数控车床气动机械手设计硕士学位论文 精品Word下载.docx
《数控车床气动机械手设计硕士学位论文 精品Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控车床气动机械手设计硕士学位论文 精品Word下载.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书
《数控车床气动机械手设计》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。
本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。
本学位论文属于
保密，在3年解密后适用授权书。
不保密√。
（请在以上相应方框内打√）
作者签名：
日期：
导师签名：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；
学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；
学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；
在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
日 期：
学位论文原创性声明
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
日期：
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
摘要
中国已经逐渐成为世界制造中心，制造业的发展和竞争逐年增大，随着用工紧缺和对加工效率的提高，自动化高效加工已经成为未来发展的主流。
数控机床，特别是普及度较广的数控车床的工件装卸自动化已经成为机械加工类企业对机床的重要需求。
为了满足用户的需求，中国许多机床制造企业已经开始在部分数控车床上陆续配置自动装卸机械手。
但现有机械手的驱动和控制方式主要以高精度伺服电机为主，此种设计成本较高、结构复杂、速度较慢、工作效率低，使得自动装卸机械手在数控车床上的应用难以普及。
本课题主要研究以气缸为主体来组成模块化的气动机械手，该研究项目成本低、速度高，特点是以模块化为中心进行设计，通过机械部分和驱动部分的模块化设计，能够完全实现数控车床轴类零件自动装卸，克服伺服电机应用中存在的成本高、效率低等实际问题。
论文完成的研究工作主要包括机械手的组成及分类；
数控车床装夹机械手的构型设计与分析；
机械手模块化设计方案；
气动驱动系统的设计等几部分。
通过研究完成了数控车床装夹机械手研发过程中所涉及的技术问题，成功开发了一套以模块化为主的气动装夹机械手，该成果可为工业制造业提供可行的技术示范，促进气动机械手技术在工业领域的广泛应用。
关键词数控车床；
机械手；
气动；
模块化
第1章绪论
1.1概述
机械手由控制系统、驱动系统、执行机构、位置检测系统四部分组成。
在工业生产中也称为“工业机器人”。
集成气动、液压、数控、计算机、机械等多学科的综合技术，可通过计算机编程，设定三维空间内任意运动轨迹，是适合自动化生产线的典型机电一体化设备。
通过机械手工业生产线的引入，能够大大提高企业生产效率、提升产品质量、改善劳动者工作条件。
是工业企业提高自动化水平的重要途径。
工业机器人的广泛使用，不仅能够替代繁重的手工劳动，而且综合了人工劳动和机器工作两个方面的特长。
能够同时体现人对工作情况中突发事件的判断的处理能力以及机器本身具有的连续工作、加工精度稳定的能力，同时，机器人还具有反应时间短、功率输出大、精度稳定性高、信号处理方便等优点[1，2]是工业生产中不可或缺的高科技产品，也是制造领域不可或缺的自动化机械设备。
机械手是模仿人手的动作过程，按编制程序、轨迹及参数要求实现自动抓取等操作的自动机械装置，如图1-1所示，此类机械手称为类人机械手。
能够进行物料搬运等工作的，如图1-2所示，在工业制造中应用的机械手称为“工业机械手”。
自动化工业生产中，生产线中通过机械手的使用可以大大提高生产率，具有如下特点：
1.在保障生产安全和产品质量的前提下，大大减轻生产工人的劳动强度；
2.它能够代替人在恶劣的环境中（易燃、易爆和灰尘大）工作，保障人身安全。
因此，机械手适用于易燃、易爆和灰尘大的场合[3]，在装卸、运输、机械制造、等方面运用广泛。
图1-1类人机械手图1-2工业机械手
机械手的结构形式起初比较简单，专用性强，时仅为某台特定机床进行上料、下料工作，是专门附属于机床的机械手。
伴随工业技术及控制理论的不断发展，研制了能够按程序要求独立的控制机械手，适用范围广泛的，简称为“通用程控机械手”。
由于通用程控机械手工作程序能够随时改变，适应性强，所以在加工品种多样、批量中小的生产过程中得到了广泛的应用。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
上世纪60年代，Unimation公司发明第一台工业机器人，并在在美国通用公司汽车生产线上投入使用，是第一代工业机器人的诞生的标志。
同时期日本通过调研将机器人技术引入国内，滞后的若干年，日本的机器人技术得到了快速的发展，通过机器人技术促进日本工业的急速发展。
直至今日，日本的工业企业中机器人的使用数量占世界各大工业企业机器人使用总数的50%以上。
成为世界上机器人使用量、拥有量、使用率最多的国家[4，5]。
汽车制造行业最早应用工业机械手，如图1-3所示，在汽车焊接、喷漆、上下料和搬运工作中被广泛应用。
工业机械手的诞生解放了人类的双手，极大减轻了工作量，并且可代替人从事剧毒、低温高热、高危等诸多恶劣环境中的工作，在保证产品质量的前提下，大大提高工业生产率[6]。
图1-3汽车制造机械手生产线
1962年，一台示教型机械手在美国联合控制公司诞生。
其运动系统可进行多自由度控制，能够完成转动、升降、伸缩等形式的运动，选用液压装置作为其驱动控制系统、磁鼓做为存储装置。
现在基于这个平台的开发了如球面坐标式一类的机械手；
同年另一种机械手在美国机械铸造公司诞生，取名为Versatran。
该机械手采用液压传动为驱动方式，设计能够进行“转动、升降、伸缩”的中央立柱，采用示教型控制系统。
70年代，新一代的工业机器人在生产中相继投入使用，与以往相比，准确可靠的定位精度是其主要的特点。
同期在德国，机器人的设计开发引入的模块化的理念，通过模块化的设计的安装，实现了可根据工作需要方便进行机械手结构改装。
形成了以立柱式结构为主的机器人，如图1-4所示、以门架式结构为主的机器人，如图1-5所示、以滑块式结构为主的机器人，如图1-6所示。
模块化设计理念的引入，使工业机器人具备了结构设计方便、设备组装便捷、机器人动作改变灵活等优点。
但由于模块化设计的通用性理念，此类机械手整体结构较小，不适用于较大范围的工作环境、在自动化生产线上应用较为广泛。
图1-4立柱式机器人图1-5门架式机器人
图1-6滑块式机器人
针对工作环境要求较大，工作范围较广的生产环境，德国研发的坐标型机器人和Scara型机器人，如图1-7、1-8所示。
此类机械手的优点是工作范围较大，缺点是定位精度较低，抓取力较低，不是用于大型、重量物体的抓取。
一般用于小型货物装卸，由于工作范围的扩大，可以在特定工作环境下使用。
图1-7坐标型机器人图1-8Scara型机器人
除此之外，世界上其它从事机器人研发制造的企业针对不同行业和领域的需求，分别升级推出不同的机器人产品。
其代表产品有：
瑞士ABB公司的IRB340FlexPicker机器人[7]如图1-9所示，其最大速度达到11m/s，通过其真空系统，可对1.5kg以上的重物进行搬运工作。
瑞士SIG公司的SIGXR22[机器人8]，如图1-10所示，末端加速度提高到12G，负载也超过了1kg。
图1-9IRB340Flexpicker机器人图1-10SIGXR22机器人
1.2.2国内研究现状
本世纪初期，随着我国数控技术、自动化技术的发展，机器人技术也得到了迅速的发展，目前已经形成了相当的成果[9]。
上世纪末，国内一些机器人研发机构开发出多种工业机器人。
第一套自动化制造系统在南京理工大学SMC气动技术中心诞生，该系统由多个子系统组成，包括加工、装配等。
各子系统可以进行自主工作，并可以同时集成控制，能够同时进行装料、传输和卸料等工作。
其设计中包括一个气动机械手，如图1-11所示，该机械手主要对货物进行的翻转和搬运工作，通过机械手上各位置自由度即手腕臂腰四联动，模仿关节转动，完成抓取物品、移动物品、翻转物品等动作[10，11]。
同期北京理工大学开发出一种能够进行自由回转机器人手臂[12]、哈尔滨工业大学开发出一种六自由度气动机器人手臂[13]。
这类机器人手臂具有灵活性高、结构简易、自由度多、柔性高、抓取力小等特点，能够抓取型小质轻的物品，一般用于教学和实验。
工业机器人随着液压、气动等技术的发展成熟，其实用性也逐渐提高。
目前国内外研究机构正在研究通过智能控制等现代控制理论提高工业机器人的实用性，为工业机器人的广泛使用搭建的更高的平台[14]。
图1-11气动关节型操作机械手
1.2.3存在的问题
通过以上的分析，机械手产品现阶段一ing比较成熟，设计制造也在向集成化、模块化的方向发展。
我国机械手的制造生产现阶段还是以进口组装为主，主要是由于两个原因：
一是我国机械制造产业相对落后，二是设计理念和设计能力相对落后，还没有形成一套系统化的设计理念。
现阶段机械手定位精度低、使用寿命短、稳定性能差，导致成本过高，普及率较低。
随着中国加入WTO，中国市场已逐渐转化为国际市场，国内的机械手生产企业不仅要面向国内市场，同时还要考虑到国际市场的竞争。
转变以客户需求为目标，通过技术革新和技术升级，提高产品品质，提升竞争力。
通过市场调研，深入研究现阶段数控机床中配套产品的使用情况，发现机械手主要配套于高端数控机床，由于其精度、结构、通用性方面要求较高，而国内数控机床相应配套产品较少，导致国外机械手产品价格昂贵。
随着市场的需求的不断提升，迫切需对数控机床进行升级换代，配套于中端数控机床的低精度机械手产品需求大大增加[15]。
1.3气压传动技术发展现状
气压传动技术（Pneumatics）是以压缩空气为介质，对机械运动进行能量传递及控制的一门技术[16]，简称为气动技术。
气动技术近年发展迅速，其关键部分是气动元件。
通过气动元件的不同组合，形成气动控制、传动系统。
气动技术传递信号和能量的介质主要是空气，通过空气压缩产生的气压进行控制的一门技术，主要是气动控制和气压传动两部分内容[17，18]。
气动技术突破原有理念，在汽车、机械、医疗等多个领域起到至关重要的作用[19]，已广泛应用于国民经济的成套设备和自动化生产线上。
液压与气动是两种应用广泛的传动技术，两者相对比，各有优缺点，气动技术相对于液压技术具有以下优点：
1．以空气为介质，成本低廉、取用方便，使用安全性高，适用于易燃易爆等场合，
2．绿色环保，空气使用后可直接排放，不会造成二次污染，配件价格低廉，结构简单，使用更换成本较低。
3．维护修理简单，劳动者不需通过高端培训即可熟练掌握。
4．气缸具有模块性，方便对现有机器进行改装。
5．能够储存能量，以便应急使用。
6．自身具备过载保护。
能持续进行工作，过载工作时能自动减压（泄气）而停止工作，充气加压后可继续工作，不会对机构产生影响。
7．运动速度较高。
气动技术相对于液压技术缺点如下：
1．压缩空气使用前需要进行过滤，除去其杂质并进行干燥。
2．系统使用压缩空气效率相对较低，稳定性相对较差，不利于进行精确的位置控制和速度控制。
3．设备运转时产生较大噪音。
4．信号传递速度相对较低，延迟、失真情况明显，不宜用于需要高速、精确传递，信号传送距离有限。
国外将气动称为“廉价技术、自动化技术”。
气动装置在现今自动化工业中地位十分重要。
气动技术具有抗燃、无污染、原料易获得等优点，得到了越来越广泛的关注和研究[20]，由于气动技术本身具备的特性，特别是其优点突出，使其在各工业自动化部门应用日益广泛。
气动技术与液压、电器等新兴技术共同成为自动化生产中广泛应用的先进技术。
其发展趋势正在向微型化、模块化方向发展[21]。
1.4本文研究的主要目的和意义
自从1953年，美国空军和麻省理工学院联合研制了世界上第一台数控机床，自此，经几十年的发展数控机床已从最初的单坐标发展到三坐标联动，进而到发展到现今多轴（四、五轴）联动加工中心，加工范围从单一加工功能发展到车、铣、磨等多功能综合进而发展到具有特种加工功能[22]。
目前数控车床中机械手驱动方式主要是采用伺服电机驱动，也是相对成熟的驱动技术，系统在直线、运动、旋转运动时能够保证定位精度。
不同功率值通过机械设计重新组合而得以实现，使用普及度较高。
其缺点是价格高、效率低，又限制其更为广泛的应用。
可通过技术革新、功能开发、降低成本、提高效率等诸多方法解决这一问题。
出现较早、应用较广的一种驱动器是气动肌肉，具有质量轻、结构简、容控制易等优点，在各种机器人中应用广泛。
通过气动肌肉，变化长度较小的缺点得以克服，转动位移增大，具有仿生关节刚度高、控制独立等优点[23]
模块化机械手由于其成本低廉、抗干扰性能强等优点突出[24]，已经在数控机床中已经得到了广泛应用[25，26]，此类气动机械手定位精度相对较低，常用于特定零件的装卸。
针对数控车床自动装卸机械手的研究相对较少。
本课题着眼于大跨度结构、气动驱动、模块化安装的平面坐标式自动装卸机械手，经过前期的研究，主要崔在两个难点：
l．考虑到实际机床的尺寸，气缸结构跨度较大，由于数控机床中对工件精度的要求，还要保证其定位精度，需要气缸进行多位置高精度定位，包括大跨度位移气缸中保证精度的机械结构形式的问题需要研究和验证。
2．根据气动机械手在数控车床上应用的情况，对气缸安装方式进行了设计，后经计算，当超额定负载情况下运行时此安装方式有可能会造成气缸侧翻，后又进行计算分析，对气缸的安装形式进行了改进，为气缸的正常工作从结构上提供了安全保障，扩展了气缸的使用范围。
1.5本文的主要内容
本课题针对通用性中端数控车床进行研究，开发出一套一模块化设计理念为中心的气动机械手，研究内容主要有以下四个方面：
1．分析常见模块化机械手的组成分类及设计选材原则
从机械手的执行机构、驱动机构、控制系统、位置检测系统等几方面介绍了机械手的组成。
按照用途、驱动方式、控制方式的不同对机械手进行了分类。
为本文选择对机械手的结构提出了参考方案。
2．华中CK6132数控车床用机械手结构设计分析
通过数控车床具体情况，设定模块化机械手的尺寸参数，根据数控机床工件装卸的特点，确定模块化机械手的设计方案，将机械手整体分为三个模块即手部模块、腕部模块和臂部模块，并进行设计组装。
3．机械手驱动系统的设计
模块化机械手的控制系统在设计过程中需要考虑到的几个问题：
确保机械手有精确的定位精度；
机械手与机床加工工件之间配合协调；
速度适中、时间尽量缩短、成本尽量降低。
4．机械手关键技术的研究
机械手的基座是具有一定高度的支架，基座的设计要综合考虑机械手与机床的位置不发生干涉以及足够的刚度和强度，保证气缸在运行时不发生变形。
为防止快速运动下产生侧翻，又针对此研究机构的结构特点，对防侧翻技术进行了研究和分析。
第2章机械手的组成分类及设计选材原则
2.1机械手的组成
机械手由控制部分、驱动部分、执行部分及位置检测部分四部分组成，之间关系如图2-1所示[24]。
图2-1机械手各部分关系图
1.控制系统
控制系统主要进行机械手运动轨迹控制反馈工作。
控制系统一般分为程序控制、电机控制、机械控制等几类。
依据控制系统给出指令，对执行机构进行控制，并对其运行轨迹进行反馈分析，当产生错误，轨迹不符时产生报警提示。
2.驱动系统
驱动系统是驱动执行机构运动的装置，通常由控制调节器、动力源、辅助装置等组成。
机械传动、气压传动、电力传动和液压传动均为常用的驱动系统。
3.执行机构
执行机构主要由手部、腕部、手臂三个模块组成，根据需要还可增设行走机构。
（1）手部模块
主要进行物料抓取工作。
根据抓取形式的不同，分为夹持式和吸附式两种。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。
平移式和回转式两种形式是常用的手指运动形式。
回转式由于结构简单，制造方便，故应用范围较广范。
平移式手指结构复杂，制造困难，应用较少。
使用平移式手指夹持棒料时，轴心的位置不受直径变化的直接影响，适用于直径变化范围较大的圆柱形物料的夹持。
被抓取物件表面形状、抓取形式（内通孔或外轮廓）、重量、尺寸直接影响到手指结构设计。
按不同要求指形分为平面、V形面、曲面等几种；
手指分为外夹式及内撑式；
手指指数有两指式、三指式、多指式等。
吸附式手部由吸盘构成，分为电磁盘式和负压吸盘式两类。
对于重量轻、尺寸小的薄片零件、耗材，一般使用负压式吸附盘。
具有导磁性零件，一般采用电磁式吸盘，电磁式吸盘的吸力由电磁铁产生。
（2）腕部模块
手部通过腕部模块是与手臂相连，被抓取物件通过腕部模块来调整工件的方位和角度。
（3）手臂模块
手臂模块是用来支承手腕、手部、被抓物件。
其作用是控制手部模块抓取物料，按程序将其运送到指定位置。
通常由运动部件与驱动
升级会员 