工业机械手设计论文 .doc
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1、摘要在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机械手作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合,对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析,设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。主要包括三个方面:机械手腰部,大臂,小臂,手爪的结构设计;液压系统设计;PLC控制部分的设定。关键词:机械手;液压系统;PLC控制AbstractIn the modern large-scale manu
2、facturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, manipulators gradually approved and adopted by enterprises.
3、Integrate the knowledge of the past four years of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of Cylindrical coordinates manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, make the detailed design ab
4、out base, arm, and hand claw and the control system etc. There are mainly three aspects in the design: The structure design of base, arm, forearm and hand claw; The design of The hydraulic system ;The setting of PLC control.Keywords: Manipulator; Structure; Hydraulic system; PLC control 摘要IAbstractI
5、I1.绪论11.1设计目的11.2机械手的发展历史21.3国内外研究现状和趋势21.4应用领域32.机械手的整体方案52.1机械手坐标形式分类52.2设计方案62.3整体设计参数73.机械手结构设计83.1机械手腰座结构设计83.2机械手手臂的结构设计93.3机械手腕部的结构设计103.4末端执行器(手爪)的结构设计124.机械传动机构设计144.1传动机构设计应注意的问题144.2减速箱144.3设计方案175.机械手驱动系统的设计185.1液压驱动系统185.2电动驱动系统195.3设计方案236.液压系统基本方案246.1液压执行元件246.2液压执行元件运动控制回路256.3液压源系统
6、的设计256.4绘制液压系统图267.理论分析和设计计算287.1液压系统的主要参数287.2计算和选择液压元件338.机械手控制系统硬件设计398.1机械手控制要求398.2机械手的作业流程398.3机械手操作面板布置418.4控制器的选型428.5控制系统原理分析428.6 PLC外部接线设计438.7 I/O地址分配449.机械手控制系统软件设计46结论47参考文献48致谢50附录1英文文献译文511.1英文文献511.2译文59附录2程序661.绪论机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现
7、代机器人,它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用,在机械行业中它可用于零部件组装 ,加工工件的搬运、装卸。1目前,机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,它适应于中、小批量生产,可以节省庞大的工件输送装置,
8、结构紧凑,而且适应性很强。当工件变更时,柔性生产系统很容易改变,有利于企业不断更新适销对路的品种,提高产品质量,更好地适应市场竞争的需要。而目前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,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此,进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.1设计目的通过机械设计制造及自动化专业大学四年知识的学习,进行机械手的设计,可以更好地巩固所学的课程,,实现理论与实践的结合。目前,国内很多工厂的生产线上机床装卸工件仍由人工完成,劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降
9、低成本,并使生产线成为柔性制造系统,适应现代自动化生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术,设计用一个装卸机械手代替人工工作,以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床(数控铣床、加工中心等)组合最终形成生产线,实现过程无人自动化。目前,中国的制造业发展迅速,越来越多的制造业,越来越多的生产制造商。这个设计可以应用到加工厂车间,满足数控机床和加工中心加工、安装和卸载加工要求,以降低劳动强度,节省加工辅助时间,提高生产效率和生产力。31.2机械手的发展历史机械手自二十世纪六十年代初问世以来,经过40多年的发展,现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代
10、机械手,即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统,没有感觉外界环境信息的感觉器官,主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官,仍然以程序控制为基础,但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在,第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来,它是能感知外界环境与对象物,并具有对复杂信息进行准确处理,对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物,具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉,能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作,具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。1.3国内外研究现
11、状和趋势目前,在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点,其研究的现状和大体趋势如下:A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。B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。C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决策控制;多传感器融合
12、配置技术成为智能化机器人的关键技术。D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计;柔性仿形喷涂机器人开发,柔性仿形复合机构开发,仿形伺服轴轨迹规划研究,控制系统开发; E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究;以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说,大体是两个方向:其一是机器人的智能化,多传感器、多控制器,先进的控制算法,复杂的机电控制系统;其二是与生产加工相联系,满足相对具体的任务的工业机器人,主要采用性价比高的模块,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、简洁、可靠,大量采用工业控制器,市场化、模块化的元件。1
13、.4应用领域工业制造领域:主要让机器手在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作,如汽车制造、舰船制造及某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机)的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作,也有部分是由机器人完成的,如图1.1。军事领域:主要让机器人执行一些相对较为危险的任务,比如,无人侦察机、拆除炸弹等。还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务,从而使战士从繁重的工作中解脱出来,去从事更加重要的工作。医疗领域:主要用来辅助护士进行一些日常的工作,以及协助医生完成一些难度较高的手术,例如,眼部手术、脑部手术等。图1.1 工业机械手
14、2.机械手的整体方案2.1机械手坐标形式分类工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构,圆柱坐标结构,球坐标结构,关节型结构四种。其结构形式及其相应的特点,分别介绍如下。直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的,如图a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,所以,直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度(m级)。但是,这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲,是比较小的。因此,为了实现一定的运动空间,直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式,龙门
15、式,天车式三种结构。 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的,如图b。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的,如图c。这种机器人结构简单、成本较低,但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图d。关节型机器人动作灵活,结构紧凑,占地面积小。相对机器人本体尺寸,其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业,都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构,有水平关节型和
16、垂直关节型两种。图2.1关节型机械手类型2.2设计方案具体到本设计,因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG,直径160MM。同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求,考虑在满足系统工艺要求的前提下,尽量简化结构,以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑,机械手自由度数目取为3,坐标形式选择圆柱坐标形式,即一个转动自由度两个移动自由度,其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2.2所示。图2.2 机械手工作布局图2.3整体设计参数1.水平伸缩位移:040
17、0mm 水平伸缩速度: 50mm/s 重复定位精度:+/-1mm2.垂直升降位移:100mm 垂直升降速度:200mm/s 重复定位精度:+/-1mm3.回转速度:45/s4.最大持重:30KG(可随液压系统压力适当增大)5.驱动方式:电液混合驱动6.液压油:石油基液压油7.控制方式:PLC8.自由度数:39.结构型式:圆柱坐标型式10.整机重量:约180KG11.电源:220VAC/24VDC3.机械手结构设计3.1机械手腰座结构设计3.1.1腰座设计要求工业机器人腰座,就是圆柱坐标机器人,球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节,机器人的运动部分全部安装在腰座上,它
18、承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时,要注意以下设计原则:1.腰座要有足够大的安装基面,以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷,因此,机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度,以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节,它对机器人末端的运动精度影响最大,因此,在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置,它包括驱动器(电动、液压及气动)及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器,以及制动器。3.1.2设计方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现,要么是通过摆动液
19、压缸或液压马达来实现,目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高,而且结构紧凑,不用设计另外辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节,对机械手的最终精度影响大,故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动,考虑到转速以及扭矩的具体要求,采用减速箱进行减速和扭矩的放大。腰座具体结构如图3.1所示:图3.1 基座结构3.2机械手手臂结构设计3.2.1机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用,是在一定的载荷和一定的速度下,实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则:1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可
20、以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机器人的运动速度与控制精度,应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。3.2.2设计方案机械手的垂直手臂(大臂)升降和水平手臂(小臂)的伸缩运动都为
21、直线运动。直线运动的实现一般是气动传动,液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大,考虑加工工件的质量达30KG,属中型重量,同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑,两手臂的驱动均选择液压驱动方式,通过液压缸的直接驱动,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件,不用再设计另外的执行件了;而且液压缸实现直线运动,控制简单,易于实现计算机的控制。因为液压系统能提供很大的驱动力,因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的,关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点(在整体结构允许的情况下),再进行强度
22、的较核。同时,因为控制和具体工作的要求,机械手的手臂的结构不能太大,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的。因此,在设计时另外增设了导杆机构,小臂增设了两个导杆,与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式,尽量增加其刚度;大臂增设了四个导杆,成正四边形布置,为减小质量,各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆,能显著提高机械手的运动刚度和稳定性,比较好的解决了结构、稳定性的问题。3.3机械手腕部结构设计3.3.1机器人手腕结构设计要求1.机器人手腕的自由度数,应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多,各关节的运动角度愈大,则机器人腕部的灵活性愈高,机器人对对作业的适应能力也
23、愈强。但是,自由度的增加,也必然会使腕部结构更复杂,机器人的控制更困难,成本也会增加。因此,手腕的自由度数,应根据实际作业要求来确定。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端,在设计机器人手腕时,应力求减少其重量和体积,结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量,腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上,而不采用直接驱动,并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联,因此,要有标准的联接法兰,结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度,以保证力与运动的传递3.3.2设计方案通过对数控机床上下料作业的具体分析,考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上
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