仿形车床上料机构设计【9张CAD图纸+文档全套】
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题目：仿形车床上料机构设计1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景、研究意义 机械手是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。机械手是能自动化定位控制并可编程序实现变动的多功能机器，有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境和各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，对促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义【1】。1.2国内外的研究现状 1.2.1 国内研究状况我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致可分为3个阶段:70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。在高技术发展的推动下，随着改革开放方针的实施，实施，我国工业机器人在工业自动化的发展进程中扮演着极其重要的角色。从第七个五年计划(1986-199年)开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有山北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。目前我国已有500台左右的焊接机器人分布于大陆各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制造业，其中55%左右为弧焊机器人，45%左右为点焊机器人，己建成的机器人焊接柔性生产线5条，机器人焊接工作站300个。90年代后半期是实现国产机器人的商品化，为产业化奠定基础的时期。目前，我国(指大陆地区，不包括港、台、澳)工业机器人数量只有约2500台，还没达到1997年新加坡(3000多台)和我国台湾省(5000多台)的水平【2-3】。国内主要机器人公司：（1）中国新松机器自动化股份有限公司沈阳新松机器人自动化股份有限公司是由中国科学院沈阳自动化所为主发起人投资组建的高技术公司，是机器人国家工程研究中心、国家八六三计划智能机器人主题产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地、国家高技术研究发展计划成果产业化基地。该公司是在国内率先通过IS09001国际质量保证体系认证的机器人企业，并在福布斯2005年新发布的“中国潜力100榜”上名列第48位。其产品包括：rh6弧焊机器人、rd120点焊机器人及水切割、激光加工、排险、浇注等特种机器【4】。1.2.2 国外研究状况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第一台器人。它的结构特点是机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是一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，大力从事机器人的研究。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。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数量、品种，和性能方面还不能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(广义的)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。国外主要机器人公司：（1）瑞典ABB Robotics公司ABB公司是世界上最大的机器人制造公司。1974年，ABB公司研发了全球第一台全电控制式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，公司生产第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破10万台，是世界上第一个突破10万台的厂家。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。（2）日本安川电机安川电机(Yaskawa Electric Co.)自1977年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有29年的机器人研发生产的历史，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及Synetics Solutions美国公司等子公司，至今共生产13000多台机器人产品，而最近2年生产的机器人30 000多台，超过了其他机器人制造公司。安川电机核心工业机器人产品包括：点焊和弧焊机器人、油漆和处理机器人、LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。该公司是将工业机器人应用到半导体生产领域的最早厂商之一。2004年该公司机器人销售收人为1051亿日元，占该公司营业总收人30%亿日元的34%【4】。1.2.3 机械手及其组成机械手是一种典型的机电一体化产品，它把机、电、磁、气合于一体，它能全自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁地取料，从而大大减轻了操作人员的劳动强度并提高了工作效率。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成【7】。如图1.1所示：图1.1工业机械手各部分关系图（一）执行机构：执行机构是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、臂部、机身等。结构示意图如图1.2所示。图1.2机械手的组成（二）驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。（三）控制系统有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（四）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整从而使执行机构以一定的精度达到设定位置【8】。2. 本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法或措施2.1本课题的主要研究内容1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。 2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。 3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。2.2工况分析仿形车床上料机械手需抓取短轴套类零件，手臂回转角度为90度，负载20kg。零件直径50mm，抓取零件示意图如下图2.1所示：图2. 1机械手抓取零件示意图2.3 研究方案任务书要求机械手手臂回转角度为90度，即大方向为一个转动，加上手腕回转及手指夹紧又算上一个小方向的转动和一个小方向的平动，一共三个自由度。首先确定自由度与坐标型式。2.3.1本设计机械手自由度和坐标型式的论证自由度是机械手设计的主要参数，每一个构件(即运动件)相对固定座标系所具有的独立运动称为自由度。由设计要求可知机械手手臂有一个大方向转动，手腕小方向回转及手指的平动夹紧。实现平动与转动的坐标型式有：（1） 直角座标式直角座标式机械手手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行徘列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。（2）圆柱坐标式圆柱坐标式机械手手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿x轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕z轴的回转。结构图如图2.2所示，简图如图2.3所示。图2.2圆柱坐标式机械手结构图图2.3圆柱坐标式机械手简图它与直角座标式相比较占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。（3）球坐标式球坐标式机械手手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的仲缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。 这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。（4）关节式关节式机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动由三个回转运动所组成【9】。比较以上坐标形式，结合本设计要求，能满足规定自由度，结构简单，定位精度高，占地面积小而活动范围大，故选择圆柱坐标式。2.3.2本设计驱动方式的选择（1）液压驱动液压传动机械手是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要优点是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。缺点是：对密封装置要求严格，不宜在高温、低温下工作【8】。（2）气压驱动气压传动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。其主要优点是：介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。缺点是：由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低抓重一般在30公斤以下，适用于高速、轻裁、高温和粉尘大的环境中进行工作。（3）机械传动机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要优点是：运动准确可靠、动作频率高，缺点是：结构较大，动作程序不可变。（4）电力传动电力传动机械手即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单，其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前景【8】。比较以上几种驱动方式，结合本设计要求，驱动系统要结构紧凑、传动平稳、动作灵敏、抓重大，决定臂部与腕部选用液压驱动兼齿轮机构驱动方式。对于手部的直线运动可以选用齿轮齿条机构、滚珠丝杠机构、液压驱动机构、电磁驱动机构。齿轮齿条机构的缺点：占用空间大、加工安装精度差、传动噪音大；滚珠丝杠机构的缺点：承载能力较低、加工成本高、运行噪音高、对使用环境要求高；电磁驱动机构结构太复杂，比较以上几种手部直线驱动方式，决定手部也选择液压驱动方式。2.3.3本设计执行机构的选择（1）手臂结构的选择 手臂是工业机器人必不可少的部件，作用是支撑腕部和手部，带动手部按规定的运动轨迹由某一位置到达另一制定位置。臂部一般有伸缩、回转、俯仰和升降四个自由。任务书要求手臂要能回转90度，故选用具有回转运动的手臂结构，能实现回转运动的机构有：1）回转油缸目的油(气)缸有单叶片式和双叶片式两种，机械手手臂的回转运动采用单叶片式回转油(气)缸的比较多，其特点是结构简单，体积小，可获得无级变速的回转运动，但回转缸输出轴的回转角度小于360度，并要求严格的密封【9】。2）活塞缸和齿轮齿条传动机构齿条齿轮机构是通过活塞缸带动齿条往复移动来带动与手臂联接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动酌活塞缸可以由压力油或压缩空气驱动。3）链轮传动机构链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360度。4）活塞缸和连杆机构手臂的上下摆动由铰按活塞油缸和连杆机构来实现。比较以上几种执行机构，结合本设计要求，回转油缸能满足转动90度，结构简单，输出精度高，体积小，故选用回转油缸。（2）腕部结构的选择本设计要求机械手的腕要能小方向回转，手腕的回转运动可采用回转油缸，其优点是结构紧凑、灵活，但是回转角度小，并且要求严格密封，以便保证稳定的输出扭矩【14】。当要求较大回转角度时，常采用齿轮齿条或链轮链条以及轮系传动。腕部的运动也可以与手臂组成复合运动机构，手臂的复合运动不仅可使机械手的传动结构简单，而且可简化驱动系统和控制系统，并使机械手传动准确，工作可靠，因而在生产中应用的比较多。手臂复合运动机构包括1）曲线凹槽机构，2）连杆机构，3）齿轮机构，齿轮机构又包括行星齿轮机构，齿轮杠杆机构，结合本设计要求，上料机械手腕要做回转运动，为了使机械手传动准确，工作可靠故选择采用手臂的复合运动中的行星齿轮机构实现。（3）手部结构的选择手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件。它安装在操作机手腕或手臂的机械接口上。结构简图如图2.4所示。图2.4机械手手部结构简图由于本设计中手部要实现直线运动，能实现直线运动的手部结构可以分为以下四种。1）回转型滑槽杠杆式手部结构2）筒夹内涨式手部结构3）移动型齿轮齿条式手部结构如图2.5所示在单向作用油缸1的右腔通入压力油液，使活塞齿条2左移带动齿轮3回转，而齿轮3又使齿条4右移，两手指即夹紧工件，靠弹簧使手指张开。图2.5移动型齿轮齿条式手部结构4）移动型的双连杆式手部结构比较以上几种手部结构，结合本设计要求，既准确夹紧力又大的选择移动型齿轮齿条式手部结构。综
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