【《一种纸箱自动装卸机械手总体方案设计案例》3000字】

一种纸箱自动装卸机械手总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11556一种纸箱自动装卸机械手总体方案设计案例 179021.1基本要求 1211521.1.1使用性能 1149741.1.2技术性能 2244891.1.3经济性能 2264411.2机械手的主要技术指标 26891.3纸箱自动装卸机械手方案论证 347501.3.1驱动方式的选择 345881.3.1运动平台 5目前市场上的装卸搬运机械手一般由控制系统、驱动机构、执行机构三部分组成。控制系统包括控制器硬件和操作控制软件，以完成记忆、示教、位置伺服、设备联系、坐标设置等基本功能。以PLC为核心分布式系统控制各硬件模块，通过点控制的方式对机械手进行操作[24]。驱动机构包括关节、轴承等传动装置和驱动元件。执行机构即机械手的本体，是机械手执行各种作业任务的结构，与人的身体结构相对应，包括机械手的手臂、腕部与基座等。本课题设计的装卸机械手也是由这三大部分组成，本文的主要工作是完成装卸机械手的方案设计、结构设计、结构的力学分析。1.1基本要求装卸机械手作业的基本流程如下：当物流运输车辆到达卸货平台停靠后，启动仓库月台上的装卸机械手，驱动移动平台，通过视觉系统使机器人在适当位置停下，检测系统进行货物识别后，手臂运动至货物位置，开启吸盘吸取货物，并将货物转移至输送带上；通过输送机将货物运送至后端，由堆垛机对货物进行处理。装卸作业与堆垛、分拣、上架环节无缝衔接，实现货物出库入库的全自动化。按照上述工作流程，要求机械手能够完成的动作有手臂上下，手臂回转，手臂的移动，吸盘的抓取。按照企业的实际生产需要，机械手的设计应满足生产要求和提高生产效率为前提，做到安全高效，经济合理，具有良好的适应性和灵活性。具体性能要求是：1.1.1使用性能(1)纸箱自动装卸机械手应具有满足装卸作业需求的强度和刚度，能够承载完成规定动作时产生的扭矩。(2)纸箱自动装卸机械手应具有较高的疲劳可靠性。企业的生产中,如所用的设备可靠性较低,则故障率就高,会严重影响整个企业的生产效率，设备也就不具备良好的使用性能。(3)纸箱自动装卸机械手应满足现实的工作环境。在物流仓储环节中，现有的工作环境各不相同，装卸作业的工作空间狭小，且装配空气环境污浊。(4)纸箱自动装卸机械手要求生产和维护成本低，使用简单，为管理人员创造更安全的工作环境。1.1.2技术性能(1)纸箱自动装卸机械手应具有一般的产品通用性，能适应一定范围内的纸箱型号的自动化装卸需求。(2)纸箱自动装卸机械手具有符合实际应用的自动化程度，要适应企业生产需求和可行性综合考虑，不能为了追求先进性而脱离实际生产要求[25]。(3)纸箱自动装卸机械手的设计要本着一体化、系列化和可升级化的设计要求。1.1.3经济性能(1)为减少企业初始投资成本，整个纸箱自动装卸机械手需要模块化生产，易于安装且成本低廉。1.2机械手的主要技术指标本文设计的装卸机械手应用于车厢内较狭窄环境中执行纸箱包装件的获取、搬运任务的一类工业机器人，要求动作灵活，负载小，高效率，能够抓取离基座有一定距离的纸箱。因此选用关节型坐标形式，机械手具有基座回转、大臂关节转动、小臂关节转动、小臂回转、腕部摆动、末端回转6个运动自由度。表2-1机械手参数设计项目参数单位水平伸缩距离0～400mm水平伸缩速度50mm/s重复定位精度+/-1mm垂直升降位移100mm垂直升降速度200mm/s重复定位精度+/-1mm回转速度45°/s最大搬运30KG整机重≈180KG电源220/24VAC/VDC驱动电机控制方法PLC自由度6结构型式关节式机械手具体结构包括：末端执行器，可实现对70kg以下纸箱的连续抓取；腕部关节位于机械手末端，设计有机械接口，可与不同的末端执行器连接，具有腕部摆动和手部回转两个独立自由度，旋转角度分别为-130°~170°、-170°~170°；小臂、大臂及其关节，通过关节的转动调节机械手在空间上的x轴和z轴的坐标，小臂关节的旋转角度为-120°~160°，大臂关节的旋转角度为-130°~150°；机座回转机构，实现机械手在y轴平面内的坐标变换，旋转角度为-180°~180°。该机械手的结构组成如图2-1。图2-1一种纸箱自动装卸机械手本体组成1.3纸箱自动装卸机械手方案论证1.3.1驱动方式的选择机械手的常用驱动方法可以是液压、气动、电机驱动，或者综合驱动。各功能特点如下：（1）常用的电机驱动器有三种类型：交流伺服电动机驱动器，直流伺服电动机驱动器和步进电动机驱动器。由于控制技术的发展和高性能材料的应用，电机性能也得到了显著提升。在设计驱动系统时，应考虑的主要问题有电机的输出力矩、静转矩和减速器的传动形式、传动参数、传动件和支撑件等的设计。（2）液压驱动器：指由液压泵将压力油经过伺服阀的控制输送到驱动器并驱动载荷。压力油由液压马达驱动为机器提供所需的动力。液压伺服系统的主要特点是：利用偏差信号控制液压系统的能量转换，反馈信号在输入输出之间形成连接，实现了闭环控制。因输出功率与重量之比最大，常用于负载大、响应快的机器人系统。但液压系统有液体泄漏的风险，能量转换效率较之电动驱动系统低。（3）气动驱动器与液压驱动一样，以压缩流体为工作介质，故都存在泄露问题。可以集中式供气，显著降低功率和驱动设备，气源获取方便不会造成污染。并且在价格方面，它成本低廉而且安全性高。工作安全，适用于恶劣环境中操作。同时，气动部件比液压部件便宜。主要特点是：低电源功耗,速度快,系统结构简单,价格低,维护费用少。然而,由于很多技术问题使它无法真正实现针对伺服直流电机的自动控制，导致运行速度不稳定，冲击大。表2-1三种驱动系统的比较内容驱动方式电机驱动气动驱动液压驱动结构性能可电机直接驱动，多数情况下需配置减速装置，噪声低，结构紧凑简单，使用方便体积小，结构紧凑简单，具有缓冲作用。同体积下功率较小可以省去减速装置，结构简单，容易实现直接驱动。液压元件工艺要求高。需要相应的供油系统，泄露问题难以避免控制性能控制方案灵活，具有高速度高加速度高精度，伺服特性好，能实现精确控制，控制系统复杂空气压缩性大，精度低，速度控制困难，工作稳定性差工作平稳可靠，控制精度较高，反应灵敏，可实现连续轨迹控制输出力输出范围较大压力相对要小，输出力与速度或转矩小输出力/扭矩和输出功率大响应速度很高较高很高成本成本高成本低零件精度高，成本昂贵安全性并不适用于易燃易爆场合，易受强磁场干扰，且连续运行易产生过热现象可直接应用于高温作业，使用安全油液的粘度随温度变化而变化。高温易引起燃烧爆炸对环境影响无噪音和泄漏问题排气时有噪声易产生液体泄漏，造成环境污染在工业机械手中的应用范围在机器人中应用最多，适用于中等载荷和伺服驱动的机械手通常适用于中小负载驱动和精度要求较低的以及程序控制的机械手。常用于仿生软体机器人常用于特大功率的机器人系统，如喷涂切割机械手、水下机械手和搬运机械手维修及使用维护成本低方便使用寿命长，但是维修成本高图2-2一种纸箱自动装卸机械手三维模型根据以上分析比较，最终确定如图2-2结构的一种纸箱自动装卸机械手。各模块化关节结构相同，组成一个伺服系统。每个关节处依靠减速器进行精确控制，利用齿轮传动转换电机回转，从而降低转速，增加转矩。机械手关节处的减速传动要求功率大、体积小质量轻的同时具有足够的刚度和耐冲击的承载能力。1.3.1运动平台运动平台采用四全向轮模式，包括安装板、固定架和麦克纳姆轮组，平台上需要安装定位模块，控制电箱和机械臂