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毕业设计(论文)-四自由度工业机械手的设计.doc

毕业设计(论文)-四自由度工业机械手的设计

yang媛媛y
2017-10-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《毕业设计(论文)-四自由度工业机械手的设计doc》,可适用于战略管理领域

毕业设计(论文)四自由度工业机械手的设计山东大学姓名,论文摘要本次毕业设计的题目为四自由度工业机械手的设计。本设计是根据三年专科所学的课程进行的~主要有:机械零件设计~机械零件图测绘~液压与气动技术~PLC电子编程技术~理论力学~工程力学等。设计共分为六章~第一章绪论是说明本次毕业设计的目的~意义~研究范围及要达到的技术要求~简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。第二章总体设计以及总体说明~对工业机械手的工作原理、组成及其种类型式进行介绍~确定整个机械手的总体方案。第三章工业机械手的机械部分设计~是介绍各部件的选择及相关数据的确定、性能的分析和各参数的计算,第四章工业机械手驱动系统,气动系统,的设计~包括:回路设计~执行元件选择~控制元件选择以及动作顺序表等进行介绍。第五章工业机械手的电气控制系统的设计~主要介绍了PLC的程序梯形图。第六章是设计的总结。在本次的毕业设计中~能顺利的完成~最重要的是由三位优秀的~具有丰富经验的导师王晓初和李克天老师的详细耐心的解说~教导。而本人也通过《毕业设计指导书》、《机械设计手册》、《可编程序控制器》以及参考其它有关机械手设计的专业书籍,经过十三周的努力终于把此毕业设计编制而成。关键字:机械手~气动系统~PLC~目录绪论―――――――――――――――――――――――――――――――――――(课题设计的论述――――――――――――――――――――――――――――((工业机械手的技术概述――――――――――――――――――――――((现状及国内外发展趋势―――――――――――――――――――――――(工业机械手设计的基本步骤――――――――――――――――――――――总体设计――――――――――――――――――――――――――――――――――(设计的基本内容――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――((总体说明((驱动方式的选择和设计―――――――――――――――――――――――((整体机构的确定――――――――――――――――――――――――工业机械手的机械部分设计–――――――――――――――――――――――工业机械手的规格参数―――――――――――――――――――――――――工业设计手的参数计算――――――――――――――――――――――――手部质量计算―――――――――――――――――――――――――――机械手的爪部夹紧气缸的选择―――――――――――――――――――腕部传动气缸的选择―――――――――――――――――――――――伸缩气缸的选择――――――――――――――――――――――――――对伸缩导杆的校核―――――――――――――――――――――――――配重计算―――――――――――――――――――――――――――――升降部分计算―――――――――――――――――――――――――――对升降导杆的核算――――――――――――――――――――――――挠度计算―――――――――――――――――――――――――――――转台型齿杆式回转摆动气缸的计算――――――――――――――――工业机械手的控制部分设计―――――――――――――――――――――――(回路计算――――――――――――――――――――――――――――――――(执行元件选择――――――――――――――――――――――――――――――(控制元件选择――――――――――――――――――――――――――――――(执行元件用气量的计算和空压机的选择――――――――――――――――――(气动元件的清单―――――――――――――――――――――――――――――动作顺序表―――――――――――――――――――――――――――――――电气控制系统设计――――――――――――――――――――――――――――(电气控制方案设计和元件的选择―――――――――――――――――――――(PLC控制系统设计及PLC及IO端口分配图的设计――――――――――――(PLC梯形图的设计――――――――――――――――――――――――――――(PLC的控制程序――――――――――――――――――――――――――――――总结致谢参考文献绪论(课题设计的论述机械是现代社会进行生产的主要要素之一机械制造工业是现代工业化国家的基础工业是我国社会主义现代化的重要领域之一。机械设计是从使用要求等出发对机械的工作原理结构运动形式力和能量的传递方式以至各个零件的材料和形状尺寸以及使用维修等问题进行构思分析和决策的工作过程这种过程的结构一般要表达成设计图纸说明书以及各种技术文件。机械设计是机械生产的第一步是决定产品性能及影响产品制造过程的首要环节。因此机械设计课程是讲授一般工作条件和常用参数范围内的通用设计的课程。((工业机械手的技术概述工业机械手的工作原理和分类原理机械手是一种模仿人手动作并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。分类工业机械手的种类很多按使用范围可分为:专用机械手、通用机械手。专用机械手一般附属于工作机器设备动作程序固定驱动系统和控制系统可以独立亦可以附属与工作机械设备。通用机械手独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内其动作程序是可变的通过调整可在不同场合使用驱动系统和控制系统是独立的。按驱动方式可分为:液压机械手、气压机械手、电动机械手和机械式机械手。液压机械手输出力大传动平稳。如采用电液伺服机构可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格油温对油的粘度影响较大。气压机械手气源方便输出力小气压传动速度快结构简单成本低。但工作不大稳定冲击大在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。电动机械手直接用直线电机功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动动力源简单不需要能量转换机构维护使用方便。机械式机械手由工作机械带动机械手运动工作可靠动作频率高结构简单成本低。但动作固定不可变。按控制系统可分为:点位控制、连续控制。点位控制只能控制工业机械手运动的几个点的位置运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用的工业机械手均属于此类。连续控制工业机械手按给定的速度沿给定的路线(轨迹)实现平稳准确的运动。特点是设定点是无限的整个运动过程都要求在控制之下。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。工业机械手的自由度所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作不计在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少决定着工业机械手动作多样化的程度。自由度数越多它的动作越灵活应用越广。但同时也使控制系统和机械结构越复杂定位精度难以保证整机的造价高自重大。所以应按生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目为,,,个。(工业机械手手臂的坐标形式按照工业机械手手臂所具有的运动及其组合情况若以坐标形式可分为下列四种:()直角坐标式手臂的运动是由三个直线运动组合而成。()圆柱坐标式手臂的运动是由两个直线运动和一个回转运动组成。()球坐标式手臂运动是由一个直线运动和两个回转运动组成。()关节式手臂运动是由三个回转运动组成。工业机械手的结构组成目前国内工业机械手的种类和型式比较多。从结构型式分析主要由执行机构、驱动系统和控制系统等组成。执行机构由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。手部它具有人手某种单一动作的功能。是机械手直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件要求其抓取工件牢固、定位准确、小损伤工件。由于抓取物件的形状不同手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单制造容易故应用较广泛平移型结构比较复杂应用较少。平移型手指夹持圆形零件时工件直径变化不影响其轴心的位置因此适宜夹持变化范围大的工件。手腕手腕是连接手部和手臂的部件用来改变或调整工作的方位(即姿势)。它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动如有特殊要求(将轴类零件放在顶尖上将筒类、盘类零件卡在卡盘上等)手腕还可以有小距离的横移。也有的工业机械手没有手腕。手臂手臂是机械手执行结构中的部件。其作用是将被抓住工件传送到规定位置上它具有手臂伸缩、升降、回转三个自由度。工业机械手的手臂是支撑通常由驱动手臂运动的部件(如油、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合以实现手臂的各种运动。行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作时可在机座轮轨道等行走机构以实现工业机械手的整机运动。驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡位)系统组成。((现状及国内外发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(工业机器人性能不断提高(高速度高精度高可靠性便于操作和维修)而单机价格不断下降平均单机价格从年的万美元降至年的万美元。(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。(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高控制柜日见小巧且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性易操作性和可维修性。(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。(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。(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。(机器人化机械开始兴起。从年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从年代“七五”科技攻关开始起步在国家的支持下通过“七五”“八五”科技攻关目前已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设计技术运动学和轨道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其中有多台套喷漆机器人在二十余家企业的近条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来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在应用规模上我国已安装的国产工业机器人约台约占全球已安装台数的万分之四。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划搞好系列化通用化模化设计积极推进产业化进程我国的智能机器人和特种机器人在“”计划的支持下也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人米水下无缆机器人的成果居世界领先水平还开发出直接遥控机器人双臂协调控制机器人爬壁机器人管道机器人等机种在机器人视觉力觉触觉声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作有一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术遥控加局部自主系统遥控机器人智能装配机器人机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步与国外先进水平差距较大需要在原有成绩的基础上有重点地系统攻关才能形成系统配套可供实用的技术和产品以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。(工业机械手设计的基本步骤工业机械手设计的步骤包括以下:(根据机械手的功能要求选定其的类型(分析机械手的工作情况确定作用在机械手上的载荷。(根据工作情况分析判定机械手的失效形式从而确定其计算准则。(进行主要的参数选择根据计算准则求出零件的主要尺寸选择材料考虑热处理及结构工艺性要求。(进行对机械手结构分析。(绘制零件图制订技术要求。总体设计(总体设计((总体设计工业机械手是一种模仿人手动作并按设定的程序轨迹和要求代替人手抓搬运或操作工具或进行操作自动化装置。机械手的总体设计要进行全面综合考虑尽可能使之做到结构简单紧凑容易操作安全可靠安装维修方便经济性好。为了提高机械手的运动速度和控制精度在保证机械手有足够强度与刚度的条件下尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量力求选高强度轻质材料通常用高强度铝合金制造。据设计题目给出的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构其中已确定的各项有:(本工业机械手是通用机械手是一种具有独立控制系统的程序可变动作灵活多样的机械手。通用机械手工作的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生产。本工业机械手的控制定位方式是简易型的点定位控制因此其控制系统不是很复杂。(本工业机械手是圆柱坐标的坐标型式其手臂的运动系由两个直线运动和两个回转运动所组成即沿X轴的伸缩沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。特点:占地面积小而活动范围大结构较简单并能达到较高的定位精度应用广泛但因机械手结构关系沿Z轴方向移动的最低位置限制故不能抓取地面上的物体。(本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动:手臂的升降手臂的升缩手腕部回转(手臂回转。根据给出的工业机械手的规格参数还需确定其余各部件的设计。((驱动方式的选择和设计根据有关资料的显示现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种主要以下几种方式并进行比较选择:(液压传动机械手是以油液的压力来驱动执行机构的机械手但对密封装置要求严格不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大影响且不宜在高温低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统可实现连续轨迹控制使机械手的通用性扩大但电液伺服阀的制造精度高油液过滤要求严格成本高(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:介质来源极方便不污染环境工作可靠气动动作迅速结构简单成本低操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特点工作速度的稳定性较差而且气源压力较低抓重一般在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。(机械传动机械手:既由机械传动机构(如凸轮连杆齿轮和齿条间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手其动力是由工作机械传递的。它的特点是运动准确可靠动作频率高但结构较大动作程序不可变。常被用于为工作主机的上下料。(电力传动机械手:即由特殊结构的感应电动机直线电机或步进电机直接驱动执行机构的机械手因为不需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有发展前途。综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求应选用气压传动来实现则其抓重和定位都可达到且结构可简单其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。因此本设计的四自由度工业机械手选用气压传动机械手作为驱动方式。((整体机构的确定(执行机构()手部:既与物体直接接触的部件采用夹持式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构构成。手指直接与物体接触传力机构采用斜楔杠杆式结构通过手指产生夹紧力来完成夹放物件其由气缸实现。()手腕:是联接手部和手臂的部件起调整或改变工件方位的作用。本系统则通过由回转气缸使手腕实现回转摆动实现方位的改变。()手臂:支撑手腕和手部的部件以改变工件的位置。其作用是带动手指去抓取物件并按预定要求将其搬到设定位置本系统采用气缸和回转气缸分别实现手臂的升降回转以及伸缩的动作。()立柱:以手臂的升降气缸兼作立柱以便实现该机械手的紧凑和简洁。()机座:是机械手的基础部分各结构部件均安装其上起支撑和连接作用。(驱动系统:系统才用气压传动方式。(控制系统:是支配工业机械手按规定的要求运动的系统。系统由可编程序控制器系统和行程开关电气定位以及相关的继电器系统组成的系统控制。(位置检测盒的放置:为操作和安全把电气控制箱置于机座上而把操纵盒以长距离远距离的操纵方式。操控人员可远离机械手操作。整个机构的位置布置初定大概如下所示:爪部夹紧缸手腕转动缸伸缩缸升降缸(回转缸)回转缸(升降缸)为了使整个机构尽量趋向于轻便简单在此我们尽量选取叶片型回转气缸将回转气缸放在升降缸之上但这一构想取决于叶片型回转缸的工作压力是否达到系统的压力要求所以此部分将留待往后再作决定。(手部结构根据已知的规格参数我们选择爪部通过汽缸推动楔块带动爪部杠杆运动的结构以此实现爪部张合的夹紧运动。杠杆与楔块接触的一端用弹簧连起以保证楔块缩回时杠杆端部始终与楔块接触。爪部的张合弧度可通过改变楔块的斜面角度和杠杆的长度和比例来调节。结构紧凑简洁受力性能良好定位误差小。直角坐标式工业机械手的机械部分设计(机械手的规格参数(抓重:N(额定抓取重量或额定负荷)(自由度:(坐标形式:圆柱坐标(最大工作半径:(手臂最大中心高(下降时):(手臂运动参数伸缩行程:伸缩速度:,s升降行程:升降速度:,s回转范围:,,,,,回转速度:,s(手腕参数回转范围:,,,,,回转速度:,,,,s(手指夹持范围:Ф,,,Ф,,(定位精度:,(驱动方式:气压传动(电气控制方式:PLC点位程序控制(电气操作方式:手动和自动(工业机械手的参数总体计算((机械手的质量工件的材质为钢结构,,ρ=,,×,,k,,,,,,钢工件的质量,,,,,(,)工件,,,,,,,,Kg,,,,,工件的体积(,),,,,ρ工件工件钢,,,mm当工件取Ф,,时面积应为,,,π(,)(,),,,×,,,,,,mm长度应为,,,,,(,),工件,,,,,,,,,,,mm当工件取Ф,,时面积应为,,π(,,)(,),,,π(,,,),,mm,,,,,长度应为,,,,,(,)工件,,,,,,,,,,,,mm手部各部分质量估算如下:,,,×××=mm爪部,,,×××=mm杆V=πrL=×××=mm螺栓,,,×,,,V手部爪杆螺栓,,×××=mm,,×,,手部,,,××=mm楔块,,×,,楔块,,,,,×,×,mm支承板,,×,,支承板,,,,,,×,,×,,,,,,缸所以总的质量,,,,,,,,,,,(,)总工件爪部爪部缸工件手部楔块缸支承板,,,,,,,,,,((机械手的爪部夹紧气缸的选择气缸夹紧力计算如下:,手指的角度:,θ,,,,b,C=根据手部结构,其驱动力为:P=,,×N×,,α,C(,)()根据手指夹持工件的方位可得握力公式:N,,,Nθ×,,,(,),,,×,,N×,,N则:P=,,×N×,,α,,,×××,,,N据公式:,P×K×Kη(,)实式中:η手部的机械效率一般取(,)K安全系数一般取(,,)α,工作条件系数主要考虑惯性力的影响,可近似按下式估算:,,,其,,,,,中α为被抓取工件运动时的最大加速度,为重力加速度(,,,,,米,秒)f为被夹持工件与手指接触的磨擦系数在这取f=一般手爪传动机构的传动效率取η=,故η,,,,,,,,若被抓取工件的最大加速度取α,,则:,=α,==,,,××=N实所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N,则根据公式:,,π,,,,(,)气缸,,,,,,π,,,,,,,,×(,,×,,)××气缸,,,,N,,,,,,N>,,气缸弹簧实际,,,,,N式中:D为气缸直径假设为mmP为气压假设为×Pa所以选用MDBB气缸合适(,,,,,,,,×,(,,,,,,,夹紧((腕部传动气缸的选择当工件取Ф,,时,,,,,,>,,,,,,,,,,,,,,,,,,则根据公式:,,,×(L,,),,,得:(,)工件,,,,,×(L,,),,,工件,,,,(,×(,(,,,×,(,,,),,,,,,(,,,,Kgm当工件取Ф,,时,,,(,,,<,,,,,,,,,,,,,,,,,,,则根据公式:,,,L,,,得:(,)工件,,,,L,,,工件,,,(,×,(,,,,,,,,,,(,,,,Kgm,因此,取,Ф,,,,(,,,,Kg,计算工件工件,,根据公式:J,,(,,),,,得:(,)手爪,,J,,(,,),,,手爪,,,,(,×(,(,,),,,,(,,,,(,,,,Kgm,,(,J)ω,(,)惯工件手爪,(,(,,,,,,(,,,,)×,(,,,,(,,,(,,,,Nm根据手腕回转受力图,得:,,,,,,(,)驱惯偏摩封为简化计算可不计密封装置处的摩擦阻力矩因此乘安全系数,(,即可,,,(,,,,,×,,,,,,,,,,Nm(驱惯所以选用,,,,,,,,,,,,,,大型叶片式回转摆动气缸(其参数为:,,,Nm(驱则由以上结果可得手腕回转受力如图,图,手腕回转受力图((伸缩气缸的选择(计算摩擦力:弯矩M的计算工件:,,,,,,,,,,,,,,,,(mm),爪部:,,,,,,,,,,,,,,,,(mm),腕部:,,,,,,,,,,,,,,,,(mm),导杆:,,,,,mm,,,,(,Kg,,,(,Kg(约为取),,,,,(,Kg(约为取),,,×,,,Kg(约为取),,,,,,,,(),,,,,××××××××N,根据手臂伸出时的受力状态得:,,,,,,(),,,,,,,,,,,,,,,()×,×,,,,(,,N根据:,N,,N,„„(,),,N=,f„„(,),解得:N,,,,,,,,,N,N,(,N,),,,(,×,,,,,,),,,,,,,N根据公式:,,fN()摩,××,N(其中:钢,青铜,,,(润)),,,,,××,,,,N,fN摩,,,,,,,N摩摩,摩,(惯性力计算,,,,()惯,(,,,,),,×,N其中,,,mm,S,,,,,,,,N摩惯,,,,(π,,)缸驱工作缸,××(×)×N所以SMCMB系列标准气缸MDBB合适查资料得:材料为铝合金的MDBB气缸行程为零时质量为g每增加mm行程则质量增加g,,×,g伸缩缸((对伸缩导杆的校核P,N,S(,),,(×),×Pa,MPa所以P<P,MPaV,,,,,,,××,×Pa,MPa<PV,MPa,,σ,,,,(,),(×)(π)×(×),,×,,,MPa所以σ<σ,MPa(钢σ,MPa),,,(π,,),ρ(,)伸缩导杆伸缩缸,,(×,)×××,,((配重计算偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量(作用在各自重心上)对手臂回转轴的静力矩用,表示手臂前伸时则偏重力矩为最大。若,,,,和,偏,,,,,,,分别为工件手部、手腕、手臂之重量和重心位置至手臂回转轴的距离,,,,则手臂手腕等部件的总重量,为:,,,,,,„„,Σ,(,),,,,,式中,表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的顺序号。各零部件的总重心位置距手臂回转轴轴线的距离为,其值为:ρ,(,,,,„„),(,,„„),,,,,,,Σ,,,Σ,厘米(,),,,其偏重力矩,为:,,,,Σ,,公斤厘米偏偏,,,当手臂处于伸长和回缩状态时立柱所受偏重力矩分别为:ρ,(,×,,×,,×,缩工件工件手爪手爪腕部回转缸腕部回转缸,×,,,×,),(,,伸缩导向伸缩导向伸缩缸伸缩缸工件手爪,,,)(,)腕部回转缸伸缩导向伸缩缸,(××××,×),()mm,,ρ,(,×,,×,,×,,缩工件工件手爪手爪腕部回转缸腕部回转缸伸缩导向×,,,×,),(,,,伸缩导向伸缩缸伸缩缸工件手爪腕部回转缸,,)(,)伸缩导向伸缩缸,(××××,×)(),mm,,,ρ缩缩,××,N,,,,ρ伸伸,××,N,由于要将偏重力矩减至最小因此配重取两者的中间值。,,N,ρ,mm,mm中间值中间值则:,,,,ρ,,,N配重中间值中间值,,,,,,,,kg配重配重,V,,,ρ,(×),×mm配重配重钢(,:,,,,:,,,h:,,)((升降部分计算工业机械手的回转和升降机构安装在底座上它们支承着手臂伸缩机构手腕和手部。升降导向立柱不自锁的条件因为手臂在总重量,的作用下有一顺时针方向倾斜的趋势而导套却阻止手臂这种趋势若导套对升降立柱的作用力为,和,,,根据升降立柱的力平衡条件得:Σ,,,,,,,,,Σ,(,),,,h,,ρ,,则:,,,,,h(,),所谓不自锁的条件就是升降立柱能在导套内自由下滑。从力的观点分析必须使,>,,,,,,,,,,,ρ,,,h,,,,所以:h>,,ρ式中:,摩擦系数。一般取这里考虑到摩擦的副作用则取。ρ偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立柱轴线间的距离。,,××××,kg托板,,,kg总,,,,,×,N惯总,,,,,,,,Nm总,伸配重ρ,,,,,(×),m,mm总,总,总,(h,mm>fρ,××,mm)总,,,××××,g,kg托连R,,,h,,N总,,,Rf,××,N摩,,×(,,),,驱惯摩总,连,×()××N,,,,,(πd)p,×××缸驱工作压力,N>,,N驱所以可选用MDBB,,,,,((对升降导杆的核算当手臂伸出到最大范围时回转中心所受的弯矩最大。根据公式:ς,,,,。(,)ς,,,,,,(π,)×(×)MPa<,ς,,MPa钢,ς,,MPa校核升降气缸缸头销:,,P,×××,N升降缸,σ,,,,,,,(πd)(,),(×)×(×),MPa<,σ,,MPaς,,,,,,bb,(×)×,MPa<,ς,,MPa所以此销安全。,b((挠度计算考虑导杆在全伸出时挠度最大。G工件=×=NG手爪=×=Nmm=×=NG手腕G手部和工件=,工件,手爪,手腕=NG手部和工件工件重心到导向套端面距离=,=mm手爪重心到导向套端面距离=,=mm手腕重心到导向套端面距离=,=mm工件及手部总重心到导向套端面距离=×××)=mm将导杆看作是悬臂梁,根据挠度计算公式:y(手部)=G×(CEI)×(L,C)(,)考虑到是双导杆,每个导杆的径向受力为×G手部和工件查表得E钢材=×Pa导杆的极惯性矩I=П×D=П×=mmC=mm手爪夹持中心到导向套端面距离L==mmy(手部)=×G手部和工件×(CEI)×(L,C)=×(×××)×(×,)=mm经过核算,导杆挠度基本符合要求。((转台型齿杆式回转摆动气缸的计算根据公式:,,,,,,,,,(,)总,工件爪部腕部回转缸伸缩缸伸缩导向配重托板,,,,,,,,,总,工件爪部腕部回转缸伸缩缸伸缩导向配重托板,,kgρ总,,(××××××),mm,,m,J,(,)(L,)(,)总,,J,(,)(L,)总,,×(),×kgmm,kgmJ,J,ρ总,,×(),kgm总,总,,,,kg升降,J,(,)(,),×()升降,××kgmm,kgmJ,JJ,,kgm总升降,,J(ω,),(×),Nm惯总,,,,×,Nm驱惯,,Nm>Nm手臂回转缸可选用SMCMSQ系列转台型齿杆式回转摆动气缸气缸MSQBA。直角坐标式工业机械手的控制部分计算(回路计算气动执行元件的工作顺序图:)第一次上升)手臂伸出)手爪夹紧)延时)手臂缩回)手腕反转)第一次下降)回转台反转)手腕正转)第二次手臂缩回)延时)手爪松开)第二次手臂伸出)回转台正转(执行元件选择类型与主要尺寸参数如下表(表,)表,类型与主要尺寸参数`全行气缸内径活塞行耗气程或标号mm杆直程量马达径mmcms需mm要s)指夹紧MDBB时部缸(腕叶片CDRBBWS~部马达臂伸缩CDABN缸部升降MDBB缸齿轮QGKRSDTE~齿条马达耗气量计算查《机械设计手册》可得计算公式有杆腔:Q=π(Dd)S(t)(,)无杆腔:Q=πDS(t)(,)Q每秒钟压缩空气消耗量D气缸内径(大径)d气缸活塞杆直径(小径)S气缸行程t杆单向伸缩时间)夹紧缸:已知缸径D=米行程s=米全行程需时间t=秒代入,式可算出压缩空气量:Qa=π×(×)cms)伸缩缸:已知缸径D=米小径d=米行程s=米全行程需时间t=秒代入,式可算出压缩空气量:Qb=π()×(×)cms)升降缸:已知缸径D=米小径d=米行程s=米全行程需时间t=秒代入,式可算出压缩空气量:Qc=π()×(×)cms)腕部马达耗气量:根据公式可可算出压缩空气量:G=pznV(RT)(,)Q=GRTP(,)Q=pznV(RT)RTPd=××Z××V(×)=ZVmmin注意:由于Z和V的具体参数不全,故具体的数据不能算出举有关资料显示其值小于cms)臂部马达耗气量:Q=pznV(RT)RTPd=××Z××V(×)=ZVmmin由于Z和V的具体参数不全,故具体的数据不能算出举有关资料显示其值小于cms(控制元件的选择)选择类型根据系统对控制元件的工作能力及流量要求按照气动回路原理图初选各控制阀如下:主控电磁换向阀:为SMC之VF系列和SMC之SY系列单向节流阀:其型号为LAL)选择主控电磁阀对夹紧缸主控电磁换向阀的选择因夹紧缸要求压力PaMPa流量Qa=cms查《机械设计手册》表可选得阀的通径为mm。对伸缩缸主控电磁换向阀的选择因伸缩缸要求压力PaMPa流量Qa=cms查《机械设计手册》表可选得阀的通径为。对升降缸主控电磁换向阀的选择因升降缸要求压力PaMPa流量Qa=cms查《机械设计手册》表可选得阀的通径为。对马达主控电磁换向阀的选择因马达要求压力PaMPa流量Qa=cms查《机械设计手册》表可选得阀的通径为。从上可知为了使元件尽量统一利于互换性和便于维修故主控电磁换向阀都选择通径为的阀。结合以上数据参考资料(SMC公司的《四通先导式电磁阀VF系列橡胶密闭》)选得阀如表,:表,元件的种类执行元电磁阀数量配合管道(OI)速度控制器件夹紧缸SYDGC个φmmAS腕马达VFGB个AS伸缩缸VFGB个AS升降缸VFGB个AS臂马达VFGB个AS)选择减压阀和其它气动动助件过滤器、减压阀、油雾器集全起来统称为气源三大件。同主控电磁阀的选择一样考虑到系统的工作压力和流量以及各执行元件因联锁关系不会同时工作的特点即按其中压力、流量最大的一个执行元件来选择减压阀的其它阀。P=MPaQ=cms选择方大气动C系统气源三大件:QFLJWCL。)确定管道直径、验算压力损失选管道直径据管道直径的和阀的通径相一致的原则同时考虑各执行元件和同时工作的特点初定各段管径如上表,所示。而总气源管的气管管径:因Q=πDV=πdVπdV则D=(dd)=()=mm取标准管径:D=mm验算压力损失预设供气压力为MPa压力损失为PKpaA、沿程损失由于设计系统的管道很短故此项损失很小可在总压力损失时计入系数。(K=B、局部压力损失管路损失也是很小的这理主要表现在流经元件辅件的压力损失。减压阀和节流阀的压力损失较小其余损失为系统回路和气控回路和:P=PPP(,)r换向阀油雾器水滤气器查《机械设计手册》表。可得各压降值P=KPa换向阀P=KPa油雾器P=KPa水滤气器P=PPPr换向阀油雾器水滤气器=KpaKpaKpa=Kpa总的压力损失为:P=KKP=××=KpaKparPP说明所选的阀和管道通径是合格的。)中央控制阀的功能中央控制阀上面集成了电磁阀风缸速度调整和缓冲等重要功能。电磁阀Y得电,压缩空气经Y到速度节流阀C和D,A原理:当接受到伸的指令时,借口进入驱动风缸右腔,推动活塞向左运动,驱动风缸的空气从A、D口排出当活塞想左运动接近终点的时A口被辅助活塞堵上空气只能从D排出实现运动终端的缓冲效果。通过调节速度节流阀和缓冲节流阀达到控制运动速度的效果。如图,为风缸速度调整,为缓冲原理。图,风缸速度调整图,缓冲原理(执行元件用气量的计算和空压机的选择、各执行元件的压缩空气用气量如上计算将其和一些数据列入下表夹紧缸的压缩空气用气量Q=Q(pp)p(,)aQ=Q(pp)pa=×(××)(×)=cms同理可得:伸缩缸和马达的压缩空气用气量:Q=cmsb升降缸的压缩空气用气量:Q=cmsb结果记入下表:表,大气计算公部耗气量工作压自由空气工作缸或马达压式件cms力MPa量cms时间SMPa指夹紧缸部腕叶片马达部Q’=Q(pp伸缩缸)p臂升降缸部齿轮齿条马(达、气缸的理论用气量查《机械设计手册》得公式:Q=iaQt(,)zQ一台设备在一个周期内的平均用气量cmsza气缸每一往复的作用次数:单作用缸a=双作用缸a=T系统一次工作循环时间(S)Q某个执行元件一个行程的用气量cmst某个执行元件一个行程的时间S由公式,可知气缸理论用气量为:Q=iaQtz=××××××××××)=cms考虑系统泄漏取泄漏量为用气量的及其总系数为则系统工作用气量为:Qg=××Q=××z=cms=×cms=mmin、气罐容积计算公式:Vc=×QT(pp)(,)Q使用需要的空气消耗量zT储备气最小工作时间P贮气罐的空气压力P用气需要的工作压力由公式,得Vc=×QT(pp)=××(××)(××)m、选择空压机根据《机械设计手册》表。选取容积式压缩机。由:系统用气量Q=mmin,gV=m可选得VDc其额定排气量mmin额定排气压力MPa电动机功率KW压气机储气罐容积m总重Kg生产厂:长春空气压缩机厂(气动元件的清单方向阀是SMC公司的缸、气源三大件和马达是方大气动公司的其他由《机械设计手册》查得:如表,表,元件名标记(数量)电磁换向阀(数配合官其它元件及其量)道数量夹紧缸MDBBSYDGCφmm单向节流阀LAL(个)气源三大件腕部马达CDRBBWS()VFGBQFLJWCL(件)空压机手臂伸缩CDABNVFGBV(缸台)阀的汇流板手臂升降MDBBVFGBWFS缸(个){SMC}手臂马达QGK=RSDTEVFGB总气源管直径mm(动作顺序表电气控制系统设计(电气控制方案设计和元件的选择可编程控制器具有通用灵活、抗干扰能力强、可靠性高、易于编程、使用方便、安装简单、便于维修等特点,可见可编程系统PLC作为电气控制系统具有一般继电器系统所没有的很多优点。考虑到三菱PLC系统是世界上知名和成熟的系统而且由于机械手用到的端口接点并不多故本设计选用三菱PLC系统FMR作为机械手的气动控制系统。(PLC控制系统设计及PLC及IO端口分配图的设计PLC端口分配图设计输入部分包括手动控制、自动控制、停止、急停保护和手动单个动作操作以及行程开关输入接点。输出部分为驱动电磁阀线圈的个输出接点和四个表示功能方式转换的信号输出接点。机械手PLC动作流程图:见《动作流程图》。IO端口分配图:见《IO端口分配图》。(PLC梯形图的设计)考虑到双动电磁阀的两侧线圈不能同时带电故在梯形图的设计中将输出驱动线圈回路加入互锁功能保证双动电磁阀两侧线圈不会同时通电。)由于手动和自动控制按钮的常开接点在按下启动后自行复归断开。故在手动和自动启动回路中设计自锁回路以保证在启动按钮复归后仍可维持输出辅助继电器接点的接通闭合。)考虑到手爪的夹紧动作适合使用延时控制防式故在梯形图中使用时间继电器进行手爪夹紧气缸的电气控制同时可以节省两个输入接点。)自动循环的功能由时间继电器接点和行程限位共同串联启动。(PLC的控制程序PLC的控制程序如下:LDXORYANIXANIXANIMOUTYOUTMLDMMPSANDXANIXORYORXANIYOUTYMRDANDXOUTCKMRDANDXORYANICOUTYOUTTKMRDANDTORYORTANIXOUTYMRDANDXOUTCKMRDANDXORYANIXANICOUTYOUTYMRDANDXORYANIXOUTYMRDANDCOUTYOUTTKMRDANDCANIXOUTYMPPANDXRSTCRSTCLDXORXORYOUTYEND心得体会经过本次的工业机械手设计本人对机械设计原理液压气路控制以及PLC的编程等知识已经从原来的肤浅认识到有深入的了解能得到本次这么丰富的知识积累也是对本人在以后的工作道路上的成功的保证。通过这设计也能趁这段宝贵时间对自己在这四年当中所学到的知识作一次全面的检阅和加强绝对是一件非常有意义的事情。随着设计的不断深入很多意想不到的问题也随之出现这使我们感觉到自身知识的不足明白到当初学校为我们所设置的课程在应用中的意义。所以我衷心感谢学校在这四年对本人的教育能使我学到工作以外的文化知识也感受的学校里的老师对同学的热切关怀希望学校的所有老师的文化教育水平能随时间的增长而更进一步~致谢在整个设计过程当中全组上下都工作得十分愉快。我们特别要感谢具有丰富经验的李克天老师的指导从老师的身上我们明白到自己的不足往后我们还要不断努力充实和完善自己。这次毕业设计历时十周我们在本课题的指导导师李老师的悉心指导下顺利地完成了设计任务。老师不但有严谨的治学态度很高的学术研究水平还有丰富的实践经验因此在老师的指导和帮助下我们设计过程中遇到的各种问题都迎刃而解并且还学到许多课本上没有的知识和经验拓宽了我们的视野加强了我们对过去几年所学知识的理解和综合运用同时也提高了我们理论联系实际的能力真是获益良多。在此我们小组的同学向老师致以最衷心的感谢~感谢老师在过去两个多月的时间里对我们不辞劳苦的教导~也真挚地祝愿李老师在以后的教学科研生涯中不断地取得丰硕的成果~参考文献、同济大学上海交通大学何铭新钱可强主编高等教育出版社《机械制图》、王晓初主编学校出版《可编程序控制器》、东南大学章宏甲上海工业大学黄宜编写机械工出版社《液压传动》年月、刘鸿文主编高等教育出版社《材料力学》(第三上下册)年月、清华大学王先逵主编机械工业出版社《机械制造工艺学》年月、西北工业大学濮良贵纪名刚主编高等教育出版社《机械设计》(第六版)年月、何元庚主编高等教育出版社《机械零件与机械原理》年月、SMC公司的《五通先导式电磁阀VFS系列金属密封闭》、《SMC产品样品(版)》年月、《肇庆方大产品样品(版)》、可编程序控制器使用手册(三菱公司)《机械零件设计手册》(第三版上册)东北大学编写冶金工业出版社年月、余灏主编机械工业出版社年月《机械设计手册》(第一版第卷)第一版第卷)《机械设计手册》(《机械设计手册》(第一版第卷)《机械设计手册》(第一版第卷)《机械设计手册》(第一版第卷)、王承义编写机械工业出版社《机械手及其应用》年月、东北工学院郑洪生主编机械工业出版社《气压传动》年月、曲以义编写上海交通大学出版社《气压伺服系统》年月、上海大学史美堂主编上海科学技术出版社《金属材料及热处理》年月、赵容主编辽宁科学技术出版社《互换性与测量技术基础》年月、《工业机械手设计》学校主编年月

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