气动助力机械手的设计（含7张CAD图纸+说明书）.zip

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47III气动助力机械手的设计摘要气动助力机械手是自动化搬运设备中不可或缺的一个重要部分,它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。它具有能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大等特点。气动机械手控制系统的设计要求是在控制系统的指令下,能将工件迅速、灵活、准确、可靠地抓起并运送到指定位置。在工业生产中,利用气动机械手将工件从一条生产线搬运到另一条生产线是一种高效的工作方式。本文主要结合实际运用对气功搬运机械手进行认真的研究分析,了解其主要的传统系统工作原理和气动控制系统,并通过实际计算设计一款小型实用自动化的气动辅助设备,并通过相关绘图软件采取自上而下的设计对系统进行优化分析和改进。关键词:助力机械手;传动系统;气动系统;自动化。`:hand,,notknowingaboutfatigue,notafraidofdanger,,theworkpiececanbequickly,flexibly,accurately,,,ontrolsystem,andthroughtheactualcalculationdesignsasmall-scalepracticalautomationpneumaticsupportequipmentAndadopttop-:Handlingrobots;transmissionsystems;pneumaticsystems;automation.`12第一章绪论第一节前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手,并根据其主要的控制需求搬运机械手的控制运用可分为半自动和全自动,半自动化的主要应用与自动化程度不高的小型设备工厂需求,全自动则在自动化流水线中应用比较广泛。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到***的重视。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,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引用。在工业自动化生产中,无论是单机还是组合机床,以及自动生产流水线,都要用到机械手来完成工件的取放。对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和物料是否存在的判别。其任务是将传送带A上的工件或物品搬运到传送带B上。机械手的上升、下移、左移、右移抓紧和放松都是用双线圈三位电磁阀气动缸完成。当某个电磁阀通电时,就保持相对应的动作,即使线圈再断电仍然保持,直到相反方向的线圈通电,相对应的动作才结束。设备上装有上、下、左、右、抓紧、放松六个限位开关,控制对应工步的结束。传送带上设有一个光点开关,监视工件到位与否。12机械手是模仿人的手部动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中,以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业,因此获得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成,智能机械手还具有感觉系统和智能系统。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。在工业上,自动控制系统有着广泛的应用,如工业自动化机床控制,计算机系统,机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌。实际的机器人由带有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某些类型的夹持器)组成,同时也包括一个辅助动力系统。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。第二节工业机械手的发展趋势现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是:机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔,臂回转、俯仰,用液压驱动;控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton),专门生产工业机械手。131962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)和柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。第三节工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可在***中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。14根据设计需求此设计方案采用气缸作为气缸驱动动力源结合平面连杆机构进行运动,使得气动辅助机械手能够满足上下方向的运动,回转半径方向设计采用,回转中心轴承并结合气缸定位进行工作夹紧。自由度是机械手设计的主要参数,每一个构件(即运动件)相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、Y、Z三个方向独立的往复运动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副,对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为,组成运动副的各构件的运动是受到约束的,不能任意运动,必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系,不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成,这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。机械手采用气压传动,选用品质精良的气动元件组合而成,为直角坐标式机械手结构,实现2个自由度,由机身、水平臂、竖直臂组成,而工装夹紧位置定位采用气缸进行位置控制,可以完成水平臂的伸缩、竖直臂的升降以及抓取等动作,可以方便的通过节流阀调节合适的执行元件的速度,完成物件平面内点对点的移动。机械臂用2个气缸控制,即横向移动气缸和纵向移动气缸,其控制系统采用目前控制领域应用比较普遍、性能优越的PLC,根据需要选用西门子公司可编程序控制器或者单片机作为设备控制系统的核心和动力源。16第二章系统方案的设计第一节工业机械手的自由度自由度是机械手设计的主要参数,每一个构件(即运动件)相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、Y、Z三个方向独立的往复运动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副,对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为,组成运动副的各构件的运动是受到约束的,不能任意运动,必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系,不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成,这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。第二节基座整体的设计按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况,其座标型式可以分为下列几种:(1)直角坐标式:其手臂的运动系由三个直线运动所组成,即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它的特点是结构简单,定位精度高,适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差,限制了它的使用范围。(2)圆柱座标式:其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成,即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角坐标式相比较,占地面积小而活动范围小,结构简单,并能达到较高的定位精度,因此应用较广泛,但是由于机械手结构的关系,沿Z轴方向移动的最低位置受到限制,故不能抓取地面上的物件。(3)球座标式:其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成,即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为)球座标式机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件,为了使手部能适应被抓取物件方位的要求,常常设有手腕上下摆动,使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手手臂具有动作灵活,占地面积小而工作范围大等特点,它使用于沿轴伸缩方向外作业的传动形式。但是结构复杂,此外,手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。16机械手座标型式的正确选择,要通过座标型式方案的比较来确定。在拟定座标型式方案时,又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、安装空间的要求,结合各种座标型式的特点来分析比较,确定比较合理的座标型,根据设计使用要求和安装空间的限制,此设计基座主要采用圆柱座标式进行设计安装。第三节动力输出方式的设计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。其主要特点是:气源的获得极为方便,气动动作迅速,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,冲击大,而且气源压力较低,输出压力小,抓重一般在20kg以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速,轻载,高温和粉尘大的环境。气动方式的优点整体干净整洁,成本低,传动方式相对稳定。因此根据课题研究的需要和实际的使用方式,最终采用气动输出作为动力源的设计。因此设计的气动动力源采用电磁阀控制气缸进行输出动作。第四节设计初始参数的设定参数此方案设计使用上必须满足如下参数要求:1、抓重:;2、自由度数:4个自由度;3、坐标型式:圆柱坐标;4、最大工作半径:;5、升降幅度:;7、手腕运动参数:回转范围;8、定位方式:可调机械挡块等;9、驱动方式:气压传动。