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1、自动化装配生产线机械手设计毕业论文目次1 绪论11.1 概述11.2 装配线机械手的定义及组成11.3 装配线机械手在生产中的应用21.4 装配线机械手的发展方向31.5 本章小结32 总体方案设计与论证32.1 设计背景32.2 基本参数42.3 自由度的布置42.4 运动范围52.5 驱动方式和传动方式的选择52.6 各个自由度的实现62.7 本章小结73 各部分结构设计和尺寸确定及校核73.1 手部设计73.2 腕部回转油缸设计73.3 小臂伸缩油缸设计143.4 俯仰缸的设计计算193.5 大臂回转缸的设计计算233.6 大臂升降缸的设计计算273.7 纵向移动油缸的设计计算303.8
2、 本章小结324 液压控制系统的设计324.1 换向回路的确定324.2调速方案的确定334.3 减速缓冲回路的确定334.4系统的安全可靠性334.5 本章小结355 PLC控制系统355.1 PLC的构成及工作原理355.2 PLC产品选择375.3 PLC部分程序42结论44参考文献45致谢46 / 1 引言11 概述随着社会的发展和工业技术水平的不断进步,机械手在生产中得到广泛应用,促进了工业生产的自动化。由于工作条件的原因,人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害,增加了工人的劳动强度,甚至于危及生命,为了解决这些问题机械手就诞生了。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构,是
3、机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。1.2 装配线机械手的定义及组成装配线机械手一般可以理解为：在工业生产的装配生产领域中应用的一种能代替人完成装配的能自动控制的多功能的多自由度的工业机器人。它的整个结构由执行机构驱动部分控制系统等组成。1.2.1执行机构执行机构是完成各种动作部件的总称,具体包括以下
4、几部分：1、手部：直接与工件接触的部分,根据设计要求,本机械手手部设计成快换式,可根据不同装配要求更换不同手爪,来完成不同形状工件的装配任务。2、腕部：是机械手中连接手部和臂部用来确定手部工作时位置并扩大臂部动作范围的部件,用来调整被抓取物体的方位及姿态。3、臀部：是支撑被抓取工件、手部、腕部的重要部件,带动手部和腕部去抓取工件,并按预定要求将其搬运到指定位置。4、腰部：即机身,是支撑机械手所以部件的部位,并安装驱动装置及其它装置的部件,是整个机械手的基础。在装配线机械手的整个执行机构中臂部和腕部是最基本的部件,它一般由旋转运动和往复直线运动的结构组成,其结构形式多种多样,一般有36个自由度,
5、就能适合多场合的作业。装配线机械手所握持的装配件在空间的位置是由臂部腕部以至整机等各自独立运动的合成来确定的。它的运动范围是指机械手在平面或空间的运动图形及其大小。是机械手的主要技术参数之一。机械手所具有的活动度的数目及其组合不同,则其工作空间也不同。其活动度的变化量即直线运动的距离和回转角度的大小即工作空间的大小。1.2.2驱动部分驱动部分是为执行机构各部件提供动力的装置,根据动力源不同,驱动系统可分为气动液动电动机械式四种形式。根据设计要求和各自优缺点,本装配线机械手采用液压驱动来实现各个自由度的运动。1.2.3控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制使执行部分按照规定的要求进行工作,并通过
6、位置检测的反馈来检测装配工作的位置精度,从而保证能准确实现装配线机械手运动的迅速准确。1.3 装配线机械手在生产中的应用自从1985年美国联合控制公司研制出第一台工业机械手到现在已经历了三十几年发展,由于机械手技术水平的不断提高和相关学科的发展,装配线机械手得到了完善,这使装配线机械手的应用越来越广泛。装配线机械手延伸和扩大了人类的活动,它能代替人类在危险环境有毒高温高压放射性中完成装配工作,减少了人类从事装配的危险性,同时也提高了生产效率和产品质量。由于机械手具有很多普通机器人和人所不具有的特性,因而它的应用和发展对人类社会和工业生产产生重大影响。到目前为止,世界各国已研制出应用于不同装配线
7、的机械手近百种。例如,轿车零件装配线机械手发动机装配线机械手电子产品装配线机械手等。其中应用最多的是应用制造领域的装配线机械手,包括飞机制造汽车制造电机制造金属加工通用机械制造等制造领域。1.4 装配线机械手的发展方向装配线机械手技术是以机械液压和自动控制等学科领域的技术为基础而融合的一种系统技术,可以说是一门知识技术密集的多学科交叉的综合技术。随着工业生产的发展和这些学科技术的进步,装配线机械手技术将不断被完善,它的发展趋势可概括如下几方面：1、提高运动速度和精度,减轻重量和减少安装占用空间,继续推广机械手标准化和模块化,以降低制造成本和提高可靠性。2、改善装配线机械手的工作性能,提高它工作
8、的稳定性和可靠性。3、研究开发新型手部,例如开发新型微动手部；开发类似人手指的手部等,以扩大装配线机械手的应用范围；4、大力开发装配线机械手仿真技术和计算机软件系统作业任务,采取计算机语言以离线编程方式进行；采用计算机仿真技术校核机械手在完成某个操作过程的可行性。1.5 本章小结本章主要是从整体上介绍装配线机械手,包括装配线机械手的定义、组成、应用、以及未来的发展方向,明确本次设计的目的,为下面章节机械手结构设计提供理论上的依据。2 总体方案设计与论证在科学技术突飞猛进的今天,装配线机械手的设计思想主要是通过对以前及现有的最具有代表性的装配线机械手进行分析研究,吸收它们的优点,将各个优点结合起
9、来,将不同结构进行组合变化,使之达到较理想的方案。从而达到较好的运动精度和工作稳定性,进而使之在市场上更具有竞争力。本次设计就是在分析、研究以往优秀的装配线机械手的基础上加以改进而成的。2.1 设计背景随着我国工业生产的飞速发展和工业技术水平的不断提高,自动化程度也迅速提高,在生产线上实现工件的搬运装卸转向装配等动作的自动化,并进一步实现整个生产线的自动化,已经越来越受到人们的重视。本次设计的对象是六自由度装配线机械手。由于装配中的一些工件比较重,而且有些装配件的位置较高,还有有些装配是重复性的动作,如果由工人手动装配,不仅增加工人的劳动强度,而且降低生产效率和产品质量。此外工人长期从事装配工
10、作会容易产生疲劳,增加了生产的危险性。如果能用装配线机械手代替人从事这种工作,那么将把工人从繁重且危险的装配工作环境中解脱出来,会极大地提高劳动生产率,降低生产成本和提高产品质量。2.2 基本参数1、名称：六自由度装配线机械手2、主要用途：根据不同工作要求,更换不同手爪,完成不同形状工件的装配任务,此外还能完成一些工件的搬运任务。3、自由度数：6个1腕部回转2小臂伸缩3小臂俯仰4腰部回转5大臂升降6纵向移动4、抓取重量：最大为5kg5、动作范围及速度见表2.1表2.1 各自由度的动作范围及速度运动自由度动作范围运动速度腕部回转-90+9030/s小臂伸缩300mm50mm/s小臂俯仰-45+3
11、030/s腰部回转-90+9020/s大臂升降200mm30mm/s纵向移动200mm30mm/s2.3 自由度的布置根据工作范围大小、工作的灵活度和整个机构的稳定性,确定各个自由度的布置形式见图2.1：图2.1自由度布置图2.4 运动范围图2.2 运动范围俯视图和主视图2.5 驱动方式和传动方式的选择2.5.1驱动方式的选择在整个设计中,各自由度均采用液压驱动,之所以用液压驱动,是因为液压驱动具有以下优点：1、调速范围较大,而且还可以无级调速,易于适应不同工作要求；2、液压技术容易达到较高的单位面积压力,即驱动力或驱动力矩大；3、由于液压机构一般重量比较轻,因而具有惯性小的特点,故而它的速度
12、反应性比较好；4、传动平稳,能吸收冲击力可以较平稳地实现频繁转向；5、定位精度高；正因为液压传动有以上优点,故本装配线机械手采用液压驱动,采用电磁换向阀控制。2.5.2传动方式的选择传动方式是将动力源的驱动力传递到实现自由度的运动的过程,在本设计中,就是将直线油缸的直线运动、回转油缸的回转运动传递出去。针对不同结构需要和运动方式,小臂伸缩、小臂俯仰、大臂升降、纵向移动采用直线油缸驱动,腕部回转、腰部回转采用摆动回转油缸驱动。2.6 各个自由度的实现2.6.1腕部回转运动的实现腕部位于手爪和小臂之间,它的作用是在小臂的基础上,进一步改变和调整手爪的空间姿态和方位,扩大机械手的动作空间和应用范围。在本设计中用回转油缸实现腕部的转动。2.6.2小臂伸缩运动的实现小臂的主要作用是连接腕部和大臂承受抓取工件的弯矩,因此应加强小臂的刚度和强度,所以采用单作用活塞缸驱动,并采用双导向杆导向并加强刚度,这种结构的特点是受力均衡,可用于抓取重量较大
