机械手结构图(6-10).dwg
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机械手设计机械设计

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机械手 设计 机械设计
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机械手设计机械设计,机械手,设计,机械设计
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46辽宁科技大学本科生毕业设计机械手的设计摘要本文简要地介绍了工业机器人的概念,机械手的组成和分类,机械手的自由度和座标型式,气动技术的特点,PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行了总体方案设计,确定了机械手的座标型式和自由度,确定了机械手的技术参数。同时,分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构,计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构,设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。设计出了机械手的气动系统,绘制了机械手气压系统工作原理图。利用可编 程序控制器对机械手进行控制,选取了合适的PLC型号,根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案,画出了机械手的工作时序图和梯形图,并编制了可编程序控制器的控制程序。关键词:工业机器人,机械手,可编程序控制器(PLC)Design on the Currency Pneumatic Loadingand Unloading ManipulatorABSTRACTAt first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. Whats more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.The paper designs the structure of the wrist,computes the neededmoment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexes,ascend,descend and wheels .The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair.The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.Whats more,the paper work out the control program of the PLC.KEY WORDS industrial robot, manipulator, pump, PLC目录摘要IABSTRACTII1 绪 论11.1机械手概述11.2机械手的组成21.3国内外发展状况51.4设计的目的及意义62夹紧机构721夹钳722扇形齿轮823液压缸9231缸径9232活塞10233后端盖122、3、4前端盖133拖动系统1631电机的选取1632齿轮箱部分1733.润滑方式263.3.1.齿轮的润滑方式263.3.2.轴承的润滑方式283.4齿条套筒部分283.4.1.耐磨套283.4.2.导向键283.4.3.行程条284控制系统2941概述29411 PLC的概述及定义30412 PLC的特点30413 PLC的应用和发展3142原理314.2.1搬运机械手的动作顺序324.2.2电机的可编程控制344.3.指令语句38结论41致谢42参考文献431 绪 论1.1机械手概述工业 机 器 人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成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。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1机械手的组成方框图Fig.l-1 Pane Chart of Composition of Manipulator(一)执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件,常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单,制造容易,故应用较广泛。平移型应用较少,其原因是结构比较复杂,但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心的位置,因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盘等构成,它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件,相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等,通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件,以及有网孔状的板料等,通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料,其吸盘的形状、数量、吸附力大小,根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外,根据特殊需要,手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.2、手腕是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合,以实现手臂的各种运动。手臂可能实现的运动如下:手臂在进行伸缩或升降运动时,为了防止绕其轴线的转动,都需要有导向装置,以保证手指按正确方向运动。此外,导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩,使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式,常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的,但因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置,通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种,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(如动作顺序、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。1.3国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4设计的目的及意义在现代汽车生产中,生产过程的自动化已成为突出的主题。为适应生产的快节奏,提高生产效率,保证产品质量,减少人为的因素对产品精度的影响,大量使用自动化程度较高的各种装置,曲轴本身为一刚度低、精度高的特殊轴类零件。其主要加工表面为不连续且不同轴的外圆柱表面。而且精度要求高,加工量大。为了达到加工要求,安排了较多的加工工序,这样就与产量形成了矛盾,所以现代生产中,通过使用各种辅助的装置与专用设备配合,以减少辅助工时,提高生产率。本次设计的机械手既是在磨削加工中起到自动完成对工件的搬运,以减少工人的劳动强度,提高劳动生产率,降低工时等作用。2夹紧机构夹紧结构形式多样,有机械式、吸盘式和电磁式等。机械式夹紧机构是最基本的一种,其应用广泛,种类繁多,结构简单。基于其以上特点本次设计决定采用机械式夹紧机构。机构主要有以下部分组成(见主装配图,手部)动力部分:液压缸传动部分:扇形齿轮执行部分:夹钳支架设计过程如下:21夹钳 曲轴重40Kg9.8N图2.1夹钳的形状如图:钳口角度为,如图所示,夹紧机构在抓取工件时必须有一定的夹紧力,其夹紧力的大小与夹紧机构的形式、夹紧的方位和工件的形状都有关。本次设计中手爪垂直放置加水平放置工件、工件的截面形状为圆形。已知机械手从零加速到0.4m的响应时间为0.5s,夹紧力的计算引用参考文献1,夹紧力系数按文献160页表43得下列计算: FnK1K2K3G (2.1)其中 :K1安全系数,通常取1.22;K2工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,可按K2=1a/g估算;K3方位系数;G 被夹取工件的重量(即重力,kgf)。取K1=1.5K2=1a/g=1(0.4/0.5)/9.8=1.08K3=0.5tg/(1ftg)=0.22则Fn=1.51.080.22409.8=140N由于该机械手要求能夹持系列工件,所以两夹钳之间的横向和纵向距离均设计成可调式。22扇形齿轮根据文献2对传递动力的传动摸数m的初取应不小于2,齿数Z30。初取m =2,r =25 则齿顶圆mm (2.2) 齿根圆 mm (2.3) 初取钳口中心至扇形齿轮圆心垂直距离135(即Fn的力臂),液压缸活塞杆柱销中心至扇形齿轮圆心垂直距离47.5(即液压缸的力臂)。 再根据力臂关系计算液压缸驱动力 143135=F计算47.5 (2.4) F计算 =400N 由于该手爪传动机构简单灵活,效率高一些,取 实际=400/0.9=445N 需要说明的是采用扇形齿轮作为机械手手部的传动件可以使结构大大简化并且运行平稳,工作可靠.23液压缸 液压缸的设计计算主要包括缸的直径、缸筒厚度和活塞杆直径。 231缸径 D= (2.5) =21 圆整到25 其中为液压缸机械效率,取=0.9; p为液压缸内压力,应与机床系统压强相等,取p =1.5pa; 缸筒臂厚 (2.6) =0.3 Pmax缸筒试验压力。Pmax=1.5Pn=1.51.5=2.25 MPa; 缸筒材料许用应力。=500/5=100 MPa ; 为材料抗拉强度,这里缸筒采用无缝钢管,=500MPa;n 为安全系数,当 时取n=5; 为了尽量减小液压缸的体积,所以前端盖与缸筒的连接采用螺纹式,不能太小,实际需5。232活塞(1).活塞杆直径的选取 根据文献3P1388表23.1-6选取速度比,的活塞参数 由 得d=10(活塞杆直径) A1=4912(无杆缸面积) A2=4122(有杆缸面积)(2).活塞上密封装置的选取 液压缸在工作中,缸内压力较缸外(大气压)的压力高的很多,缸内的进油腔压力较回油腔压力也高的多。这样油液油液就可能通过固定件的联接处和相对运动部件的配合间隙而泄露。这种泄露既有内漏也有外漏。外漏不但使油液损失影响环境,而且有着火的可能。内漏则将使油液发热、液压缸的容积效率降低,从而使液压缸的工作性能变坏。因此应最大限度的减少泄露。因O形密封圈的形状简单、安装尺寸小、摩擦力不大、密封性好等优点故本次设计采用O形密封圈。O形密封圈一般用耐油橡胶制成,具有较强的抗腐蚀性。由于该活塞直径为25,所以选取的0型圈的直径为23.6,0型圈横截面直径为2.65,活塞上沟槽宽度为3.8,深为1.97。 (3).活塞长度计算图2.2活塞长度(4).活塞杆行程取钳口张开交度为25,能够满足夹持系列工件的要求,如图:此时,活塞行程活塞杆端头的行程为20,由于活塞工作时不必走至终端,前端盖端预留,所以取活塞行程为25。图2.3(5).活塞工进速度取0.07m/s,因为取太大容易造成对工件的冲击此时计算出进油口的流量为Q=VA=0.07=/s (2.7)233后端盖(1).进出油口尺寸由文献3查表取M81的进口螺纹,细颈处直径5。(2).耳环的计算 液压缸与机架有多种定位的结构,其中支座式、法兰式适用于缸筒与基架间没有相对运动的场合,轴销式、耳环式、球头式适用于缸筒与机架间有相对运动的场合。本次设计采用耳环式定位。.耳环用柱销 由文献3查P1420表23.315选10号,额定作用力8000N图2.4耳环示意图.耳环的轴套 用青铜套以过度配合压入耳环轴孔内,轴套内圆应在精度加工前压成各个菱形凹穴,错开排列,以保存润滑剂。.耳环的尺寸计算 根据文献3P1418查得,宽度b 当压力为6.316MPa时,b=1.2d 当压力为6.332MPa时,b=1.4d 该系统压力为16MPa,取b=1.2d 由于上面已经确定 d= b=12 半径R: 带轴套取R=1.2d=12 材料:缸后盖选用铸钢,选ZG270500,满足至少250MPa断裂伸长率,满足至少12%的要求。 校核:耳环销孔支撑压力计算 由文献3P1418得 (2.8) F为耳环承受最大推拉力=445N D耳环销孔内径=0.012m 材料允许压应力(MPa),一般取=(0.20.25)为材料抗拉强度(MPa)=500MPa =3.7MPa 所以满足要求图2.5单双耳环尺寸示意图2、3、4前端盖(1).密封圈 前端盖密封圈的选用同上,选用内径为23.6,直径为2.65的密封圈,头端沟深1.97,宽3.8。(2).活塞杆导向环(支撑环)的选取外力作用于活塞杆的偏心载荷,暂取59.8=49NL为偏心载荷偏心距,取之为活塞杆长度130则; (2.9)活塞杆的导向环承受的载荷(N);活塞至导向环的间距,取活塞走至终点的值为准=60 宽度导向轴材料允许的支撑压力,青铜为8 MPa;d 活塞杆的直径10则 取3,采用2个。(3).活塞杆密封圈的选取 活塞杆直径为10,选取直径为9.6,半径为2.65的密封圈,槽深为1.87,槽宽3.8。(4).活塞杆用耳环的尺寸由文献3P1422查表23.323得 型号10 缸径25 公称力8000N KK M101.25 CK(H9)10 CM(A6)12 ER(max)13 CL(max)26(5).活塞杆螺纹尺寸文献3查P1403表23.36得M101.25 螺纹长12图2.6图2.7需要说明的是,由于该液压缸行程短,速度慢,摩擦和其他因素的阻力很小,加之对液压缸活塞杆伸出的速度的平稳性无太大要求,因此该液压系统不采用背压。3拖动系统拖动系统既要拖动机械手手臂部分的伸缩以实现将工件提起的动作,也要拖动整个机身的横向移动,以实现将工件运走的目的,由于其原理基本相同所以在本次设计中只对机械手臂的拖动系统进行设计。在考虑采用何种拖动方式的时候供选择的常用方式主要有:齿轮齿条式和液压式拖动,而最终决定采用齿轮齿条式是因为齿轮传动是机械传动中最广泛的一种方式,其主要的优点是效率高,传动比准确,结构紧凑,工作可靠,寿命长。最主要的一点,它使整个系统的控制工作变的简单,动作很有条理。但不可否认的是齿条暴露在空气中,齿轮有齿轮箱中伸出,由闭式润滑到开齿传动,有污染工作场所的缺点,所以设计中应尽量考虑减小污染的设计。机械手臂拖动系统组成:、动力部分:电动机;、执行部分:齿轮箱、柱形齿条;、支架: 套筒;在设计之前,先要看一下系统对拖动速度的要求,将工件提起的速度初取0.4m/s,取之过大则会对齿轮等部件产生较大的冲击,对寿命不利。31电机的选取已知曲轴和机械手臂自身总重约95千克,由P=FV=根据文献5选取YEJ90L6型电磁制动三相异步电动机额定功率:1.1kw满载转速:910r/min额定电压:380V,50HZ额定电流:3.2A满载效率:72.5%最大额定转距/额定转距=2 重量:28Kg该系统电动机是Y(IP44)系列电动机,是在普通电动机内附加一个电磁铁制动器组成的派生产品,适用于要求快速停止,准确定位,往复运转,频繁启动,防止滑行等各种机械。32齿轮箱部分3.2.1部分参数的确定 该齿轮箱定为二级减速,在满足要求的前提下,比三级减速减小了体积,已知该处将工件提起的速度为0.4m/s,即齿条的速度为0.4m/s。(1).转速的计算设与齿条啮合的齿轮直径为D,转速为n(单位r/s)因为 则 D暂取120则n=1.061667r/s=63.7r/min(2).传动比的计算总传动比: (3.1)由文献6P14传动比分配参考数据原则取一级传动比:,得 二级传动比: (3).计算各轴运动及动力参数 轴:减速器高速轴 KW (3.2) (3.3) 轴:减速器中间轴 (3.4) (3.5) (3.6)轴:减速器低速轴 (3.7) =1.040.950.99=1.0KW (3.8) (4).齿轮的计算二级传动组齿轮的计算:初选 m=2则 =120/2=60个 (3.9)则 取18个则 取32 (3.10) 10)=37 (3.11) 所以 一级传动齿轮的计算:初取 m=2,则 个 取12个 (3.12) 为减小齿轮传动的结构尺寸,减轻重量对1、2齿轮采用变位高度变位时,总变位系数,变位系数可按齿数比的大小由文献7P2-12图2.2-9查得则则 取25 10)=30 验算疲劳强度: 齿轮轴45钢,调质处理,硬度为217-255HB,取220-250HB 大齿轮ZG310-570,正火,硬度156-217HB,取150-210HB 按电机驱动平稳,取 按8级精度和25000 小时所以安全。33.润滑方式3.3.1.齿轮的润滑方式由于该齿轮箱为开式齿轮箱,所以不能采用传统的稀油润滑,那样齿轮搅起的润滑油将很快从外伸齿轮与箱体之间的间隙泄露掉。所以采用机械强制润滑方式,见下图(结合装配图)该装置能够均匀地发送油利用一个装在传动轴上的偏心轮 (见装配图),当转动时偏心轮推动活塞,压住弹簧,使活塞通过左单向阀将油压出去送到摩擦副上,弹簧再压回活塞并在此反复行程中通过右单向阀吸入油,只要机器在工作(轴转动),就循环不断的送油。图3.2油泵 泵平均流量的计算轴的速度 n=63.7r/min活塞每转的行程 a=22.5+2.5-(22.5-2.5)=5活塞直径 D=8则 (3.30)=0.253.140.00563.7=2.66需要说明的是,由于齿轮与齿条啮合每次滴在啮合处的油总有少许由齿轮“粘”到齿条上,这对于齿条与套筒的润滑是非常有益而且是必要的,但同时也使齿轮箱内的油遭受“损失”,时间长久必然会造成不断减少,所以在齿轮箱外壁上开加油孔,要定期向箱内加油。3.3.2.轴承的润滑方式 为了使结构紧凑减小箱体的体积,齿轮箱内的三个轴成三角形排列采用内置式轴承盖的设计(见指引线51),内置式轴承盖靠调节螺栓(见指引线49)来调节顶住轴承的预紧力,因此调节完毕后不要轻易将两侧的挡板拆下,所以双侧的轴承均采用注油脂的润滑方式,而且要注意填入轴承室的润滑脂的量不要超过轴承室的2/3。轴承双内侧采用整体式挡油板(见指引线53),以免啮合处飞溅起的少许油长期稀释轴承内的油脂。整体式挡油板与普通档油盘的区别在于它是固定在壳体上而不是安装在轴上。该整体式挡油板采用0.5mm厚的铁板冲压而成,注意组装时变速箱壳体底部一侧的挡油板是靠螺栓固定在壳体上的。3.4齿条套筒部分3.4.1.耐磨套 为了减小齿条与套筒的摩擦,特将套筒的直径铸的比圆柱形齿条的直径大,而在套筒两端分别装上一个与齿条相适应的耐磨套,这样避免了加工对精度与粗糙度要求很高的套筒内表面的磨损,又大大减小了齿条在伸缩时与套筒的摩擦,并且在技术上更易于实现。耐磨套与套筒的配合采用的是过盈配合,三个启箱螺栓负责在耐磨套报废时将之启出更换。3.4.2.导向键 在耐磨套上装有一导向键,导向键伸入柱形齿条的侧槽内,可以防止齿条在伸缩时沿轴线转动,保证齿轮齿条啮合的准确性。3.4.3.行程条 在齿条侧槽底部装有行程条,行程条的尺寸如下图将行程条放入齿条侧槽的底部,旋入沉头螺栓,沉头螺栓将行程条两侧向外涨开少许,通过摩擦力作用将行程条紧紧地挤压在槽的底部,在齿条两端分别装上行程条,这样,通过调节行程条在齿条侧槽底部的位置,即可调节手臂伸缩的行程,原理如下: (1).手臂伸出 手臂伸出齿条尾端行程条随齿条下移行程条前端触点首先接触第一行程开关,将第一行程开关触头顶起一次(触发),齿条开始降低速度伸出行程条前端将第二行程开关触头顶起一次,齿条停止伸出。 (2).手臂缩回 手臂缩回齿条手端行程条随齿条上移行程条首先触发第三行程开关,齿条开始降低速度缩回触发第二行程开关,停止缩回。图3.3行程条在齿条伸出或缩回的过程中,凡是行程触发第二行程开关,齿条便停止运动,此时电动机制动器自动将手臂部分制动锁紧,以免发生工件下坠的事故。 需要说明的是,行程条前端处(如上图)作成缺口形,在拆装行程条时,只要用钩具钩住此处,就会很方便地将行程条从齿条侧槽内拉出。4控制系统41概述 为提高工作效率,此方案采用双机械手双机械手双向搬运的方式。搬运机械手的工作范围是生产线上方至机床的上方,工作范围要求较大。机械手一侧执行将生产线上方的未加工曲轴取来,机械手的另一侧执行将磨床上以加工后的曲轴取回的工作循环,机械手两侧都是由PLC统一协调控制。411 PLC的概述及定义 在可编程序控制器问世之前,继电器接触器控制在工业控制领域中占有主导地位。继电器接触器控制系统是采用固定接线的硬件实现控制逻辑。如果生产任务或工艺发生变化,就必须重新设计,改变硬件结构,这样造成时间和资金的浪费。另外,大型控制系统用继电器接触器控制,使用的继电器数量多,控制系统的体积大,耗电多,且继电器触点为机械触点,工作频率较低,在频繁动作的情况下寿命较短,造成系统故障,系统的可靠性差。 随着微处理器技术的发展,实现了其与继电器控制的结合于是产生了PLC。概括说:可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作命令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外部设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则而设计。412 PLC的特点PLC是综合继电器接触器的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造的,这就使PLC具有许多其他控制器无法比拟的特点:可靠性强,抗干扰能力强:PLC从硬件和软件上都采用了抗干扰的措施,提高了其可靠性。通用性强,使用方便:PLC产品已系列化和模块化,PLC的开发商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件。用户在进行控制系统的设计时,不需要自己设计和制作硬件装置,只需根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统,当控制要求改变时,只需修改程序,就能变更控制功能。 采用模块化结构,使系统组合灵活方便:PLC的各个部件,均采用模块化设计,各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需要自行组合,使系统的性能价格比更容易趋于合理。编程语言简单、易学,便于掌握:PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。其主要的使用对象是广大的电气技术人员。PLC的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC编程,采用了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言,易学、易懂。系统设计周期短:由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块,而不要去设计具体的接口电路,这样大大缩短了整个设计所花费的时间,加快了整个工程的进度。对生产工艺改变适应性强:PLC的核心部件是微处理器,它实质上是一种工业控制计算机,其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时,不必改变PLC硬件设备,只需改变PLC中的程序。这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。安装简单、调试方便、维护工作量小:PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多,只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行,用模拟实验开关代替输入信号,其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管,也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后,再将PLC控制系统安装到现场,进行连机调试,这样既省时间又方便。由于PLC本身的可靠性高,又有完善的自诊断能力,一旦发生故障,可以根据报警信息,迅速查明原因。如果是PLC本身,则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率,保证了生产的正常进行。413 PLC的应用和发展PLC是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动化控制装置,它具有可靠性高、体积小、功能强、编程设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点,因而在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中有着广泛的应用,成为现代化工业控制的三大支柱(PLC、机器人和CAD/CAM)之一。为了适应市场的各方面的需求,各生产厂家对PLC不断进行改进,推出功能更强、结构更完善的新产品。这些新产品总体来说,朝两个方向发展:一个是向超小型化、专用化和低价格的方向发展,以进行单机控制;另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方向发展,以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。42原理每个机械手的动作控制是由位置传感器、压力传感器、行程条、PLC来综合控制的。每个机械手有三个位置传感器安装在齿条的套筒上,行程条安装在齿条槽的底部,它的位置决定机械手的空间行程。横梁上有左极限位开关1ST、右极限位开关2ST来控制机械手小车的搬运行程。压力传感器与压力缸用软管相连接,每个机械手有两个压力传感器。并且机床顶处与生产线上各有一个无工件位置检测开关,来控制生产线传送带的行进和机械手的工作顺序。机械手手部液压原理图:图4.1液压原理图4.2.1搬运机械手的动作顺序 (1).机械手搬运工件时,机械手的工作原点是机械手1、机械手2上均没有抓取工件,生产线上的无工件位置检测开关SL1闭合,机床上的无工件位置检测开关SL2闭合。 (2).按下启动按钮SB1时,机械手1由自身的重力作用,开始加速下落。由于手臂是由齿轮-齿条来驱动的,其自身的机械机构不能够过载运行。电机开始能耗制动,1KMB开始工作,将手臂升降的速度限制到到一个较低的程度,当碰到下限位开关SQ1,电机能耗制动K1开始闭合,将能耗制动电阻短接,能耗制动强烈,将手臂升降的速度再一次降低到一稳定的位置,为手臂的停止作准备。当碰到下极限位置开关ST2时,电磁制动电磁铁YA1失电锁紧手臂。同时,手臂液压缸的电磁换向阀KV1通电,将工件夹紧;当工件完全被夹紧的时候,压力继电器KT1开始工作,机械手1开始执行上升,当碰到上限位开关SQ3时,其常闭触点断开电机停止工作锁紧手臂。(3).机械手在工作原点的工序完成,小车开始行走;待压下横梁的位置继电器2SQ时,电磁铁YA3失电,小车停止移动。在机床无工件位置检测开关SL2压合的前提下,机械手2开始工作,手臂自行下落,并一同开始能耗制动2KMB,手臂匀速下落,待压下位置开关SQ4时,K2闭合,能耗制动电阻被短接,开始强烈能耗制动,为电磁制动电磁铁YA2的复位作准备,待压下位置开关SQ5时,能耗制动结束。电磁换向阀KV2得电,机械手2将加工后的曲轴夹紧,待压力继电器KT3发信号时停止夹紧,电机驱动手臂上升,碰到位置开关SQ3时,其常闭触点断开电机停止工作锁紧手臂。(4).机械手1(夹持工件)开始下降,能耗制动1KMB开始工作,当碰到下限位开关SQ1,电机能耗制动K1开始闭合,将能耗制动电阻短接,能耗制动强烈,当碰到下极限位置开关ST2时,电磁制动电磁铁YA1失电锁紧手臂。电磁换向阀KP1失电,机械手1松开工件,当工件完全被放开的时候,压力继电器KT2开始工作,机械手1开始执行上升,当碰到上限位开关SQ3时,电机停止工作锁紧手臂。机械手1、2在机床上方工序停止。(5).小车在机械手1、2完成工序后,向工作原点行进,当压下横梁位置开关1SQ时,电磁制动电磁铁YA3复位小车停止行走。机械手2开始工作,手臂自行下落,耗制动2KMB开始工作,待压下位置开关SQ4时,能耗制动电阻被短接,开始强烈能耗制动,为电磁制动电磁铁YA2的复位作准备,待压下位置开关SQ5时,能耗制动结束手臂停止下降。电磁换向阀KV2失电,机械手2松开加工后的曲轴,待压力继电器KT3发信号时停止放松,电机驱动手臂上升,碰到位置开关SQ3时,其常闭触点断开电机停止工作锁紧手臂。(6).机械手1、2满足上述起始条件时,机械手1、2可循环工作。既机械手1抓取工件,小车右移,机械手2抓取已加工好的工件,机械手1放下工件,小车左移,机械手2放下加工好的工件,机械手1再抓取,上述过程由一组移位寄存器控制,每移一位,控制机械手完成一步操作,移位寄存器每位的输出,作为下一步操作的条件。按顺序进行,完成了上一步,才能执行下一步。图4.2主回路中的电机能耗制动部分线路图:4.2.2电机的可编程控制(1).程序描述.自动部分的手动程序,在工作开始时机械手系统应处于原位,上极限位开关SQ3、SQ6和左极限位开关1SQ应闭合。当执行自动程序中的单周期运动时,先调转换开关SA,输入继电器的动合触点X502闭合,单脉冲指令使辅助继电器M201产生一个脉冲,使移位寄存器复位。因此,移位寄存器复位的动断触点M101M116均为闭合状态。程序使M100置1。压下启动开关SB1,X410接通,产生移位信号,使100右移1位,则101为1。同时因生产线上无工件,使X416闭合机械手1下降电机开始能耗制动,当X400被压下时电机开始强能耗制动。下降到位时X401闭合机械手1制动停止,同时产生移位信号101的1态移到102,使204得电并保持通过204的保持触点使530、定时器T450同时得电,将工件夹紧并延时,当夹力过大时压力继电器工作使530断电,手停止加紧并保持夹紧状态。延时继电器T450延时3后,其动合触点接通,产生移位信号,使103为1、102为0,于是Y434得电,驱动电机执行上升动作。由于204的保持作用,530不会失电工件继续保持夹紧状态。上升到位后,上限位开关压下,Y434失点同时制动电磁铁433使机械手停止上升、M104得电使小车右移。右移到位,有极限位开关被压下使X407闭合输出继电器Y435工作小车制动,同时产生移位信号使M105置1、M104为0从而使Y432得电机携手2下降并且电机进行能耗制动下降到Y403闭合时Y535工作强能耗制动开始,下降到位时403闭合下降停止。同时产生移位信号106置1、105复0机械手2进行夹紧任务。T451延时3秒后继续移位使110为1,机械手1重复下降运动当下降到位时压下极限位开关使111置1,输出继电器Y531和时间继电器T452同时得电,机械手1放松工件。时间继电器T452延时2秒后112被置1,机械手1重复上升动作。上升到位时压下402产生移位使113为1,112为0从而上升停止,431得电小车左移。当左移到位时压下406产生移位信号使114为1,113为0使小车停下,并在同时机械手2执行下降动作。当下降到位时404闭合115置1,114为0下降停止比开始放松工件。机械手2重复上升动作动作顺序如上。上升到位后压下上极限位开关使405闭合产生移位信号使117置1,116复0循环结束。.连续动作与单周期的原理基本相同,只是在503处并联一个117的动合触点即可。.在单步运行的设计上采用了置位指令S和单脉冲指令PLS并在移位寄存器的SFT端串联203动断触点。这样设计的目的是当机械手每完成一步工作后只有在PLS对202输入脉冲使203复位后机械手才能进行下一步工序。.手动部分:当执行手动程序时,断开不执行条歩指令700,选择机械手1或机械手2执行手动程序,当505闭合时,机械手1执行手动程序,将转换开关转至下降,按下启动按钮410,置位开关240置1,机械手1下降,当碰到位置继电器400时,强烈能耗制动532触发,按下停止按钮411使240复位或碰到位置继电器401机械手停止下降。将转换开关转至上升,按下启动按钮410,使置位开关241置1,机械手开始上升,当402置1,434触发,按下停止按钮411使241复位或碰到位置继电器401机械手停止上升。将转换开关转至夹紧,按下启动按钮410,241置1,手部液压缸夹紧,当412复位时液压缸停止夹紧。将转换开关转至放松,按下启动开关410,使243置1,手部液压缸松开,当413复位时机械手停止松开。机械手2的手动控制与机械手1的相同,只是位置触发、行程开关不同。当转换开关转至右移,507置1,按下启动开关410开始右移当按下停止按钮或小车碰到有极限位开关时小车停止右移,同理来选择左移。.回原位部分:将转换开关转至回原位挡则504断开,按下回原按键则置位指令使251置1开始回原位运动。具体的步骤如下:先将531和533置1执行放松动作手爪张开。同时使532和533置1停止下降动作,使434、435置1开始上升,同时430被复位右行停止,431被置1开始执行左行动作,当压下左极限位开关时使406闭合,431复位左移停止同时251被复位回原位完成。(2).PLC输入点信号:PLC输出点信号:(3).PLC与现场器件的连接图4.34.3.指令语句 表4.3 PLC指令语句:步序指 令代 码步序指 令代 码步序指 令代 码步序指 令代 码步序指 令代 码1LDI X40114LD X50127PLS M20040ANI M11153SFT 1002OUT Y43615OR X40128LD X50241ANI M11254LD M1013LDI X40416OR X40229PLS M20142ANI M11355AND X4014OUT Y43717OR X40730LD X40243ANI M11456ANI M2035LDI X40618OR X40431AND X40644ANI M11557SFT 1006ORI X40719OR X40532ANI M10145ANI M11658LD M1027OUT Y44020OR X40633ANI M10246OUT M10059AND T4508LDI X50121S M20334ANI M10347LD M20060SFT 1009ANI X50222LD M20235ANI M10448OR M20161LD M10310ANI X50323R M20336ANI M10549OR X41162AND X40211CJP 70124LD X50337ANI M10650RST M10063ANI M20312LD X41025OR M11738ANI M10751LD M10064SFT 10013PLS M20226OR X50139ANI M11052AND X41065LD M10466AND X40794LD M114121ANI X402147OR M116172OUT M10067ANI M20395AND X404122OUT Y434148ANI X405173LD X50668SFT 10096ANI M203123LD M104149OUT Y435174OUT M10169LD M10597LD M115124ANI M113150LD M111175MC M10070AND X40498AND T453125ANI Y431151OUT T452176LD X51371ANI M20399SFT 100126OUT M120K 20177AND X41072SFT 100100LD M116127LD M120152S 531178S M24073LD M106101AND X405128OUT T454153AND X413179LD M24074AND T451102ANI M203K 20154R 531180ANI X40175SFT 100103SFT 100129LD T454155LD M113181OUT Y43276LD M107104LD X416130OUT Y430156ANI X104182AND X40077AND X405105AND M101131LD M105157ANI Y430183OUT Y53478ANI M203106LDI X417132AND X417158OUT M121184LD X41179SFT 100107AND M110133LD M114159LD M121185R M24080LD M110108ORB134ANI X416160OUT T455186LD X51181AND X401109ANI X401135ORBK 20187AND X41082ANI M203110OUT Y432136ANI X404161LD T455188S M24183SFT 100111AND X400137OUT Y432162OUT Y431189LD M24184LD M111112OUT Y534138AND X403163LD M115190ANI X41285AND T452113LD M102139OUT Y535164OUT T453191OUT Y53086SFT 100114S M204140LD M106K 20192OUT T45087LD M112115LD M204141S M205165S 531K 3088AND X402116ANI X412142LD M205166AND X415193LD X51489ANI M203117OUT Y530143ANI X414167R 531194AND X41090LD M113118OUT T450144OUT Y532168EJP 701195AND T45091AND X406K 30145OUT Y451169LDI X500196OR T45292ANI M203119LD M103K 30170CJP 700197S M24293SFT 100120OR M112146LD M107171LD X505198LD M242199ANI X402217LD X411235LD X512252OUT Y430270CJP 702200OUT Y434218LD X511236S M247253LD X510271LD X515201LD X512219AND X410237LD M247254AND X410272AND X504202S M243220S M245238ANI X414255ANI Y430273S M251203LD M243221LD M245239OUT Y533256ANI X507274MC M251204ANI X413222ANI X415240OUT T453257OUT M103275S M531205OUT Y531223OUT Y532K 20258AND M103276S M533206OUT T452224OUT T451241MCR 101259OUT T455277S M5
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