设计18运输机器人的手爪、工件、手腕可以等效为一个质点，等效质量为10KG，重F100N，距离螺栓组的中心的距离为80MM。对螺栓组进行受力分析，机械手手抓、工件、手腕的等效重力可以等效为作用在螺栓组中心的一个竖直向下的力和一个逆时针方向的等效力矩。如图42所示重力作用在每个螺栓上的力的力50N1F20翻转力矩MGL（29）MGL100008M8NM由力矩产生的力（22FR10）533N2R8015M50533583NMAXF2螺栓和铸铁之间加油橡胶垫圈以增加摩擦力，取07，预紧力Q/583N/07833NAX螺钉材料选择Q235，取46级，取安全系数N15240SP165MAN紧螺栓连接在装配时必须将螺母拧紧，所以螺栓螺纹部分不仅受预紧力所产生的PQ拉应力的作用，同时还收螺纹副间的摩擦力矩所产生的扭转应力的作用。由于螺栓材料是塑性材料，且受拉伸与扭转复合应力，故可按第四强度理论来确定螺栓螺纹部分的应力计算，即（222233051CAT11）本设计螺栓为只受预紧力的紧螺栓连接，这种螺栓连接不受轴向工作载荷，只受预紧力的作用。预紧力的大小可由下式来确定。螺栓危险刨面的强度条件为13CA辽宁工程技术大学毕业设计（论文）19即（22134PQD12）或（213P13）14382960DM取D5MM为公称直径的普通螺栓。25臂部的设计251臂部设计的基本要求1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。合理布置作用力的位置和方向。注意简化结构。提高配合精度。2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在105MS内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角018SMS09速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。减少臂部运动件的轮廓尺寸。减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。驱动系统中设有缓冲装置。3）手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足王林车间运输机器人系统设计20不自锁的条件。252臂部的设计方案根据本运输机器人的设计方案，机械手臂只需要上下移动，并不需要伸缩。运输机器人在导轨上移动，导轨和运输带末端的距离一定，所以设计好臂长就能保证机械手对工件的夹取，那么机器人的手臂就只有一个上下移动的自由度，而手臂的升降通过机身的直线的液压缸实现。手臂结构如图28所示。图28手臂示意图FIGURE28ARMSCHEMES253机械手臂的螺栓组设计及计算机械手臂比较简单，无旋转液压缸和直线液压缸，机械手臂采用铝合金材质，重量较轻，手臂截面采用工字型结构如图29所示，结构承载能力高。机械手臂通过螺栓组与机身连接，手腕通过螺栓组与手臂连接，因此要进行螺栓组的校核。螺栓组有两个水平布置的螺栓组成，采用普通螺栓，通过预紧力产生的摩擦力传递载荷。连接螺栓的中心线之间的距离是60MM。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）21图29手臂截面FIG29ARMSECTION机械手手爪、手腕、手臂可以等效成一个重12KG，距离螺栓组中心约为400MM的重力，根据理论力学的知识可以将机构的偏重力等效为一个过螺栓组中心的重力和一个力偶。重力作用在每个螺栓上的力的力60N1F20翻转力矩MGL12004M48NM由力矩产生的力800NM2L480360800860NMAXF12螺栓和铸铁之间加油橡胶垫圈以增加摩擦力，取07预紧力Q/860N/071229NAX螺钉材料选择Q235，取46级，取安全系数N15240SPA165MN紧螺栓连接在装配时必须将螺母拧紧，所以螺栓螺纹部分不仅受预紧力所产生的PQ拉应力的作用，同时还收螺纹副间的摩擦力矩所产生的扭转应力的作用。由于螺栓材料是塑性材料，且受拉伸与扭转复合应力，故可按第四强度理论来确定螺栓螺纹部分的应力计算，即22233051CAT本设计螺栓为只受预紧力的紧螺栓连接，这种螺栓连接不受轴向工作载荷，只受预王林车间运输机器人系统设计22紧力的作用。预紧力的大小可由下式来确定。螺栓危险刨面的强度条件为13CA即214PQD或13P1429560DM取D10MM为公称直径的普通螺栓。26机身的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。261机身的整体设计机身承载着手臂，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析根据本设计的要求，本设计只要求机身的升降。本设计机身包括两个运动，如图所示，。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与升降缸的下端盖用键来固定，下端盖与小车的外壳固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见图210。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）23图210机身的结构FIG210THESTRUCTUREOFTHEFUSELAGE262手臂偏重力矩的计算图62手臂各部件中心位置图FIG62ARMPARTSCENTERLOCATIONS1）零件重量、等。G工件爪腕G臂5KG工件现在对机械手手臂做粗略估算总共5KG爪和腕王林车间运输机器人系统设计242KGG臂12KG总工件爪腕臂2计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。600MM工件500MM手和腕200MM臂（2GG手腕手腕工件工件臂臂总14）492MMG手腕手腕工件工件臂臂总所以，回转半径492MM3计算偏重力矩M总偏12KG0492M1059NM7G总偏263升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而里柱导套有防止这种趋势。G总由力的平衡条件有1RF2H1G总即1R2H总所谓的不自锁条件为G总112RFFF即总H总F2辽宁工程技术大学毕业设计（论文）25取016F则032H当492MM时，0321575MM因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于1575MM。264手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算FG惯摩密式中摩擦阻力F摩取F01612F摩G零件及工件所受的总重。1）的计算F惯（215）GVFGT总惯设定速度为V4起动或制动的时间差T002S近似估算为80KG将数MING总据带入上面公式有GVFGT总惯8096728MSN2）的计算F摩12RFF摩1280904925757RGKGNMFNH总2250780224N1RF摩63）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算03F密最后通过以上计算当液压缸向上驱动时，F3575N当液压缸向下驱动时，F357580021975N265液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F3575N，根据表31选择液压缸的工作压力P1MPA1）确定液压缸的结构尺寸王林车间运输机器人系统设计26液压缸内径的计算，如图211所示。图211双作用液压缸示意图FIGURE211DUALACTIONHYDRAULICCYLINDERSCHEMES当油进入无杆腔，214DFP当油进入有杆腔中224DP液压缸的有效面积1FSP故有（无杆腔）（21143D16）（有杆腔）（2214FDP17）F3575N，选择机械效率1P60A095将有关数据代入61143730930951FDMPP根据表22（JB82666），选择标准液压缸内径系列，选择D70MM。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）272）液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在10MM，所以该液压缸的外径为90MM。3）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径D的15倍以上，按拉、压强度计算（218）24FD设计中活塞杆取材料为碳刚，故，活塞直径D50MM,现在进行10MPA校核。662235781004FD结论活塞杆的强度足够。266电动机的选择机身部使用了1个电机，该电动机通过正反转带动运输机器人在导轨上双向移动。选择Y90S4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表23Y90S4电动机技术数据所示表23Y90S4电动机技术数据TABLE23Y90S4MOTORTECHNOLOGYDATA型号额定功率/KW电流A转速R/MIN效率/功率因数额定电流/A额定转矩/NM额定转矩/NMY90S4112714007907865222227机身传动机构设计运输机器人通过三相异步电动机的正反转带动机身在导轨上的做双向移动，为此需要设计传动机构。电动机的输出转速很高，因此要通过减速来达到需要的转速。本设计通过二级齿轮实现电动机的减速8，如图212所示。电机转速N1400R/MIN,初选传动比I20，选择齿轮的模数为2，王林车间运输机器人系统设计28齿轮1取齿数Z120，则D1MZ22040MM齿轮2齿数Z2I1Z142080，D2MZ280160MM齿轮3齿数Z320，则D3MZ22040MM齿轮4齿数Z4I2Z3520100，D4MZ2100200MM输出转速N1N/201400/2070R/MIN117R/S设计轮子直径为100MM，速度VN1314100367MM/S图212传动机构FIG212TRANSMISSIONMECHANISM辽宁工程技术大学毕业设计（论文）293运输机器人的控制系统的设计31可编程控制器的简介可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC）9，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为1）电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在1015范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2）中央处理单元CPU中央处理单元CPU是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。王林车间运输机器人系统设计30存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4）输入输出接口电路现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。5）功能模块如计数、定位等功能模块。6）通信模块32PLC的发展1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，称PROGRAMMABLE，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP14；1971年，日本研制出第一台DCS8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一辽宁工程技术大学毕业设计（论文）31直保持为3040。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。33PLC的应用概况PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。1）用于逻辑控制这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。2）用于模拟量控制PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。3）用于机械加工中的数字控制现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。4）用于工业机器人控制王林车间运输机器人系统设计325）用于多层分布式控制系统高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。34PLC的特点1）可靠性高、抗干扰能力强PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工作，PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。2）控制系统构成简单、通用性强由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。3）编程简单、使用、维护方便4）组合方便、功能强、应用范围广PLC既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，PLC应用范围很广。5）体积小、重量轻、功耗低PLC采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约12KW。35运输机器人的设计要求本课题为车间运输机器人系统设计，用于车间不同工序之间工件的搬运，本次设计为三条工序的运输程序，如图有三道工序，四个限位开关，其中第二道工序有两个限位开关，SQ2用于放置从第一道工序搬运到的工件，SQ3用于第二道工序加工后零件的放置。运输机器人通过导轨在各道工序之间运行。在图中有有六个输入端，分别是第一道工序的呼叫按钮X6，当地一道工序加工完后，操作工人按下呼叫按钮X6，信号传入PLC，运输机器人将工件搬到下一道工序。第二道工序的呼叫按钮X7，当工件完成第二道工序的加工后，操作工人按下呼叫按钮X7，信号传入PLC，运输机器人将工件运到下一道工序。此外还有限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对应X1、X2、X3、X0，当辽宁工程技术大学毕业设计（论文）33运输机器人处于限位开关位置时，开关量接通并将信号传入PLC。在运输机器人上有两个行程开关X4，X5。其中X4为上行开关，X5为下行开关。图31运输机器人工作示意图FIGURE31TRANSPORTATIONROBOTSWORKSCHEMES运输机器人的机械手设计成始终处于加工后工件上方的直线空间内，即机器人位于限位开关时，机械手始终位于工件的正上方，所以机械手只需具有上下移动加紧、放松的功能即可，因此降低了对机械手功能的要求。机械手的夹紧放松由直线型液压缸和机械结构实现，并有双向电磁阀控制。机械手的上下移动同样由直线型液压缸实现，由双向电磁阀控制。小车在导轨的移动由双向电动机实现，由两个开关控制正反转。系统还有Y0、Y1、Y2、Y3、Y4五个输出，其中Y0接通机械手上行，Y1接通机械手下行，Y2接通时机器人右行，Y3接通时机械手左行，Y4接通时机械手夹紧。图32运输机器人工作示意图王林车间运输机器人系统设计34FIGURE32TRANSPORTROBOTSWORKSCHEMES36编程原理分析1）当运输机器人停在限位开关SQ1时，X6处有呼叫，则将工件搬至SQ2处，并停在此处。2）当运输机器人停在限位开关SQ1时，X7处有工件，则运输机器人先移动到限位开关SQ3处，然后将工件搬到限位开关SQ4处，并停在此处。3）当运输机器人停在限位开关SQ1时，X6、X7处均有呼叫，则运输机器人先将工件搬到SQ2处，然后再移动到SQ3处，将工件搬到限位开关SQ4处，并停在此处4）当运输机器人停在限位开关SQ2时，X6处有呼叫，则运输机器人先移动到限位开关SQ1处，然后将工件搬到限位开关SQ2处，并停在此处。5）当运输机器人停在限位开关SQ2时，X7处有工件，则运输机器人先移动到限位开关SQ3处，然后将工件搬到限位开关SQ4处，并停在此处。6）当运输机器人停在限位开关SQ2时，X6、X7处均有工件，则运输机器人先将X7处工件搬到SQ4处，然后在移动到SQ1处，将工件搬到限位开关SQ2处，并停在此处7）当运输机器人停在限位开关SQ4时，X7处有工件，则运输机器人先移动到限位开关SQ3处，然后将工件搬到限位开关SQ4处，并停在此处。8）当运输机器人停在限位开关SQ4时，X6处有工件，则运输机器人先移动到限位开关SQ1处，然后将工件搬到限位开关SQ2处，并停在此处9）当运输机器人停在限位开关SQ4时，X1、X2处均有工件，则运输机器人先移动到限位开关SQ1处，将工件搬到SQ2处，然后在移动到SQ3处，将工件搬到限位开关SQ4处，并停在此处。37PLC程序的编写首先进行选型，确定好I/O点数，应该考虑未来扩充和备用的需要，留1020的输入/输出点数作备用。模拟输入/输出接口它是用来感知传感器产生的信号的。这些接口测量流量，温度和压力的数量值，并用于控制电压或电流输出设备。典型接口量程为1010V，010V，420MA或1050MA。PLC供电电源一般为AC220V或DC24V电源。因此运输机器人的电源选择为AC220V电源，DC24V输入。综上所述，由于在PLC行业中中三菱公司的FX系列吸收了整体式和模块式PLC的辽宁工程技术大学毕业设计（论文）35优点,体积小，外部结构美观以及灵活多变的系统配置，功能强，使用方便，因此选择三菱FX系列PLC作为运输机器人的自动控制系统10。在FX系列PLC中FX2N的功能最强、速度最高的微型PLC。并且可选用不同的子系列，避免了功能的浪费，用最少的投资来满足系统的要求。运输机器人的I/O点数分别为20个和5个，因此选择的I/O点数应为25个。输出形式选择为继电器输出，因此选择的PLC型号为FX2N48MR。371PLC的I/O口分配表31I/O口分配TABLE31THEI/OMOUTHDISTRIBUTION输入电器输入点输出电器输出点限位开关1X1手臂上升Y0限位开关2X2手臂下降Y1限位开关3X3运输机器人右行Y2限位开关4X0运输机器人左行Y3上限位X4手抓夹紧Y4下限位X5呼叫1X6呼叫2X7手动切换按钮X10回原点按钮X11单步按钮X12连续按钮X13起动按钮X16停止按钮X17手动夹紧按钮X20手动放松按钮X21手动上升按钮X22手动下降按钮X23手动右行按钮X24手动左行按钮X25372控制系统的多种工作方式。本运输机器人用于生产线不同工序之间零件的搬运，控制面板如图34所示，图33是PLC的外部接线图。为了满足生产的需要，本运输机器人要求有多种工作方式，有手动方式、连续、单步和自动返回初始状态的工作方式。工作方式选择开关的4个位置分别对应4种工作方式，操作面板下部的6个按钮是手动按钮。为了在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠的切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM，如图33所示。在PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，是KM线圈得电并自锁