基于solidworks工业机器人设计.docx
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基于solidworks工业机器人设计
辽宁石油化工大学毕业设计(论文)
GraduationProject(Thesis)forUnd
ergraduateofLSHU
题目
TITLE
基于SolidWorks工业机器人设计
BaseSo1idWorksIndustrialEquipm
entHumanDesign
学院矿业工程学院
Schoo1
Schoo1ofMiningEngineering
专业班级
机制1341
Major&Cla
Mechanism1341
ss
姓名
宋记峰
Name
SongJifeng
指导教师
浦艳敏
2017年06月20日
论文独创性声明
本人所呈交的论文,是在指导教师指导下,独立进行研究和开发工作所取得的成果。
除文中己特别加以注明引用的内容外,论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对木文的工作做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明并致谢。
本声明的法律结果由本人承担。
特此声明。
论文作者(签名):
2017年6月2
在当代所有全自动高智能的制造区域,工业用的机械人本领是在这儿十年里发展而来的。
工业机器手是工业机器人的一类,它们是通过自己的手臂和机械结构性能的双方的结合来完成任务的,各种动作是通过编程来实现的特征,尤其是机器人的智力和接受性⑴。
在保证精度情况下,能在多样环境下完成操纵能力,多功能自动定位控制和变化性的控制,能适应多个自山度,不同环境的作业有不同的机器人工作。
本文作为设计对象选择汽车生产线轴锻造搬运的机械手设计,设讣了手和身体的各部分设计,机械手釆用液压气缸臂驱动,使用SolidWorks软件进行了组装图和零件图的设计,对机械手进行简单的3D造型、爆炸图、动漫。
关键词:
SolidWorks;机械手;液压
Abstract
InthefieIdofautomaticmanufacturing,industrialrobottechnologyhasbeendeveIopedherefordecades・Industrialrobothandisakindofindustrialrobot,whichisthecompletionoftheirownhumanandmec
hanicaIstiuctureandperformanceofbothsidesofthetask,foravarie
tyofprogrammingfeatures,especiaIlyhumaninte1Iigenceandadap
tability.Inthecaseofguaranteedaccuracy,theabilitytoperformmanipulati
on,automation,positioning,control,andchangeinavarietyofenvironments,thetaskofdeIiveringjobsinawidevarietyofenvironmentswithvaryingdegreesoffreedom,issomething.
ThemanipulatordesignofautomobileproductionspooIhandlingthisdraftforgingasthedesignobject,thedesignofeachpartof
thedesignofhandandbody,themechanica1handadoptshydrauliccylindera
rmdrive,SolidWorksisusedtodesigntheassemblydrawingandparts
drawing,simpIe3Dmodeling,animationofthemanipulatoi;explosiondiagr
am.
Keywords:
SoIidWorks;ManipuIator;HydrauIicpressure
引言
1总体方案设计4
1.1汽车半轴模锻生产线的总体方案4
1.2机器人总体方案6
2手臂的设计计算8
2.1手臂直线运动的驱动力计算8
2.1.1手臂水平回转运动驱动力计算8
2.1.2手臂竖直升降运动驱动力计算11
2.2手臂上下驱动的力矩计算12
2.3液压缸的选择13
2.3.1伸缩缸的选择13
2.3.2摆动缸的选择15
2.4手臂的结构及装配17
2.4.1连接摆动缸18
2.4.2安装伸缩缸19
2.4.3手臂连接20
3机身设计22
3.1机身材料选用22
3.2机身结构设计22
3.3机械定位挡块设计24
3.3.1竖直定位挡块24
3.3.2水平定位挡块25
3.4机器人装配25
27
4机器人SolidWorks建模仿真
4.1SolidWorks软件介绍27
4.2机器人SolidWorks三维建模及装配27
4.2.1零件的建模27
4.2.2机器人装配30
4.3机器人SolidWorks运动仿真31
结论34
参考文献35
致谢36
附录37
引言
U前在我国民营企业中的汽车行业名列前茅,近些年每个家庭都会拥有汽车导致汽车发展迅速。
跟着社会的不断发展再加上各行业的竞争导致汽车行业不断地生产新型汽车,以先进的系统漂亮的外形经济实惠的车去拓展市场。
汽车的零部件半轴是汽车重要的传力零件之一,它的零件工艺质量水准会导致车的产品发生问题。
那么问题来了,怎样提高半轴的质量呢?
这是个值得研究重要的课题。
调查得知半轴模锻生产线时遇到的问题:
生产过程中劳动力大;工作环境中的安全隐患;产量问题得不到固定;要对半轴模锻生产线进行智能化设计及改善。
自动生产线上的应用近些年频繁用到工业机器人技术。
工业机器人现已是工业中的扛把子,现在频繁的能在车间里看到自动化的设备配合生产,工业机器人的出现解决了人的劳动力,起作用搬运、组装、喷漆的操作。
它通过编程可以做重复的作业、多个自由度的操作。
工业机器人的工作是模拟人的手臂来工作。
其构造及系统组成分别是山控制器及伺服驱动系统,当然还有检测传感装置这儿个重要的核心件组装而成,它的行动像人的工作一样、自动控制、编程可循环、可以完成各操纵的三维机电一体化的高机械设备的自动生产⑵。
更加适合与多品种、高质量、大批量的成产,因为工业机器人的在工厂的出现不仅仅保证了数量问题,更重要的是质量得到了无法想象的提高,所以工人地劳动力自然也随之改善,在工业主产中起到了很重要的地位。
在20世纪50年代末的美国山约瑟夫•英格伯格他们的团队一起研发出世界上的第一台工业机器人。
自从有了它之后我们多半工厂里的搬运工作、喷漆工作、焊接工作等都有它来代替。
在过十年之后人们开始重点研究它的外部传感器还有控制方面的使用方法。
随着科学的不断进步和发展机器人得到了更广泛的应用,慢慢出现在各行各业的机器人给我们带来了更全面的服务即使用。
在当代工业中,自动化设备已成为加工中心的不可缺少的地位生。
每个行业的自动化水平都在不断提高,当代加工中心都会有工业机器人的出现,它出现的LI的都是为了高效率的生产及代替工人做工作中会高难度的危险工作。
现实中的例子有:
汽车都是由零件组成,它的零件在生产过程中需要搬运,这个时候我们的工业机器人就起到了关键的作用,它可代取工人来作业,它棋至能把加工完的工件自动取出、自动包装、自动堆放以及卸货等。
现在中国的汽车生产中的冲压生产线就采用搬运机器人,这就实现了自动化生产。
在1995年中国辽宇省沈阳自动化研究所开始对只能生产系统加以研究,便开始实现使用工作,就在1997年中国长春一汽大众汽车车间的冲压生产线已经投入了自动化设备。
焊接机器人的出现提高了生产效率,在汽车制造业起到了至关重要的地位,因为车门的各个焊点都需要高难度、高精度、高质量的焊接。
弧焊的时候机器人必须拥有多个自山度这样确保证它质量。
点焊的时候能仔复杂空间作业,在焊接的位置数量得到了准确性的保障,要是工人难免会有漏洞的时候。
在英国的MOTOMAN公司研究了两台高性能焊接机器人的设备。
它的出现为了生产新型JaguarSa1oon汽车制造过程中的需要,第】台有六个自由度以及一个手动地旋转工作台。
而第2台在它的基础上拥有标准的外形,自带报警器及电力线地载源,它的自由度也达到了六轴的机器人水平还有2个自动地工作台。
自从这两台设备的生产投入后,汽车的成产超出了预计。
生产零件后的组装是个复杂的工作,通常在装配的时候会遇到工件的误差,导致装配出现问题,自从工业机器人的出现解决了这难题还保证了自动组装的产量还提高了质量。
在1959年美国弄岀世界笫一台Unimate工业机器人之后,它在发达的工业国家中得到极其广泛的应用。
有个非常典型的例子,在H前的日本可以算是工业机器人应用较为多的国家,而且所占有的数量达到了全地球的50%左右。
没想到美国还没日本的数量多,但其技术水平还是非常高的。
我国的研发工业机器人工作在70年代开始的,当时处于经济科学落后的状态,研究的结果较为迟钝,后来通过了20多年得变化世界工业变化,得到了国家的重视,开展全方面的迅速对它实行钻研。
在“七五”时期的时候国家在工业机器人方向做了两件特大的工程项忖,投资在辽宇沈阳成立了“机器人国家研究中心”''智能机器人中心”,正是有关高校,机械工业和科学院参加了工业机器人的科技研究,取得了的进步。
国产机器人当时的技术是在“七五”时期调查取得了非常不错的结果,就在那个时候才开始对机器人的采用,山于当时国内的技术比较落后,所以发展相对缓慢,在那个的新中国时期都是以工人为主,然而机器人还没实现工业化。
那时候的研发一直在不断地努力,当前机器人使用的项LI如下:
现已经成立了一批电弧焊生产、组装生产、喷涂生产和焊接生产线都视为工业成产成立的。
在最近的儿年来机器人的发展来看,其产品都是以高智能化模块化。
进展的形式来看:
模块化及可重复结构;控制技术开发,智能化还有网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化⑸;多传感器的融洽技术以及现实的采用;工作环境的设计和操作灵活性,自动化网络系统。
U测在过儿十年工业中将全面实行机械智能化。
1总体方案设计
1.1汽车半轴模锻生产线的总体方案
至今所有的汽车半轴模锻的生产线锻压半轴上下料山员工进行作业,这些会使上下料的员工有较大的劳动强度,会导致生产中不连续,生产流程无序;工作环境中的所隐藏的安全隐患;产品的质量问题得不到确保;生产的数量不是很固定;所以本课题针对汽车半轴模锻生产线进行设计和改造。
更改后的工业线的工艺路线跟当前的工艺路线不变,它工艺尺寸如表l.lo
表1.1半轴模锻工艺尺寸
加热长度m
序号工序
工艺图形工艺尺寸mm备注
m
其顺序是:
取胚料f第一次加热f锻压花键端一喷水冷却一第二次加热
预锻法兰盘端一第三次加热(或不加热)一摆碾锻造法兰盘。
生产线的生产胚料为e
48〜55mm,长1350〜1590mm的圆钢棒料,重量小于30kg。
生产节拍为70秒至10秒。
本课题生产线改造方案要求重新布置和安装现有的主设备如图1在汽车半轴模锻生产线上采用三台机器人搬运胚料和上下料,使用的是全自动传送链传动送胚料,而且应用液压驱动及可编程控制器来控制系统,同时完成自动化的生产线。
液压机
开武加玛炉一
控潮台
牛烷炉拄却柜
机
毛胚料
图1.1设备平面布置示意图
方案中搬运机器人1夹取胚料,胚料一端加热后,由水平方向转为垂直方向,并保持垂直平推进入锻压机:
锻压后,保持垂直平拉出锻压机,再由垂直方向转为水平方向,放到传送链。
然后山搬运机器人2完成同样的动作来完成胚料另一端的锻压预墩粗。
最后山搬运机器人3在胚料一端加热后,使胚料保持水平,以30°角度方向推进入摆辗机,摆辗成法兰盘;摆辗后,保持水平拉出摆辗机,放到传送链送入成品料仓⑻。
经过这样改造可以实现半轴模锻的自动化生产,就可以缩小人工和劳动强度,充分发挥主设备的生产效率,保证产品产量和质量。
此次设计的重点任务是完成上下料搬运机器人的机身和手臂零件的设计。
然后在
SolidWorks中对机身和手臂三维建模和运动仿真。
1.2机器人总体方案
根据生产的要求,此次设计中的搬运机器人的机座是可移动的,同时预防锻压机中心及胚料中心产生位移,把地面安装台做成可滑动的导轨。
机身上安装着扭动缸,同时输出轴相联手臂,即可完成手臂的俯仰运动。
手臂上安伸缩液压缸,来带动手臂的关节伸缩运动。
为了使夹取的胚料运动平稳受力均衡,机器人设有两个手抓,两手抓对称分布在手臂两侧。
手臂手抓之间用一块横板支架来连接,横板支架要既能连接手臂和手抓,乂要能够连接支撑手抓的驱动液压缸。
山此可知机器人用两个手抓抓起工件,小臂的自山度分为两个,没别是回转副、移动副如图12根据小臂回转副旋转90°来导致工件竖直方向和水平方向的演变,再通过小臂的移动副的移动来完成胚料水平和竖直方向上的移动。
因此这次设计中体现了机器人构造是手部和臂部及机身组合行来的。
具体生产需求以下设计内容,机器人应该有的数据如下表1.2。
表1.2机器人1技术要求
度重量(kg)
机座
机身
手臂
方式
方式
伸缩450mm,225m
230
固定
固定
m/s
俯仰±90。
,45°/
s
PLC
液压驱
动
2手臂的设计计算
工业机器人最为主要零件是手臂,其用处是维持腕部和抓钩,它的存在主要带动它们工作。
本设计机器人手臂为双导杆伸缩机构,其中有两个动作伸缩、俯仰⑼。
这章主要说明手臂的来回运转,手臂的上下移动及其安置在机身上。
2.1手臂直线运动的驱动力计算
2.1.1手臂回转运动驱动力计算
勺手臂做回转动作时,不仅要控制摩擦阻力,还要考虑油缸与活塞产生的摩擦阻力,然后导向杆和支撑滑套所产生的阻碍,而且克服启动时的过程所出现的惯性力。
其驱动力什计算:
Pq=Fm+Fg(N)
(2.1)
式中:
化一一各支撑处的摩擦阻力
件一一启动过程中的惯性力
(1)化的计算
当有不匹配配置和导向截面时,它的摩擦阻力不一样,所以要看具体情况数据进行分析。
本设计是双导向杆导向,它导向杆的表面是圆柱面,它的配置两边一样,位置在伸缩缸的两边。
因两导向杆是对称配置,所以受力相等,计算时导向杆能用同一个公式。
其受力示意图如图2.1。
图2.1臂部受力示意图
其计算如下:
G^L=aFb
(2.2)
式中:
G总—全部运动的零件受到的总重力(N);
L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离(m),参考
上一节的计算;
导向支撑的长®(m);
“——当量摩擦系数,其值与导向支撑的截面有关。
对于圆柱面:
4n、
//•=()x〃=(l・27~l・57)“
兀2
(2.3)
“一一摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时:
钢对青铜:
取“=0.1〜0.15
钢对铸铁:
取“=0.18-0.3
计算:
选取钢为导向杆的材料,它的支撑为青铜//'=1.5x0.15=0.225,手臂运转部件的质量估
算约70kg,则Gi:
=686N,厶=0.15m,其支撑a设计为0.1m。
将有关数据代入进行计算:
Fm=G、、口=686x0.225x(":
(;)⑴。
)=686x0.9=617.4N
(2)耳的计算
F°大小可按下式估算
IV
代=-«(N)
g
(2.4)
式中:
W一手臂伸缩部件的总重量(N);
g——重力加速度(9.8m/s2):
a——启动过程中的平均加速度(m/sJ。
而:
a=—(m/s2)
AV一一速度变化量(m/s)。
如果手臂从静止状态加速到工作速度V时,则这个过
程的速度变化量就等于手臂的工作速度;
AZ——启动过程所用的时间(s),—般为0.01~0.5(s)。
计算:
本设计中手部运动部件故为686N,启动时间为0.2s,速度为225mm/s
将有关数据带入下式计算:
(△-686N.0.225必=78.75N
g△/9.80.25
根据以上计算的巧=化+化(川)二617.4N+7&75N=696.15N,圆整为7OON。
2.1.2手臂竖直升降运动驱动力计算
当手臂竖直运动时,除了克服摩擦时产生的力®和运动的惯性力件之外,还要克服臂
部运动部件的重力,它的驱动力:
Pq=Fm+Fg±W(N)
(2⑹
式中你一一各支撑处的摩擦力(N);
&——启动时惯性力(N)可按臂摆动时的情况计算;
W——臂部运动部件的总重量(N);
±——上升时为正,下降时为负;
其中几的计算公式为:
Fm=2Wf取f=0.16
(2.7)
计算:
手臂的运动零件总重量W约686N,带进数值后得:
F,n=2Wf=2x686/Vx0.16=219.52N
根据以上计算F产78.75N,则手臂上升最大驱动力为:
从以上计算得垂直升降驱动力大于水平运动驱动力,所以手臂伸缩的驱动力圆整为
lOOONo
2.2手臂上下驱动的力矩计算
驱动手臂上下的力矩,要控制手臂零件的总量跟回转轴线会生成的偏重力矩和启动的
时候手臂会有惯性力矩,回转副处也会有摩擦力矩,即:
Mg=Mm+Mg±Mp
(2.8)
式中:
——各回转副摩擦力矩,被设计中摩擦力矩较小故心0
——启动时惯性力矩(N5);
Mp——手臂零件的重量跟回转轴线的偏重力矩(N・m);
±——上仰为正,下俯为负。
其中M(按下式:
zr-xcoz、
M=(J+丿工件)v(N-m)
Ar
(2.9)
式中:
J一一手臂的零件跟回转轴线的转动惯量(kgmJ;
J比一一工件对回转轴线的转动惯量(kg.m2);
Q——回转臂的工作角速度(rad/s);
A/回转臂启动时间(s)o
本设计中估算工件〃为48"55mm,mrn=3Okg,加皆部讦部=70kg,e=45°/s=0・785ra
d/s,Ar=0.1s,下面进行计算:
J匸件=m「件厂=30kg・(0.8m)2=19.2kg・m2
所以:
M.=(11Akg-m2+19.2kg-m2)(X78:
>/Yk/As,=240.2IN-m
0.15
AZ”按下式计算:
M广G^Xr+G于X『+G時X殍
(2.10)
式中:
Gt、Gp、G臂丄件、手部、臂部的逼量
X工、X"Xyf——工件、手部、臂部的重心位置到回转轴线的距离
本设计估算G.=98ON,G广294N,G于.二392N,G.=294N,X,=0.8m,X『.=0.7
m,X付二0.3m,则:
叫=294x0.8+392x0.7+294x0.3=597.8N-m
所以根据以上计算=597.8N・m+240.21N・m=838N・m,圆整为850N・m。
2.3液压缸的选择
因为在2.1和2.2的计算,概述的手臂运动的主要参数在表2.1。
表2.1手臂运动技术参数
手臂运动方
式
运动范围
启动时间△/
运动速度V
驱动力(矩)
水平伸缩
450mm
0.2s
225nVs
70ON
垂直升降
150mm
0.2s
225m/s
100ON
俯仰运动
90°
0・Is
45°/s
85ONm
2.3.1伸缩缸的选择
选择适当的液圧缸工作圧力很重要。
选高了,可以减小液压缸内径和它执行时机构用的尺寸,会导致机械的手臂结构严密,如果是用价格昂贵地高压油泵及阀,然后让它密封较为复杂化小】。
弄底了,就可以用廉价的泵和阀,当使其构造要庞大,自重增加。
一般取2~8Mpa。
表3.2推荐了儿组数据,可供参考冋。
本设计首选液压缸的工作压力是P=5Mpao选用保险的系数为1.5,而伸缩缸的动力
Pq=1.5x1000=1500No
表2•2液压缸的工作压力表
作用在活塞上外力F(N)
液压缸工作压强MPa
作用在活塞上外力F(N)
液压缸工作压强MPa
小于5000
0.8~1
20000"30000
2.0-4.0
10000^20000
2.5〜3.0
50000以上
5・0〜8.0
(1)液压•缸内径的计算,如图2.2所示,该油流进无杆腔时
图2•2作用相同的两个液压缸示意图
F=F姑込
4
(2.11)
当油进入有杆腔时:
已知F=I280N,P=5Mpa,选择机械效率"二0.95,以无杆腔的D为准得
4x1500
3.14x0.95x5xl06
=20.05mm
圆整为D=20mm。
(2)活塞杆直径的确定
按GB2348-80差动连接得:
d=—D
本设计选用优瑞纳斯液压机械有限公司的液压缸。
依照材料的需求,此设讣采用的伸缩
纹式伸缩液压缸。
而事实工作的圧力为:
后注兰、
应满意其需求。
其液压缸外形尺寸如图2.3。
无西记(不弟冃环)
UG…H…|CR…(附pj£H汗〉
IQR•,帚关爭SB*耳坏)
图2.3UG16H40/28液压缸外形尺寸
2.3.2摆动缸的选择
此次设计采用保险的系数为1.5,而摆动缸轴输出产生的力矩是1275N-II),整个圆是130
0N-mo本设计中根据机器人的结构需要选择轴输出;为了摆动缸和其安装稳定容易,采用
脚架式装置方法。
通过查表UB系列此轮此条摆动液压缸基本参数表(JB亿Q4713-98),选
择了脚架式轴输出双齿条摆动液压缸的UBJZS63o当工作圧力为6MPa时,其输出扭矩为
1539N・m远远大于实际需要扭矩1300N・m。
这液压缸
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