数控机床上下料机械手设计-包含三维设计.doc

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1、毕业设计说明书设计题目：数控机床上下料机械手设计学生姓名： 学 号：专业班级：学 部： 指导教师： 2012年05月24日目录摘要IAbstractII1绪论11.1 选题背景11.2 设计目的21.3国内外研究现状和趋势21.3.1 旋转体零件生产流水线自动化方面31.3.2 在实现单机自动化方面31.3.3 在铸、锻、焊等热处理方面31.3.4 在装配方面41.3.5 在国内方面41.4 设计原则51.5 机械手的组成51.5.1 执行机构51.5.2 驱动系统71.5.3 控制系统71.5.4 位置检测装置72 设计方案的论证82.1 机械手的总体设计82.1.1 机械手总体结构的类型8

2、2.1.2 设计具体采用方案92.2 机械手的腰部设计92.2.1 机械手腰座结构的设计要求102.2.2 设计具体采用方案102.3 手臂的结构设计112.3.1 机械手手臂的设计要求112.3.2 设计具体采用方案122.4 工业机械人腕部的结构132.4.1 机器人手腕结构的设计要求132.4.2 设计具体采用方案132.5 机械手末端执行器（手爪）的结构设计142.5.1 机械手末端执行器的设计要求142.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式152.5.3 机器人夹持器的典型结构162.5.4 设计具体采用方案162.6 机械手的机械传动机构的设计172.6.1 工业机器人传动机构设计

3、应注意的问题172.6.2 工业机器人常用的传动机构形式172.6.3 设计具体采用方案212.7 机械手驱动系统的设计212.7.1 机器人各类驱动系统的特212.7.2 工业机器人驱动系统的选择原则222.7.3 机器人液压驱动系统222.7.4 机器人气动驱动系统232.7.5 机器人电动驱动系统252.7.6 设计具体采用方案272.8 机器人手臂的平衡机构设计272.8.1 机器人平衡机构的形式272.8.2 设计具体采用的方案283 理论分析和设计计算293.1 液压传动系统设计计算293.1.1 确定液压系统基本方案293.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路303.1.3 液压

4、源系统的设计303.1.4 绘制液压系统图303.1.5 确定液压系统的主要参数313.1.6 计算和选择液压元件353.1.7 液压系统性能的验算373.2 液压传动系统设计计算373.2.1 有关参数的计算373.2.2 电机型号的选择39结论41致 谢42参考文献43附录1 三维造型44摘要本文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。它主要是以减少上下料的时间，减少工人劳动强度为目的。对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。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。具体进行了

5、机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统进行了理论分析和计算。关键词：机械手；液压伺服定位；电液系统全部设计资料联系小企鹅：1绪论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。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

6、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，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。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，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

7、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门

8、新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.2 设计目的本设计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，完成一个特定功能

9、、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料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机床组合最终形成生产线，实现加工过程的

10、自动化和无人化。 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。本设计能够应用到加工工厂车间，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，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.3 国内外研究现状和趋势机械手在工业生产中广泛的应用于机加工，锻压，铸造，冲压，焊接，装配，喷漆，热处理等各个行业，特别是在笨重，高温有毒，放射性，多粉尘等恶劣危险的劳动环境中，机械手由于有显著的优点而备受重视。以下是机械手

11、在工业中的几种典型应用：1.3.1旋转体零件生产流水线自动化方面采用机械手在旋转体零件（如轴类、盘类、环类等）生产流水线上的机床之间传送工件能够提高生产线的自动化。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的汽缸盖加工自动线转位机械手。1.3.2在实现单机自动化方面1）各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料。装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多

12、台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。 3）冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t冲床磁力起动器壳体下料机

13、械手和天津拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的12t和40t多工位冲床机械手等。1.3.3在铸、锻、焊等热处理方面在锻造方面，机械手一般用做加热炉，锻压机床或冲床的上下料和工件的传送，其中包括多工位冲床的中间传送。如：天津第二锻造厂研究了JS01通用机械手用于精锻机上下料。 在铸造方面，机械手应用较多的是在熔模铸造中，也用于浇铸，造型，制芯及清理工作。美国Dochlcn-jarvis工厂是使用工业机械手最多的，约12万台，主要用于从压型中取出铸件，然后用喷

14、气法清洗铸件表面，该厂使用机械手后铸件质量得到了很大提高，稳定性增强。 在焊接方面，焊接机械手也是应用较多的，这种机械手可分为点焊接机械手和弧焊接机械手。对于点焊接机械手，其手臂能伸缩，俯仰，回转，手腕能摆动，回转，俯仰。至于弧焊接机械手，它的焊炬能作复杂三维曲线运动以调节焊接范围。1.3.4在装配方面工业机械手在装配中的应用，是近几年国内外研究和发展的一个重要方面，特别是在汽车制造业的汽车装配自动化和弹药装配等危险作业上有很大的使用价值。目前装配机械手正由串联结构向并联结构转换。1.3.5在国内方面目前，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：1 机械结构

15、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。2 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。3 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；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。4 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用

16、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。 5 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。1.4 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工

17、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，尽可能采用标准化元件以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动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，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。1.5 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。1.5.1执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1手部即与物件接触的部件。

18、由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。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，制造容易构件，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。传力机构型式较常用的有：滑槽杠

19、杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电吸磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇铸机械手的浇包部分）、托式（如冷齿轮机床上下料机械手的手

20、部）等型式。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。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常

21、用的有：单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。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。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，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。滚轮式行走机构可分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。1.5.2驱动系统驱动系统是驱动工业机械

22、手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动等四种形式。1.5.3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。1.5.4位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。