机械手的整体设计.docx
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机械手的整体设计
毕业设计报告(论文)
报告(论文)题目:
车床用自动上下料机械手及
电、液控制系统设计
作者所在系部:
机械工程系
作者所在专业:
机械设计制造及其自动化
作者所在班级:
作者姓名:
作者学号:
指导教师姓名:
完成时间:
毕业设计(论文)任务书(理工类)
学生姓名:
专业:
机械设计制造及其自动化班级:
学号:
指导教师:
职称:
教授完成时间:
毕业设计(论文)题目:
车床用自动上下料机械手及电、液控制系统设计
题目来源
教师科研课题
纵向课题( )
题目类型
理论研究( )
注:
请直接在所属项目括号内打“√”
横向课题( )
应用研究( )
教师自拟课题(√)
应用设计(√)
学生自拟课题( )
其他( )
总体设计要求及技术要点:
以轴类零件加工为对象,设计一自动上、下料机械手,完成在卧式车床上进行加工的自动循环过程,机械手主要完成零件抓取、搬移的动作,与加工设备一起完成自动化加工。
完成整套上、下料机械手的机械装置设计,包括手部、腕部、臂部、机身等各个部分结构与工作方式的合理选择与设计。
整个装置要满足工作过程中对工作定位精度及工作行程的要求,工作可靠,动作准确、协调,调试方便。
可采用机械、液压、电气等控制方案,
工作环境及技术条件:
1.抓取重量:
5公斤;
2.工作自由度:
腕部:
一个回转自由度,臂部:
三个直线自由度;
3.手臂运动参数:
运动名称
符号
行程范围(mm)
速度(mm/s)
前后移动
X
0--500
≤250
横向移动
Y
≤400
≤200
垂直升降
Z
0--100
≤100
4.驱动方式:
液压;
5.控制方式:
PLC控制;(或固定程序电气控制);
6.定位精度:
±2mm。
工作内容及最终成果:
1.相关文献检索,文献综述;撰写开题报告;
2.拟订整体工作方案;
3.手部、腕部、臂部机械结构设计与计算;
4.整体装置总装配图设计与绘制;
5.液压传动系统原理图的设计与计算;
6.控制系统原理图的设计;
7.毕业设计说明书(论文)撰写。
8.设计图纸总量不少于3张0号图纸。
时间进度安排:
第七学期:
1)接受、理解毕业设计任务书,查阅资料,翻译外文资料撰写开题报告;
2)撰写文献综述;撰写开题报告。
第八学期:
1)汇总前期资料,进行方案的比较、论证,确定总体方案;2周
2)机械整体装配图设计及零部件设计;4.5周
3)液压传动系统原理图设计与计算;1周
4)控制系统硬件原理图设计;1.5周
5)编写说明书及答辩准备;3周
6)答辩,整理资料。
1周
指导教师签字:
年月日
教研室主任意见:
教研室主任签字:
年月日
摘要
机械手是模仿人手的部分动作,按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动化机械装置,也称为“工业机械手”。
在现实生活中有些工作会对人体造成伤害,比如喷漆、重物搬运等;有些工作要求质量很高,人难以长时间胜任,比如汽车焊接、精密装配等;有些工作人无法身临其境,比如火山探险、深海探密、空间探索等;有些工作不适合人去干,比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等。
而机械手却能够很好的解决这些问题,因此机械手得到了越来越多的应用与发展。
本课程设计的自动上、下料机械手,是以轴类零件加工为对象,完成在车床上进行加工的自动循环过程。
需要完成整套上、下料机械手的机械装置设计,包括手部、腕部、臂部和机身等各个部分结构与工作方式的合理选择与设计。
其中,要求臂部实现回转、升降及横移,腕部实现回转,手部实现抓取。
机械手的驱动部分采用液压驱动,用来满足传动平稳、足够大的驱动力。
机械手的控制部分采用PLC控制,由于传递准确,以实现高的传动精度。
本设计集机、电、液三者为一体,来满足整个机械手各个部分的动作要求。
关键字:
机械手上、下料机械手液压驱动PLC控制
Abstract
Manipulatoris a automatedmechanicaldevice.which ismodeledonthepartofstaffingactions,accordingtoagivenprogram,automaticallytrackandrequirementstocapture,handlingoroperation. alsoknownas"thehandoftheindustrialmachinery ”.Someworkinreallifewouldcauseinjury,suchaspainting,heavygoodstransport,etc.;someworkrequirementsofhighquality,qualifiedpeoplefinditdifficulttodoinalongtime,suchasautomotivewelding,precisionassembly;somepeoplecannotworkontheground, suchasvolcanoexploration,deepseaexplorationdense,spaceexploration,etc.;someworkdoesnotfitdothejob,suchassomehostileenvironment,somedullrepetitivelabor,etc..Therobotwasabletosolvetheseproblemswell,sotherobothasbeenmoreandmoreapplicationsanddevelopment.
Thiscourseisdesignedforautomatic,cuttingmachinehand,isashaftprocessingobject,completetheautomaticlatheprocessingcycle. Needtocompletetheentireloadingandunloadingrobotmechanicaldevicedesign,includingthehand,wrist,hip,andbodypartssuchasthestructureandworkingmethodsoftherationalchoiceanddesign. Amongthem,therequirementtoachievehiprotation,liftingandsliding,rotatingthewristtoachieve,toachievethehandgrab.Manipulatordrivenbyhydraulicdriveparts,tomeetstabletransmission,thedrivingforceislargeenough. ManipulatorcontrolsystemadoptsPLCcontrol,duetodeliveraccurate,hightransmissionaccuracy.
Thesetofmachinedesign,electricalandhydraulicthreetoone,tomeetthevariouspartsoftherobotmovementrequirements.
Keywords:
manipulatorhydraulicdrivePLCcontrolled
目录
摘要I
AbstractII
第1章序言1
1.1工业机械手在实际生产中的应用1
1.2各种坐标形式机器人的比较1
1.3本课程设计的目的1
1.4设计的主要内容2
1.5本课程设计的构想2
第2章机械手整体结构设计3
2.1结构布置上的要求3
2.1.1臂部要防止偏重3
2.1.2加强臂部的刚度3
2.1.3改进缓冲装置和提高配合精度4
2.2工艺要求4
2.3液压执行元件的选择4
第3章机械手的零部件设计5
3.1手部结构设计5
3.1.1手部的理论设计5
3.1.2手部的有关计算与分析5
3.2腕部结构设计7
3.2.1腕部的设计理论7
3.2.2腕部的有关计算8
3.3臂部结构设计11
3.3.1臂部的设计理论11
3.3.2臂部伸缩机构设计11
3.3.3臂部的回转运动机构及升降运动机构设计14
第4章机械手液压系统的设计16
4.1选择液压驱动的原因16
4.2计算和选择液压元件16
4.2.1液压泵的选择16
4.2.2电机选择17
4.2.3选择控制阀17
4.2.4油箱容积19
4.3各缸的具体计算19
4.3.1手指加紧油缸19
4.3.2腕部旋转油缸20
4.3.3手臂伸缩油缸20
4.3.4手臂升降油缸20
4.3.5手臂旋转油缸21
4.4拟定液压系统21
4.4.1换向回路21
4.4.2调速回路21
4.4.3缓冲回路21
4.5液压系统驱动循环及电磁阀的动作顺序21
第5章机械手的PLC控制22
5.1工艺过程与控制要求22
5.2操作面板布置24
5.3输入输出端子分配24
5.4I/O分配表24
5.5PLC程序24
第6章总结25
致谢26
参考文献27
附录128
附录229
附录330
第1章序言
1.1工业机械手在实际生产中的应用
随着社会生产的不断发展,机械自动化程度越来越高,要求一些高效率的机械诞生,加之,我国提倡以人为本的原则,而在现实生活中有些工作会对人体造成伤害,比如喷漆、重物搬运等;有些工作要求质量很高,人难以长时间胜任,比如汽车焊接、精密装配等;有些工作人无法身临其境,比如火山探险、深海探密、空间探索等;有些工作不适合人去干,比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等;这些都是机器人大显身手的地方。
服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安;水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆;工程机器人可以上山入地、开洞筑路;农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫;军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹……
因此,工业机械手越来越受到人们的青睐,它的应用范围也变得越来越广。
1.2各种坐标形式机器人的比较
直角坐标型机器人:
它在XYZ轴上的运动是独立的,其运动方程可以独立处理,同时方程又是线性的,因此对这种机器人的计算机控制很简单,它可以两端支撑,因此对于给定结构长度,其刚性最大,它的精度和位置分辨率不随工作场合的变化而变化,容易达到高精度,但是它的操作范围小,手臂收缩的同时又向相反的方向伸出,不仅妨碍工作,而且占地面积大,运动速度低,密封性也不好。
圆柱坐标型机器人:
它可以绕中心轴旋转一个角度,因此其工作范围可以扩大,且计算简单,它的直线驱动部分如果采用液压驱动,则可以输出较大的动力,它能够伸入机器的内部,但是它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达靠近立柱或地面的空间,直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性,物质,后缩手臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。
极坐标性机器人:
又称球坐标型机器人,它与圆柱坐标机器人一样,可以绕中心轴旋转,它具有在中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大的优点,但是,它的坐标系复杂,较难控制,其直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。
多关节机器人:
可以实现多方向的自由运动,这种机器人动作较灵活,工作空间大,关节驱动处容易密封,工作条件要求较低,可以水下的环境工作,适合用电机驱动,但存在计算量大,不适合用液压驱动等特点。
1.3本课程设计的目的
对于我们学机械的同学来说,提高机构的各个部分之间的连接情况,及对各个零部件的校核验算,合理布置各零部件等尤为重要。
同时,本次课程设计又是一次比较完整的将机、液、电相结合的设计,还是力求将所学的各门课程的理论知识与实际生产实践知识相结合的一次设计。
通过此次设计,力求掌握一般的机电一体化产品设计的基本方法和基本步骤,为以后的自动化机械设计打下良好的基础。
1.4设计的主要内容
●拟定机械手的整体设计方案
●设计机械手的手部、腕部、臂部的结构
●对各部分进行设计计算及强度校核
●整体装配图的设计及绘制
●液压系统的设计及绘制
●电器系统的绘制及PLC程序的编写
●编制设计说明书
1.5本课程设计的构想
本课程设计的上下料机械手所要抓取的轴类零件重量为5公斤,属于小型机械手。
所以设计是应考虑结构简单、运动可靠及定位精度要高。
工业机械手是由机械执行部分、液压驱动部分和电器控制部分组成。
设计时应该从机械部分入手,合理选择设计手部、腕部及臂部的机械结构,来满足4个自由度的要求。
在经过必要的设计计算、刚度及强度校核,来合理布置各个零部件的位置关系,以减小受力变形。
然后设计液压驱动部分,合理选择液压阀、过滤系统,合理选择密封装置,来保证一定的油压,防止漏油、卸荷等问题。
正确编写PLC程序,保证准确实现各个动作,完成各零部件之间的协调运动。
将机、液、电很好的结合在一起。
第2章机械手整体结构设计
本课程设计的自动上、下料机械手,完成在卧式车床上对轴类零件进行加工的自动循环过程,机械手主要完成零件抓取、搬移的动作,与加工设备一起完成自动化加工。
完成整套上下料机械手的机械装置设计,包括手部、臂部、腕部、臀部、机身等各个部分结构与加工方式的合理选择与设计。
其中,腕部实现一个回转自由度,臂部三个直线自由度。
选用了如下形式的运动简图:
图2-1
整体设计中的几个问题:
2.1结构布置上的要求
机械手工作中的运动速度较高,在结构布置上保证运动平稳,这样可提高机械手使用的可靠性,并可延长使用寿命。
在结构布置上要注意以下几点:
2.1.1臂部要防止偏重
通常臂部处于悬臂的工作状态,在设计臂部、腕部和手部结构时要尽量使其总的重心在支撑中心,防止对中心的偏重。
偏重将会产生附加弯矩,引起立柱和导向的变形工作中引起导向装置不均匀的磨损。
在回转运动中偏重将对回转轴附加有动压力,其方向不断的变化,特别是高速及速度突然变化是更为明显这将引起机械手的震动,严重时会造成卡死。
其防止措施有:
减轻腕部、手部的重量,并尽量减少偏心载荷;合理布置臂部上各部件重量和增加平衡重,使臂部平衡;某些机械手在结构上无法避免偏重,则应加强导向支撑,尽力减轻偏重对运动的影响。
2.1.2加强臂部的刚度
选取臂部结构时要注意各个方向的刚度,提高臂部刚度是减少手部颤动的关键,有利于提高定位精度,常采用导向式结构。
2.1.3改进缓冲装置和提高配合精度
机械手缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施,一般采用减压阀缓冲,提高部件配合精度,减少间隙都有利于运动平稳。
2.2工艺要求
机械手的结构设计除决定于运动形式及工作空间之外,还决定于工艺要求。
工艺要求分为两类:
一类使用环境影响,机械手的结构要结合特殊环境的要求;二类主机和辅助设备工作特点的影响。
2.3液压执行元件的选择
机械手的执行元件多采用活塞油杆、摆动油缸和油马达。
每种执行元件可以直接或间接与输出轴联结,实现机械手的动作。
活塞油缸加工容易、密封简单、起动反映快、易于制动。
摆动缸加工困难,密封性要求高,摆动缸尺寸小,重量轻,有利于简化机械手结构,常采用腕部回转和中小型机械手臂部的回转;油马达成本较高,使用的需油量不大而且稳定,内泄露较大,一般在升降状态下使用,输出转矩较稳定,适用于长行程的往复运动。
第3章机械手的零部件设计
3.1手部结构设计
3.1.1手部的理论设计
手部是机械手直接用于抓取和握紧(吸附)工件或夹持专用工具(如喷枪、扳子、焊接工具)经行操作的部件。
它具有模仿人手动作的功能,并安装在机械手手臂的前端。
设计时应该注意的问题:
1.应有足够的握力(即夹紧力)
2.手指间应有一定的开闭角
3.应保证工件的准确定位
4.应有足够的强度和刚度
5.应考虑被抓取对象的要求
由于是加工轴类零件,其形状为圆柱状,所以选择夹持工件的方式可属于外夹式。
本设计选择的手部结构为滑槽杠杆式,用液压缸来实现根据的加紧与松开,两手指用销钉联接在手指支撑架上并绕其回转,而活塞杆则与推杆连接,靠推块推动销钉前移来实现工件的加紧,推块后移,则工件被放松。
手指的张开角度由活塞缸的行程、推块的行程及滑动销槽的长度来实现。
对工件在手部的定位精度是由V型块来保证。
用螺钉和销钉来加紧固定。
由于V型块有很好的定位精度,其优点是保持加持工件可靠、定位精度高、结构简单紧凑,易于制造,并且刚度和强度可完全保证。
3.1.2手部的有关计算与分析
图3-1
3.1.2.1夹紧力的计算
查得有关公式,在该种夹紧方式的受力情况下,其加紧力为
(3-1)
式中:
f--摩擦系数取为f=0.1
--V型块的夹角取为
=120°/2=60°,
G--夹持工件的重量取为G=5kg
故:
3.1.2.2驱动力的计算
查得有关公式,理论驱动力
(3-2)
式中:
b—手指的回转支点到中心线的距离为85mm
a—手指的回转支点到销轴中心线的纵向距离为40mm
--工件被加紧时手指的滑槽方向与中心线的夹角45°
则:
查有关公式得实际驱动力:
(3-3)
3.1.2.3确定油缸直径
查相关公式:
(3-4)
根据油缸内径系列(GB/T2348-1993),选取油缸内径为D=32mm,油塞杆直径d=16mm
3.1.2.4缸盖螺钉的计算
为保证联结的紧密性,根据要求选择螺钉的数目为4个。
在螺钉联结中,每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷及残余预紧力之和:
(3-5)
3.2腕部结构设计
3.2.1腕部的设计理论
腕部是用来在臂部的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置,以扩大机械手的工作机能的部件。
设计时注意的问题:
1、运动形式的选择应结合臂部的运动形式进行综合考虑。
2、在满足工作要求条件下,尽量减小腕部的自由度。
3、与手部及臂部的联结,管路配置等,应根据工作条件作合理的布局。
4、结构力求紧凑、重量轻、转动灵活。
腕部的设计主要是考虑满足启动和传递过程中所需的输出力矩,同时,力求腕部结构简单、紧凑、轻巧也是设计的关键。
因此采用单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大,可达300°。
这种结构是由动片、定片、前后缸盖和回转缸体组成。
定片用螺钉和销钉与后端盖连接,动片用螺钉和销钉与加紧缸体联结,回转缸体由螺栓与前后端盖联结,用密封圈进行密封。
当缸体内进油时推动着动片带动加紧缸旋转(油缸通过滚动轴承与腕部结构相配合),从而带动着首部旋转,其他部分则保持不动,由于使用滚动轴承,所以减少了回转力矩。
摆动缸的摆角由动片与定片的宽度比来保持。
加紧油缸在腕部的轴向定位通过动片与缸体的联结,由摆动缸前后端盖轴向固定来保证的。
作为腕部结构需要经常伸出去呈悬臂状态,所以要减轻它的重量,应尽量减少它的外形尺寸,来减轻受力变形。
夹紧油缸的油路设计采用内部流通,即从缸体上钻孔通过,这样避免了油路管道随缸体的旋转而旋转。
3.2.2腕部的有关计算
3.2.2.1驱动力矩的计算
图3-2
腕部驱动力矩的计算公式可按下式计算:
(3-6)
(3-7)
(3-8)
(3-9)
3.2.2.2缸盖的联结螺钉计算
图3-3
选取摆动缸中工作压力为30kgf/cm
(3-10)
(3-11)
(3-12)
(3-13)
3.2.2.3摆动缸中动片与输出轴联结螺栓的计算
(3-14)
(3-15)
3.3臂部结构设计
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