轻型轴类形状零件单z轴自动化系统设计.doc
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1、目 录第一章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统研究背景概述11.1桁架机床上下料系统简介11.2机床加工生产线系统分类21.3机床加工生产线系统应用及特点41.4轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统研究背景51.5本文的主要的内容6第二章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的传动系统设计72.1轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的设计关键技术参数要求7表2.1桁架机械手设计的关键参数表72.2轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的传动方案设计7图2.1桁架机械手运动方案示意图82.3桁架上下料系统的驱动电机选择92.3轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的电机的选择13第三章 轻型轴类零件单Z轴桁架系统的夹手及驱动结构设
2、计153.1轻型轴类零件夹手部分结构设计结构153.2轻型轴类零件桁架上下料驱动部分结构设计163.3轻型轴类零件桁架上下料润滑结构设计17第四章 轻型轴类零件单Z轴桁架系统的桁架主体部分结构设计194.1立柱调整结构194.2横梁调整结构204.3横梁安装结构21第五章 基于solidworks软件进行桁架系统的建模及装配225.1 solidworks软件建模与装配概述225.2 基于SolidWorks软件进行立柱建模设计235.3运用SolidWorks软件进行零件装配26结 论29参考文献30致 谢31附 录32摘要 机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动,实现生产的机械化和
3、自动化,代替人在有害环境下的手工操作,改善劳动条件,保证人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。基于机械设计及相关理论的研究,设计了桁架机械手轴类上下料装置,正确的计算出了电机的参数,实现了电动机型号的合理选择,同时对桁架轴类上下料系统的结构进行了设计,采用的过进口的雄克机械手夹持单元,实现轴类零件的抓取。实现了桁架机械手在轴类的零件的抓取的通用化。关键词:桁架式机械手;电机参数的选择;轴类零件Abstractrobots can replace people in dull, repetitive or heavy manual work, realizes the
4、 mechanization and automation of the production, instead of manual operation in a hazardous environment, improve labor condition, ensure the personal safety, thus is widely used in machinery, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy etc. Research, based on the theory of the mechanic
5、al design and related design of truss manipulator axial loading device, the right to calculate the parameters of the motor, has realized the motor model of rational choice, at the same time on the truss axial loading system design, the structure of the imported male g manipulator clamping unit, real
6、ize axial parts of grab.Keyword: Truss type manipulator; The selection of motor parameters; Axial parts沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的传动系统设计第一章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统研究背景概述1.1桁架机床上下料系统简介桁架机械手又称桁架式机械人,直角坐标机器人或龙门式机器人,是能够实现自动控制的、基于空间XYZ直角坐标系可重复编程的、多自由度的、适合不同任务的自动化设备。桁架机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动,实现生产的机械化和自动化
7、,代替人在有害环境下的手工操作,改善劳动条件,保证人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。如工业生产部门,用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料;机加工领域,自动机械手通常与机床或其他机器组成自动加工生产线,实现零件的自动高效加工;自动机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改善热、累等劳动条件。总体上说,自动机械手改变了传统的物流方式,有效地改善了作业环境,提供零件加工数字化、信息化、少人化直至无人化管理,可靠地保证了产品质量,极大地提高了劳动生产率,将工人从繁重的体力劳动中解放出来,使现代制造技术达到一个崭新的水平。与此同时,中国目前严峻的就
8、业环境:劳动力工资水平的持续增长,持续出现的大面积用工荒,也逼迫越来越多的企业必须走机器人自动化生产之路。桁架式机器人具有以下特点:桁架式机器人能够实现自动控制的、可重复编程、多功能、多自由度、运动自由度间成空间直角关系、多用途的操作机。它能够搬运物体、操作工具,以完成各种作业。多自由度运动,每个运动自由度之间的空间夹角为直角。自动控制的,可重复编程,所有的运动均按程序运行。一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。灵活,多功能,因操作工具的不同功能也不同。 高可靠性、高速度、高精度。 可用于恶劣的环境,可长期工作,便于操作维修。1.2机床加工生产线系统分类 1.2.1关节式机床加工
9、自动生产线系统关节式机床加工自动生产线系统由若干台关节机器人、若干台数控机床、一台角向定位机、清洗站和上下料道组成,以完成工件三个工序的自动化生产。机器人配有气动夹手,输送线用于传送毛坯至上料工位定位好,便于机器人过来夹取,线体上安装有感应开关用于判断毛坯是否到位和缺料报警开关,输送线还装有搁料挡停装置与满料报警装置等。图1 桁架式机床加工自动生产线系统1.2.2桁架式机床加工自动生产线系统桁架式机床加工自动生产线系统主要由钢结构桁架机械手、若干台数控机床(也可以是单台)、上料仓料仓、下料仓、若干套翻转站、定位站及外围防护等组成,以完工件的自动化加工。机械手配有气动夹手,上料仓用于传送毛坯至上
10、料工位定位好,便于机械手过来夹取,料仓上安装有感应开关用于判断毛坯是否到位和缺料报警开关,下料仓还装有满料报警装置等。图2 桁架式机床加工自动生产线系统1.2.3复合式机床加工自动生产线系统复合式机床加工自动生产线系统将桁架式与关节式相结合的产物。复合式主要由若干台关节机器人、若干台数控机床、机器人伺服滑台、上料道、下料道及外围防护等组成。机器人手爪实现工件精确定位,机器人伺服滑台用于拖动关节机器人在两台加工机床之间移动,增大机器人的运动范围。上下料道均安装有感应开关用于判断工件是否到位、缺料报警功能以及满料报警功能。图3 复合式机床加工自动生产线系统1.3机床加工生产线系统应用及特点 机床加
11、工生产线系统主要由机械手系统、数控机床、料仓、工序翻转站、工件自动识别系统(选配)、在线测量机(选配)等一系列自动化设备组成。通过总控系统进行控制,机床自动加工生产自动线安装多种传感器,能够得知机床机床加工自动线的工作状态,从而实现工作动作顺序进行,该过程完全借助于控制系统与传感器信号的交互。机床加工自动生产线可以实现单台机床、加工单元、流水线和柔性加工单元的机加工自动化。机床加工自动化生产线系统具有定位准确、工作节拍可调、工作空间大、性能优良、运行平稳可靠、维修方便等特点。机床加工自动加工生产线系统可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、 下料、装卡、工件移位翻转、工件转序加工等,能够极大
12、的节约人工成本,提高生产效率。特别适用于大批量、小型零部件的加工,如汽车变速箱齿轮、轴承套(座)、刹车 盘、金属冲压结构件等。加工典型零件如下所示:图4 桁架机械手与机床组线加工典型零件1.4轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统研究背景 1.4.1关节式、桁架式、复合式机床加工自动化生产线系统对比根据设计任务要求:设计能够满足进行轴类零件的上下料自动化系统工件的质量不大于2.5Kg的轴类零件轴类零件加工为单序,加工节拍不小于30s设计一种能够满足上述要求机床自动化上下料装置是十分必要的,首先需要对比一下,上述关节式、桁架式、复合式的上下料装置应用特点:(1)关节式上下料装置关节式自动化上下料装置具有
13、较高的灵活性、关节型上料装置具有较高的重复定位精度、具有较高的工作可靠性、能够抓取质量较大的工件等优点,但是价格较桁架式上下料装置价格昂贵。(2)桁架式上下料装置桁架式自动化上下料装置较关节式上下料系统自由度数较少,灵活性有限、但是关节式上料装置具有较高的重复定位精度、具有较高的工作可靠性、价格较关节式具有低廉等优点。(3)复合式上下料装置复合式上下料装置是在关节式上下料装置的基础上增加一个伺服滑台,增加关节式机器人的抓取范围,具有更高的灵活性,复合式的上下料的装置的重复定位精度相对于桁架式、关节式重复定位精度较低,价格昂贵的缺点。复合式上下料装置应用于形成特殊的场合。1.4.2轻型轴类形状零
14、件单Z轴桁架系统设计背景研究意义针对于轻型轴类零件的机床自动化上下料系统,加工零件质量较轻,加工工序为单序的加工,在满足使用要求可靠性的前提下,尽可能的减少用户的设备投入,所以针对于轻型轴类加工自动化上下料系统,应该采用桁架式的机床加工自动化上下料系统。如果能够开发出一种桁架式自动上下料系统对企业具有深远的影响,具体的体现在以下方面:能够提高生产效率;能够产生质量较高的零件;有利于降低企业生产成本;有利于缓解企业对技术的依赖;有利于缓解企业对技工的依赖;便于企业组织生产和管理;1.5本文的主要的内容 本文的设计主要围绕轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统进行展开的,从该系统的研究背景入手,逐步
15、的对轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统进行方案设计、抓手的方案设计以及每一部分的结构设计,具体的章节安排如下:第1章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统研究背景概述第2章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统的传动系统设计第3章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统的桁架主体结构设计第4章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统的夹手部分结构设计第5章 基于solidworks软件进行轻型轴类形状零件单Z轴桁架上下料系统的建模及装配33第二章 轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的传动系统设计2.1轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的设计关键技术参数要求在轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的设计之前,了解
16、该桁架机械手的设计的参数要求,桁架机械手的设计参数的具体要求如图表1所示表1桁架机械手设计的关键参数表项目单位配置手抓单个零件重量Kg2.5抓取零件总重量Kg5(2.5X2)腕部抓取能力Kg20快移速度X轴m/min120Z轴80加速度X轴m/s25Z轴5电源电压VAC220电压波动范围/10%频率Hz50气源气源压力bar6气压波动范围/10%标准装载时间s20重复定位精度mm0.1横梁(X轴)导轨矩形导轨横梁(X轴)传动齿轮齿条横梁(Z轴)导轨矩形导轨横梁(Z轴)传动齿轮齿条驱动方式齿轮齿条控制方式高精伺服2.2轻型轴类形状零件单Z轴桁架系统的传动方案设计 桁架自动化上下料系统是给数控机床
17、提供自动上下料的装置,考虑到本设备是针对于轴类零件的加工,因此,数控机床主要是以加工轴类的外圆及端面,数控设备假定都是数控车床,工具生产工序及加工节拍确定数控设备的台数及型号,根据所使用的设备的台数及型号可以确定桁架机械手的横向跨距、X轴有效行程和桁架机械手的高度及Z轴运动的有效行程等参数。图5 桁架机械手运动方案示意图本文以国内的某款机床为基准进行设计桁架系统的尺寸,假定工件采用两序加工,桁架上下料系统为两台相同的数控车床上下料。数控车床的关键参数如下:数控机床高度为:1540mm数控机床长度为:1640mm数控机床主轴中心高为:935mm根据上述参数可以设计出单Z轴桁架自动化上下料系统的尺
18、寸为:桁架横梁长度:A=5430mm桁架横梁高度:B=2275mm桁架最大高度:H=3575mm桁架X轴最大行程:S=4796mm桁架Z轴最大行程:S=1200mm2.3桁架上下料系统的驱动电机选择 2.3.1桁架上下料系统的驱动电机额定转速选择 根据X、Z轴的运动关键技术参数:表2快移速度及加速度参数要求最大快移速度X轴m/min120Z轴80加速度X轴m/s25Z轴5桁架上下料系统的运动系统的方案均采取:伺服电机+减速机+齿轮+齿条传动形式。桁架上下料系统X轴驱动电机的转速选择由桁架上下料系统X轴运动速度,根据传动齿轮分度圆直径,可计算出的减速器输出轴的转速:传动齿轮分度圆直径;减速器输出
19、轴的转速桁架上下料系统X轴运动速度由上式减速器轴在桁架X最大快移速度时,减速器输出轴的减速转速为:减速器采用选择星齿轮减速器型号为: SB-90-4-P2-130SJT-MZ-100D,减速器的参数如图表3所示。减速器的传动比,可得减速器的输入端转速和电机输出转速为:电机的额定转速应满足:表3 减速器的参数表规格代号单位减速比数值额定输出扭矩Mm4128最大加速扭矩Mm3101.8T2N最大急停扭矩Mm3103T2N额定输入转速r/min3103000最大输入转速r/min3106000扭转刚性Nm/arc31014许用径向力N3103040许用轴向力N3101520使用寿命h310大于200
20、00效率310大于97%使用温度310-2590润滑防护等级310IP65安装方向310任意噪音值dB310小于60重量Kg3103.69减速机轴转动惯量40.0048桁架上下料系统Z轴驱动电机的转速选择由桁架上下料系统Z轴运动速度,根据传动齿轮分度圆直径,可计算出的减速器输出轴的转速:传动齿轮分度圆直径;减速器输出轴的转速桁架上下料系统X轴运动速度由上式减速器轴在桁架X最大快移速度时,减速器输出轴的减速转速为:减速器采用选择星齿轮减速器型号为: SB-90-4-P2-130SJT-MZ-100D,减速器的参数如图表3所示。减速器的传动比,可得减速器的输入端转速和电机输出转速为:电机的额定转速
21、应满足:2.3.2桁架上下料系统的驱动电机扭矩选择桁架上下料系统X轴驱动电机的扭矩选择(1)必要扭矩的计算由于电机启动时,所需的启动扭矩最大,所以需要先计算启动时的必要扭矩。设滑块与导轨之间的摩擦力为F,则摩擦力F为:导轨与滑块之间的摩擦因数,;X轴整体移动部分的质量,;重力加速度,;带入上式,可得滑块与导轨之间的摩擦力为F为:减速机输出轴负载转矩 电机输出轴的负载 考虑到商业电的电压不稳定,安全起见,电机的输入负载为计算电机输入的2倍,即电机的输出负载应为X轴的电机的额定扭矩应满足(2)确认负载惯性桁架上下料系统整体得X轴的转动惯量X轴整体移动部分的质量,;传动齿轮分度圆直径;齿轮的转动惯量
22、减速机的转动惯量电机轴上的总的负载转动惯量桁架上下料系统Z轴驱动电机的扭矩选择由于电机启动时,所需的启动扭矩最大,所以需要先计算启动时的必要扭矩。设滑块与导轨之间的摩擦力为F相对于竖轴的重力很小,则有效阻力F1为:X轴整体移动部分的质量,;重力加速度,;带入上式,可得滑块与导轨之间的摩擦力为F为:减速机输出轴负载转矩 电机输出轴的负载 考虑到商业电的电压不稳定,安全起见,电机的输入负载为计算电机输入的2倍,即电机的输出负载应为X轴的电机的额定扭矩应满足(2)确认负载惯性桁架上下料系统整体得Z轴的转动惯量Z轴整体移动部分的质量,;传动齿轮分度圆直径;齿轮的转动惯量减速机的转动惯量电机轴上的总的负
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- 轻型 形状 零件 自动化 系统 设计
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