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机械手-冲床上下料气动机械手的设计(含CAD图纸).rar

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    编号:20180915103624975    类型:共享资源    大小:952.57KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    机械手 冲床 上下 气动 设计 CAD 图纸
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    I冲床上下料气动机械手的设计摘 要机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配、轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。本文的机械手用于冲床上下料,介绍它的组成和分类、自由度和座标型式、气动技术的特点、PLC 控制的特点及国内外的发展状况,对机械手进行总体方案设计,确定机械手的座标型式和自由度,确定机械手的技术参数,设计机械手的手臂结构,设计出机械手的气动系统,绘制机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制,选取合适的 PLC 型号,根据机械手的工作流程制定可编程序控制器的控制方案,画出机械手的工作时的顺序功能图和梯形图,并编制可编程序控制器的控制程序。关键词:机械手设计;冲床上下料;气动;PLCIPunch discharging pneumatic manipulator designAbstractMechanical hand in machining, stamping, casting, forging, welding, heat treatment, plating, painting, assembly and light industry, transportation industry has been more and more widely applied. In this paper, the mechanical hand for punching baiting, introduces its composition and classification, degree of freedom and coordinate type, the characteristics of pneumatic technology, PLC control characteristics and the domestic and foreign development condition of the manipulator, the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinate type and degree of freedom, identifying the mechanical the technical parameters, the design of the manipulator arm structure, design of manipulator pneumatic system, rendering the manipulator pneumatic system working principle diagram. Using programmable controller to control the mechanical hand, the appropriate selection of PLC models, according to the manipulator workflow developed programmable controller control scheme, draw the mechanical hand work order function diagram and ladder diagram, and the preparation of PLC control program.Key words: Design of manipulator; Punch blanking; Pneumatic; PLCI目录1 前言 ..............................................................11.1 选题背景 ......................................................11.2 设计目的 ......................................................21.3 发展现状和趋势 ................................................31.4 机械手的系统工作原理及组成 ....................................32 机械手各部件的设计 ................................................72.1 机械手的总体设计 ..............................................72.1.1 机械手总体结构的类型 ......................................72.2 机械手手爪结构设计 ............................................82.2.1 设计要求 ..................................................82.2.2 驱动方式 ..................................................82.2.3 典型结构 ..................................................92.2.4 具体设计方案 .............................................102.3 机械手手臂结构的设计 .........................................102.3.1 手臂结构的设计要求 .......................................102.3.2 具体设计方案 .............................................102.4 机械手腰座结构的设计 .........................................112.4.1 腰座结构的设计要求 .......................................112.4.2 具体设计方案 .............................................112.5 机械手驱动系统设计 ...........................................112.5.1 常用驱动系统及其特点 .....................................112.5.2 具体设计方案 .............................................122.6 机械手手臂的平衡机构设计 .....................................122.6.1 平衡机构的形式 ...........................................122.6.2 具体设计方案 .............................................133 手部结构设计 .....................................................143.1 手指的形状 ...................................................143.2 设计时考虑的几个问题 .........................................143.3 手部夹紧气缸的设计 ...........................................153.3.1 手部驱动力计算 ...........................................153.3.2 气缸的直径 ...............................................163.3.3 缸筒壁厚的设计 ...........................................184 手臂结构设计 .....................................................204.1 手臂伸缩 .....................................................204.1.1 结构设计 .................................................20II4.1.2 导向装置 .................................................204.1.3 手臂伸缩驱动力的计算 .....................................204.2 手臂升降和回转部分的结构设计 .................................214.3 手臂伸缩气缸的设计 ...........................................214.3.1 驱动力计算 ...............................................214.3.2 气缸的直径 ...............................................224.3.3 活塞杆直径的计算 .........................................234.3.4 缸筒壁厚计算 .............................................245 气动系统设计 .....................................................255.1 主要元器件的选择 .............................................255.1.1 气动三联件 ...............................................255.1.2 换向阀 ...................................................255.1.3 节流阀 ...................................................285.2 拟定执行元件运动控制回路 .....................................295.3 气源系统的设计 ...............................................295.4 气压传动系统工作原理图 .......................................305.5 机械手运行顺序及电气控制 .....................................306 机械手的 PLC 控制设计 .............................................326.1 可编程序控制器的选择及工作过程 ...............................326.1.1 可编程序控制器的选择 .....................................326.1.2 可编程序控制器的工作过程 .................................326.2 可编程序控制器的使用步骤 .....................................336.3 机械手可编程序控制器控制方案 .................................346.3.1 系统简介 .................................................346.3.2 工业机械手的工作流程 .....................................346.3.3 I/0 分配 ..................................................346.3.4 机械手工作时序图 .........................................366.3.5 梯形图设计(如附图所示) ...................................367 结论 .............................................................38参考文献 ...........................................................39致谢 ...............................................................40附录 1 .............................................................41附录 2 .............................................................42附录 3 .............................................................43西南科技大学应用型自学考试毕业设计11 前言1.1 选题背景由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高,对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作已满足不了工业自动化的要求,因此,必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动,满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一,它不仅提高了劳动生产的效率,还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,可以说是一举两得。在机械行业中,机械手越来越广泛的得到应用,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。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,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业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具有重要意义。随着工业自动化程度的提高,工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。例如,目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中,往往冲压成型这一工序还需要人工上下料,既费时费力,又影响效率。为此,我把上下料机械手作为我研究的课题。现在的机械手大多采用液压传动,液压传动存在以下几个缺点:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等);液压传动易泄漏,不仅污染工作场地,限制其应用范围,可能引起失火事故,而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时,液体粘度变化,引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气,易产生噪声。(4)为了减少泄漏,液压元件的制造工艺水平要求较高,故价格较高;且使西南科技大学应用型自学考试毕业设计2用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷,本机械手拟采用气压传动,气动技术有以下优点:(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低,工作介质提取容易,而后排入大气,处理方便,一般不需设置回收管道和容器:介质清洁,管道不易堵塞,不存在介质变质及补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小,在压缩空气的输送过程中,阻力损失较小(一般仅为油路的千分之一),空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样,造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速,反应灵敏。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护,便于自动控制。(4) 能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中,因此,发生突然断电等情况时,机器及其工艺流程不致突然中断。(5) 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中,气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越,而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6) 成本低廉。由于气动系统工作压力较低,因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求,制造容易,成本较低。1.2 设计目的目前,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,实现加工过程的自动化和无人化。1.3 发展现状和趋势目前,国内外各种机械手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:西南科技大学应用型自学考试毕业设计2(1)机械结构向模块化、可重构化发展。(2)工业机械手控制系统向基于 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,结构小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性,而且维修方便。(3)机械手中的传感器作用日益重要,使其向智能化方向发展。(4)关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计;柔性仿形喷涂机械手开发,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械手产品的标准化、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:其一是机械手的智能化,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,性价比高,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、简洁、可靠,大量采用工业控制器,市场化、模块化的元件。 1.4 机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。 控制系统(PLC)驱动系统(气压传动)执行机构位置检测装置手部 手腕 手臂 立柱西南科技大学应用型自学考试毕业设计3图1-1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理: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。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障时即发出报警信号。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。(1)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件,有的还增设行走机构。①手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手在本设计中采用夹持式手部结构。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,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。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。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。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(如气缸、液压缸、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。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,手臂的回转运动和西南科技大学应用型自学考试毕业设计2升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。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。⑤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。(2)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、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、机械传动。(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。该机械手采用的是PLC程序控制系统,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故障时即发出报警信号。(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。西南科技大学应用型自学考试毕业设计22 机械手各部件的设计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械手的结构形式主要有四种:直角坐标结构,圆柱坐标结构,球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点,分别介绍如下:(1)直角坐标机械手结构特点直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,因此,其运动位置精度高,但此种类型机械手的运动空间相对较小,如要达到较大运动空间,则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体,主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式,龙门式,天车式三种结构。(2)圆柱坐标机械手结构特点圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单,精度相对较高,常用于搬运作业。(3)球坐标机械手结构特点球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低,但精度不很高,主要应用于搬运作业。(4)关节型机械手结构特点关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸,其工作空间比较大,动作灵活,结构紧凑,占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛,如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。2.1.2 具体采用方案如图 2-1 所示机械手模拟工作布局图,根据实际操作的需要,该机械手在工作中需要 3 种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的
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