3自由度自动搬运机械手设计说明书.doc

3三自由度自动搬运机械手设计-吸盘式含proe三维及10张CAD图

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内容简介:
摘 要每年全世界的硅钢片的生产量都十分巨大,硅钢片的生产工人对产品进行一系列的相关加工时,人工硅钢片加工的工作进度缓慢,硅钢片的手动加工过程易出现各种问题。因此为了代替人工而生产出来的吸取式输送机械手的自动化机械设备,可通过其执行机构将硅钢片有序的放入流水线的每一处的加工位置,其控制中心系统可实现硅钢片输送机械手的的自动化运行,提高了工艺过程的准确性和效率。该设计的硅钢片机械手为吸取式的自动化机械设备,它拥有三自由度可实现多角度运输硅钢片,该设计的硅钢片机械手搬运装置包含多个组成机构,如:可控制硅钢片机械手回转的装置、控制硅钢片机械手伸缩的连杆机构、控制硅钢片机械手上下移动的升降装置等。本次设计的硅钢片机械手搬运装置机构主要涵盖以下几点,第一,对所设计的硅钢片搬运机械手的构造原理和机械运动原理进行研究分析,并根据其运动方式设计控制程序;第二,选择设计零部件,计算整体机械的主要参数数据,再对选择的标准零件校核其参数是否满足设计要求。第三,运用AutoCAD绘制自动化硅钢片移动机械手的二维结构图和整体的装配图,最后完成作品,运用三维软件Pro/E绘制硅钢片搬运机械手的三维模型,向读者展示本设计的最终作品。关键字:吸取;机械手,执行机构;三自由度;控制AbstractEvery year, the worldwide production of silicon steel sheets is tremendous. When the silicon steel sheet producers carry out a series of related processing on the products, the progress of manual silicon steel sheet processing is slow, and the manual processing of silicon steel sheets is prone to various problems.Therefore, in order to replace the automatic mechanical equipment of the suction conveying manipulator manually produced, the silicon steel sheets can be orderly put into each processing position of the pipeline through its executing mechanism. The control center system of the automatic operation of the silicon steel sheet conveying manipulator can improve the accuracy and efficiency of the process.The designed silicon steel sheet manipulator is a suction-type automatic mechanical device, which has three degrees of freedom to transport silicon steel sheets at multiple angles. The designed silicon steel sheet manipulator handling device consists of several components, such as: device for controlling the rotation of silicon steel sheet manipulator, linkage mechanism for controlling the expansion of silicon steel sheet manipulator, lifting device for controlling the up and down movement of silicon steel sheet manipulator, etc.The mechanism of silicon steel sheet manipulator handling device in this design mainly covers the following points. Firstly, the structural principle and mechanical movement principle of the designed silicon steel sheet handling manipulator are studied and analyzed, and the control program is designed according to its motion mode. Secondly, the design parts are selected to calculate the main parameter data of the whole machine, and then the selected standard parts are checked to have their parameters:Does it meet the design requirements?Thirdly, draw two-dimensional structure drawing and overall assembly drawing of the automatic silicon steel sheet mobile manipulator with AutoCAD, and finally complete the work. Use three-dimensional software Pro/E to draw three-dimensional model of the silicon steel sheet mobile manipulator, and show the final work of this design to the readers.Key words: absorb; manipulator, actuator; three degrees of freedom; control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1硅钢片搬运手的研究意义11.2硅钢片搬运机械手的整体概括21.2.1硅钢片搬运机械手的机构组成21.2.2硅钢片搬运机械手的种类21.3硅钢片搬运手的国内外现况2第2章 硅钢片搬运方案设计42.1搬运机械手设计研究42.1.1搬运机械手作业要求42.1.2搬运机械手的参数设计42.2搬运机械手的结构及驱动计算42.2.1搬运机械手结构方案的选择42.2.2驱动方案的选择52.3硅钢片搬运机械手的结构设计72.4硅钢片机械手的机构设计72.4.1移动机构的升降装置72.4.2移动机构的伸缩装置82.4.3移动机构的回转装置82.5硅钢片搬运机械手的控制设计9第3章 机械手移动机构的升降装置103.1 升降装置的电动机设计103.1.1升降装置的电机选择103.1.2移动机构的启动矩校核113.2移动机构的滚珠丝杆设计113.2.1升降伸缩机构滚柱丝杠的设计123.2.2升降机构的滚柱丝杠的计算133.3升降移动手臂的轴承及键的设计13第4章 搬运机械手回转机构的研究154.1回转机构电动机的设计154.1.1回转机构电机轴设计154.1.2回转驱动电机设计164.2回转机构齿轮设计174.2.1回转机构齿轮参数计算174.2.2回转机构齿面接触疲劳强度174.2.3移动装置齿轮齿根弯曲强度194.2.4回转部件齿轮计算204.3 回转轴零件研究设计204.3.1回转机构零件轴的设计204.3.2回转部件零件轴强度校核214.3.3回转部件零件键的计算234.4回转机械手臂的底座设计234.5回转机械手臂的旋转座设计244.6抓取机构中吸盘的设计24第5章 搬运机械手PLC设计255.1 搬运机械手PLC介绍255.1.1机械手PLC控制器255.1.2 PLC可控制领域255.1.3 机械手PLC系统255.1.4 机械手控制系统原理275.2 机械手控制系统PLC的选型285.3 机械手控制系统的外部接线295.4 机械手控制电路的设计29总 结31参考文献32致 谢33IV3自由度自动搬运机械手设计第1章 绪 论1.1硅钢片搬运手的研究意义在当今信息化的飞速发展过程中,硅钢片的自动化移动搬运手也在向信息数据控制的方向逐步发展。世界各国尤其是西方的工业强国都在全力研和发展自动化机械手的信息化工业技术。面对新时代的机械信息发展趋势,中国政府提出适合中国特色的机械信息工业的发展模式。本文所设计的硅钢片自动搬运机械手正是响应了国家的政策,通过计算机、交换机对信息数据的处理控制整个硅钢片搬运装置,高效有序的搬运硅钢片。随着社会工业技术的发展,工业搬运型的机器人如雨后春笋不断地涌现,单是硅钢片搬运机器人的种类就高达几十种之多。硅钢片搬运机器手的灵活度不及人类的行动自如,但是硅钢片的流线型加工模式本身就是单一的运动模式,因此,硅钢片搬运机械手装置完全可以满足硅钢片的搬运工作。自动化硅钢片搬运手可以24小时不间断的进行工作,效率远远高于人工,而且硅钢片搬运机械装置是通过计算机信息控制,相对于员工大脑的主观能动性,其安全性更高。本文所设计的硅钢片搬运机械手是一种自动化搬运设备,它可以保证搬运的产品质量,提高硅钢片的搬运效率,改善硅钢片生产工厂的经济效益。目前的硅钢片搬运机械手可以严格的遵循指令操作完成搬运工作。硅钢片搬运机械手可以在电力充沛的环境下一直的进行搬运作业,它既可以搬运轻质材料也可以搬运重物品。但是硅钢片的搬运装置只是按照逻辑程序进行特定的作业,不能对整个流线的工作状况做出判断,一旦某一环出错不能及时反映并更正。本设计课题来自硅钢片生产企业的机械设备制造项目计划。该计划准备生产制造新型的自动化吸取式硅钢片搬运机械手,来替代一线员工和老式的机械手搬运装备,实现工厂的信息化和自动化生产加工模式,提高硅钢片生产加工企业的作业效率和经济效益。该设计课题具有很高的机械设计标准,拥有最前沿的信息控制技术,是一个很好的高校与企业的合作项目。硅钢片是铁磁合金的一种,常被用于具有高速旋转的电力设备的制作材料。在中国有许多的硅钢片生产制造工厂,每年硅钢片的产量高达数十万吨,硅钢片的搬运检测作业压力极大,仅依靠人力完成显然不太现实,只有依靠机械搬运设备才能完成如此巨大的硅钢片搬运工作量。本课题所设计的硅钢片搬运机械手可以高效率的完成硅钢片的搬运工作,极大的节省了人力物力。本文所设计的硅片搬运机械手是全自动的机械设备,通过计算机控制整个设备的运行系统,实时处理各种执行机构的反馈信息,保证硅钢片的搬运可以有效、有序的平稳运行。1.2硅钢片搬运机械手的整体概括1.2.1硅钢片搬运机械手的机构组成硅钢片搬运机械手的组成部分主要有控制机构、动力传动机构、硅钢片移动机构、硅钢片抓取机构。硅钢片抓取机构是执行抓取硅钢片的任务,其类似于人的手,可根据硅钢片的外形来变换执行机构各组成零件的展开形状尺寸进行硅钢片的抓取作业。硅钢片移动机构是通过移动硅钢片抓取机构来移动硅钢片的位置,硅钢片移动机构类似于人的手臂。硅钢片搬运机械手的动力传动机构是将动力源电机的电能转换为机械能并传递给硅钢片移动机构和执行机构,使它们可以有足够的动力执行搬运工作。机械手的控制机构是控制硅钢片移动和抓取机构可以按照工程师所设定的搬运轨迹进行,将指定起始地点的硅钢片搬送到指定的终点位置。1.2.2硅钢片搬运机械手的种类根据驱动方式的不同,可以将硅钢片搬运机械手分为气压驱动搬运机械手、液压驱动搬运机械手、电力驱动搬运机械手等多种型号。按照硅钢片搬运机械设备的工作环境要求,可分为一般用途的搬运设备和特殊的硅钢片搬运设备。一般用途的硅钢片搬运设备的控制型号比较单一,它是面对大众化而生产出来的,基本上适用于各种硅钢片的搬运工作。特殊的硅钢片搬运机械手是针对拥有特殊用途的硅钢片搬运,它是工程师根据特殊的硅钢片生产而研发的。1.3硅钢片搬运手的国内外现况第一个机械手是在从美国研制的。在20世纪50年代,美国的一家机械制造企业制造出世界上第一台机械手。它构造简单但是控制系统比较繁琐。后来,同样的一家美国企业又制造了一台模仿坦克运动的气压驱动机械搬运手,该搬运机械手具有多自由度,较上一台有了很大的改进,也让机械手进入工厂的进程又向前迈了一大步。20世纪80年代,美国的部分机械制造公司开始与一些世界名校合作研发一种带有计算机控制系统的机械搬运手。同时,在欧洲的机械制造强国也开始了机械手的研发生产,并投入了制造业的生产线上进行工作,提高了生产效率,促进了欧洲各国的制造业发展。德国与日本在机械手的发展中投入更多,使用量也更多。随着机械手种类的增多,硅钢片搬运机械手也被生产研发并投入了使用。在上个世纪的中国,国内整体的机械制造业起步晚,生产制造严重落后。我国第一批自主研发的搬运机械手是在1970年左右,历经了五十年的漫长发展,搬运机器人经历了一个又一个的时代变迁,跨过了一道又一道的艰难险阻,终于有了搬运机械手今天的飞跃发展。但即使我国的硅钢片搬运机械手设备取得了极大的发展,可与国际上的制造强国相比还是落后的,毕竟这些国家的机械制造业的发展比中国早了很多,它们拥有着更先进的制造技术,还有众多的核心技术。为面对新时期硅钢片搬运机械手研发生产的严峻考验,响应“中国制造2025”的伟大政策,加强对硅钢片搬运机械设备的研发与创新,提高硅钢片搬运机械设备的科研力度,强化硅钢片搬运机械设备的制造技术,提升硅钢片搬运机械设备的产品质量。提高硅钢片搬运机械设备的核心技术和国际上的竞争优势。加强硅钢片搬运机械设备智能化加工制造。坚决打破硅钢片搬运机械设备的控制机构、传感机构、动力机构的技术壁垒。加快硅钢片搬运机械设备的标准化、模块化的研发进程。初期的硅钢片搬运机械设备主要依靠人工控制,现如今的硅钢片搬运机械设备可以通过计算机等现代化信息技术实现感觉技能。硅钢片搬运机械设备中的控制机构、动力传动机构、硅钢片移动机构、硅钢片抓取机构可通过传感器实现触觉感应,提高机械装置中控制机构、动力传动机构、硅钢片移动机构、硅钢片抓取机构的灵活度和可靠性。第2章 硅钢片搬运方案设计2.1搬运机械手设计研究2.1.1搬运机械手作业要求目前的各公司生产制造所需的硅钢片多数是依靠人工搬运,员工的工作压力大,危险程度高,本设计为了提高硅钢片在两道工序之间的转移效率,研发设计了一种可自动化搬运硅钢片的自吸取式机械手,通过计算机控制,可以自动把加工好的硅钢片搬运到下一道工序继续加工。节省了人力,降低了硅钢片搬运工人的工作危险性。本设计严格的嵌入了机电一体化技术,硅钢片搬运机械手是一个非常好的、合理的设计课题。该课题有大量的学习资料,可以为学生设计硅钢片搬运设备提供帮助。本设计能够帮助提高学生查阅硅钢片搬运设备机械制造技术的能力,利用在校期间机械专业知识进行硅钢片搬运机械手的结构设计,培养学生对硅钢片搬运机械手的设计研发能力,进一步提高学生的机械电子知识素养。2.1.2搬运机械手的参数设计1)硅钢片搬运机械手搬运的硅钢片尺寸是重量10g。2)硅钢片搬运机械手移动机构升降行程250mm,移动机构的升降速度:;移动机构的伸缩行程80mm,移动机构伸缩速度:。3)硅钢片搬运机械手移动机构实现两个方向的90移动机构回转速度:4)硅钢片搬运机械手的定位方式:行程开关6)硅钢片搬运机械手的定位精度:2.2搬运机械手的结构及驱动计算2.2.1搬运机械手结构方案的选择自动化硅钢片搬运机械手的移动机构主要有直角、圆柱、球、关节型等四种坐标结构形式。自动化硅钢片搬运机械手的移动机构结构形式的特点如下:(1)直角坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构 自动化硅钢片搬运机械手移动机构的直角空间运动是用三个可以升降的连杆机构零件进行直线式的运动,如图2-1. a所示。因为可通过闭环系统控制直角坐标的运动,所以,直角坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构具有非常高的位置定位精度(m级)。(2)圆柱坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构圆柱坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构空间运动是通过回转运动结合两个直线运动的共同作用下完成特定的运动形式,如图2-1.b所示为圆柱坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构。由它设计而成的硅钢片搬运机械手构造简单,精度也可满足硅钢片的搬运定位精度,可以用于两个工序之间是一个圆柱状的移动空间。(3)球坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构球坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构的空间运动是结合两个回转零件和一个直线运动的连杆组装而成,如图2-1.c所示为球坐标的自动化硅钢片搬运机械手移动机构。由它设计而成的硅钢片搬运机械手构造成本低,但是搬运定位的精度低,可以用于两个工序之间是一个类球形的移动空间。(4)关节型的自动化硅钢片搬运机械手移动机构关节型的自动化硅钢片搬运机械手移动机构空间运动是通过三个回转零件的回转运动实现的,如图2-1.d所示为关节型的自动化硅钢片搬运机械手移动机构,这种移动机构动作灵活,工作稳定,体积虽小,但自由度高,可实现多角度搬运工作。图2-1四种硅钢片搬运机械手坐标形式根据相关设计的要求,需对硅钢片进行两道工序间的来回搬运,生产线的工作空间狭小,只需要对自动化硅钢片搬运机械手的移动机构进行小范围的移动,同时需减小硅钢片搬运机械手所占用的生产空间,因此自动化硅钢片搬运机械手的移动机构采用圆柱坐标。2.2.2驱动方案的选择自动化硅钢片搬运机械手的驱动方式有多种类型如:液压驱动、气动驱动和电动驱动,本设计根据工作要求将上述的驱动方式组合成复试的驱动系统。上述三类驱动系统分别具有如下特点:(1)移动和抓取机构的液压驱动方式经过数十年的不断地改进完善和创新,液压技术越来越成熟,且已经被应用于各种的机械设备中,液压驱动拥有很高的承载载荷能力,动力足,力量大,使用液压系统来为自动化硅钢片搬运机械手的移动和抓取机构提供动力,可以保证其工作稳定,响应程度快,可适用于较重的硅钢片的搬运。但是液压驱动设备的体积大,加压液压油时会产生较高的噪音,工作效率低下,反应慢,不能快速的搬运硅钢片。另外液压油会造成流水线工作台的油污染,难以清洗。(2)移动和抓取机构的气动驱动方式若采用气动的方式为自动化硅钢片搬运机械手的移动和抓取机构提供动力,可以实现运动机构的快速移动,灵活轻巧,反应快、工作效率高,但是不易用于较重的硅钢片的抓取转移任务,会导致机构超负荷运动,降低了自动化硅钢片搬运机械手使用寿命。(3)移动和抓取机构的电动驱动方式电动机驱动具有良好的灵活性,而且能提供较大的转矩,运转惯量小,可快速启动和停止。电动机通过电力驱动,对于计算机信息控制的机电一体化机械设备来说,电力控制的机构装置更加的简便,便于控制操作,其所产生的噪音小,没有液压驱动的油污染情况,体积也远远小于液压驱动系统,电动机驱动可以提供很大的转矩,不会像气压传动那样只能提供小转矩。因此,电动机传动常见于工业机器的驱动系统中。表2.1 各种控制方式的比较项目气压传动液压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能污染清洁较清洁维护简单比液动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎没问题注意火一般无问题无特殊问题通过上表的性能比对,综合考虑本次自动化硅钢片搬运机械手的设计要求,最终确定移动和抓取机构的驱动方式为电动驱动。2.3硅钢片搬运机械手的结构设计如图2-2所示的时自动化硅钢片搬运机械手的整体结构二维示意图,硅钢片搬运机械手支架机构中的支座根据生产线的生产环境可以安装在工作台上或者地面上。移动机构装置中的回转装置安装在支座上,最大可以旋转角度;移动机构中的左右移动螺母丝杠2安装在回转装置上控制吸盘的左右移动;移动机构中的上下移动螺母丝杠1安装在回转装置上控制吸盘的上下移动。1. 上下移动的滚珠丝杠 2. 左右移动的滚珠丝杠 3. 移动机构的转动装置 4.搬运机械手的基座 5.抓取机构的真空吸盘图2-2 硅钢片搬运机械手的整体结构二维图2.4硅钢片机械手的机构设计2.4.1移动机构的升降装置移动机构的升降装置的移动距离为,升降装置在搬运的工作过程中需要有自锁装置,以防止吸取硅钢片的升降装置突然下落,造成机械手撞损。该机构装置通过滚珠丝杠零件来将电动机的旋转动力转换为升降装置的上下直线运动的动力。图2-3机身升降机构2.4.2移动机构的伸缩装置自动化硅钢片搬运机械手的移动机构中的左右移动装置,可实现模仿人的手臂伸缩运动。该移动机构可通过连接板、螺母、滚柱丝杠等零件实现将旋转运动转变成直线运动,通过此方法可以将电机的转动动能变成移动机构左右移动的动能。图2-4移动机构的伸缩装置二维构造简图2.4.3移动机构的回转装置自动化硅钢片搬运机械手的移动机构中的回转装置可以将移动机构中的所有零件回转,为实现所设计的转动角度要求,该设计的回转机构的驱动装置选择步进电机,电机与回转装置的机架之间通过齿轮传动,将电机的动能与转矩通过传动齿轮传递给回转装置。图2-5移动机构的旋转装置二维简图2.5硅钢片搬运机械手的控制设计本设计的硅钢片搬运机械手的运动包含了上下移动、左右移动、回转运动,吸取硅钢片、放置硅钢片等一系列搬运动作,运动步骤机械式、简单化,因此,可采用PLC控制技术并结合计算机控制系统控制整个的硅钢片搬运机械手的全运动过程。图2-6 PLC流程图第3章 机械手移动机构的升降装置3.1 升降装置的电动机设计本设计的硅钢片搬运机械手中含有多个驱动原件,驱动移动机构中的升降装置上下移动的电动机为步进电动机。该电动机可以将脉冲信号变换成各种类型位移。它有多种优点,它的工作稳定,不会因工作环境的变化而变化;可以灵活的控制电动机的启动、停止还有转速的大小;可以准确的进行搬运机械手的位置定位,保证硅钢片所放位置的准确度。自动化硅钢片搬运机械手的升降装置所需的驱动电机必须有很高的定位精度,可以将硅钢片摆放在正确的位置。驱动电机在工作时不受电压微小变化的影响,可以持续稳定的工作,为移动机械手臂的升降装置提供稳定的动力。所以该设计选用的步进电动机的型号式。这种机器的功率是。3.1.1升降装置的电机选择(1)移动机构中升降装置步距角从机械专业电机型号的资料中查到步距角,根据设计要求选择,满足理论设计标准。(2)移动机构中升降装置距频特性移动机构中升降装置的步进电机最大静转矩Mjmax与步进电机硅钢片搬运工作时启动转矩Mmq关系是:移动机构中升降装置步进电机空载启动设计计算。升降装置的驱动步进电机空载状态下的启动力矩计算:上式中:Mkq是没有搬运硅钢片的启动状态下力矩;Mka为自动化搬运机械手没有搬运硅钢的加速状态下的力矩;Mkf为自动化搬运机械手没有搬运硅钢片时电机轴上的摩擦力矩;为自动化搬运机械手没有搬运硅钢片时丝杆额外的附加摩擦力矩。选择移动机构中的升降装置驱动电机型号时,要充分考虑步进电动机空载启动力矩和名义启动转矩的大小关系,即:计算搬运硅钢片的启动状态下力矩Mkq,可按照相关的设计计算公式:移动机构中的升降装置空载加速力矩移动机构中的升降装置空载摩擦力矩移动机构中的升降装置空载附加摩擦力矩3.1.2移动机构的启动矩校核移动机构中的升降装置的驱动步进电机有三种搬运的工作状态:启动升降装置,升降装置的快速进给,升降装置的正常运行。前面计算的移动机构中的升降装置空载的,是对移动机构中的升降装置的驱动电机进行转矩核算,除此以外,也要计算升降驱动的启动矩频特性。移动机构中的升降装置的驱动电机有突跳和升速两种启动方式。突跳时的工作状态不平稳,很容易丢步。第二种升速启动模式则平稳一些,对搬运硅钢片时可以避免硅钢片振动掉落,摔坏材料,甚至将机械手砸坏,造成财产损失,而且正常情况下不会出现丢步。3.2移动机构的滚珠丝杆设计移动机构中的升降和伸缩装置都含有将电机的转动转换为直线运动,将旋转运动转换为直线运动的机构有很多,本设计选择其中的一种:滚珠丝杆机构装置。根据所设计的硅钢片搬运机械手的结构特点和工作环境、工作载荷、电机的额定功率和额定转速等工作数据参数设计滚珠丝杠的尺寸在交由制造厂专门定制。现根据有关公式计算滚柱丝杠的尺寸参数。移动机构的滚柱丝杠参数如下:升降伸缩机构的载荷,i为工作载荷的序号;升降伸缩机构的转速(r/min);升降伸缩机构的工作时间 (h) ;升降伸缩机构中丝杆零件副最大速度;升降伸缩机构丝杆零件的寿命。3.2.1升降伸缩机构滚柱丝杠的设计(1)根据硅钢片的搬运工况设计移动装置中的升降机构 选择滚道截面形状,滚珠螺母的循环方式和预紧方式;(2)移动装置中的升降机构滚珠丝杆副的参数设计计算 根据移动装置中的升降机构的搬运工况,查询丝杠的计算资料得载荷系数系数; 移动装置中的升降机构的搬运转速 移动装置中的升降机构的搬运载荷 升降机构中的滚珠丝杠的搬运导程 升降机构中的滚珠丝杠的搬运导程取4mm升降机构中的滚珠丝杠的搬运工作转速升降机构中的滚珠丝杠所需的硅钢片搬运载荷(3)升降机构中的滚珠丝杠型号由移动装置中的升降机构的硅钢片搬运工况设计和,制定升降机构的硅钢片搬运工况行程为4mm,升降机构的硅钢片搬运工作载荷大于。升降机构的滚柱丝杠的筛选型号为CDM2004-2.5。3.2.2升降机构的滚柱丝杠的计算(1)升降机构的滚柱丝杠转速校核计算升降机构的滚柱丝杠转速满足硅钢片的搬运转速。(2) 由于升降机构的滚柱丝杠是竖直的,所以在竖直方向上的外部压力小,也使摩擦力变得很小,所以摩擦温度不高,因此高温变形的情况不会发生,没必要对升降机构的高温形变进行验证。(3)升降机构的滚珠丝杆的预加紧力升降移动手臂的滚柱丝杠预紧力通常设计为硅钢片搬运工作的载荷的三分之一。即:升降移动手臂的滚柱丝杠的预加转矩3.3升降移动手臂的轴承及键的设计(1)升降移动手臂的支撑轴承1).升降移动手臂的支撑轴承根据硅钢片搬运机械手的整体设计来看,轴承的支撑间距比较小,受力小,所以选择深沟球轴承作为本次设计的移动装置的支撑轴承,对于移动机构轴承的使用期限可以设定为。根据工况和设计计算可得轴承的径向力为,搬运升降轴承的轴向力为。2)升降移动手臂的支撑轴承选择深沟球轴承,该型号可以为硅钢片的搬运工作提供稳定的工作条件。搬运硅钢片的动载荷为,搬运硅钢片的静载荷为。3)升降移动手臂的径向搬运动载荷升降移动手臂的搬运动载荷为,得,可计算满足升降移动手臂的工况需要。(2)升降移动手臂的键零件1)计算升降移动手臂的带轮键的尺寸升降移动手臂的传动带轮为单圆头平键,尺寸为2)升降移动手臂的键联接的强度由硅钢片搬运工况设计,查找键的设计标准得许用挤压力为移动装置中键的工作长度本设计的硅钢片搬运机械手的移动机构包含两个分运动轨迹:上下移动和左右移动,两种运动分别由升降机构和伸缩机构实现,除了移动方向不同,两者机构的设计过程和所含零件是相同的,只是驱动电机不同而已,所以这里只设计计算移动机构中升降装置。第4章 搬运机械手回转机构的研究4.1回转机构电动机的设计在工业制造中的硅钢片搬运机械手的动力元件中,步进电机是第一选择,因为它可以数据信息的脉冲信号变成其它形式的运动。电机的转动与脉冲数和脉冲频率有直接的比例联系。不仅电动机之所以成为本设计的硅钢片搬运机械手的首选动力装置,是因为它工作稳定,对搬运硅钢片这样的重物来说是极其重要的,它可以精确的将硅钢片摆放在正确的位置上,而且在搬运硅钢片的过程中,可以随时停止并保证机械手不会出现因惯性而产生的振动。4.1.1回转机构电机轴设计a、机械手臂回转机构的转动惯量上式中:d直径,机械手回转机构的旋转外径L机械手回转机构的长度=P机械手回转机构材料钢的密度=计算机械手回转机构的b、机械手回转机构的齿轮惯量上式中:d直径,机械手回转机构的齿轮外径L机械手回转机构的长度=P机械手回转机构的钢密度=计算机械手回转机构的 c、机械手回转机构的联轴器的惯量根据机械手回转机构的联轴器的设计得 最后得4.1.2回转驱动电机设计a、回转机构的驱动电机参数加速力矩回转机构的驱动电机参数回转机构的驱动电机参数ta加速时间 KS系统增量,则计算回转机构的驱动电机参数得b、回转机构的驱动电机参数摩擦力矩回转机构的驱动电机参数中:摩擦力,摩擦系数为0.02,P回转机构的驱动电机的丝杆螺距(m)回转机构的驱动电机的传动效率,I回转机构的驱动电机的传动比,回转机构的驱动电机参数c、回转机构的驱动电机的附加摩擦力矩P0回转机构的驱动电机的滚珠丝杆预加载荷0回转机构的驱动电机参数的传动效率为0.9计算回转机构的驱动电机参数快速空载启动回转机构的驱动电机时的最大扭矩根据回转机构的驱动电机的相关参数:扭矩和转动惯量,硅钢片搬运机械手的回转驱动电机为SIEMENS的IFT5066,回转驱动电机的额定转矩为。4.2回转机构齿轮设计前文计算回转机构的驱动电机参数可得,取,回转机构传动比4.2.1回转机构齿轮参数计算硅钢片搬运机械手回转机构的小齿轮是40Cr(调质),硬度280HBS,大齿轮是45钢(调质),硬度240HBS。回转机构小齿轮回转机构大齿轮,4.2.2回转机构齿面接触疲劳强度由回转机构齿轮设计:1) 回转机构齿轮设计公式数值(1)回转机构齿轮设计系数(2)回转机构齿轮设计转矩(3)回转机构齿轮设计齿宽系数(4)回转机构齿轮设计影响系数(5)回转机构齿轮设计小齿轮回转机构齿轮设计大齿轮(6)回转机构齿轮设计循环次数(7)回转机构齿轮设计寿命系数 (8)回转机构齿轮设计许用应力,得:(9)回转机构齿轮设计移动装置齿轮小齿轮分度圆直径较小值移动装置齿轮速度v移动装置齿轮齿宽b移动装置齿轮宽与高之比b/h移动装置齿轮模数移动装置齿轮齿高移动装置齿轮系数K根据,移动装置齿轮系数假设,移动装置齿轮参数:移动装置齿轮系数移动装置齿轮,移动装置齿轮系数(10)移动装置小齿轮分度圆直径:(11)移动装置齿轮模数4.2.3移动装置齿轮齿根弯曲强度移动装置齿轮弯曲强度公式为(1)移动装置齿轮的参数可查询资料获得:移动装置齿轮的弯曲疲劳强度极限,查得移动装置齿轮寿命系数: 移动装置齿轮弯曲疲劳许用应力,安全系数为,移动装置齿轮载荷系数(2)移动装置齿轮齿形系数,(3)移动装置齿轮校正系数 ,(4)移动装置齿轮的:(5)移动装置齿轮的计算移动装置齿轮根据设计标准,设定模数值m=1.5mm,计算移动装置的齿轮齿数,得,取。4.2.4回转部件齿轮计算(1)回转部件齿轮分度圆直径: (2)回转部件齿轮中心距 (3)回转部件齿轮宽度取回转部件齿轮参数如下:序号名称符号参数选择小齿轮大齿轮1齿数Z20802模数m1.5mm3分度圆直径4齿顶高5齿根高6全齿高7顶隙8齿顶圆直径9齿根圆直径10齿宽11中心距4.3 回转轴零件研究设计4.3.1回转机构零件轴的设计1)回转部件零件轴上参数:,2)回转部件零件轴的最小直径由式计算回转部件零件轴的最小直径。得:回转部件零件轴的最小直径处由固定齿轮的键槽,加大计算直径 :;。3)确定回转部件零件轴的直径和长度(a)回转部件零件轴的齿轮轴肩高度,取,直径,长度。(b)回转部件零件轴的支撑轴承为深沟球轴承。由设计轴,选择回转部件零件轴支撑深沟球轴承6203,故,深沟球轴承轴承是轴肩定位,设计高度,取,。(c)回转部件零件轴的轴上零件齿轮处的直径,选择硅钢片搬运设备的传动为齿轮轴形式,齿轮宽度。根据设计回转部件零件轴的齿轮与外箱距离,取,。4)回转部件零件轴上零件的周向定位回转部件零件轴上的平键零件可由平键设计标准得。4.3.2回转部件零件轴强度校核1)回转部件零件轴上载荷回转部件零件轴得齿轮的分度圆直径为,则:2)回转部件零件轴的硅钢片搬运工作的承受载荷绘制回转部件零件轴的二维结构示意图,再绘制回转部件零件轴的力矩图,确定回转部件零件轴承支点位置,通过相关的搬运机械手的资料可以查明6203型深沟球轴承的,然后得到,支撑跨距。绘制回转部件零件轴的力矩示意简图,根据计算判断搬运机械手回转机构的传动主轴的危险截面的位置,将回转主轴的参数填写表格中比对。载荷水平面H垂直面V支反力F,C截面弯矩M总弯矩扭矩图4-1 弯矩图和扭矩图3)回转部件零件轴弯扭合成应力搬运机械装置的回转部件零件轴扭转切应力的计算方法公式可通过查阅搬运机械设备的相关资料得到,取,应力:根据已选定的回转部件零件轴的材料,得。因此,满足机械搬运装置的安全要求。4)回转部件零件键的设计硅钢片搬运机械手的回转部件零件轴上固定键,选用一般的圆头平键。设计回转部件键零件的尺寸:,。回转中间传动齿轮与回转部件零件轴的配合为,回转部件零件轴直径公差为。4.3.3回转部件零件键的计算(1)回转部件零件键的设计回转机械手臂的带轮用单圆头平键连接固定,尺寸:(2)回转机械手臂主轴键的强度由硅钢片搬运机械手设计资料可得键的许用挤压力为,长度;,回转机械手臂的键零件强度满足硅钢片搬运机械手设计标准。4.4回转机械手臂的底座设计由于硅钢片搬运机械手的工作载荷重量不大,质量,硅钢片搬运机械手的底座强度不用进行校核,使用计算机绘图软件绘制回转机械手臂的底座如图所示:图4-2 回转机械手臂的底座简图4.5回转机械手臂的旋转座设计同上文回转机构的底座设计,由于硅钢片搬运机械手的工作载荷重量不大,硅钢片搬运机械手的旋转座强度不用进行校核,使用计算机绘图软件绘制回转机械手臂的旋转座如图所示:图4-3 回转机械手臂的旋转座结构图4.6抓取机构中吸盘的设计硅钢片搬运机械手的工作载荷重量很低,可采用吸取的方式抓取硅钢片,由于硅钢片外形规则,表面光滑,可选择吸盘的制作材料为硅橡胶。机械手吸取工件的尺寸是,重10g。机械手吸取工件的提升力:根据硅钢片机械手的吸取参数的计算,确定吸盘的型号为,搜索相关的硅钢片搬运机械手的设计资料可以知道吸盘的压力值为,提升力.式中,T- 硅钢片机械手吸盘的提升力;F- 硅钢片机械手所需提升力;s-硅钢片机械手安全系数,值为4,根据硅钢片机械手的吸取参数的计算和硅钢片搬运机械手相关的设计要求,使用单个吸盘可以满足硅钢片的抓取要求。第5章 搬运机械手PLC设计5.1 搬运机械手PLC介绍5.1.1机械手PLC控制器本设计的硅钢片搬运机械手结构简单,逻辑动作单一,可采用PLC单片机控制技术对搬运机械手的升降运动、伸缩运动、回转运动等三个分运动同时控制,根据硅钢片的工序轨迹进行运动的合成,使硅钢片按照所设计的轨道搬运。PLC通过数字计算和信息数据处理来控制搬运机械手的动作,它具有多个优点,从控制硅钢片搬运机械手动作方面来说,它可以完成升降装置的运动定时,可以存储编辑控制机械手臂移动的动作指令,可以执行硅钢片搬运轨迹的逻辑运算。5.1.2 PLC可控制领域近年来,PLC控制系统被大量的应用与硅钢片搬运机械手的控制内。搬运机械手控制中心系统如此的依赖PLC的原因有两点,一是为了降低硅钢片搬运机械手的制造成本,为保证降低机械手成本的同时又要保证控制搬运硅钢片工作的稳定性,可以选用PLC作为硅钢片搬运设备的控制机构。二是PLC完全可以解决机械搬运手的逻辑运算等问题,可以计算出硅钢片运动轨迹的合理性。5.1.3 机械手PLC系统文章设计的课题硅钢片机械搬运手行程轨迹简单,一目前的PLC技术完全可以实现对整体的搬运运动进行逻辑运算、逻辑控制,对机械手搬运指令的算法可以快速的输入/输出,将电信号转变为工厂员工能理解的数字信号,将电信号转变为物理动作实现硅钢片的搬运。搬运机械手的PLC控制和其它所有的PLC控制系统硬件组成相同,都包含电路板,启动电源和中央处理单元等硬件设施。(1) 搬运机械手PLC的CPU硅钢片搬运机械手移动装置的控制系统PLC的CPU的组成元件和一般的PLC组成相同。(2)搬运机械手PLC的存储器搬运机械手PLC的存储器同样包括搬运机械手移动装置的中心存储器和硅钢片加工厂员工使用的可编程存储器。机械手移动装置中的中心系统存储器由硅钢片搬运机械手的生产厂家按照客户要求的硅钢片运动轨迹进行程序编写,这些固定的程序在搬运过程中一线员工是不能重新编写的。图5-2 机械手PLC系统控制简图(3)搬运机械手控制系统的输入/输出模块搬运机械手控制系统的输入模块是用来接受外部输入的硅钢片的搬运动作指令,搬运机械手控制系统的输出模块则是将控制系统计算出的逻辑指令变成电信号下发给移动机构的驱动电机,控制驱动电机的开关完成硅钢片的搬运。(4)搬运机械手控制系统的电源搬运机械手控制系统的电源模块是为控制系统PLC提供电力的关键部位,也是为控制系统内的其它硬件装置提供电力,保证搬运机械手控制系统的正常运行。(5)搬运机械手控制系统的接口模块硅钢片搬运机械手控制系统的接口模块可将控制系统内的各种控制模块连接起来,以此完成硅钢片搬运的动作指令。(6)搬运机械手控制系统的通信接口搬运机械手控制系统的通信接口是便于硅钢片生产加工的一线员工可以设计控制系统内的参数,调整搬运机械手的工作状态和移动机构运动轨迹,以适应新的加工作业形式。(7)搬运机械手控制系统的编程器搬运机械手控制系统的编程器是便于硅钢片生产加工的一线员工根据硅钢片的搬运轨迹进行程序的设定。5.1.4 机械手控制系统原理硅钢片搬运机械手控制系统的工作原理就是系统内部元件PLC的工作原理,如图5-3所示:电源ON内部处理输入处理(输入传送远程I/O)通信服务(外设、CPU、总线服务)更新时钟、特殊寄存器执行程序执行自诊断存放自诊断错误结果CPU强制为STOPRUNSTOPYNNY输出处理致命错误PLC正常否CPU运行方式图5-3 PLC运行框图5.2 机械手控制系统PLC的选型随着硅钢片搬运机械手不停的发展和完善,机械手的控制系统PLC元件有很多种类的选择,国内外生产PLC的厂家有很多。其中美国、德国、日本等国家的PLC研发技术是世界一流的,它们生产的PLC控制系统可以很好的控制在硅钢片搬运机械手的搬运工作。该设计的硅钢片搬运机械手选择的是三菱公司生产的一款型号为FX2N-64MR的PLC。这种PLC功能全面,工作信号稳定,操作简单、反应快速,将硅钢片搬运过程中的各类反馈信息以极快的处理速度反映给计算机,再将计算机的数据处理结果传递给搬运机械手的执行机构和移动手臂机构,可以很好控制搬运机械手的工作。硅钢片搬运机械手控制系统选择的CPU22*有多种类型的配置单元:(1)硅钢片搬运机械手控制系统选择的,它的有六个,有四个。(2)硅钢片搬运机械手控制系统选择的,它的有八个,有六个。(3)硅钢片搬运机械手控制系统选择的,它的有十四个,有十个。(4)硅钢片搬运机械手控制系统选择的,它的有二十四个,有十六个。如果硅钢片搬运机械手控制系统选择的CPU需要进行硅钢片的特殊搬运时,就需要按照硅钢片的大小和运动轨迹的变化扩展I/O。根据硅钢片搬运机械手控制系统的需要可以选择一些输入/输出扩展模块,来增加机械手控制系统的输入/输出模块。现如今为应对硅钢片搬运动作可能出现的复杂化,实现不同大小和不同质量的硅钢片多位置、多角度的移动,需要处理的搬运运动的反馈信号则大大的增加,指令运算的工作量也大大增加,这不单单是考验搬运机械手控制系统的CPU的性能,也在考验信息的传递性能。本设计通过查阅相关的扩展模块的资料,比对几个具有代表作有的输入/输出扩展模块,如:和等。本文所设计的硅钢片搬运机械手的控制系统需要输入量27个,输出量15个,查找相关的CPU类型参数,从制造成本和搬运机械手的设计要求,最终选择CPU224作为硅钢片搬运机械手的控制系统的核心。该型号CPU的处理性能满足机械手搬运工作的指令处理要求,但是它的输入和输出点不能满足机械手的设计要求,因此选择两个扩展模块和进行扩展。最终所设计的硅钢片搬运机械手的中央处理系统的控制简图如图5-3所示。CPU2 2 4EM221(1)EM221(2)EM222图5-3 搬运机械手的控制系统框图5.3 机械手控制系统的外部接线硅钢片搬运机械手的系统模块的排列及
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