上下料冲压机械手的设计.doc

1、编码2016-JXSJ专业代码080202-201本科毕业设计 上下料冲压机械手的设计 学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化学 号4112020623学生姓名庄申指导教师周清泉/袁永超提交日期2016年5月4日诚信承 诺 书本人郑重承诺和声明:我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文(设计)中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业论文（设计）作者签名： 年月日摘 要上下料冲压机械手是根

2、据实际冲压生产过程中的特点，专门为提高生产效率，解放人力等而研制的一种自动化机械设备。本文在查阅了有关机械手方面的资料之后，简单介绍了其作用、组成和分类。根据课题要求对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的坐标型式、运动自由度以及机械手的技术参数。根据对机械手手部、腕部、手臂以及机身等结构的设计计算得出数据，并且通过三维软件solidworks绘制出产品模型，最后对机械手的结构进行完善。同时，绘制了机械手气压系统工作原理图，选取了合适的零部件；利用PLC对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号；根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了的机械手的操作流程图。关键词：机械手；参

3、数设计；软件模拟；PLC方案控制IABSTRACTUp-down material characteristics in the process of stamping manipulator is based on the actual production, specially in order to improve the production efficiency, human liberation and so on and developed an automated machinery and equipment. Based on the search after readin

4、g information about manipulator, simply introduces the function, composition and classification. Overall design of manipulator in accordance with the requirements of project, to determine the coordinates of the manipulator, degrees of freedom of movement and technical parameters of the manipulator.

5、According to the manipulator hand, wrist, arm, and the fuselage structure design and calculation of the obtained data, and through 3D software solidworks to map the product model, and finally to improve the structure of the manipulator. At the same time, draw the manipulator working principle of the

6、 pneumatic system diagram, select the appropriate components. Using PLC to control the manipulator, selected the suitable PLC model; According to the working process of the manipulator made the control scheme of programmable controller, draw the operation flow chart of the manipulator.Key Words： man

7、ipulator;Parameter design;Software simulation ;PLC program control目 录1 绪 论11.1 机械手概述11.2 机械手的组成11.3 国内外发展概况31.4 本章小结42 机械手总体设计方案52.1 执行部分的选择52.2 驱动部分的选择62.3 控制方案的确定62.4 机械手的基本形式选择72.5 机械手主要部件及运动72.6 机械手的技术参数82.7 本章小结83 执行机构的设计93.1 手腕部分的设计93.1.1 手腕处轴承的选择93.1.2 手腕驱动伺服电机与减速器的选择93.1.3 传动同步带的选择与相应带轮的设计10

8、3.1.4 手腕部分小结113.2 手臂伸缩部分的设计123.2.1 直线导轨与滑块的选择123.2.2 传动同步带选择与相应带轮的设计153.2.3 伺服电机的选择与传动带轮的设计153.2.4 手臂伸缩部分小结163.3 手臂升降部分的设计173.3.1 滚珠丝杠的选择173.3.2 伺服电机的选择193.3.3 光轴与直线轴承的选择203.3.4 手臂升降部分小结203.4 手臂旋转部分的设计213.4.1 转盘轴承的选择213.4.2 伺服电机的选择以及减速比的确定213.4.3 手臂旋转部分小结224 气动系统的设计234.1 气压系统的工作原理图234.2 气动系统相关部件的选择2

9、35 机械手控制系统设计245.1 机械手的工艺过程245.2 机械手控制系统主要硬件的选择245.3 PLC控制伺服电机范例255.4 机械手操作过程简述315.5 本章小结32结 论33致 谢34参 考 文 献35III1 绪论1 绪 论机械手是一种在现代自动化生产过程中具有抓取和移动工件功能的自动化设备，它是一种在机械化、自动化生产过程中发展起来的新型设备1。机械手可以代替员工进行一些危险、枯燥的工作，在缓解工人的劳动强度的同时提高工厂生产效率。随着工业自动化发展，机械手的应用范围越来越广，不仅可以进行工件的装卸、搬运，甚至可以装配一些复杂机械的零部件。机械手适应于中、小批量生产，可以省

10、去庞大的工件输送设备，结构紧凑，并且在工厂中的适应性很强2。目前我国的工业机器人技术与其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，应用规模较小，产业化水平较低，因为机械手的研究和开发能力直接影响到我国工业自动化的生产水平，所以，从技术和经济等方面考虑，研究应用工业机械手都是十分必要的。1.1 机械手概述机械手是一种按照指定的控制程序，实现自动抓放、搬运工件或者动作的自动化机械设备。机械手在工业生产中一般被叫做“工业机械手”或“工业机器人”。在工业生产中应用机械手不但可以提高员工的劳动生产率，而且可以减少员工的劳动出错率。从而达到保质保量，减少工作时间减少工作压力，实现安全生产的目的。特别在恶劣的

11、生产环境（如高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等）中，使用机械手可以完成一些人类难以适应的工作，并且具有更为深远的意义。最初的机械手主要是用对来辅助某一台或者一类机床，用来完成相应的上下料工作，它的构造相对简单，专用性较强。随着工业自动化技术的发展，出现了可编程序控制的机械手，由于其可以根据程序的变更而改变动作的流程，通用性较强，所以也被称为通用机械手。由于通用机械手可以很快的改变工作程序，适应性比较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用3。机械手集现代各种高新技术（计算机知识、机构原理、控制理论、信息和传感技术、仿生学、人工智能等）于一身，加以其较高的适

12、应行和通用性，被广泛的研究和制造，形成了一个信息水平高、市场活跃、应用广泛的领域。机械手的创新应用程度，标志着一个国家工业自动化水平。1.2 机械手的组成（一）机械手的组成图1.1 机械手的组成方框图控制系统驱动系统执行机构被抓取工件位置检测装置机械手主要是由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成的。每个系统之间的相互关系如方框图1.1所示。1) 执行机构执行机构主要是由手部 、腕部、臂部和立柱等部件组成，有的执行机构还有行走机构。(a) 手部所谓手部，就是与物件相接触的部分。根据其与物件的不同接触方式，可以分成夹持式手部和吸附式手部两类。夹持式手部主要是由手指和动力传动机构构成的

13、。手指是指与物件直接接触的部分，常用的手指运动形式有回转型和平移型两种。回转型手指结构简单，制造容易，故应用比较广泛。平移型手指由于其结构比较复杂，故应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不会影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围较大的工件。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如电磁吸盘产生的电磁力或真空吸盘内形成的负压)吸附物件，相应的吸附式手部有电磁式吸盘和真空式吸盘两类。对于质量较小面积较大的板料类零件，通常采用负压式吸盘来吸取物料。对于具有导磁性的环类和盘类零件，以及板料等，通常用电磁式吸盘吸取物料。用负压式吸盘和电磁式吸盘吸取物料时，吸盘的形状、数量、吸附力大小

14、，需要根据其被吸附的物料的形状、尺寸和重量的大小而确定的。(b) 手腕手腕是连接手部和臂部的重要部件，通过手腕的旋转动作，可以用来调整需要被抓取物料的位置，从而适应不同的工作需要。(c) 手臂手臂是支承手部及被抓物件的重要部件。手臂的作用是带动手部抓取物件，并且按照编定的程序将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂一般通过动力源(如液压、气压或电机等)由手臂运动的驱动部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)的驱动下，实现手臂的各种运动。手臂在伸缩或升降运动过程中，为了防止其绕轴线产生转动，都需要加装导向装置，以保证手臂按正确方向运动。此外，导向装置还能承受手臂所受的各种

15、力矩，可以使运动的工件保持良好的受力状态。常见的导向装置结构形式有：单圆柱、双圆柱、四圆柱和燕尾槽、V形槽等。(d) 立柱立柱是支承臂部的部件，立柱既可以独立分开，也可以是臂部中的一部分，臂部的升降和回转与立柱有关。机械手的立柱一般情况下是固定的，有时也可以横向移动，被称为可移式立柱。(e) 行走机构实际使用中，当机械手需要进行较远距离的运动时，或者增大机械手的使用范围时，可以在机座上安装轨道或者滚轮等行走机构。(f) 机座机座是机械手组成的基础部分，机械手的执行机构和驱动系统都是安装在机座上的，它主要起连接和支撑机械手的作用。2) 驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，通常由动

16、力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动等。3) 控制系统机械手在控制系统的支配下按照设定的要求动作。目前机械手的控制系统一般主要是由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。4) 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的运动位置反馈给控制系统，并且与指定的位置进行比较，然后利用控制系统进行微调，从而使执行机构达到设定位置。1.3 国内外发展概况由于工业自动化生产概念的兴起，机械手已经成为研究的热点，其现状与趋势大致归类如下：a.机械结构已经在向模块化和可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化

17、；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机9。b.机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器的方向发展，使标准化、网络化；器件集成度得到提高，控制柜越来越小，并且采用模块化的结构；提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性10。c.机械手中的传感器作用也越来越重要，除了采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手也采用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用了视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行控制；传感器之间的相互配合技术成为智能化机器人的关键技术11。d.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化的设计。 e.焊接、搬运、装配、切割等作

18、业的机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。宏观来看，主要是两大方向：其一是研制具有多传感器、多控制器、具有复杂机电系统与先进控制算法的智能机器人；其二是与生产实际相结合，采用工业控制器和市场化、模块化的元件，在满足工作要求的基础上追求经济、简洁与可靠，用来完成具体任务的工业机器。1.4 本章小结本章主要介绍了机械手的概念，在工业生产中的应用，以及它的基本组成结构，即由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置四部分构成，同时又分别对这四部分进行详细介绍。最后讲述了机械手的发展概况。3 2 机械手总体设计方案2 机械手总体设计方案对机械手的基本要求是能快

19、速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们必须具有较高的反复定位精度、较快的反应响应能力、足够的承载能力、足够的自由度以及占用较小的空间。设计机械手的基本原则是：分析作业对象的技术要求，在满足系统功能要求和环境条件下拟定最合理的作业工序和工艺；明确工件的结构形状和材料特性等相关参数，从而进一步确定对机械手结构与运行过程的要求；尽量选用市场现有的组件、模块，从而简化设计制造过程，节省费用。2.1 执行部分的选择执行部分的选择由以下结构分别选定：（一）手部手部是直接与物料接触的部分，一般采用回转型或者平动型结构。手部是抓取物料的部件，它是根据被抓取物料的形状、尺寸、重量、材料以及被抓取的要求而有多种结

20、构形式，例如夹持型、吸附型和托持型等结构。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料14。本设计中，由于大部分冲压件为铁板或者铝板，冲压表面基本平整，因此我们选择吸附型手部，而吸附型手部又可以分成空气吸盘（主要采用负压或者真空）和电磁吸盘两种，由于空气吸盘可以与工件柔性接触，防止表面擦伤，因此在这里我们优先考虑使用负压式空气吸盘。（二）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，起到支撑和改变手部位置的作用，可以扩大机械手的动作范围，使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕具有独立的自由度。通常具有回转

21、运动、左右摆动、上下摆动等几种形式。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的机械手，为了简化结构，也可以不加设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件15。本设计中，为了使机械手手部较为灵活，可以适应不同零件位置，因此我们使其具有回转运动。（三）臂部臂部是机械手的重要支持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工装或夹具），并带动他们做空间运动。臂部的运动目的是：把手部随意的送到运动范围内的任意一点。一般情况下臂部至少具有三个自由度才能满足机械手运动基本的要求，即手臂的摆臂、升降、伸缩运动。手臂的运动一般是通过用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它

22、在工作中常常受到腕部、手部以及工件的静、动载荷的作用，而且由于手臂运动较多，故其受力复杂16。本设计中，我们需要使手臂具有伸缩、左右摆臂和升降的功能。2.2 驱动部分的选择驱动机构是机械手的重要组成部分。由于动力源不同, 可以分为四类：（一）气压传动机械手气压传动机械手是通过压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、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、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。（二）液压传动机械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手

23、对密封性要求很高、不易于机械手的保养与维护、受到液体本身的属性影响，不适合在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。（三）机械驱动机械手它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。（四）电气驱动机械手是指由电机直接驱动执行机构运动的机械手。特点是：响应速度快，运动行程长，定位精度高，并且维护、使用方便，节能无污染。但是其结构较复杂、成本也较高。工业机械手的性价比一般取决于驱动方案及相应零部件的配置。按照各驱动特点以及机

24、械手的工作环境拟除机械手手部利用气源空气吸盘外，其余运动动力来源均选用伺服电机。2.3 控制方案的确定考虑到机械手的通用性，我们采用PLC对机械手进行控制。当机械手的动作流程发生变化时，只需改变相应PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.4 机械手的基本形式选择常见的机械手可以根据臂部的动作,按照其坐标的形式大概可以分为以下4种： a.直角坐标型机械手；b.圆柱坐标型机械手；c.球坐标型机械手；d.多关节型机械手（见图2.1）。直角坐标型机械手：主要特点每个自由度之间的空间夹角为直角，占用空间较大，工作范围较小，结构简单。圆柱坐标型机械手：占用空间较小，工作范围较大，结构简单紧凑，定位精度较高。

25、球坐标型机械手：占用空间较小，自由度较多，但是结构较为复杂。c.球坐标系d.多关节型b.圆柱坐标系a.直角坐标系图2.1 机械手基本形式多关节型机械手：与球坐标特点相似，自由度更高，结构更为复杂。由于冲压机械手作用是实现冲压机床与冲压机床之间加工工件的传递，工作空间较小且需要实现的功能要求自由度比较低，因此结合以上各种机械手工作特点，考虑造价及实现难易程度，选定机械手为圆柱坐标型机械手。2图2.2 机械手机构简图.5 机械手主要部件及运动在选定机械手为圆柱坐标型的基本方案后，由于空间限制，机械手安放于两冲床之间需要左右摆臂，同时能上下升降，前后伸缩，以及使吸附的工件旋转，故机械手应具有4个自由

26、度即：手腕回转、手臂伸缩、手臂升降和手臂左右摆臂4个主要运动。其机构简图如右图2.2所示。基于机械手的4个主要运动，我们经过定位精度、可编程性、通用性、经济性等各方面考虑，初步确定：a.机械手手腕回转采用伺服电机通过同步带传动带动手腕旋转；b.手臂伸缩采用伺服电机通过同步带带动滑块沿直线导轨实现伸缩；c.手臂升降采用伺服电机带动滚珠丝杠，使丝杠螺母带动滑块沿直线导轨上下运动；d.手臂左右摆臂采用伺服电机带动转盘轴承实现手臂左右旋转。2.6 机械手的技术参数（一）机械手用途：冲压机床自动上下料（二）设计技术参数1) 抓重：最大4kg2) 自由度数：4个自由度3) 坐标型式：圆柱坐标型4) 最大工

27、作半径：1250mm5) 手腕运动参数：回转范围: 3606) 手臂伸缩参数：伸缩行程:600mm；伸缩速度:1000mm/s7) 手臂升降参数：升降行程：350mm；升降速度：200mm/s8) 手臂旋转参数：旋转范围：120；旋转速度：360/s2.7 本章小结本章从宏观角度对机械手进行了总体方案的设计与分析，经过各方面对比考虑确定了机械手的基本形式以及自由度，初步确定采用伺服电机提供动力，并列出了机械手在设计中的一些必要的技术参数。下面的设计计算将以此进行。7 3 执行机构的设计3 执行机构的设计3.1 手腕部分的设计手腕位于第二章图2.2上所示位置，其位于手臂之上，具体结构为伺服电机通

28、过减速器带动同步带传递动力给手腕处。3.1.1 手腕处轴承的选择计算条件:根据实际设计需要拟选用内径为d=25mm的深沟球轴承，转速约30r/min，其径向载荷约Fr=100N，轴向载荷约（包括额定抓重与其手部重量等），工作寿命（为机器总设计寿命，系数0.5为在工作时间内手腕工作的时间所占比例）。设计计算：查机械设计手册（成大先第五版）轴承选型表，试选取轴承代号61805，d=25mm，基本额定动载荷，滚珠直径为，滚珠数量为，基本额定静载荷。, 查表得：轴径载荷比，X=0.56，Y=2.022，径向当量动载荷：查表得：冲击载荷因数为，温度因数为，速度因数为，寿命因数为，力矩载荷因数为轴承618

29、05的动载荷，故选取合适。校核轴承的额定静载荷：，取，取，故轴承61805满足要求。3.1.2 手腕驱动伺服电机与减速器的选择由于结构的限制拟采用伺服电机带动减速器，减速器通过安装的同步带轮传动至手腕处。计算条件：手腕处加以抓重预估计重量为，估计工件直径，手腕处转速最高。设计计算：计算工件转动惯量：假设减速器连同同步带轮总共减速比为,则折算到伺服电机上的转动惯量为。按照负载惯量3倍电机转子惯量的原则：查相关产品手册，选用电机，则, , ，取校核输出转速：，满足要求。因为使用条件扭矩很小，故忽略扭矩计算。考虑尽可能选取级数较低的减速器，以便减少重量以及空间占用量，同时保证较高的精度，根据结构选择

30、一级减速器直角型，查相关手册，一级减速器最高减速比为，故应设计同步带轮减速比为。3.1.3 传动同步带的选择与相应带轮的设计计算条件：由上一节知，同步带轮减速比为2，工件由静止加速至转速30r/min即其角速度为时，大约需要时间为，则所需要做的功为平均功率，最大功率约为。设计计算：计算设计功率(为工况系数）拟选用圆弧型同步带，查机械设计手册，由及,选择带节距为的同步带。确定小带轮齿数：，查相关图表，最少齿数为，根据相关结构选择小带轮齿数为。小带轮节圆直径带速：（为允许最大转速），故带速齿数合适。由传动比，得大带轮齿数大轮节圆直径根据结构需要初定中心距约为，9 则初定带节线长度查设计手册，得同步带节圆长，齿数。为使得同步带可以良好配合于带轮，故将其设计为中心距可调的结构，则实际中心距小带轮啮合齿数，故选择合适。查表得基准额定功率，查表得圆弧齿带长系数,小齿轮啮合系数。查机械设计手册得基准带宽，故带宽查相应表格，选定带宽为15mm。相应同步带轮根据结构等参数可见附图。3.1.4 手腕部分小结图3.1 机械手手