基于proe的数控机床机械手上下料设计毕业论

移⑦工咨用 完成日期: 2011年6月 Fujian University of Technology 届本科毕业论文 题 目：基于Proe的数控机床上下料机械手设计 学生姓名： 学 号： 专 业： 指导老师： 职 称： 目 录 2 1. 绪论 1 1.1选题背景 1 1.2设计目的 1 1.3设计原则 2 2. 基于PROE的机械手结构设计 2 2.1.1 PROE 的优点 2 2. 1. 2总体设计 4 2. 1.3机械手的规格参数 4 2. 1.4手臂运动参数 5 2. 1.5驱动方式的选择和设计 5 2. 1.6设计具体采用方案 6 2. 2机械手腰座结构的设计 7 2.2.1设计具体采用方案 7 2. 3机械手末端执行器（手爪）的结构设计 8 2. 3. 1机器人夹持器的运动和驱动方式 8 2. 3. 2设计具体采用方案 9 2. 4 机械手腕部的结构设计 10 2. 5液压缸的设计 11 2.6导向套的设计 12 2.7中间结构的组成 12 2. 8齿轮的设计与强度计算 13 2. 9工业机器人驱动系统的选择原则 16 2. 10总装图 19 3. 理论分析和设计计算 21 3. 1液压传动系统设计计算 21 3. 1. 1确定液压系统基本方案 21 3. 1.2确定液压系统的主要参数. 22 3. 1. 3计算和选择液压元件 26 3. 1. 4液压系统性能的验算. 28 3. 2电机选型有关参数计算 28 3. 2. 1 确电机规格 28 4、 机械手运动分析 29 5、 总结 39 6. 参考文献 40 7. 致谢 41 基于Proe的数控机床上下料机械手设计 寸商要：通过对机械设计制造专业大学本科两年的所学知识进行整合，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。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。同时对液压系统和控制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 Abstract Integrate the knowledge of the past four years9 of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waist9s construction design, the arm's construction design, the wrist9s construction design, the end effector's construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object. Key ways: Manipulator； Hydraulic servo control； Electrohydraulic system 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适销对路的品种，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。 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、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，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强 度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成 为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术， 设计用一台装卸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车床（数控铁床，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、模块化的通用元配件，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、电气传动及控制、传感器、可 编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真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。 2基于PROE的机械手结构设计 2.1. 1 PROE的优点 经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的 领头羊之一，它具有如下特点和优势： 参数化设计和特征功能Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特 征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去 生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。 这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一 些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中 的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不 管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何 一处发生改动，亦 可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。 例如，一旦工程详图有改变，NC （数控）工具路径也会自动更新； 组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的 数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优 点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便 宜。 全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在 产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新 所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在 开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所 以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产 品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先 设置很容易的进行修改。例如：设计特征有孤、圆角、倒角等等，它们对工 程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给 这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参 数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为 了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数 据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作， 由于使用了 Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令, 例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。 高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不 受限制。 易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的 最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使 得容易学习和使用。 2. 1. 2总体设计 工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序，轨迹和要求代替人手抓 搬 运或操作工具或进行操作自动化装置。 机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑， 容易操作安全可靠，安装维修方便，经济性好。 为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度的 条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材 料，通常用高强度铝合金制造。 据设计题目给出的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构，其中已确定 的各项有： 1. 本工业机械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动 作灵活多样的机械手。通用机械手工作的范围大，定位精度高，通用性强，适用 于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。本工业机械手的控制定位方式是简 易型的点定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。 2. 本工业机械手是圆柱坐标的坐标型式，其手臂的运动系由两个直线运动和 两个回转运动所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。特点: 占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛， 但因机械手结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置限制，故不能抓取地面上的 物体。 3. 本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度