电动机座加工自动线卸料机械手设计有cad源图等.docx

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电动机座加工自动线卸料机械手设计有cad源图等

电动机座加工自动线卸料机械手设计（有cad源图等）

本科毕业设计论文

题目:

电动机座加工自动线卸料机械手设计

系别:

机电信息系

专业:

机械设计制造及其自动化

班级:

学生:

学号:

指导教师:

7>2013年4月

电动机座加工自动线卸料机械手设计

摘要

在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。

本次设计的机械手用于电动机座加工自动线上,主要由手爪、小臂、大臂等组成,具备上料、翻转和转位等多种功能,并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。

首先,简要介绍了机械手的基本概念、组成和分类,以及机械手的简史和发展趋势。

其次,本文通过机械手的动作分析,确定了机械手的坐标形式、自由度（机座与机身的旋转,大臂和小臂的升降两个自由度）和驱动机构。

并通过设计的主要参数设计出机械手和手臂的机构设计。

该机械手最大抓取重量为35Kg,机械手的自由度为2个,坐标形式类似圆柱坐标,大臂回转90度小臂升降400毫米,定位方式为行程挡块,驱动方式采用液压驱动。

本次设计的机械手能够自动完成系统所要求的动作,具有连续工作、单周期工作、单步工作、自动返回原点、手动返回原点、手动操作等功能。

能够依次对机体完成上料、转位、翻转等辅助加工功能。

关键词:

机械手;圆柱坐标;液压驱动

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1985639755

MotorMountAutomaticProductionLineforUnloadingRobotDesign

Abstract

Intheproductionofindustrialmanipulatorknownasindustrialmanipulatorapplication.Inmodernindustrialrobotisanewtechnologyofautomaticcontrolinthefield,andhasbecomeanimportantpartofmodernmachinerymanufacturingsystem.

Thismanipulatorisusedtodesignelectricmotoronthetransferlineformachining,mostlybyhand,arm,armandothercomponents,withmultiplefunctionssuchasfeeding,flippingandturning,andunificationoftheautomaticlineproductioncycletimeandproductionmorethancompletetheprogrammeofaction.First,brieflyintroducedthebasicconcepts,andclassificationsofrobotandmanipulatorofabriefhistoryofandtrends.Secondly,throughtheanalysisofmanipulatorinthisarticle,determinethecoordinatesofthemanipulatorforms,degreesoffreedomrotationoftheframeandbody,armandarmmovementsoftwodegreesoffreedomandthedrivemechanism.Andthroughthedesignofmainparametersdesignofaroboticarmandarmdesign.Therobotimumweightcapacityis35Kg,thedegreeoffreedommanipulatorfor2,coordinatesformresemblesacylindricalcoordinates,armRotary90degreearmlifting400mmblockpositionedfortrips,drivenwithhydraulicdrive.

Thedesignofmanipulatorautomaticallycompleteactionsrequiredbythesystem,withcontinuous,singlecycle,singlestep,automaticallyreturntotheoriginalpoint,manual,manualfunctionreturnstheorigin.Toturnonbodycompletesloading,turning,flippingandothersecondaryprocessingfunction.

KeyWords:

manipulator;cylindricalcoordinates;hydraulicdrive

1绪论1

1.1研究背景及发展现状1

1.1.1旋转体零件生产流水线自动化方面1

1.1.2在实现单机自动化方面1

1.1.3在铸、锻、焊等热处理方面1

1.1.4.在装配方面1

2机械手的总体设计4

2.1总体方案的比较与选定4

2.1.1各种坐标形式机械手的比较4

2.1.2选定的两个机械手方案的概述及比较6

2.2机械手的组成及各部分关系概述10

2.2.1执行机构11

2.2.2驱动机构11

2.2.3控制系统12

2.3机械手的主要参数13

2.3.1机械手的主要技术参数13

2.3.2机械手的主要规格参数13

3机械手机械系统的设计14

3.1手部的设计14

3.1.1手部结构的设计14

3.1.2手部的计算与分析15

3.2臂部19

3.2.1手臂不自锁条件19

3.2.2手臂回转缸结构设计20

3.2.3大手臂相关参数计算21

3.2.4手臂伸缩缸的结构设计28

3.2.5手臂伸缩缸的设计计算28

3.2.6机械手整体相关运动参数设计33

4机械手的液压驱动系统的设计35

4.1程序控制机械手的液压系统35

4.2液压系统传动方案的确定35

4.2.1各液压缸的换向回路35

4.2.2调速方案36

4.2.3减速缓冲回路37

4.2.4调压回路38

4.2.5液压系统的合成与完善39

5结论41

参考文献42

致谢43

毕业设计（论文）知识产权声明44

毕业设计（论文）独创性声明45

1绪论

机械手,英文名mechanicalhand,是指能模仿人手和臂的某些动作和功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

工业机械手即在工业生产中所使用的机械手,是一种可编程序的自动机械手。

它是在五十年代末出现,近年来迅速发展起来的重要的自动化装置,是实现工业自动化的重要手段。

目前,在各个生产领域,为了提高生产效率和产品质量,实现安全生产,都采用了各种不同形式,不同功能的机械手。

由于机械手的出现,在许多生产工艺中都代替了人工,使工业自动化有了较大发展,这不仅大大的提高了劳动生产率,改善了劳动条件,减轻了工人劳动强度,而且使成批生产有了质量技术保证,就因为如此,机械手的设计开发成了目前工业技术的重要课题。

机械手在工业生产中广泛的应用于机加工,锻压,铸造,冲压,焊接,装配,喷漆,热处理等各个行业,特别是在笨重,高温有毒,放射性,多粉尘等恶劣危险的劳动环境中,机械手由于有显著的优点而备受重视。

以下是机械手在工业中的几种典型应用。

1.1.1旋转体零件生产流水线自动化方面

采用机械手在旋转体零件如轴类、盘类、环类等生产流水线上的机床之间传送工件能够提高生产线的自动化。

国内已建成的这类自动线很多,如沈阳泵厂的深井泵轴承体加工自动线环类,大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线轴类,上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线盘类等。

加工箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海动力机厂的汽缸盖加工自动线转位机械手。

1.1.2在实现单机自动化方面

1.各类半自动车床,有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下料。

装上机械手,可实现全自动生产,一人看管多台机床。

目前,机械手在这方面应用最多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手,大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手,沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手,青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。

由于这方面使用已有成熟的经验,国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手,或为用户自行安装机械手提供条件。

2.注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动装卸工件,可实现全自动生产。

3.冲床有自动上下料冲压循环,装上机械手上下料,可实现冲压生产自动化。

目前机械手在冲床上应用有两个方面:

一是160t以上的冲床用机械手的较多。

如沈阳低压开关厂200t冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进。

如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手生产线中有两台多工位冲床和天津二轻局技术研究所制作的12t和40t多工位冲床机械手等。

1.1.3在铸、锻、焊等热处理方面

在锻造方面,机械手一般用做加热炉,锻压机床或冲床的上下料和工件的传送,其中包括多工位冲床的中间传送。

如:

天津第二锻造厂研究了JS01通用机械手用于精锻机上下料。

在铸造方面,机械手应用较多的是在熔模铸造中,也用于浇铸,造型,制芯及清理工作。

美国Dochlcn-jarvis工厂是使用工业机械手最多的,约12万台,主要用于从压型中取出铸件,然后用喷气法清洗铸件表面,该厂使用机械手后铸件质量得到了很大提高,稳定性增强。

在焊接方面,焊接机械手也是应用较多的,这种机械手可分为点焊接机械手和弧焊接机械手。

对于点焊接机械手,其手臂能伸缩,俯仰,回转,手腕能摆动,回转,俯仰。

至于弧焊接机械手,它的焊炬能作复杂三维曲线运动以调节焊接范围。

1.1.4.在装配方面

工业机械手在装配中的应用,是近几年国内外研究和发展的一个重要方面,特别是在汽车制造业的汽车装配自动化和弹药装配等危险作业上有很大的使用价值。

目前装配机械手正由串联结构向并联结构转换。

1.2本课题研究目的及意义

工业机械手具有许多人类无法比拟的优点,满足了社会化大生产的需要,其主要优点如下:

1.能代替人从事危险、有害的操作。

只要根据工作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构,机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下,以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。

工伤事故多的工种,如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中,应推广工业机械手或机器人。

2.能长时间工作,不怕疲劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能。

人在连续工作几小时后,总会感到疲劳或厌倦,而机械手只要注意维护、检修,即能胜任长时间的单调重复劳动。

3.动作准确,因此可以稳定和提高产品的质量,同时又可避免人为的操作错误。

4.机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好,能较好地适应产品品种的不断变化,以满足柔性生产的需要。

由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用,世界各国都很重视工业机械手的应用和发展,机械手的应用在我过还属于起步阶段,就显示出了许多的无法替代的优点,展现了广阔的应用前景。

近十几年来,机械手的开发不仅越来越优化,而且涵盖了许多领域,应用的范畴十分广阔。

成品电动机机体形状很复杂,从毛胚到成品需要完成很多道加工工序,各道工序及工序之间都要实现机体的移位及定位,这些工序如果全靠人工完成将大大增加工人的劳动强度,不仅使加工质量难以得到保证还增加了劳动的危险性。

本课题的研究是为了设计出一种电动机机体加工自动线上用的辅助机械手,该机械手在机体加工自动线能完成上料,转位和翻转等多种功能,提高生产效率,降低劳动强度。

1.3本课题的研究内容:

本次设计的多功能机械手用于电动机座加工自动线上,主要由手爪、小臂、大臂等组成,具备上料、翻转和转位等多种功能,并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。

本机械手为圆柱坐标式机械手,自动线围绕机体布置,具有大手臂旋转、小手臂伸缩、手指伸缩共2个自由度。

其中大手臂旋转是为了将工件从自动线转移到卸料工位上,小臂升降手指伸缩是重复自由度,目的是扩大升降范围,避免小手臂频繁升降;驱动方式为液压驱动,且选用双联叶片泵,系统压力为2.5MPa,电机功率为3KW,共有推动大臂旋转油缸、小臂升降油缸、、手爪夹紧油缸共3个液压缸;定位采用机械挡块定位,定位精度为0.5~1mm,采用行程控制系统实现点位控制。

本机械手装置应具备如下功能;

1.具有友好的人机界面,以保证人机通讯、人机互助和人机协同工作。

2.能够自动完成系统所要求的动作,具有连续工作、单周期工作、单步工作、自动返回原点、手动返回原点、手动操作等功能。

3.在保证精度的前提下,有一定的容错性。

4.能够依次对机体完成上料、转位、翻转等辅助加工功能。

5.在保证完成以上功能的前提下具有一定的通用性,使该机械手在整个机体加工自动线都具有一定的适应性。

2机械手的总体设计

2.1总体方案的比较与选定

2.1.1各种坐标形式机械手的比较

按坐标形式分,机械手主要有以下四种不同的类型:

1.直角坐标式

2.圆柱坐标式

3.球坐标式

4.平面多关节式

根据设计要求,本课题设计的机械手需要在电动机座加工自动线卸料,包括上料,升降,转位,等多种功能。

结合设计要求对各种坐标形式的机械手的优缺点作出评析,

如下:

a.角坐标式机械手（如图2.1）。

这种机械手所有的送放运动均为直线运动,结构简单,直观性好,便于实现一定的精度要求,但本机械手需要在多个工位上完成辅助加工功能,故在相同的动作范围内其所需要的空间位置大,灵活性差,同时由于手爪部分移动,不利于电液集中配置。

图2.1直线坐标式机械手

b.圆柱坐标式机械手（如图2.2）。

这是一种回转型机械手,其手臂除了可以伸缩,以升降外,还可以绕立柱回转。

这种机械手与直角坐标式机械手相比,占地面积小而活动范围大,结构亦比较简单,并能达到较高的定位精度。

但是,它的手臂的升降受到机械手结构的限制,距离地面总有一定的距离,不能从地面抓取物件,因此不能完成上料的工序。

1-手部2?

腕部3?

臂部图2.2圆柱坐标式机械手

c.球坐标式机械手（如图2.3）。

这种机械手与圆柱坐标式机械手相比,在占有同样大小的空间情况下,可以扩大工作范围,能将手臂伸向地面抓取物件。

其缺点是运动的直观性差,结构较复杂,且臂部有两个回转运动,位置精度误差较大。

图2.3球坐标式机械手

d.多关节坐标式机械手（如图2.4）。

这种机械手可以在以臂部最大伸展长度为半径的球体空间范围内任意抓取物件,灵活性大。

它与其他坐标形式的机械手相比,所占空间最小。

但其运动直观性差,臂部前端的位置由多个回转运动决定,要达到较高的运动精度比较困难,为此必须提高制造精度,因而使设计和制造均较为复杂。

图2.4多关节坐标式机械手

2.1.2选定的两个机械手方案的概述及比较

a.两种方案概述

根据本课题的设计要求,该机械手能够完成上料、升降、转位工件等多种功能,所以,在这里设计了四个机械手将要到达并完成辅助加工的工位,依次是:

上料工位、升降工位、转位工位、再次转位工位（见图2.6和2.7）。

机械手在一个周期内的动作过程如下:

1.上料。

机械手在运动开始前面向第一工位。

开始工作后,机械手的小手臂的升降缸将手部5下降到取料位置,手部上的定位压盘正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上,同时,手指伸缩油缸1的活塞杆下端连接着带圆锥面得推动杆6,使内撑式手部的三个手指伸入到工件内的空槽中。

2.完成以上动作后,机械手转向第二工位,将工件升起,小手臂2的油缸上升,将工件提起到预定的高度。

3.接下来,大手臂回转90度（当前输送带前进到终点发信）。

4.然后小手臂下降到工件准确地放到转载装置前输送带的适当位置上。

完成一个周期的动作后,机械手转向第一工位,处于“回到原点”状态。

这时,第一工位的专机已经完成加工处于“等候上料”状态,机械手在第一工位再次完成上料后转向第二工位,这时,在第一工位加工完毕的机体已经顺着自动线传至第二工位,机械手将其转位使其完成第二工位的加工。

在连续工作状态中机械手的动作过程如上所述依次循环。

总结上述各种形式的机械手,在满足设计要求的前提下设计出以下两种方案。

方案一:

外形图及运动简图如下

图2.5方案一外形图

图2.6方案一运动简图

这是一种屈伸型机械手,该机械手具有与人体上肢相类似的结构。

臂部由大臂和小臂两个部分组成。

除了大臂本身具有回转和俯仰运动外,小臂相对于大臂也可以俯仰,通过大臂和小臂的俯仰来实现手臂的伸缩,通过机身的回转来实现使手臂面向不同的工位。

该机械手有E1-E5（见图2.6）共5个自由度,其中:

E1:

机身绕机座回转

E2:

大臂的俯仰

E3:

小臂的俯仰

E4:

手腕的俯仰

E5:

手腕的回转

这种机械手采用直线式流水线,待加工的柴油机机体从流水线上依次流到A,B,C,D四个工位,机械手通过机身的回转依次停在四个工位,分别完成上料、转位、翻转、再次转位四个辅助加工动作。

通过大臂、小臂和手腕的俯仰使机械手到达四个工位点,通过手腕的俯仰和翻转使手爪能够有正确的夹持姿态。

方案二:

外形图及运动简图如下

图2.7方案二外形图

图2.8方案二运动简图

这是一种圆柱坐标坐标式机械手。

该机械手由机座、机身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪组成。

有E1-E3共2自由度（立柱升降自由度E2和小臂升降自由度E3是重复自由度）,其中:

E1:

大手臂回转

E2:

手指伸缩

E3:

小手臂升降

该机械手的工作流程图如下:

图2.9方案二的工作流程图

该机械手由直动式液压缸推动齿条式活塞杆通过齿条与套在机座上的齿圈的啮合来驱动大手臂回转;由直动式液压缸推动小臂升降;由直动式液压缸推动手指夹紧,弹簧自动复位。

在工作中,自动流水线环绕机座两旁布置,机械手在一个工位完成辅助加工后,缩回手臂,大手臂依次回转到下一工位,伸出手臂完成相应的功能。

b.两种方案的比较

两种方案通过流水线的不同布置都能使手爪到达指定的工位并且都能够实现所要求的功能,手爪都具有足够的自由度,能从正确的方位夹持电动机座体。

两种方案都具有电液集中,占地面积小,可以从地面上抓取工件的优点。

所不同的是:

方案一通过腰部的回转、大臂的俯仰及小臂的俯仰来使手爪到达正确的工位,而方案二是通过大手臂回转、小手臂的升降和手指伸缩来使手爪到达正确的工位。

但是,方案一运动直观性差,结构复杂。

首先,其臂部位置由多个回转运动决定,手臂在俯仰时其底部回转角度的误差容易在手臂端部造成误差扩大,通过大臂、小臂、手腕的回转误差累积,最终容易使手爪位置与指定位置有较大偏差。

其次,越靠近机身的俯仰运动所需要的驱动力越大,使整个系统各液压缸工作压力相差很大,不易配置液压驱动系统且回转缸出力不大。

再次,方案一的手臂有多种屈伸状态,则需要很多的定位装置,而回转液压缸内空间狭小,不宜布置过多的机械挡块。

如果改采用连续轨迹控制的机械手,成本太高。

所以在第二种方案中齿条啮合安装在手臂上的齿轮来推动手臂回转,在齿条式活塞杆的端部安装凸块,在活塞杆的行程上安装控制缓冲和停止的开关,由凸块在运动过程压合行程开关来实现对回转的控制。

综上所述,本课题采用第二种方案

2.2机械手的组成及各部分关系概述

本课题所设计的是一种在电动机机体加工自动线上用的多功能机械手,属于工业用机械手。

同大部分工业机械手一样,它是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的,其组成示意图如下:

图2.10机械手组成框图

2.2.1执行机构

1手部。

即直接与工件接触的部分,一般是回转型或平移型。

由于回转型结构简单,为了减轻手部的重量,本设计采用回转型。

手爪多为两指（也有多指）,根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的,光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

本课题设计的多功能机械手需要抓取的是电动机座体,为了便于机械手结构尺寸的确定以及各部分的受力分析和计算,本文以JO2系列1~5号电动机座。

由于电动机座机体内部形状不是很有规则,本手爪采用宽大的三指型并且在指的内侧粘贴一层橡胶以增大摩擦,就像人的手指上附有皮肉。

传力机构型式较多,常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

2臂部。

臂是支承被抓物、手部的重要部件。

手部的作用是带动手指去抓取物体,并按预定要求将其搬到预定的位置。

手臂有两个自由度,可采用直角坐标前后、上下、左右都是直线,圆柱坐标前后、上下直线往复运动和左右旋转,球坐标前后伸缩、上下摆动和左右旋转和多关节手臂能任意伸屈四种方式。

2.2.2驱动机构

有气动、液动、电动和机械式四种形式。

气动式速度快,结构简单,成本低。

采用点位控制或机械挡块定位时,有较高的重复定位精度,但臂力一般在300N以下。

液动式的出力大,臂力可达1000N以上,且可用电液伺服机构,可实现连续控制,使工业机械手的用途和通用性更广,定位精度一般在1mm范围内。

目前常用的是气动和液动驱动方式。

电动式用于小型,机械式只用于动作简单的场合。

工业机械手的驱动系统,按动力源分为液压,气动和电动三大类.根据需要也可由这三种基本类型组成复合式的驱动系统.

1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大,力或力矩惯量比大,快速响应高,易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大,惯量大以及在防爆环境中工作的机械手2.气动驱动系统具有速度快,系统结构简单,维修方便,价格低等特点,适用于中,小负载的系统中.但难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械手中.如在上下料和冲压机械手中应用较多3.电动驱动系统由于低惯量,大转矩的交,直流伺服电机及配套的伺服驱动器交流变频器,直流脉冲调制器的广泛采用,这类驱动系统在机械手中被大量选用。

设计机械手时,选择哪一类驱动系统,要根据机械手的用途,作业要求,机械手的性能规范,控制功能,维护