(完整版)机械工程及自动化毕业论文
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毕业设计(论文)
题目: 机械设计与制作
学 生 姓 名: 王瑞峰 学号:
学 部 (系): 采煤 指 导 教 师: 职称或学位: 本科
专 业 年 级: 机械工程自动化
内蒙古科技大学
2013 年 10 月 20 日
目 录
摘
要......................................................
...3
第一章 前言 1.1
机
械
手
概
述...............................................4 1.2
机
械
手
的
组
成
和
分
类.......................................4
1.2.1机械手的组成.......................................4 1.2.2机械手的分类.......................................6
第二章 机械手的设计方案
2.1机械手的坐标型式与自由度.............................. 8 2.2机械手的手部结构方案设计.............................. 8 2.3机械手的手腕结构方案设计.............................. 9 2.4机械手的手臂结构方案设计...............................9 2.5机械手的驱动方案设计...................................9 2.6机械手的控制方案设计...................................9 2.7机械手的主要参数.......................................9 2.8机械手的技术参数列表...................................9 第三章 手部结构设计
3.1夹持式手部结
构.........................................11
3.1.1
手
指
的
形
状
和
分
类.................................11
3.1.2
设
计
时
考
虑
的
几
个
问
题.............................14
3.1.3
手
部
夹
紧
气
缸
的
设
计...............................14 第四章 手腕结构设计
4.1
手
腕
的
自
由
度.......................................... 19
4.2
手
腕
的
驱
动
力
矩
的
计
算.................................. 19
4.2.1
手
腕
转
动
时
所
需
的
驱
动
力
矩........................ 20
4.2.2
回
转
气
缸
的
驱
动
力
矩
计
算...........................22
第五章 手臂伸缩,升降,回转气缸的设计与校核
5.1
手
臂
伸
缩
部
分
尺
寸
设
计
与
校
核.............................23
5.1.1
尺
寸
设
计.........................................23
5.1.2
尺
寸
校
核.........................................24
5 .1 .3导向装置.......................................25
5 .1 .4平衡装置.......................................25 5.2
手
臂
升
降
部
分
尺
寸
设
计
与
校
核.............................26
5.2.1
尺
寸
设
计.........................................26.
5.2.2
尺
寸
校
核.........................................26
5.3
手
臂
回
转
部
分
尺
寸
设
计
与
校
核.............................27
5.3.1
尺
寸
设
计.........................................27
5.3.2
尺
寸
校
核.........................................27
第六章 机械手的PLC控制设计...................................27
6.1
可
编
程序
控
制
器
的选
择
及
工
作过
程.........................27
6.1.1
可
编
程
序
控
制
器
的
选
择.............................27
6.1.2
可
编
程
序
控
制
器
的
工
作
过
程.........................27
6.2
可
编
程
序
控
制
器
的
使
用
步
骤...............................23 第
七
章
结
论....................................................24 致
谢...........................................................29 参
考
文
献.......................................................30 专
业
相
关
的
资
料.................................................31
摘 要
在设计机械手臂座的时候,用两个电机提供动力。左边一电机通过谐波减速器减速后,通过齿轮来控制手臂的回转,而手臂弯曲动作的动力,由右边一电机提供。电机2同样也是通过谐波减速器减速后,通过一个长轴,把动力传到底部的小齿轮上,再由小齿轮与大齿轮的啮合,把动力传到那竖直的锥齿轮上,又通过锥齿轮之间的啮合,把动力与运动传递到横轴上,这样,再通过键连接,就能把动力传到那带轮上。这样,带轮就以一定的速度不停的转,以给臂关节通过同步齿型带传递动力。
在设计臂关节结构时,我们用两个同步齿形带轮来传递动力,而带轮又与轴和机械式离合器的左半边相连,这样,就使轴与左半边相连的离合器转动。在右半边为一电磁制动器,制动器的左半边与离合器的右半边相连,而且通过盘与上臂相连。这时,当电磁铁通电时,制动器吸合,这时离合器也分开。这样,上臂就停止在所要求的位置上了。当电磁铁失电时,由于弹簧力的作用,把制动器推开,同时离合器在弹簧力的作用下自动啮合,手臂恢复原有的运动。
注:机械手臂的运动范围手其结构的限制,在手臂的运动到达结构位置之前,必须使其自动停止。机械手臂的运动机械位置是有关节处牙嵌离合齿上的突起部分而定。手臂在极限位置自动停止,反向运行的条件完全是靠离合齿上的凸起部分与滑块的接触实现的。为了使离合齿轮能顺利的脱开和啮合,对离合齿上的凸起部分斜面的升角β≥arctgμν。只有满足这个条件,离合齿上凸起部分的斜面与滑块在滑动时才不会发生自锁。这样手臂才能自动停止和反向动作!
方案二
此方案在臂关节的结构设计上与方案一有所不同。这里设计成中心轴不转动。改在同步带轮处装两个轴承。这样,带轮可自由转动,而不
会影响轴,且把离合器的左半边加工在带轮上,这样,不仅可以缩小空间,而且可以提高强度。其余与方案一相同。
关键词:机械手臂;极限位置;啮合;
第一章 前言
1.1. 工业机械手概述
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 .机械手的组成和分类
1.2.1.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。
机械手组成方框图:1-1
(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在本课题中我们采用夹持式手部结构。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。传力机构型式较多时常用的有: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。 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。 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I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
机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布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、机械传动。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。 (二)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。
1.2.2 .机械手的分类
工业机械手的种类很多,关于分类的问题,目前在国内尚无统一
的分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手,如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。 2、通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制,伺服型可以是点位的,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二)按驱动方式分 1、液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。
2、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。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、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。它的主要特点是运动准确可靠,用于工作主机的上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。 4、电力传动机械手
即有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,但有发展前途。 (三)按控制方式分 1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限
的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用
范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
第二章 机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手,是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,劳动强度大和操作单调
频繁的生产场合。也可用于操作环境恶劣的生产场合。 2.1.机械手的坐标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小的缺点,增加手臂摆动机构,从而增加一个手臂上下摆动的自由度
图2-1 机械手的运动示意图
2.2 .机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘。
2.3 .机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 2.4 .机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 2.5 .机械手的驱动方案设计
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