搬运机器人结构设计毕业设计正文Word格式文档下载.doc
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Thispaperstudiesthecurrentsituationofthedevelopmentofmechanicalhand,bystudyingtheworkingprincipleoftherobot,familiarwithhandlingrobotlootionmechanism.Onthisbasis,identified4-DOFofhandlingrobot'
sbasicsystemarchitecture,simplestrengthcalculationwasmadeonhandlingrobotstructure,finishhandlingrobotmechanicaldesign(includingtransmissionpart,operative,drivingpart)andsimple3Dsolidmodelingwork.Thisschemeintroducedacylindricalrobotforfourdegreeoffreedom.Itisposedoftwolinearaxes,onerotaryaxisandapneumaticclawmovement.Themanipulatormechanicalstructureincludesthreesolenoidvalvescontrolledbyaircylindertoachievetheincreaseddeclineinsportsandworkpiececlampingaction,asteppermotorcontrolmanipulatorpositiveinversion.
Controlleronlyallowsthesedevicesmovefromoneassemblylinetootherassemblylineinspace,performrelativelysimpletaskes.Designedofthehandlingrobotusedinautomaticproductionline,realizingtheautomaticproduction,reduceindustrialworkersmuchrepetitivework,alsocanimprovelaborproductivity.Thispaperismoreprehensiveintroductionandsumming-upfortheforthewholedesignwork.
Keywords:
Transferrobot,Strengthcalculation,Structuredesign
SignatureofSupervisor:
目录
摘要1
Abstract2
目录3
1绪论4
1.1搬运机器人概述4
1.2搬运机械人的应用简况6
1.3搬运机器人的应用意义7
1.4机械手的开展概况与开展趋势7
1.5本论文的主要工作9
2搬运机械手总体设计方案10
2.1自由度和坐标系的选择10
2.2搬运机器人的组成11
2.3搬运机器人的技术参数13
2.4搬运机器人结构简图14
3零部件结构设计.15
夹持式手部结构15
臂部的设计与有关计算16
步进电机的选型21
3.4联轴器的选择设计22
3.5机座设计与电磁阀的选择24
4结构强度计算、尺寸设计与校核28
手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核28
手臂升降气缸的尺寸设计与校核29
4.3步进电机的尺寸设计与校核30
4.4总体结构图、实体图的绘制32
5控制系统34
5.1PLC的主要特点34
5.2PLC的开展阶段35
5.3PLC的选择35
5.4机械手的循环工作说明36
6结论37
参考文献39
致谢41
附录A
4-DOF搬运机器人的结构设计
1绪论
1.1搬运机器人概述
搬运机器人在实际的工作中就是一个机械手,机械手的开展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:
其一、它能局部的代替人工操作;
其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;
其三、它能操作必要的机具进展焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以与带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的开展,并且取得一定的效果,受到机械工业的重视。
机械手的结构形式开始比拟简单,专用性较强。
随着工业技术的开展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用X围比拟广的“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。
机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进展加工。
机器人一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机器人,也即本文所研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的,称为操作机〔Manipulator〕。
它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来开展到用无线电讯号操作机器人来进展探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一X畴。
第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand〞,它是为主机服务的,由主机驱动。
除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体局部都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西,最简单的根本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等局部组成的抓取和移动机构——执行机构;
像肌肉那样使手臂运动的驱动-传动系统;
像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三局部组成,如图1-1所示。
图1-1机器人的一般组成
对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛〞,使它能识别物体和躲避障碍物,以与机器人的触觉装置。
机器人的这些组成局部并不是各自独立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个机器人的。
要实现机器人所期望实现的功能,机器人的各局部之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
图1-2机器人各组成局部之间的关系
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务。
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效方法,程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要方法。
但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。
据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;
金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
机械手可在空间抓放物体,动作灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。
国内外机械工业机搬运械手主要应用于以下几方面:
1〕热加工方面的应用
热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要某某现自动化。
为了提高工作效率,和确保工人的人身安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。
2〕冷加工方面的应用
冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以与轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。
进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组成局部。
最近更在加工生产线、自动线上应用,成为机床、设备上下工序联接的重要于段。
3〕拆修装方面
拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一,促进了机械手的开展。
目前国内铁路工厂、机务段等部门,已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、去除石棉等,减轻了劳动强度,提高了拆修装的效率。
近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手,可用以对客车内部进展连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率。
近些年,随着计算机技术、电子技术以与传感技术等在机械手中越来越多的应用,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。
在机械工业中,搬运机器人的应用意义可以概括如下:
1〕可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以与机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产本钱,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
2〕可以改善劳动条件、防止人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以与工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可局部或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。
在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进展工作,可以防止由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3〕可以减少人力,便于有节奏地生产
应用机械人代替人手进展工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。
因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进展生产。
综上所述,有效地应用机器人是开展机械工业的必然趋势。
与开展趋势
专用机械手经过几十年的开展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。
由于通用机械手的应用和开展,进而促进了智能机器人的研制。
智能机器人涉与的知识内容,不仅包括一般的机械、液压、气动等根底知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术。
目前国内外对开展这一新技术都很重视,几十年来,这项技术的研究和开展一直比拟活跃,设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。
早在40年代,随着原子能工业的开展,已出现了模拟关节式的第一代机械手。
50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。
这种机械手也称第二代机械手。
如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。
60~70年代,又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上,亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。
80-90年代,装配机械手处于鼎盛时期,尤其是日本。
90年代机械手在特殊用途上有较大的开展,除了在工业上广泛应用外,农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。
90年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速开展,机械手技术也得到飞速的多元化开展。
总之,目前机械手的主要经历分为三代:
第一代机械手主要是靠人工进展控制,控制方式为开环式,没有识别能力;
改良的方向主要是将低本钱和提高精度;
第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器,把接收到的信息反响,使机械手具有感觉机能;
第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步开展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。
随着现代化科学技术的飞速开展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造〔CIM〕要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面,数量、品种、
性能方面都不能满足工业生产开展的需要。
因此,国内主要是逐步扩大机械手应用X围,重点开展铸锻、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件。
在应用专用机械手的同时,相应地开展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。
将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以与适于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不用的典型部件,即可组成各种不同用途的机械手。
既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的X围。
同时要提高精度,减少冲击,定位准确,以更好地发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以与具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用,逐步成为整个机械制造系统中的一个根本单元。
在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,开展较快。
目前主要用于机床、模锻压力机的上下料,以与点焊、喷漆等作业中,它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作,但是还不具备任何传感反响能力,不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
为此,国外机械手的开展趋势是大力研制具有某些智能的机械手,使其拥有一定的传感能力,能反响外界条件的变化,做出
相应的变更。
如位置发生稍些偏差时,即能更正,并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪〔即距离传感器〕以与卫星计算机。
工作时,电视照相机将物体形象变成视频信号,然后传送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和方位,并发出指令控制机械手进展工作。
触觉功能即在机械手上安装有触觉反响控制装置。
工作时机械手先伸出手指寻找工件,通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用,然后伸向前方,抓住工件。
手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。
总之,随着传感技术的开展,机械手的装配作业的能力将进一步提高。
到1995年,全世界约有50%的汽车由机械手装配。
现今机械手的开展更主要的是将机械手和柔性制造系统以与柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.5本论文的主要工作
本课题将要完成的主要工作如下:
1)选取机械手的座标型式和自由度;
2)确定四自由度搬运机器人驱动系统的类型;
3)确定四自由度搬运机器人的整体结构设计方案;
4)设计出机械人的各执行机构,包括:
手部、手腕、手臂等部件的设计。
为了使通用性更强,手部设计成可更换结构;
5)零部件结构强度计算与校核;
6)绘制机器人的各零部件图,并完成搬运机器人装配图,最后运用三维软件画出实体图;
7〕控制方案的设计。
2搬运机器人总体设计方案
对气动机械手的根本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反响、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度与在任意位置都能自动定位等特性。
设计气动机械手的原如此是:
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与运行控制的要求;
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,它可用于操作环境恶劣,劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2.1自由度和坐标系的选择
机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数,对于一个构件来说,它有几个运动坐标就称其有几个自由度。
各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。
机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比拟困难的,因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成,共有27个自由度。
而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个〔不包括手部〕。
本次设计的搬运机器人为4自由度即:
手爪X合;
臂部伸缩;
臂部升降;
臂部回转。
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。
各结构形式与其相应的特点,分别介绍如下:
1)直角坐标机器人结构
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2-1(a)所示。
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〔μm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,是比拟小的。
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与搬运作业,直角坐标机器人有悬臂式、龙门式、天车式三种结构。
2)圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动与两个直线运动来实现的,如图2-1〔b〕。
这种机器人构造比拟简单,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。
3)球坐标机器人结构
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2-1〔c〕。
这种机器人结构简单、本钱较低,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。
4)关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的,如图2-1〔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,其工作空间比拟大。
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,有水平关节型和垂直关节型两种。
根据要求与在实际生产中的用途,本次设计的搬运机器人采用圆柱坐标。
(a)直角坐标型〔b〕圆柱坐标型〔c〕球坐标型〔d〕关节型
图2-1四种机器人坐标形式
搬运机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三局部组成。
2.2.1执行机构
1〕手部
手部既直接与工件接触的局部,一般是回转型或平动型〔多为回转型,因其结构简单〕。
手部多为两指〔也有多指〕;
根据需要分为外抓式和内抓式两种;
也可以用负压式或真空式的空气吸盘〔主要用于可吸附的,光滑外表的零件或薄板零件〕和电磁吸盘。
传力机构形式较多,常用的有:
滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
本次设计的手部选择气动手爪手部结构。
本次设计的搬运机器人手部执行部件如图2-2。
图2-2搬运机器人手部执行部件示意图
如图2-2的机构简图,手部执行依靠气缸的伸缩运动来实现其X合运动,结构紧凑,产生的驱动力也必将大。
2〕腕部
腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作X围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。
手腕有独立的自由度。
有回转运动、上下摆动、左右摆动。
一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
3〕臂部
手臂部件是机械手的重要握持部件
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