数控机床上下料机械手设计毕业设计论文.doc
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1、 摘要通过大学本科四年对机械设计制造及其自动化专业的所学知识进行整理,对工业机器人各部分机械结构设计和功能的论述和分析,设计了一种的用于机床上下料的机械手。本设计的主要内容是5R关节型机械手的结构设计,上下料机械手的主要任务是在各个加工工序的数控机床和自动生产线上运送工件,能实现生产工序上下料自动化。针对各个关节处采用独立的电机驱动。各个操作臂由五个转动副串联而成,操作臂包括基座、腰部、手臂、腕部、手爪。并对各关节的伺服电机的选择和传动进行了设计计算,对进行主要零件校核计算。关键词: 关节型; 机械手; 多自由度Abstract Through four years of undergradu
2、ate mechanical engineering and automation professional to organize the knowledge of the various parts of industrial robots and mechanical design features discussion and analysis, design a robot one machine for loading and unloading. The main contents of this design is the design 5R articulated robot
3、, the main task of loading and unloading robot CNC machine tools in various manufacturing processes and automatic production line delivery of the workpiece, to achieve the production process automation and unloading. For each of the joints with a separate motor. Each operating arm by the rotation of
4、 five deputy in series, including the base operating arm, waist, arm, wrist, gripper. And each joint servo motor and drive selection carried out design calculations, performed the main parts of the checking calculation.Key words: Joint type; Manipulator; Many degrees of freedom目 录第一章引言 11.1 选题背景 11.
5、2 机械手的发展动态 21.3 机械手的分类 31.4 课题研究的意义 4第二章机械手结构原理和工作要求分析 52.1 机械手结构原理及工作要求 52.2 机械手机构运动分析 62.3 机械手上下料工作空间轨迹分析 8第三章机械手各结构设计 103.1 手爪的结构设计 103.1.1 手爪的设计要求 103.1.2 手爪的分类 103.1.3 手爪结构的确定 103.2 手腕的结构设计 113.2.1 手腕的设计要求 113.2.2 手腕的结构确定 113.3 手臂的结构设计 113.3.1 手臂的设计要求 123.3.2 大、小手臂的结构 123.3.3 小臂结构形式的确定 123.4 基座
6、结构的设计 133.4.1 基座结构的设计要求 133.5 小臂后箱体结构设计 133.6 连杆结构设计 13第四章机械手关键轴的校核 144.1 腕部输入轴的结构 144.2 腕部输入轴的校核 15第五章机械手动力参数的计算 175.1 伺服电机的选型 175.1.1 初步估计机械手的质量 175.1.2 计算各个轴的转速和转矩 185.1.3 计算伺服电机的功率 205.2 锥齿轮设计 215.2.1 齿轮精度、材料 215.2.2 按齿面接触疲劳强度校核 215.2.3 按齿根弯曲强度设计 225.2.4 锥齿轮参数计算 235.3 同步带轮的设计 235.3.1 同步齿形带传动计算 2
7、35.3.2 带轮几何尺寸的计算 255.4 减速器的设计 265.4.1 减速器减速比的计算 265.4.2 减速器输出轴径的计算 27结论 28参考文献 29致 谢 30沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章引言第一章 引言1.1 选题背景工业机器人是一种新兴的机电一体化生产的工具之一,属于现代化、自动化装备包括机械制造、人工智能、计算机技术、控制、传感器等多种学科的先进技术。由于工业机械手具有各种特性和优点,可以更好的服务于我们的学习和生活。被广泛运用与生物科技和生产制造以及医学技术上等。美国的科学家曾对传统观念上的机器人进行了更深的解读,突破了传统,打破了就观念,提出了机器人不应该仅
8、仅局限于模仿人的形状,只要是可以控制并能够代替人类完成我们生产、生活所需工作即可。随着科技技术的进步,在实际生产制造和我们日常生活中,能简单代替人工完成工作的机器人已经满足不了人类的需求,现代的机器人的发展成为一种拥有人类敏捷反应、分析判断能力和机器本身可在恶劣环境中保持高精度并持续工作的特长于一身的电子机械装置。因为现代社会的迅速发展,现代机器人在制作业中运用越来越广泛,与此同时研发出来了各种机器人应用于除制造业以外的各行各业,例如服务型机器人、农业机器人、水下探测机器人、医疗应用机器人、军事机器人等等。工业机器人是机器人在工业生产中的运用尤为重要,尤其是可在高温高压、多粉多尘、易燃易爆、放
9、射性等恶劣环境以及笨重单调、操作频繁中代替人类完成工作,如电焊、氩弧焊、装配、搬运、上下料、激光加工等等,对提高生产效率、保证产品质量、改善工作环境起到了重要的作用,所以得到人类日益的青睐。而多自由度关节型机械手是工业机器人的一个重要部分,通常由执行机构、驱动和控制系统以及传感器装置构成,是模仿人类手部进行工作的,可以按照给定的程序进行自动控制,可以完成可重复的动作,可以在三维空间实现自动抓取、搬运等各种动作。本设计正是研究工业上下料多自由度关节型机械手。1.2 机械手的发展动态随着科技的不断进步发展,机械手的性能也不断升级,从可以重复指定动作发展到可以通过运用传感技术对某些外面的信息进行反馈
10、调节的感觉型机械手,再到可以像人一样根据理解与感知进行判断不同环境的变化,并且可以顺利完成任务的智能机器人。这个发展的过程标志着人类文明的不断进步和发展,现在智能机器人仍然处于实验研究的阶段。机器人诞生于美国,并且美国的机器人技术在机器人发展中一直保持着世界领先水平。1958年美国研制出第一台机械手。但在1967-1974年这个时间段美国的机器人技术发展处于初级阶段,这是因为机器人适应性差以及造价非常昂贵以及政府并不是太重视机器人的发展,最后导致美国机器人的发展比较缓慢。随着科技的发展,为了迎合市场的多变性以及高效的生产,美国的各个部门开始重视机器人的发展,研发出了比较自动化的机器人,并且主动
11、的推广机器人技术。德国是从1970年开始应用的机械手。重点用于在运输货物、上下料、焊接等工作。日本、瑞士等国也开始重视机械手的研究。尤其是日本,日本的机器人发展过程主要分为三个阶段,(1)20世纪60年代萌芽期,(2)70年代的实际应用阶段(3)80年代的推广和提高阶段。日本首先引进美国的机器人,后来美国与日本达成了技术合作协议,引进了日本的机器人,在短短的几年时间里日本在机器人这一领域发生了巨大的反转,实现了真正的国产化。工业机器人发展得很快,发展至今在国际上主要是欧系和日系的机器人占主导地位。欧系中主要有瑞典的ABB公司、德国的CLOOS、KUKA公司等,日系中主要包括不二越、川崎、安川、
12、松下、OTC公司等,这些公司的产品都比较先进。从20世纪70年代开始,我国机器人的发展大概包括一下三个阶段:第一阶段为70年代的摇篮期,我国在1972年开始研发自己的产品,在1980年制作出来第一台机器人的样机。第二阶段为80年代的发展期,在改革开放的影响下,随着高新技术的不断发展以及国家对科技研究的大力支持,我国的机器人技术受到了社会各界的大力支持和高度的关注。第三阶段为90年代的适用期,在我们国家经济等各个方面的不断发展以及在高新技术的大力冲击下,我国工业机器人的研发有了质的飞跃,通过不断地实践操作研制出了适用于上下料、搬运、装配、装卸等各种工业机器人。 我国工业机器人发展事件 年代 事件
13、 1980 研制成中国第一台工业机器人样机 年代 事件 1985 中国第一台水下机器人“海人一号” 1986 中国第一台下水机器人深海实验成功 1988中国第一台中型水下机器人投入使用 1989水下机器人首次出口于美国 1990 中国第一台通用工业机器人控制器研制成功 1992 第一次运用于柔性制造 1993 中国唯一的国家工程研究中心成立主要用于研究机器人技术 1994 中国第一台高压水切割机器人投入使用(5R) 1994 中国第一台1000米水下机器人海试成功 1995 中国第一台点焊机器人开发成功(4R) 1995 自主开发AGV技术出口韩国 1995 中国第一台6000米水下机器人海试
14、成功(CR-01) 1997 自主版权的高性能机器人控制器批量生产 1997 自主开发的冲压自动化线用于一汽大众生产线 1998中国第一台激光加工机器人研发成功1.3 机械手的分类机械手一般分为三类:(1)无需人工参与操作的一般机械手。是一种独立的、不需要依附属于主机的装置。根据编制程序来完成各项规定的操作。它的优点是具有普通的机械性能以外,同时还具有普通机械、拥有智能记忆的三元机械。(2)需要人工参与操作的,叫做操作机。起源于与军事有关的工业,首先通过操作机来完成特定的工作,然后发展到用无线电信号操作机来进行探测工作等。在工业中用的锻造 操作机也属于这一范围。(3)是用专用机械手,主要依属于
15、数控机床或生产线上,用来解决数控机床上下料和工件配送。为附属的主机服务的,并由主机进行驱动;其工作程序通常是固定的,所以是专用的。本次设计的机械手就属于第三类机械手。1.4 课题研究的意义 工业机器人开始运用于汽车制造业中,充分发挥人的各个功能,代替人完成坏境恶劣的工作,以及人类无法完成的工作,但目前,在国内工业生产整体的自动化程度相对较差,工件上下料生产线的自动化技术水平低下是主要原因之一。我国的很多工业企业生产的工件是由人手工完成的,再生产过程中存在相当大的安全隐患,其生产效率也较低,而且成本费用很高,原材料的消耗也大,对企业的发展和进步都有巨大的影响。对于生产设备自动化程度较高的工业车间
16、,研发一套较好的自动生产线可以有效的提高企业的生产效率,上下料的搬运关节型机械手是自动化生产线开发的核心组成部分,本文就主要对自动生产线中上下料的机械手进行设计和研究,其流程图如下:图1.1上下料流程图该设计对提高生产效率,改善产品质量,提高原材料的利用率,避免工人出现安全隐患具有深远的意义。4沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章机械手结构原理和工作要求分析第二章 机械手结构原理和工作要求分析2.1 机械手结构原理及工作要求该设计的机械手在满足工作任务要求的前提下还要保证机械手爪可以精确的到达指定位置。在运送工件的过程中需要保证运动的灵活性和连续性,所以在设计时需要减轻重量、减少自身体积,
17、简化传动装置但要保证传动的稳定性。本文设计的关节型机械手在上下料工作中主要技术参数:自由度数目:5个坐标形式:垂直关节型额定载荷:5kg 最大活动半径:1200mm根据主要技术参数和通过查阅相关的资料进行分析研究,本设计采用5R关节型的结构,其结构原理简图如下:图2.1关节型机械手的结构原理简图 该关节型机械手由五部分组成。分别为基座、大臂、小臂、腕部、手爪。各部分的驱动方式如下:(1)基座回转的腰关节:由安装在基座内的电机带动整个机械手作360度的旋转运动。(2)大臂回转的肩关节:由伺服交流电机带动齿轮减速器运动,从而带动大臂以上的结构绕肩关节作旋转运动,即产生俯仰运动。(3)小臂回转的肘关
18、节:由伺服交流电机带动齿轮减速器运动,从而带动大臂以上的整体作旋转运动,即产生俯仰运动。(4)腕部腕关节的旋转运动:由腕内部的伺服电机带动机械手作旋转运动,即回转运动。(5)腕部腕关节的上下运动:由腕内部的交流伺服电机带动腕整体作旋转运动,即俯仰运动。该关节型机械手的5个自由度,分别为:底座作360度的旋转运动;大臂的旋转运动(左右运动);小臂的旋转运动(上下运动);腕部的回转运动(手爪转动);腕部的上下运动。2.2 机械手机构运动分析 5R关节机械手是将连杆通过5个转动副串联成的,一端固定在基座上,另一端装有抓取工件用的机械手爪。通过驱动器来驱动各个关节运动使机械手按照提前设定的运动轨迹实现
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