搬运机械手设计说明书-.pdf
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1、课程名称:题目专业班级:学生姓名:A 手号:指导教师:向贾机械与装备工程学院课程设计说明书(2016/2017学年第1学期)机械设计课程设计搬运机械手的设计机械设计制造及其自动化130200216 设计周数:2周设计成绩:2016年12月31日9!啊内容19向贾目录第一举绪论。1 l机械孚的应用现状。l.2机械孚研究的目的、意义 .0 l.3设讨时要解决的几个问题.。第二举机械手总体方案的设计 .2 2.1机械手的系统工作原理及组成 .2 2.2机械手的基本结构及工作流程 .2 第三举机械手的方案设计及其主要参数 .4 3.1坐标形式和自由度远择 .4 3.2执行机构.4 3.3驱动系统 .5
2、 3.4控制系统 .6 第四举结构设ti及优化 .7 4.1孚翻l夹紧气缸的设计 .7 4.1.1孚部央紧气缸的设ti.7 4.1.2确定气缸直径 .8 4.1.3气缸作用力的il算及校核 .8 4.1.4缸简!i厚的设计.8 4.1.5气缸的基本组成部分及工作原理 .9 4.2手臂结构优化设计 .9 4.2.1问题捎述 .9 4.2.2设ti分析 .9(1)抗拉强度条件 .1 0(2)抗剪强度条件.10(3)网lj度条件.11(4)结构尺寸限制.11 4.2.3建立数学模型.11 4.2.4优化ti算.12 4.2.5优化结果分析.14 第五举Adams运动仿真.比总结与展望.四9!啊内容1
3、9向贾摘要机械手是近几十年发展起来一利l高科技自动化生产设备,它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用,随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点,气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。本设讨中的搬运机械手的动作主气动缸驱动,气动缸吐相应的电磁闽来控制,电磁阀主IPLC控制。驱动执行元件完成,能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。本文中对机械手臂运用旧.TLAB算法进行优化设i:I,它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握,从而避免编写各种复杂的运算程序,提高了设讨效率。用ADA眠软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数,得出了机械
4、手的运动过程的演示动画,发现设讨结构能有机地结合在一起,工作平稳,并在指定的速度和负我等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理析,机对工程机械进行创新设讨、测试和评估,可以降低设讨成本,缩短开发周期,而且设讨质量和效率都可以得到提高。关键词:机械手,气动,优化设计,仿真91 lll均由2向贾第一章绪论1.1机械手的应用现状工业机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可笛代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作:代替人完成繁重、单调重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。目前主要应用与制造业中,特别是
5、电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和讨算机集成制造系统,实现生产自动化。随着生产的发展,功能利性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。1.2机械手研究的目的、意义(1)以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的幸运配等的自动化的程度,从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。(2)以改善劳动条件,避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭昧、有放射性或有其他王军性污染以及工作空间狭窄的场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的,而应
6、用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业,使劳动条件得以改善。在一些简单、重复,特别是较笨重的操作中,以机械手代替人进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(3)可以减轻人力,并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作,这是直接减少人力的一个侧丽,同时由于应用机械手可以连续的工作,这是减少人力的另一个侧面。因此,在自动化机床的综合加工 自动线上,目前几乎都没有机械手,以减少人力和更准确的控制生产的节拍,便于有节奏的进行工作生产。综上所述,有效的应用机械孚,是发展机械工业的必然趋势。1.3设计时要解决的几个问题(1)具有足够的握力(夹紧力)在确定手指的握力肘,除考虑工件重量外,还
7、应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。9!啊内容19控制系统(PLC向贾第二章机械手总体方案的设计2.1机械手的系统工作原理及组成位置检测装置驱动系统执行机构阪I2.1机械手的系统工作原理框怪l孚诩1孚号事立柱被抓取物品机械手主要出执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下,采用气压传动方式,来实现执行机构的相应部位发生规定要求的,有顺序,有运动轨迹,有一定速度和时间的动作。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隐时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位
8、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。2.2机械手的基本结构及工作流程机械手是一个水平、垂直运动的机械设备,用来将工件1如左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动,在移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛,主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动,替代人工作业,实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动式结构,机械手的动作由气动缸驱动,气动击I出相应的电磁阀来控制,电磁阀由PLC控制驱动执行元件完成,能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。9!啊内容19向贾根据要求
9、:机械手初始位置在原点位置,每次循环动作都从原点位置开始,完成上升、下降运动,左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制,并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮,系统启动,左传送带运转。当光电开关检测到物品后,左传送带停止运行。根据分析可得出机械手的工作流程图,如i到2.2所示原下夹上右启1王上延下右i亭左上松下创2.2机械孚工作流程民9!啊内容19向贾第三章机械手的方案设计及其主要参数3.1坐标形式和自由度选择直角坐标型圆柱坐标型球坐标型关节型具有 两个移具有两个转具有一个转动关节和 一个转具有一个 移动关节和 一个 移动关节(RRR)动关节(PPR),动关节(RRP)动
10、关节(PPP)受部的坐标为(z,r,。这 种操 作机的优点是所占的由于其运动空间尺寸较小,相对工作范围较大,具有结构紧方程可独立处理,结构简单,手都可优点是结构凑,所占空间体积且为线性的,具有获得较高的速度。紧凑,所占空间尺少,相对工作空间定位精度高,而缺点是手部外寸小,但目前应用大等特点,用于复控制简单等特点,仰离中心轴愈jzi;较少。杂设备当中。但操作灵活性较其切向线位移分差,运动速度低的辨精度愈低。特点通常用于搬运机器人。倒3.1 本机械手采用圆柱座标型式,具有三个自由度,即腰关节、肘关节和腕关节,者fi为转动关节;还有一个用于夹持物料的机械手。3.2执行机构l、手部在本设i:I中我们采
11、用夹挎式手部结构,夹持式手部主手指(或手爪)和传力机构所构成。手指运动形式采用平移型手指,其夹持圆形零件时,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。手指结构采用带有一定中心距的“V”形丽的手指。2、手臂9!啊内容19向贾手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。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。3、立柱立校是支承孚臂的部件,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)运动均与立校有密切的联系。机械手的立柱因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。4、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
12、,故起支撑和连接的作用。3.3驱动系统液压驱动系统气动驱动系统由于液压技术是一具有速度快,系统种比较成熟的技术,它具结构简单,维修方便、有动力大、力(或力矩价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是困难于实现伺服控制,多用于程序控制的电动驱动系统由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺R臣驱动器(交流变频器、直流脉冲宽度调制器的广泛采用,这类驱动系统在机器人中被与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大,惯量大以及在防火防爆的环域中工作的机器人。但是,液压系统需要进行能量转换(电能转换成液压自凹,速度控制多数悄况下采用节流调速,效率比电动驱动系统低,液压
13、系统的液体泄密会对环境产生污染,工作噪音也较高。机器人中,如在上、下料大量采用。这类驱动系统气压驱动的优点:和冲压机器人中应用较多。阁3.3机械孚驱动系统不需要能量转换,使用方便,噪声较低。大多数电机后面需安装箱密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中,成本上也较其他两种驱动系统高。(I)能量储蓄简单易行,可以获得短时间的高速动作:(2)夹紧时无能量消耗,不发热;(3)柔软,安全性高:(4)体积小,重量轻,输出质量比高:9!啊内容19向贾(5)处理简便,成本低)ii。由于气压传动系统具有以上所述优点,所以本机械手采用气压传动方式。3.4控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定
14、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。该机械手采用的是PLC程舟,控制系统,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ii次随时即发出报警信号。相对于其他控制系统,PLC具有如下优点:(l)抗干扰能力强,可靠性高:(2)控制系统结构简单,通用性强;(3)编程方便,使用简易;(4)功能完善;(5)设讨、施工和调试的周期短;(6)体积小,维护操作方便同。9!啊内容19向贾第四章结构设计及
15、优化4.1手部夹紧气缸的设计4.1.1手部夹紧气缸的设计夹紧气缸的夹紧、驱动力的确定,工件亟5kg。他9.8N/kg)(1)夹紧力:G F-失4fcos0 其中。45。,G=49N,f=O.1)49 F夹=174(N)40.1cos450(2)驱动力F 2bNtga ill!c(其中b=50,c=30,a=23。)250174tg230 1次F驱0 30=250(N)F F姐K,K:到庐f!)其中Kl:安全系数,一般取1.22 取Kl=l.5;K2:工作情况系数,主要考虑惯性力的影响,K2可近似按下式古训,K2=1式中a为被抓取工件运动时的最大加速度,a号g V:升降速度0.2m/s,t:机械
16、手达到最高速度的响应时间为0.ls,9!啊内容19(4.1.1)(4.1.2)(4.1.3)向贾g为重力加速度g=9.8m/s2。那么:0.2 K2=1一一一一一一1204;0.19.8 q:手部机械效率,一般取0.850.95取l1=O.85(滚动摩擦:2501.51.204 F实际=531(N)0.85 4.1.2确定气缸直径取空气压力为P空气0.5 M Pa=5105Pa,4F实际咒P空气D=(4.1.4)4531 D气,士O.0368(m)=36.8(mm)圆整气缸直径D=40mm4.1.3气缸作用力的计算及校核F气缸-4(4.1.5)MH(no nL au-zu-AU-噜EE一h-n
17、L-、BJ句J-A“I AU-唱EE-nu-A吐(-一贯-E S 气nr 因为F气缸F实际,所以满足设计要求。由d/D=O.20.3,可得活塞杆直径:d=(0.20.3)0=812mm 圆整后,取活塞杆直径d=12mm 校核,按公式主巴主二口4d(4.1.6)其中o=120MPa,F实际531N则:d注(4531/n120)1/2=2.37mm运12mm满足设讨要求。9!啊内容19向贾4.1.4缸筒壁厚的设计缸简直接承受压缩空气压力,必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10,其壁厚可按薄星撞筒公式计算:6=DP,/2 o 式中6一一缸筒壁Wmm D一一气缸内径,40mmpp
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