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机械手-发客户资料-搬运机械手设计(不含图纸).rar

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    编号:20180915103624884    类型:共享资源    大小:863.45KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    机械手 客户资料 搬运 设计 图纸
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    轴承坯料搬运机械手的设计- 1 -摘 要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率,实现生产过程自动化,改善劳动条件,减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作,采用机械手是有效的;此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作,更显示其优越性,有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机械设计原理,进行三自由度搬运机械手的设计,熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动,从而减轻工人的劳动强度,提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识,在设计过程中学会怎样发现问题.解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思,提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便,结构简单。关键词:机械手,输送工件,搬运,三自由度- 2 -ABSTRACTManipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three doff carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom- 3 -目 录摘 要 .........................................................................................................................................................- 1 -ABSTRACT .....................................................................................................................................................- 2 -1 绪论 .........................................................................................................................................................- 5 -1.1 机械手的历史 ..............................................................................................................................- 5 -1.2 机械手的组成 .............................................................................................................................- 6 -1.3 机械手的分类 .............................................................................................................................- 7 -第 2 章 搬运机械手机构总体方案设计 ...................................................................................................- 9 -2.1 搬运机械手设计要求 .................................................................................................................- 9 -2.2 基本设计思路 .............................................................................................................................- 9 -2.2.1 系统分析 .........................................................................................................................- 9 -2.2.2 总体设计框图 ...............................................................................................................- 10 -2.2.3 搬运机械手的基本参数 ...............................................................................................- 11 -2.3 搬运机械手结构设计 ...............................................................................................................- 12 -2.3.1 搬运机械手坐标形式的选择 .......................................................................................- 12 -2.4 机械手材料的选择 ...................................................................................................................- 12 -2.5 机械臂的运动方式 ....................................................................................................................- 12 -2.6 搬运机械手驱动与控制系统分析 ...........................................................................................- 13 -2.6.1 驱动方式的选择 ...........................................................................................................- 13 -2.6.2 控制系统的选择 ...........................................................................................................- 14 -3 搬运机械手机械结构设计与计算 .......................................................................................................- 14 -3.1 搬运机械手手爪设计 ...............................................................................................................- 14 -3.2 搬运机械手手臂设计 ...............................................................................................................- 14 -3.2.1 伸缩机械臂的设计 .......................................................................................................- 14 -3.2.2 升降机械臂的设计 .......................................................................................................- 15 -3.2.3 旋转机械臂的设计 .......................................................................................................- 17 -3.3 手部设计计算 ...................................................................................................................- 17 -3.4 腕部设计计算 ...................................................................................................................- 21 -3.5 液压驱动系统设计 ...........................................................................................................- 22 -3.6 机身结构的设计 ................................................................................................................- 24 -3.6.1 电机的选择 ...................................................................................................................- 24 -3.6.2 螺柱的设计与校核 .......................................................................................................- 25 -3.6.3 机座的机械结构示意图 ...............................................................................................- 26 -4 搬运机械手控制系统的设计 ...............................................................................................................- 28 -4.1 PLC 简介 ....................................................................................................................................- 28 -4.2 PLC 工作原理 ...........................................................................................................................- 28 -4.3 PLC 机型的选择 .......................................................................................................................- 28 -4.3.1 PLC 机型的选择 ...........................................................................................................- 29 -4.3.2 所选 PLC 的参数 ..........................................................................................................- 29 -- 4 -4.4 PLC 控制面板的拟定 ...............................................................................................................- 30 -4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定 .......................................................................................- 31 -4.5.1 明确工艺要求 ...............................................................................................................- 31 -4.5.2 确定工艺流程 ...............................................................................................................- 31 -4.5.3 传感器选择 ...................................................................................................................- 33 -4.5.4 确定 I/O 点数 ................................................................................................................- 33 -4.6 PLC 程序编写 ...........................................................................................................................- 34 -4.6.1 总体程序设计思路 .......................................................................................................- 34 -4.6.2 手动程序的编写 ............................................................................................................- 35 -4.6.3 复位程序的编写 ...........................................................................................................- 36 -4.6.4 自动控制程序的编写 ...................................................................................................- 38 -5 结论 .......................................................................................................................................................- 41 -参考文献 ...................................................................................................................................................- 42 -致 谢 .......................................................................................................................................................- 43 -附录:含全套 CAD 图纸如下,如需联系作者 QQ 401339828- 5 -1 绪论随着人类科技的进步,社会经济的发展,机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就,机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中,凡是有机械活动的地方,都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了,并且各式各样的机械手正在涌现出来,以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高,为了提升生产效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的,单调的,精确度要求高的工作,能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作,因此,机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果,也是社会发展的必然趋势。现在,很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势,积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作,并且其中一些国家已经取代了不错的成果,研制出了许多新型且实用的机械手或者是机器人。例如:日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO);。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人;美国 iRobot 公司推出了能避开障碍,自动设计行进路线吸尘器机器人 Roomba;上海世博会使用过的福娃机器人等等。由于机械手的迅猛发展,机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是机械手的典型产品,其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。1.1 机械手的历史机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是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和适应性。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。机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是:机体上安装一个回转长臂,顶部装有电磁块的工件抓放机构,控制系统是示教形的。1962 年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate。运动系统仿照坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动;控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年,美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机- 6 -械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手,是后来国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学,麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差小于±1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。目前,机械手大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元FMC 中的重要一环节。1.2 机械手的组成一般来说,机械手主要有以下几部分组成:1. 手部(或称抓取机构):包括手爪、传力机构等,主要起抓取和放置物件的作用。2. 传送机构(或称臂部):包括手腕、手臂等,主要起改变物件方向和位置的作用。3. 驱动部分:它是前两部分的动力,因此也称动力源,常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。4. 控制部分:它是机械手动作的指挥系统,由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。5. 其它部分:如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.2.1 执行机构一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位,还有行走机构组成。1.2.2 驱动机构驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点,它利用油缸、马- 7 -达加上齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点,结构紧凑,刚性好。定位精度高,克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源,系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便,所需的压缩气源一般工厂都有,并且无污染,一般采用的压力 0.4-0.6MPa,最高可达 1MPa。缺点是出力小,体积大。由于空气的可压缩性大,很难实现中间位置的停止,只能用于点位控制,而且润滑性较差,气压系统容易生锈。电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。1.2.3 控制机构机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制,也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制,采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置,并注意其加速度特性。1.3 机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为:1. 按使用范围分类:(1) 专用机械手 一般只有固定的程序,而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具,例如“毛坯上下料机械手” 、 “曲拐自动车床机械手” 、 “油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单,成本较低,适用于动作比较简单的大批量生产的场合。(2) 通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统,不从属于某种机器,而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同,可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制,故属于程序控制类型,伺服型可以是点位控制,也可以是连续轨迹控制,一般属于数字控制类型。2. 按运动坐标型式分类:(1) 直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X、Y 、Z 三个方向移动,亦即臂部可以前后伸缩(定为沿 X 方向的移动)、左右移动 (定为沿 Y 方向的移动)和上下升降(定为沿 Z 方向的移动);- 8 -(2) 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动,又可绕 Z 轴转动(定为绕 Z 轴转动),亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动;(3) 球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X 方向移动,还可以绕 Y 轴和 Z 轴转动,亦即手臂可以前后伸缩(沿 X 方向移动)、上下摆动(定为绕 Y 轴摆动)和左右转动(仍定为绕 Z 轴转动);(4) 多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接,亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动,大臂可绕肩部摆动多角,手臂还可以左右转动。3. 按驱动方式分类:(1) 液压驱动机械手 以压力油进行驱动;(2) 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动;(3) 电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动;(4) 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。4. 按机械手的臂力大小分类:(1) 微型机械手 臂力小于 1㎏;(2) 小型机械手 臂力为 1-10㎏;(3) 中型机械手 臂力为 10-30㎏; (4) 大型机械手 臂力大于 30㎏。我所设计的搬运机械手,是以搬运物料为目的的圆柱坐标式三自由度机械手。它采用液压与机械传动两种驱动方式,属于小型机械手。- 9 -第 2 章 搬运机械手机构总体方案设计2.1 搬运机械手设计要求图 1 机械手工作示意图(1) 初始状态,按启动按钮传送带 A 开始传送物料,光电传感器开始工作,机械手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时,传感器将信号传给机械手,机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动,通过机械手臂的旋转,机械手抓伸出,机械臂下降,机械手抓抓紧来获得传送带 A 上的物料。(4) 获得物料后,通过机械臂升降,机械手抓的伸缩,机械臂旋转,机械手抓的放松,将物体运送到传送带 B 上。(5) 机械手完成这一系列动作后,开始重复工作。2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化,需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析,从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计,一般要先做如下工作:- 10 -(1) 根据机械手的使用场合,明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求,确定机械手的基本功能和方案,如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况,来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此,我进行如下分析:(1) 本设计课题为物料传送机械手设计,是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合,非常广泛,要涉及到物料的状态,运作流水线的环境等等因素,相较于我所掌握的理论知识和能力,我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手,所以,机械手所在的系统工作环境一定是工厂,要求精度高,容错率低,速度快。(3)再者是搬运物体的考虑,由于是小型物件,所以对机械手的抓取力量并无太高要求,而物体形状初步拟定为圆柱形,方便设计。2.2.2 总体设计框图人机交互系统( 系统软件 、 编程语言系统 )控制器及控制算法控制系统驱动系统 ( 各驱动器 )机械系统 ( 机身 、 臂部 、手腕 、 手爪 )作业对象内部传感器信息反馈工作对象及环境信息反馈感知系统图 2 总体设计框图如图 2 为总设计框图,说明如下:(1) 控制系统:任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号,控制机械手的执行机构,使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 CPU 的选择,CPU 程序的编写调试等。(2) 驱动系统:驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统:包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式,并计算得出具体结构。
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