上下料机械手结构 控制系统设计

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1、上下料机械手结构 控制系统设3、机械手控制系统的设计33456 6 691247711111目录第1章绪论11选题背景12设计目的13现状与发展前景14设计任务15设计原则第2章设讦方案的论证2.1机械手总体方案的选择2.2机械手腰座结构的设计.2.3机械手的手臂结构设计. .4机械手腕部的结构设计.5机械手的结构设计6机械手整体驱动的设计.77机器人手臂的平衡机构设计3.1机械控制系统件设计8512结论4.1机械手控制系礬件设计7423第4章控制系统的设计 参考文献 附录 致谢第 1 章 绪论1.1 选题 背景随着工业自动化程度的提高 ，工业现场中有很多易燃、易爆等高危及 重体力劳动场合必将

2、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。机械手是在机械自动化生产过程中发展起来的可以模仿人手的部分 动作，按 给定程序、轨迹和 要求实现自动抓取、搬 运或操作的自动机械装 置。机械手生产中应用中可以提高生产的自动化 水平和劳动生产率:能代替 人类完成危险、重复 枯燥的工作，减 轻人类劳动强度、保 证产品质量、提 高劳动生产力、实现安全生 产；尤其在高温、高压、低 温、低压、粉尘、 易爆、有 毒气体和放射性等恶劣的环境

3、中，它代替 人进行正常的工作，意 义更为重大。因此，在机械 加工、冲压、铸、锻、焊接 、热处理、电镀、 喷漆、装 配以及轻工业、交通 运输业等方面得到越来越广泛的引用。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。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

4、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 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，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

5、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(数控铣床，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 现状与发展 前景目前，国外各种机器人和机械手的研究成

6、为科研的热点，其研究的现 状和大 体趋势 如下 ：(1) 工业机器人性价比性能 不断提 高，也就是性能(高速度、高精度、 高可靠性、便于操作和维修)不断提高的同时，而单机价格不断下降， 平均单 机价格 从 91 年的 10.3 万美元降 至 97 年的 65 万美元 。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块 中的伺服电机、 减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造 机器人整机;国外已有模块化装配 机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于 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，控制柜日见小巧，且采用模块化 结构:大大提

7、高了系统的可 靠性、 易操作性和可维修性 。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传 统的位置、速度、加 速度等传感器外，装配、焊接 机器人还应用了视觉、力觉 等传感器，而 遥控机器人则采用视觉、声觉 、力觉、触 觉等多传感器的融合技术来进 行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成 熟应用 。(5) 虚拟现实技术在机器人 中的作 用已从仿真、预演发 展到用于过程 控制，如使 遥控机器人操作 者产生置身于远端作业环境 中的感觉来操纵机器人 。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系 统，而是致力 于操作者与机器人的人机交 互控制，即遥控加局 部自主系统构成

8、完整的 监控遥控操作系统，使智能 机器人 走出实验室进入实用化阶段。美国发 射到火星上的“索杰纳”机 器人就是这种系统成功应用 的最著名实例。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，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，满足相对具体的任务的工 业机器人，主要采用性价比高的模块， 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。国外各种机器人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 ：我国目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬 件和软件

9、设计技术、运动学 和轨迹 规划技术，生产了部分机 器人关键元 器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;弧焊机器人己 应用在汽车制造厂的焊装线 上。但总的 来看，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，如:可靠性低于国外产品； 机器人应用工程起步较晚，应用 领域窄，生产线 系统技术与国外比有差 距。以上原因主要是没有形成机器 人产业，当前我国的机器 人生产都是 应用户 的要求 ，“一客户，一次重 新设计”，品种 规格多、批 量小、零部 件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质 量、可靠性不稳定。 因此迫切需要解决产业化前 期的关键技术，对产品进行全面规

10、划，搞好 系列化、通用化、模块化设 计，积极推进产业化进程。1.4 设计 任务本课题将要完成的主要任务 如下:(1) 机械手为数控机床上下 料专用机械手；(2) 选取机械手的座标型式 和自由度；(3) 设计出机械手的各执行机构，包括:腰部、手腕、手臂等部件的设 计；(4) 液压传动系统的设计， 并绘出液压原理图；(5) 机械手的控制系统的设 计，本次选取三菱公司 FX 系列 PLC 进行控制，并根据机械手的工作流程编制出 PLC 程序，并画出梯形图。1.5 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

11、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，如工程 力学、工 程制图、机 械设计、机械原理、液压传动、检测技术、可编程控制器（PLC）、电子技 术、自动 控制、机 械系统设 计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。第 2 章 设计方案

12、的论证2.1 机械手 总体 方案的选择对机械 手的基本要求是能快 速、准确 地拾一放和搬运物件，这就要求 它们具有高精度、快速反应、一定的 承载能力、足 够的工作空间和灵活的 自由度及在任意位置都能自动定位等特性。充分分析作业对象（工件）的作 业技术 要求，拟定 最合理的 作业工 序和工艺，并满足系统功能要求和 环境 条件;明确工件的结 构形状 和材料 特性，定位精 度要求，抓取 、搬运时的受 力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的 要求；尽 量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，并 能实现柔性转换 和编程控制。为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，

13、一般腰部回转运动部分的壳 体是由比重较小的铝合金材 料制成，而不运动 的基座是用铸铁或铸钢材料 制成。本次设计的械手的工作布局如图 2-1 所示。图 2-1 机械手工作布 局2.1.1 机械手 总体结构的类 型工业机 械手的 种类很多，关 于分类 的问题，在此 暂按使 用范围、驱动 方式、 控制方 式和结构形式 等进行 分类。(1) 按使 用范围机械手 可分为 专用机械手和 通用机 械手两种:1、专用 机械手它是附 属于主 机的、具有固 定程序 而无独立控制 系统的 机械装置。专 用机械 手具有 动作少、工作对 象单一、结 构简单、使用可 靠和造价低 等特 点，适用于 大批量的自动化 生产，如

14、 自动机床、自动 线的上、下料机 械手 和“加 口工中 心”附属的自 动换刀 机械手。2、通用 机械手它是一 种具有 独立控制系统 的、程序可变的、动作灵 活多样的机械手。 通用机 械手的 工作范围大、定 位精度 高、通用性 强，适用 于不断变换 生产 品种的 中小批 量自动化的生 产。(2) 按驱动方 式1、液压 传动机 械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓持 力较大 ，可达 几百公斤以上 、传动 平稳、结构紧 凑、动 作灵敏。但对 密封 装置要 求严格 ，且不宜在高 温、低 温下工作。2、气压 传动机 械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是

15、: 介质源极为方便，输出力小 ，气动动作迅速，结构简单 ，成本低。但是， 由于空气具有可压缩的特性，工作速 度的稳定性较差，冲 击大，而且气 源 压力较低，抓重一般在 30 公斤以下。适用于高 速、轻载、高温和粉尘大 的环境 中进行 工作 。3、电力 传动机 械手即有特殊结构的感应电动机 、直线电机或功率步 进电机直接驱动执行 机构运 动的机 械手，因为不 需要中 间的 转换机构，故机械 结构 简单。其 中 直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和 使用方便。此类机械手目 前还不 多，但 有发 展前途。（3）按结构 形式工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐 标结构，球坐标 结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 。1、直角 坐标机 器手直角坐 标机器手的空间运动是用三 个相互垂直的直线运动来实现的， 如图2-1.a。直角坐标机器人能达到很高的位置精度（P m级）。但是，这 种直角 坐标机 器人的运动空 间相对机器人的结构尺寸来 讲，是比较小的。 因此，为了实 现一定的运动空间，直角 坐标机器人的结构尺寸要比其他类 型的机器人的结构尺寸大得多。直角 坐标机器人有悬臂式，龙门式，天 车 式三种 结构。2. 圆柱坐标 机器手结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实 现的，如图 2-1.b 。这种机器人构造比较简单，