大学本科毕业论文机械工程设计与自动化专业数控机床上下料机械手设计含CAD图纸.docx

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1、第1章绪论1.1 选题背景机械手是在自动化消费过程中运用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化安装，它是在机械化、自动化消费过程中发展起来的一种新型安装。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛运用，机器人的研制和消费已成为高技术范畴内迅速发展起来的一门新兴技术，它愈加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地完成与机械化和自动化的无机结合。机械手能代替人类完成风险、反复单调的工作，减轻人类劳动强度，进步劳动消费力。机械手越来越广泛的得到了运用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上运用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元

2、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，它顺应于中、小批量消费，可以节省庞大的工件保送安装，结构紧凑，而且顺应性很强。当工件变更时，柔性消费系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的种类，进步产质量量，更好地顺应市场竞争的需求。而目前我国的工业机器人技术及其工程运用的程度和国外比还有一定的距离，运用规模和产业化程度低，机械手的研讨和开发直接影响到我国自动化消费程度的进步，从经济上、技术上考虑都是非常必要的。因此，进行机械手的研讨设计是非常有意义的。1.2 设计目的本设计经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，完成一个特定功能

3、、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，可以比较好地表现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研讨程度，理论动手才能以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明白的实施目的，可以完成理论和理论的无机结合。目前，在国内很多工厂的消费线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、消费效率低。为了进步消费加工的工作效率，降低成本，并使消费线发展成为柔性制造系统，顺应古代自动化大消费,针对具体消费工艺，利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以进步劳动消费率。本机械手次要与数控车床（数控铳床，加工中心等）组合最终构成消费线，完成加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在

4、迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计可以运用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助工夫，进步消费效率和消费力。1.3 国内外研讨现状和趋向目前，在国内外各种机器人和机械手的研讨成为科研的热点，其研讨的现状和大体趋向如下：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零件。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；器件集成度进步，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大进步了

5、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，除采用传统的地位、速度、加速度等传感器外，拆卸、焊接机器人还运用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的交融技术来进行决策控制；多传感器交融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讨，控制系统开发；E.焊接、搬运、拆卸、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研讨；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

6、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；其二是与消费加工相联系，满足绝对具体的义务的工业机器人，次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、简约、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.4 设计准绳在设计之前，必需要有一个指点准绳。这次毕业设计的设计准绳是：以义务书所要求的具体设计要求为根本设计目的，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时进步可靠性。本着科学经济和满足消费要求的设计准绳，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学时

7、期所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（P1C）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人才能程度和工夫的客观实践，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第2章设计方案的论证2.1 机械手的总体设计2.1.1 机械手总体结构的类型工业机器人的结构方式次要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构方式及其相应的特点，分别引见如下。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互相垂直的直线运动来完成的，如图a2-1.

8、o由于直线运动易于完成全闭环的地位控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的地位精度（Um级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间绝对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了完成一定的运动空间，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。直角坐标机器人次要用于拆卸作业及搬运作业，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及两个直线运动来完成的，如图2-1.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。3 .球坐标机器人结构球

9、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完成的，如图21.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。次要运用于搬运作业。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完成的，如图21.d。关节型机器人动作灵敏，结构紧凑，占地面积小。绝对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中运用非常广泛，如焊接、喷漆、搬运、拆卸等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有程度关节型和垂直关节型两种。图2-1四种机器人坐标方式2.1.2 设计具体采用方案图2-2具体到本设计，由于设计要求搬运的加工工件的质量达30KG,且长度达

10、500MM,同时考虑到数控机床规划的具体方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、进步可靠度。该机械手在工作中需求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，机械手自在度数目取为3,坐标方式选择圆柱坐标方式，即一个转动自在度两个移动自在度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位精确度。机械手工作规划图如图2-2所示。2.2 机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、伎俩、末端执行器等各个部分进行详细设计。2.2.1 机械手腰座结构的设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐

11、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，它承受了机器人的全部分量。在设计机器人腰座结构时，要留意以下设计准绳：1 .腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时全体安装的波动性。2 .腰座要承受机器人全部的分量和载荷，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，以保证其承载才能。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，在设计时要特别留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安装，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动安装普

12、通都带有速度与地位传感器，以及制动器。5 .腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联合要有可靠的定位基准面，以保证各关节的互相地位精度。要设有调零件构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。6 .为了减轻机器人运动部分的惯量，进步机器人的控制精度，普通腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.2.2 设计具体采用方案腰座回转的驱动方式要么是电机经过减速机构来完成，要么是经过摆动液压缸或液压马达来完成，目前的趋向是用前者。由于电动方式控制的精度可以很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节

13、，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来完成腰部的回转运动。普通电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100）,同时为了减小机械手的全体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动形成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：图23腰座结构图2.3 机械手手臂的结构设计2.3.1 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，实如今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，要遵照下述准绳；1 .

14、应尽可能使机器人手臂各关节轴互相平行；互相垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可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。工作空间的外形和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有亲密的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人伎俩的空间姿态要求，假如对机器人伎俩的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可完成的空间要小于上述没有考虑伎俩姿态的工作空间。3 .为了进步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分量。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。

15、目前，在国外，也在研讨用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3）,但是，其价格昂贵，且在功能波动性及制造复杂外形工件的工艺上尚存在成绩，故还未能在消费实践中推行运用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的状况下，减轻机器人手臂的分量。4 .机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所形成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调零件构。5 .机器人的手臂绝对其关节回转轴应尽可能在分量上均衡，这对减小电机负载和进步机器人手臂运动的呼应速度是非常有利的

16、。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与安装的分量来减小机器人手臂的不均衡分量，必要时还要设计均衡机构来均衡手臂残余的不均衡分量。6 .机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲才能的机械限位块，以及驱动安装，传动机构及其它元件的安装。2.3.2设计具体采用方案机械手的垂直手臂（大臂）升降和程度手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的完成普通是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来完成。考虑到搬运工件的分量较大，考虑加工工件的质量达30KG,属中型分量，同时考虑到机械手的动态功能及运动的波动性，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，经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；而且液压缸完成直线运动，控制简单，易于完成计算机的控制。