上下料冲压机械手的设计.doc

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编码

2016-JXSJ

专业代码

080202-201

本科毕业设计

上下料冲压机械手的设计

学院

机械工程学院

专业

机械设计制造及其自动化

学号

4112020623

学生姓名

庄申

指导教师

周清泉/袁永超

提交日期

2016年5月4日

诚　信　承诺书

本人郑重承诺和声明:

我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文（设计）中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。

毕业论文（设计）作者签名：

　　　　　年　　月　　日　

摘要

上下料冲压机械手是根据实际冲压生产过程中的特点，专门为提高生产效率，解放人力等而研制的一种自动化机械设备。

本文在查阅了有关机械手方面的资料之后，简单介绍了其作用、组成和分类。

根据课题要求对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的坐标型式、运动自由度以及机械手的技术参数。

根据对机械手手部、腕部、手臂以及机身等结构的设计计算得出数据，并且通过三维软件solidworks绘制出产品模型，最后对机械手的结构进行完善。

同时，绘制了机械手气压系统工作原理图，选取了合适的零部件；利用PLC对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号；根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了的机械手的操作流程图。

关键词：

机械手；参数设计；软件模拟；PLC方案控制

I

ABSTRACT

Up-downmaterialcharacteristicsintheprocessofstampingmanipulatorisbasedontheactualproduction,speciallyinordertoimprovetheproductionefficiency,humanliberationandsoonanddevelopedanautomatedmachineryandequipment.Basedonthesearchafterreadinginformationaboutmanipulator,simplyintroducesthefunction,compositionandclassification.Overalldesignofmanipulatorinaccordancewiththerequirementsofproject,todeterminethecoordinatesofthemanipulator,degreesoffreedomofmovementandtechnicalparametersofthemanipulator.Accordingtothemanipulatorhand,wrist,arm,andthefuselagestructuredesignandcalculationoftheobtaineddata,andthrough3Dsoftwaresolidworkstomaptheproductmodel,andfinallytoimprovethestructureofthemanipulator.Atthesametime,drawthemanipulatorworkingprincipleofthepneumaticsystemdiagram,selecttheappropriatecomponents.UsingPLCtocontrolthemanipulator,selectedthesuitablePLCmodel;Accordingtotheworkingprocessofthemanipulatormadethecontrolschemeofprogrammablecontroller,drawtheoperationflowchartofthemanipulator.

KeyWords：

manipulator;Parameterdesign;Softwaresimulation;PLCprogramcontrol

目录

1绪论 1

1.1机械手概述 1

1.2机械手的组成 1

1.3国内外发展概况 3

1.4本章小结 4

2机械手总体设计方案 5

2.1执行部分的选择 5

2.2驱动部分的选择 6

2.3控制方案的确定 6

2.4机械手的基本形式选择 7

2.5机械手主要部件及运动 7

2.6机械手的技术参数 8

2.7本章小结 8

3执行机构的设计 9

3.1手腕部分的设计 9

3.1.1手腕处轴承的选择 9

3.1.2手腕驱动伺服电机与减速器的选择 9

3.1.3传动同步带的选择与相应带轮的设计 10

3.1.4手腕部分小结 11

3.2手臂伸缩部分的设计 12

3.2.1直线导轨与滑块的选择 12

3.2.2传动同步带选择与相应带轮的设计 15

3.2.3伺服电机的选择与传动带轮的设计 15

3.2.4手臂伸缩部分小结 16

3.3手臂升降部分的设计 17

3.3.1滚珠丝杠的选择 17

3.3.2伺服电机的选择 19

3.3.3光轴与直线轴承的选择 20

3.3.4手臂升降部分小结 20

3.4手臂旋转部分的设计 21

3.4.1转盘轴承的选择 21

3.4.2伺服电机的选择以及减速比的确定 21

3.4.3手臂旋转部分小结 22

4气动系统的设计 23

4.1气压系统的工作原理图 23

4.2气动系统相关部件的选择 23

5机械手控制系统设计 24

5.1机械手的工艺过程 24

5.2机械手控制系统主要硬件的选择 24

5.3PLC控制伺服电机范例 25

5.4机械手操作过程简述 31

5.5本章小结 32

结论 33

致谢 34

参考文献 35

III

1绪论

1绪论

机械手是一种在现代自动化生产过程中具有抓取和移动工件功能的自动化设备，它是一种在机械化、自动化生产过程中发展起来的新型设备[1]。

机械手可以代替员工进行一些危险、枯燥的工作，在缓解工人的劳动强度的同时提高工厂生产效率。

随着工业自动化发展，机械手的应用范围越来越广，不仅可以进行工件的装卸、搬运，甚至可以装配一些复杂机械的零部件。

机械手适应于中、小批量生产，可以省去庞大的工件输送设备，结构紧凑，并且在工厂中的适应性很强[2]。

目前我国的工业机器人技术与其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，应用规模较小，产业化水平较低，因为机械手的研究和开发能力直接影响到我国工业自动化的生产水平，所以，从技术和经济等方面考虑，研究应用工业机械手都是十分必要的。

1.1机械手概述

机械手是一种按照指定的控制程序，实现自动抓放、搬运工件或者动作的自动化机械设备。

机械手在工业生产中一般被叫做“工业机械手”或“工业机器人”。

在工业生产中应用机械手不但可以提高员工的劳动生产率，而且可以减少员工的劳动出错率。

从而达到保质保量，减少工作时间减少工作压力，实现安全生产的目的。

特别在恶劣的生产环境（如高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等）中，使用机械手可以完成一些人类难以适应的工作，并且具有更为深远的意义。

最初的机械手主要是用对来辅助某一台或者一类机床，用来完成相应的上下料工作，它的构造相对简单，专用性较强。

随着工业自动化技术的发展，出现了可编程序控制的机械手，由于其可以根据程序的变更而改变动作的流程，通用性较强，所以也被称为通用机械手。

由于通用机械手可以很快的改变工作程序，适应性比较强，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应用[3]。

机械手集现代各种高新技术（计算机知识、机构原理、控制理论、信息和传感技术、仿生学、人工智能等）于一身，加以其较高的适应行和通用性，被广泛的研究和制造，形成了一个信息水平高、市场活跃、应用广泛的领域。

机械手的创新应用程度，标志着一个国家工业自动化水平。

1.2机械手的组成

（一）机械手的组成

图1.1机械手的组成方框图

控制系统

驱动系统

执行机构

被抓取工件

位置检测装置

机械手主要是由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成的。

每个系统之间的相互关系如方框图1.1所示。

1）执行机构

执行机构主要是由手部、腕部、臂部和立柱等部件组成，有的执行机构还有行走机构。

（a）手部

所谓手部，就是与物件相接触的部分。

根据其与物件的不同接触方式，可以分成夹持式手部和吸附式手部两类。

夹持式手部主要是由手指和动力传动机构构成的。

手指是指与物件直接接触的部分，常用的手指运动形式有回转型和平移型两种。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用比较广泛。

平移型手指由于其结构比较复杂，故应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不会影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围较大的工件。

吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如电磁吸盘产生的电磁力或真空吸盘内形成的负压）吸附物件，相应的吸附式手部有电磁式吸盘和真空式吸盘两类。

对于质量较小面积较大的板料类零件，通常采用负压式吸盘来吸取物料。

对于具有导磁性的环类和盘类零件，以及板料等，通常用电磁式吸盘吸取物料。

用负压式吸盘和电磁式吸盘吸取物料时，吸盘的形状、数量、吸附力大小，需要根据其被吸附的物料的形状、尺寸和重量的大小而确定的。

（b）手腕

手腕是连接手部和臂部的重要部件，通过手腕的旋转动作，可以用来调整需要被抓取物料的位置，从而适应不同的工作需要。

（c）手臂

手臂是支承手部及被抓物件的重要部件。

手臂的作用是带动手部抓取物件，并且按照编定的程序将其搬运到指定的位置。

工业机械手的手臂一般通过动力源（如液压、气压或电机等）由手臂运动的驱动部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）的驱动下，实现手臂的各种运动。

手臂在伸缩或升降运动过程中，为了防止其绕轴线产生转动，都需要加装导向装置，以保证手臂按正确方向运动。

此外，导向装置还能承受手臂所受的各种力矩，可以使运动的工件保持良好的受力状态。

常见的导向装置结构形式有：

单圆柱、双圆柱、四圆柱和燕尾槽、V形槽等。

（d）立柱

立柱是支承臂部的部件，立柱既可以独立分开，也可以是臂部中的一部分，臂部的升降和回转与立柱有关。

机械手的立柱一般情况下是固定的，有时也可以横向移动，被称为可移式立柱。

（e）行走机构

实际使用中，当机械手需要进行较远距离的运动时，或者增大机械手的使用范围时，可以在机座上安装轨道或者滚轮等行走机构。

（f）机座

机座是机械手组成的基础部分，机械手的执行机构和驱动系统都是安装在机座上的，它主要起连接和支撑机械手的作用。

2）驱动系统

驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置