机械手毕业设计说明书.docx
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机械手毕业设计说明书
吉林化工学院
本科毕业设计说明书
300X200X120°物料机械手
300X200X120°Materialmanipulator
性质:
毕业设计□毕业论文
教学院:
机电工程学院
系别:
机械电子工程系
学生学号:
11410209
学生姓名:
吉国光
专业班级:
机自1102
指导教师:
王集思
职称:
实验师
起止日期:
2015.3.28~2015.6.19
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
摘要
在国家标准中,工业机器人被定义为:
“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
为建设四个现代化中的工业现代化,工业机械手得到了良好的发展。
这不光因为工业机械手可以大幅度的提高劳动生产率,而且可以使工人免受伤害和承受繁重的工作。
在过去,因为没有实现自动化,危险的工作和在有害的环境中工作都是由工人身体力行的去实现,不但危险系数高,而且效率低。
随着工业的迅速发展,机械效率在机械手生产中成为主要被考虑的因素。
要让机器人像人一样抓取东西,最简单的基本条件是要有一套类似手指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构—执行机构。
在物流快递搬运过程中,由于货物尺寸变化较大,需要机械手能够适应不同物体的抓取需要,调整机械手的抓取运动幅度,基于此本文设计了一种多自由度机械手,满足不同货物的抓取需要。
因此,结构设计,材料选择及控制系统软件的研究变的越来越精确。
也可以说在现在,工业机械手在工业中的运用已经开始成熟。
本文介绍了机械手的工作原理,结构设计过程,以及机械手在国内的发展状况和趋势。
关键词:
机器人;控制系统;手指
Abstract
Inordertoraiseworkproductivityandautomationlevel,therecruitanduseindustrymanipulatorisextensivelyusedinindustryproduction.Theindustrymanipulatorcanbeusedtoconveythepartbetweenthemachines.Variouskindhavevoluntarilytoniptightandfeedsandmovingbackknifeandmeritlooseningcanthesemi-automaticlathe,andhighandlowoperatesbythematerial.Stillcanbeusedtotheworkintheenvironmentwhatisharmfultothehumanbody.Themeritssuchasitpossessestoenvironmentadaptabilitystronglyandlastingabletoendurehardshipsandtheactionisaccurateandthecommonalityisgoodandtheflexibilityisgoodetc.Andtheheightofindustrymanipulatortechnologyisthemarkofnationindustrydevelopmentstandard.
Thedesignofindustrymanipulatorcanbrighterembodythedesignconceptionofmechanicalandelectricalintegration.Theso-calledmechanicalandelectricalintegrationtechnology,isthemechanicalengineeringtechnologyabsorbmicroelectronicsandinformationprocessingtechnologyandpassesthesensetechnologyetcandonekindofnewsyntheticallyintegrationtechnologythatforms.Thedesignofindustrymanipulatoristhesyntheticallyapplicationtoknowledge.
ThisdesignhasbeencarriedonthecomparativelydetaileddesigncalculationtotheSPCuniversalmachinetoolhand.Sayinggood-byetograbandtrick,arm,hydraulicpressuredrivesystemandfivepartselectricalequipmentcontrolsystems,everyparthasallbeencarriedonthecomparativelydetaileddesigncalculationtothestructureofvariouspart,andaccordingtoasksandthecorrelationstandardhascarriedontheselectionofmaterialandparts.
Keyword:
Manipulator;finger;trick;arm
第1章绪论
1.1引言
机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械装备,机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一[1]。
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,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,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。
机械手现在应用领域正在不断扩大,在海洋开发和宇宙探测有着十分出彩的变现。
应该说,机械手正改变着传统的搬运方式。
机械手是近年发展起来的一种高科技自动化生产设备,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,其中物料抓取机械手就是较为典型的一种机械手。
要让机器人像人一样抓取东西,最简单的基本条件是要有一套类似手指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构—执行机构。
在物流快递搬运过程中,由于货物尺寸变化较大,需要机械手能够适应不同物体的抓取需要,调整机械手的抓取运动幅度,基于此本文设计了一种多自由度机械手,满足不同货物的抓取需要。
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。
气动机械手同样包含感知部分、控制部分、机部分和执行部分4个方面。
采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理;气动伺服定位系统替代了伺服电机、步进马达或液压伺服系统;汽缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作;主机部分采用了标准型辅以模块化的装配形式,使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。
我们研制开发的物料搬运机械手就充分应用了气动自动化技术,针对热处理加工(高频淬火)中的自动上下料生产过程,对提高生产效率、降低工人劳动强度具有积极作用。
1.2机械手的分类
机械手一般分为三类:
第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定的操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工才做的,称为操作机。
它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是用专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用以解决机床上下料和工件送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”,它是为主机服务的,由主机驱动;除少数以外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
在国外,目前主要是搞第一类通用机械手,国外称为机器人。
本课题所做的机械手是属于第三类机械手[2]。
1.3国内外发展与现状
50年代,机器人技术开始萌芽,并随计算机技术及数控技术的研究进展而迅速发展起来。
1949年,美国空军研制新型军用飞机,这种飞机零件要用机械加工方式制造,因而军方发起对数控铣床的研制。
这项工作在于把成熟的伺服技术与当时新近发展起来的数字计算机技术结合起来,麻省理工学院(MIT)辐射实验室于1953年研制出这样的机器。
1954年美国人(GeorgeC.Devol)申请了第一个机器人技术方面的专利一一“程序控制物料传送装置”,根据这一专利,1959年第一次成功地研制出采用数字控制程序自动化装置的原型机,该装置是类似人手的一条手臂,实际上是一只工业机械手,其主要特点是具有记忆功能.能够实现示教再现编程方式,实现点一位控制[3]。
世界上第一台实用的工业机器人是美国Unimation公司研制成功的“Unimate"机器人,该机器人采用了极坐标结构,其关键是计算机与机械手配合使用,从而成为一台可“示教”而自动完成各种任务的机器。
与硬件自动机不同,当制造要求变更时,这些机器能以较低的成本重新编程和装备新的工具,完成新的任务。
人们普遍Unimate机器人看成是现代工业机器人的鼻祖。
后来,还出现了采用圆柱坐标结构的机器人。
这两种结构形成了现代工业机器人结构的主流[4]。
在机器人的研究与开发领域,美国是世界上领先的国家之一,它的机器人产业开发重点为:
三维空间视觉系统、手臂操作语言化、视觉传感器及其系统、情景视觉解析、机器人程序设计语言、大规模集成电路的微电脑设计等。
但是,美国人把机器人研究作为研究人工智能的载体,看成是计算机科学的一部分,即单纯地从技术上模仿人的某些功能来研究智能机器人。
由于人工智能及其它智能技术的发展远远落后于人们的希望,致使其大部分成果未能走出实验室。
美国的这种偏重于理论而疏于转化生产的情况,使得美国公司在本国机器人市场的竞争劣于国外的公司[5]。
日本及欧洲在工业机器人技术的研究开发应用上较美国晚,机器人不在日本发明,但其应用却在日本得到迅速的发展壮大,在引进美国“Unimate"机器人的基础上,对其进行技术改进,并增加了视觉功能,使其成为智能机器人,这一成就使日本后来居上,并在年产量及装机总量上迅速超过美国而跃居世界首位.随着劳动力价格的攀升,机器人价格的下降以及人们对产品质量要求的提高,工业机器人将得到越来越广泛的应用。
1998年世界装备机器人71000台,较1997年有所下降,1999年机器人发展势头很猛,1999年上半年世界机器人的新订货与1998年同期相比增长36%,不过各地区之间有很大差别。
欧洲的订货量增加了32%,北美增长了90%,而亚洲则与1998年同期持平。
不同的工业领域,机器人的增长情况也大不相同,全世界的汽车工业(不包括零部件)1999年上半年增101%,北美增长了214%,但各工业领域合计1999年上半年同比只增长了10%。
进入80年代,我国机器人技术的发展得到了国家和政府的重视与支持。
“七五”期间,国家着重进行了工业机器人基础技术、基础元件、几类工业机器人整机与应用工程的开发研究。
经过五年的攻关,完成了示教再现式工业机器人的成套技术开发,研制出喷漆、弧焊、点焊和搬运等作业机器人,开发了几类通用与专用控制器及几类关键元部件,并在生产中经受了实际应用的考验。
经过十年的努力,培养了一支2000多人的工业机器人设计、开发、应用队伍,造就了一批机器人专家,使我国的工业机器人技术发展基本可以立足国内[6]。
90年代是我国机器人技术发展的关键年代。
由于市场竞争的加剧,越来越多的企业认识到应用机器人等自动化设备来改造传统的产业,提高劳动生产率和产品质量,增强竞争能力。
利用这一契机,再加上80年代所取得的研究成果,我国机器人技术的研究及应用推广取得了长足的发展。
但90年代初国家在这一领域几乎没有资金投入,使得一些基础性和带有方向性的技术如机器人的机构学、可靠性设计、交流伺服、离线编程等尚未得到充分研究的产品也未定型与商品化,与世界装机总量71万台相比,我国总装机量仅1200台。
可见我国与世界的差距之大,发展的道路任重而道远。
21世纪的头十年应是我国工业机器人实现商品化,为产业化铺平道路的时期,在扩大国内应用领域的同时,进一步开拓国际市场,促进国际合作,为以后我国工业机器人的普及和腾飞打下坚实的基础。
1.4物料搬运机械手
本物料搬运机械手将适用于所设想的物料搬运与管理系统。
在本系统中,由于所设计的搬运系统精度高、自动化高,主要针对昂贵的易损、易摔的物品,如花瓶古董、工艺品。
该系统主要将之前的研究成果与物料管理系统有机结合,使企业在物料管理上自动化程度大大提高,对提高搬运效率和降低出错率,减少工作人员劳动强度,提高搬运调度管理水平具有重要作用。
对类似于物料搬运与管理系统的开发具有重要借鉴作用。
这个系统包括物料搬运和物料管理两个方面。
其中机械手装置是整个系统的核心。
其工作流程如下,首先通过检测物料获得相应的物料信息,通过物料信息确定物料是否需要进行再包装。
在通过查找物料搬运信息库,确定物料的搬运方式,近而设定机械手的工作参数。
针对于设计的物料搬运机械手不仅要满足机械手搬运物件的基本要求,更是要与存放物料的仓库管理方式相适应。
物料搬运机械手能实现的功能应有:
①在本系统中给机械手提供四个自由度的选择,可根据实际物料情况选择自由度;②利用传感器扫描物料,获得物料的基本特征(形状、尺寸、重量、材料等);③提供物料是否在加工包装确定;④提供物料信息库查询和搬运物料方式信息库查询;⑤提供二维码生成服务,即给扫描后的物料根据其特征由物料搬运方式信息库生成相应信息的二维码;⑥提供机械手执行机构抓取物件的选择(夹持型、托持型、吸附型);⑦提供机械手驱动方式的选择(根据精度和重量选择液压、气压、电气、机械驱动);⑧提供机械手控制方式工作顺序和运动速度的选择;⑨提供机械手控制方式选择(点位控制和连续轨迹控制)。
此为物料搬运机械手各部分的说明。
1.5执行部分
执行部分主要由手部、手臂、躯干组成。
其中在手部中,手指的关节由电机带动轴转动。
在手指处装有传感器当检测到三个手指都已经夹持住物件,电机停止转动。
执行部分能实现的动作应包括水平伸出、夹持物件、竖直上升、竖直下降、顺向转动、逆向转动、松开物件等动作。
1.6驱动部分
机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
在选择的过程中,更根据物件的特点选择相应的驱动方式。
重量大、抓取速度快的东西采用液压、体积大、坚固的东西采用气压、精度高的东西选择电气驱动、动作要求可靠,成本低的东西选用机械驱动。
1.7控制系统
控制系统是物料搬运机械手的核心部分。
本系统主要可根据机械手本身的装置(传感器、光电增码器、旋转编码器、伺服电机)选择机械手的工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度、点位或连续控制。
其中运动速度和定位精度是搬运过程中的重要参数。
运动速度过低,无法保证机械手的运动时间和运动范围。
运动速度过高,无法保证机械手搬运物料的平稳性。
定位精度过低,无法保证物料搬运位置的准确性。
定位精度过高,会使搬运的成本提高,降低企业的利润[7]。
1.8机械手工作过程
按复位按扭后,PLC控制转盘电机、横轴和竖轴步进电机使机械手运行到初始位置。
按启动按扭后,PLC控制转盘电机正转,通过底盘光电传感器记数到达设定位置后驱动转盘电机反转,运行到设定位置1后,PLC控制横轴和竖轴步进电机,横轴通过PLC内部脉冲记数,竖轴通过竖轴光电传感器记数,运行到设定位置2后,PLC控制单向电控阀使手爪抓紧物料,手爪电机正转若干秒之后,PLC控制横轴和竖轴电机按原路线返回到设定位置1后松开物料PLC控制手爪电机反转若干秒后又按原路运行到位置2搬运第2个物料到位置1,结束以后机械手运行到初始位置0,一个循环结束。
在搬运的过程中有4个接近开关实时检测障碍物信号,如遇到障碍物,马上改变运行路线以避开障碍物。
1.9未来发展趋势
未来的物料搬运机械手将朝重复高精度、模块化、无给油化、机电一体化这四个方向发展。
重复高精度主要指的是在搬运过程中机械手的定位精度。
现在的普遍机械手只有实现三四次的可靠定位。
如果未来机械手能实现多次可靠的定位精度,将极大地减少设备的维修和物料的二次搬运。
模块化指的是未来机械手的搬运装置将各部分实现的相近功能为一个模块。
如在设想的机械手物料搬运装置过程中将分为四个模块:
物料信息采集模块、物料再处理模块、物料搬运装置模块、搬运装置自检测模块。
模块化可以使得装置的维修更加方便,更加高效。
无给油化是为了适应搬运要求更为严格的物料需要而产生的。
在日常的搬运过程中,有些物品如药物、纺织等不能接触油液。
这使得需要油液润滑的装置做出进一步的改变。
如果未来的物料搬运机械手能实现无给油润滑,那么将极大地丰富机械手的应用范围。
机电一体化指的是将传统的搬运装置与电气、软件、电子等高新装置结合起来,提高机械手的自动化程度,解放劳动力的重复操作。
物料搬运是企业生产环节中的重要一环,提高物料搬运的自动化对提高企业的自身竞争力有重要的影响。
在未来,将有更多的物料采用机械手进行搬运。
这对于机械行业是个机遇,也是个挑战。
第2章物料机械手物流综合简介
2.1物料机械手物流综合的原理
全气动自动化堆垛仓储物流综合属于摇摆式和小型横走式。
丝杠带动机械手臂上下运动,引拔行程,由伺服电机驱动,前后行程和机械手夹紧放松均由气缸驱动,旋出入角度由旋出入角度架调节气缸驱动[8]。
2.2物料机械手物流综合结构
如图2-1所示
图2-1物料机械手物流综合结构
1.在步进电机高速旋转时,同时机械手臂在滚珠丝杠螺母副的传动下,进行Z轴方向上的移动,所以滚珠丝杠的选取及其重要;Z轴方向上的导向由光杠来完成,要求表面精度至少要达到0.8。
2.气缸在机械手结构中起着动作驱动作用。
例如夹紧气缸的选择必须通过精确的计算,从而来确定气缸的夹紧力:
旋转气缸的摆角则由旋出入角度架调节;推进气缸则由Y轴方向上的位移来确定行程。
3.机械手手指部分必须针对夹持物体实际形状来设计。
4.气路线路布局必须周密考虑,合理布局,否则将会影响到机械手的动作[9]。
2.3机械手手指结构
图2-2机械手手指结构
2.3.1具有足够的握力
抓取结构的手指握仅工件时所需要的力成为握力或夹紧力。
握力的大小与被夹持工件或工具的重量、重心位置以及夹持方式的方位有关。
计算握力时还应考虑传动和操作过程中所产生的惯性力和振动力。
以保证工件或工具不致松动或脱落。
2.3.2具有一定的开角
抓取机构的手指张开与闭和时两个极限位置所夹的角称为手指的开闭角
。
手指的开闭角
应能保证工件顺利进入或脱落,在需要夹持不同工件尺寸时,应按最大直径的工件考虑。
2.3.3具有一定的定位精度
为了使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被夹持工件的形状选择相应的手指结构,并进行定位精度的计算。
为了使机械手能适用多品种、小批量、工件尺寸在一定范围内变化的生产中,可采用自动定心的手部结构,以减少对机械手的调整工作[10]。
2.3.4具有足够的强度和刚度
机械手的抓取机构除受到被夹持工件的反作用力外,还将受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响。
因此,要求防止机械手抓取机构变形、弯曲和折断。
机械手手指结构是自动化堆垛仓储物流综合的最关键的部分,手指是与物料的直接接触部分,由于实际经验不足,手指结构便由实际产品来确定[11]。
2.4总体设计概况和思路
2.4.1总体结构设计
已知条件:
上下移动为300mm.
前后伸缩为200mm
旋转气缸工作摆角0°~120°
夹紧物体:
2kg
2.4.2机械结构设计
1.滚珠丝杠副传动设计
(1)滚珠丝杠的参数计算。
(2)根据滚珠丝杠的计算参数选取合适的成品。
2.气缸的选取
根据需夹取物料重量,确定夹紧气缸的型号;根据Y轴行程和负载确定推进气缸的型号;根据旋转角度和扭矩从而选择旋转气缸的型号。
第3章部件的选择与计算
3.1夹紧气缸的选择与计算
3.1.1夹紧气缸的选择
由于本设计会生产投入使用,我们采用济南华能公司气缸产品。
详细产品规格与性能介绍均见济南华能此产品设计书。
本物料机械手用于夹持物体因此具有夹持功能,因此气缸初步选择摆动气缸,又因工作要求和环境条件以及使用情况正确选择气缸,因此选择QGD轻型气缸。
QGD系列摆动气缸分为单作用和双作用两种。
该气缸径向尺寸小,结构简单。
主要适用于夹具的夹紧工作。
根据需要我们选择双作用类型的QGD薄轻型气缸。
根据夹持物体的重量2kg,夹紧力Fn=K1K2K3G安全系数K1在1.2-2.0,取1.5工作情况系数K2取1.002方位系数K3=0.5sin&/f=0.8
Fn=24.45N=25N
3.1.2缸径选择
由已知,气缸工作时所受力总和为F(实际)=25N,使用效率为85%,那么
F(理论)=25/85%=29.41N
因此可查出选择缸径为32mm的气缸理论拉力为31.68>29.41,可满足要求。
QGDD32-40单作用薄型气缸
3.1.3行程选择
气缸的行程200mm,此时知道负载,行程,缸径,因此选择活塞杆直径为6mm[13]。
3.2夹紧与推进气缸连接板
夹紧手指和固定推进气缸夹紧气缸的作用,由结构推算可知板长(自制件)如图3-1所示。
图3-1连接板
3.3推进气缸的选择
由于设计要求前后行程为200mm,QGCX系列平行双杆气缸最大行程为300mm,机械手和链接板总质量大约为1.5kg,摆动气缸为0.4kg,物料为2kg,因此手臂前部总质量最多为4kg。
所以运动过程中需要最大拉力,推力为40N[12]。
根据给定条件最终选用小型导向杆式气缸QGCX20-20行程200—300推力188拉力158缸径20mm。
如图3-2所示。
图3-2推进气缸
3.4旋转气缸的选择
旋转气缸在机器人中有着旋转作用,因其在实际工作中要求最大摆角为120°和工作环境要求依然选用摆动气缸即可。
如图3-3所示。
QGABS系列摆动气缸是通过齿轮齿条将直线运动变成旋转运动的气动执行元件,具有结构紧凑、轻巧、安装空间小、动作灵活、传动精度高
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