运送铝活塞铸造毛坯机械手设计.doc
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1、学士学位论文运送铝活塞铸造毛坯机械手设计摘 要在机械手的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定机械手工作方式,利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器人的旋转运动;利用一个液压缸,使手臂实现上下运动;考虑到本设计中的机器人工作范围不大,故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动;末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器,用小型液压缸驱动夹紧。此次设计机械手的主要任务有:各部分机构的关系概述、技术参数的分析、夹持器的设计、伸缩液压油缸的设计、机械手臂的设计、步进电机的选择、轴承的选取、计算
2、机控制系统的设计、运行安全的要求等。关键词 机械手;夹持器;步进电机Transport of Aluminum Piston Casting Blank Design of Mechanical HandAbstractIn the many functions of industrial robots, crawling and moving is the most important feature. Technical basis to achieve these two features are compact mechanical design and excellent servo
3、 control drive. This design is expanded in this thinking. Industrial robots work to determine the content and design according to the needs, the use of stepper motor drive and bevel gear drive to achieve rotational motion of the robot; utilizes a hydraulic cylinder, the arm moves up and down to achi
4、eve; taking into account the design of the robot is not the scope of work, it is driven by a hydraulic cylinder telescopic arm movement to achieve; ends of the gripper is adopted chute leveraged Rotary gripper clamping with a small hydraulic cylinder. The main task of the design of the robot are: th
5、e choice between an overview of the various parts of the organization, the technical parameters of the analysis, design holder, telescopic hydraulic cylinder design, robot design, stepper motor, bearing selection, computer control system design, operational safety requirements.Keywords Dustrial robo
6、ts;Gripper;Stepper motor目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 国外工业机器人的现状及发展趋势11.2.1 国外工业机器人的现状11.2.2 国外工业机器人的发展趋势21.3 国内工业机器人的现状与发展趋势31.3.1 本研究的目的与意义41.4 课题的提出4第2章 机械手的总体设计52.1 机械手的组成及各部分关系概述52.2各部分的主要功能51、执行机构52、驱动系统63、控制系统64、检测系统62.3机械手的设计分析62.3.1设计要求62.3.2总体方案拟定62.3.3机械手主要技术性能参数6第3章机械手的系统设计83.1 机械手
7、的运动系统分析83.1.1 机器人的运动概述83.1.2 机器人的运动过程分析93.2机械手的执行机构设计103.2.1末端执行机构设计103.2.2 设计时要注意的问题:103.2.3总体结构设计113.2.4 液压油缸的选择和夹紧力的校验113.2.5 弹性爪的强度校验133.3 手臂机构的设计143.3.1 手臂的设计要求143.3.2伸缩液压油缸的选择143.4 腰部和基座设计153.4.1 结构设计153.4.2 步进电机的选取153.4.3轴承的选取193.4.4齿轮的选取19第4章 机械手计算机控制系统概述214.1 机械手控制系统的特点及对控制功能的基本要求214.2 计算机控
8、制系统的设计方案214.3 硬件电路的组成224.4 电路接口说明23第5章机械手运行时应采取的安全措施255.1 安全要求255.2 实施方法25结论27参考文献28致谢30IV第1章绪论1.1 课题背景第一台Unimate型Robot在美国问世至今已45年了,机器人技术正在以超乎一般人所预料的速度向前发展,对机器人这一概念的理解及定义也在变化。1984年末著名科学家钱学森指出:“所谓机器人,就是指那些具有特定功能的自动机,它是机电一体化的,具有人工智能因素的20世纪80年代高技术,是新技术革命的重要内容之一。”这是最有权威和精辟归纳的定义,也为20年来的实践所证实其远见卓识。机器人是人类2
9、0世纪的重大发明之一。据国外有关专家预测,21世纪将是机器人技术革命的世纪,机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。在非常规和极端制造过程之中,工业机器人是不可缺少的自动化装备。1.2 国外工业机器人的现状及发展趋势1.2.1 国外工业机器人的现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外有关专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会(
10、IFR)统计,世界机器人市场前景看好,从20世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代,机器人产品发展速度加快,年增长率平均在10%左右,2000年增长率上升到了15%,预计21世纪初,工作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告指出,“机器人技术(RT)与信息技术(IT)一样,在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪的日本产业竞争力的产业战略之一,具有非常重要的意义。”最近,韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划(20032007年),现正在实施中。 机器人广泛应用
11、于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前,全球现役工业机器人83万余台。过去10年,机器人的价格降低约80%,现在继续下降,而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上,可能高达15年,它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平,提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大作用,加之成本大幅度降低和性能的迅速提高,其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会(UCENE)统计,2001年机器人安装量为7.8万台套,年增长率9%。机器人的应用主要有两种方式,一种是机器人工作单元,另一种是
12、带机器人的生产线,并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量柔性生产发展方向,具有广阔的市场发展前景和强劲生命力,已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家,机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业,年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人的自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据日本工业机器人协会统计,早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元,经过70年代的应用期和80年代的普及期,1981年产值
13、达到1000亿日元,到1991年提高到6000亿日元,到2000年,其产值已达到10800亿日元,2005年将达到18500亿日元据国际机器人协会统计,2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比,2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计,工业机器人的世界市场将从2002年的68600台套增长到2006年的91100多台套,年平均增长达7.4%。1.2.2 国外工业机器人的发展趋势机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域,是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科的发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来
14、越广阔,其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强,并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变,向以人为中心的个人化和微小型方向发展,并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术(RT)概念转移;从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业的发展。机器人技术(RT)的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前,工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展,其发展趋势主要为:结构的模块化和可重构化;控制技术开放化、PC化和网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化;多传感器融合技术的实
15、用化;工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化 和智能化等方面。1.3 国内工业机器人的现状与发展趋势 我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初,到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作的状态,发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划,发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下,我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面:诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究,机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究,机器人内外部传感器研究与开发,具有多传感器控制系统的研究,离线编程技术
16、、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展,并在实际工作中得到应用。 在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面:诸如交直流伺服电机及驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。 在机器人控制装置研制方面:已开发出具有双CPU、多CPU和分级分层控制的机器人控制装置多台,主控计算机的档次也逐渐升级。 在机器人操作机研制方面:已开发出一些先进的操作机器人和特种机器人,如AGV(自动导引车),壁面爬行机器人,重复定位精度为O.024mm的装配机器人,可潜入
17、海底6000m的水下机器人,移动机器人,移动遥控机器人,主从操作机器人等,有些已达实用化水平并用于实际工程。 在机器人的应用工程方面:目前国内已建立了多条弧焊机器人生线,装配机器人生产线,喷涂生产线以及焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力,整体性能已达到国际同类产品的先进水平,而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半,具有很好的性价比和市场竞争力。 据统计,“九五”期间,我国工业机器人的需求量以每年30以上的速度增长。2000年,我国工业机器人的拥有量约为3500台,其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主,销售额达67亿元。1
18、9862000年产品销量如表3所示。据有关专家预测,我国机器人2005年拥有量将增至7600台,年销售额为28.7亿元;2010年拥有量为17300台,年销售额为93.1亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展的趋势,到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现,并给用户带来了显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高,机器人自动化线的市场也会越来越大,并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备市场刚刚起步,而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期,这就给机器人自动化生产线研究开发者带来了巨
19、大商机。据预测,目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等,年需求此类自动化线就达300多条,产值约为60多亿元人民币。预计在2005年左右需求此类自动化生产线达到600条。据初步测算,“十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达800多亿元人民币。 我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小,这与当前市场需求有较大差距。生产规模达到大批量生产的能力,才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本,才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求,将推出一批新机型,如大负载、高精度、蛇形、无人飞行器以及家用、病人
20、护理、盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地,开发出一批有市场前景的,具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作,引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地,占领国内市场,走向世界舞台。1.3.1 本研究的目的与意义工业机器人是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,工业机器人被广泛的运用于自动生产线中,工业机器人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发展起来的一门新兴的技术,它更加促进了工业机器人的发展,使得工业机器人能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。工业机器人虽然还不如人手那样灵活,但它具有能
21、不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,工业机器人已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。1.4 课题的提出在设计工业机器人过程中,培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力,将大学四年所需的知识融会贯通。第2章 机械手的总体设计2.1 机械手的组成及各部分关系概述机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。其组成及相互关系如图2-1所示:图2-1机器人各组成及关系图2.2各部分的主要功能1、执行机构执行系统:执行系统是机械手完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。手部:机器人为了
22、进行作业而配置的操作机构,又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。臂部:联接机座和手部的部分,是支承腕部的部件,作用是承受工件的管理管理荷重,改变手部的空间位置,满足机器人的作业空间,将各种载荷传递到机座。机身:机器人的基础部分,起支撑作用,是支撑手臂的部件,其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。2、驱动系统驱动系统:为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的有:机械传动、液压传动、气压传动和电传动。3、控制系统控制系统:通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生错误或故障时发出报警信号。
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