自动外圆磨床自动上料系统设计机械CAD图纸.docx

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自动外圆磨床自动上料系统设计机械CAD图纸

毕业设计（论文）

自动外圆磨床自动上料系统设计

摘要

自动送料机构是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。

自动送料机构的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。

该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。

本文介绍的自动送料机构是由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制自动送料机构横轴和竖轴的精确定位，微动开关将位置信号传给PLC主机；位置信号由接近开关反馈给PLC主机，通过交流电机的正反转来控制自动送料机构手爪的张合，从而实现自动送料机构精确运动的功能。

本课题拟开发的物料搬运自动送料机构可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。

关键词：

自动送料机构,交流电机，PLC，流程，参数

Abstract

Manipulatorindustrialrobotsystemstraditionalmandate,Robotisoneofthekeycomponents.Manipulatorusingthemechanicalstructureofscrew-ball,slider,andothermechanicaldevicescomposition;ElectrichaveACmotor,inverter,sensor,andotherelectronicdevicecomponents.Thedevicecoversaprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,detectiontechnology,Mechatronicsisatypicalrepresentativeofoneofthemachines.ThispaperpresentsamanipulatorbythreePLCoutputpulse,drivinghorizontal,theverticalaxistransducer,controlmanipulatoraxishorizontalandverticalpositioningprecision,micro-switchespositionsignaltransmissionwillhostPLC;locationclosetotheswitchingsignalfromthefeedbackfromthemainframetothePLC,throughtheexchangeofMotorreversiontocontrolthemanipulatorgripperZhang,thusachievingaccuratemanipulatormovementfunctions.ThetopicstobedevelopedbytheManipulatorgraspingbeupinspaceobjects,movementsflexible,diverse,canreplacetheartificialheatanddangerousoperationconductedoperations,Accordingtotheworkpiececanchangethecampaignprocessandtherequirementsofanychangestotherelevantparameters.

KeyWords:

Manipulator,ACmotor,PLC,signal,relevantparameters

第1章绪论

1.1课题背景及目的

毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。

以达到如下目的：

（1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。

（2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。

如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。

（3）检验综合素质与实践能力。

1.2机器人的定义与发展状况

1.2.1定义

目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。

最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：

工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。

参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：

工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。

主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具[1]。

工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。

工业机器人是在计算机控制下可编程的自动机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。

机器人的诞生和发展虽只有30多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力[2]。

根据所处的环境和作业需求，工业机器人具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼有之，另外还可能程度不等的具有某些环境感知功能（如视觉，力觉，触觉等）。

以及语音功能及至逻辑思维，判断决策功能等。

从而使其能在要求的环境中代替人进行作业。

在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。

这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。

本次设计就是在这一思维下展开的。

根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用锥齿轮传动实现机器人的旋转，利用液压缸实现其移动以及对零件的抓取。

在步进电机的控制下，机器达到精确的回转运动。

1.2.2机器人的发展

工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：

第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。

它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。

第二代机器人是带感觉的机器人。

它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。

其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。

第三代工业机器人即智能机器人。

这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。

并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。

这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用[2-4]。

1.3课题研究意义

（1）培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和。

（2）培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。

（3）培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

（4）培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

第2章自动送料机构介绍分析

2.1自动送料机构

自动送料机构，顾名思义，是指能模仿人手的部分动作，用以完成某些抓放，搬运物件或操纵工具等工作的自动化机械装置。

自动送料机构通常用附属于它所服务的设备，动作程序固定，多数没有独立的控制系统，其控制装置包括在主机的控制系统（不包括工业机器人）。

2.2自动送料机构的组成

执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。

自动送料机构主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。

手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。

腕部、臂部、机身是将手部抓取的工件或工具进行搬运或操作的部件。

驱动系统是驱动臂部、腕部、手部和自动送料机构整体运动机构动作的动力装置，常用的驱动方式有液压、气动、机械、电气或其他的组合。

控制系统是支配自动送料机构按规定程序和要求进行运动的装置，他们主要用来控制：

位置（点位控制或连续轨迹控制）、

时间、速度和加速度等参数。

自动送料机构与主机及其它有关装置之间的联系[3]。

2.3自动送料机构的应用

按自动送料机构布局形式分可分为：

架空式自动送料机构、附机式自动送料机构、落地式自动送料机构三种。

此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的自动送料机构，他们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。

自动送料机构通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置[3]。

2.4自动送料机构的分类

（1）根据所承担的作业的特点，工业自动送料机构可分为以下三类：

（a）承担搬运工作的自动送料机构：

这种自动送料机构在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。

（b）生产工业用自动送料机构：

可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。

（c）通用工业自动送料机构：

其用途广泛，可以完成各种工艺作业[9]。

（2）按功能分类:

（a）专用自动送料机构：

它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用自动送料机构具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料自动送料机构和“加工中心”附属的自动换刀自动送料机构。

（b）通用自动送料机构：

又称工业机器人。

它是一种具有独立控制系统的机械装置。

具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。

（c）示教再现自动送料机构：

采用示教法编程的通用自动送料机构。

所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”自动送料机构做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。

自动送料机构手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。

（3）按驱动方式分：

（a）气力驱动式的机器人：

气源压力一般只有0.6Mpa左右，适宜抓举力较小的场合。

（b）液力驱动式的机器人：

结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。

（c）电力驱动式的机器人：

无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点，其运用最为广泛。

（d）新型驱动式的机器人：

例如静电驱动器，压电驱动器，形状记忆合金驱动器，人工肌肉及光驱动器等

（4）按控制方式分:

（a）固定程序自动送料机构：

控制系统是一个固定程序的控制器。

程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。

（b）可编程序自动送料机构：

控制系统是一个可变程序控制器。

其程序可按需要编排，行程能很方便改变[9]。

第3章自动送料机构的结构方案和驱动方案选型

3.1原始数据及资料

1．陶瓷插芯加工材料：

氧化锆（ZrO2）,尺寸：

毛胚外径2.56mm,内孔0.02mm,长度10.5mm。

2．陶瓷插芯同心度（内孔与外径）1微米。

3．砂轮：

金刚石砂轮，线速度50米／秒。

4．装料内孔定位，装料用气动形式,装料速度6只/min。

3.2自动送料机构形式及分析动作要求

3.2.1机构形式

图2.1自动送料机构图

3.2.2动作要求分析

动作一：

送料

动作二：

预夹紧

动作三：

手臂上升

动作四：

手臂旋转

动作五：

小臂伸长

动作六：

手腕旋转

预夹紧

手臂上升

手臂旋转

手臂伸长

手臂转回手腕旋转

图2.2自动送料机构动作简易图

3.3自动送料机构结构及驱动系统选型

本课题所设计的自动送料机构为通用型的自动送料机构，其中坐标系为圆柱坐标系结构。

由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式手部设计方案。

手部部分由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

其他部分则按照一般工业生产所采用的通用形式进行设计。

驱动系统选用电机驱动和气压驱动，电机驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，气压驱动用于手臂的伸缩和自动送料机构的夹取和翻转[3]。

第4章系统各主要组成部分设计

4.1抓取机构设计

4.1.1手部设计计算

a．有适当的夹紧力

手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。

对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

b．有足够的开闭范围

夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。

工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。

对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。

手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图4.1所示。

图4.1自动送料机构工作示例简图

c．力求结构简单，重量轻，体积小

手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个自动送料机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。

因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。

d．手指应有一定的强度和刚度

因此送料，夹紧自动送料机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。

此种结构较为简单，制造方便。

4.1.2拉紧装置

如图4.2所示：

气缸右腔停止进气时，弹簧力夹紧工件，气缸右腔进气时松开工件。

图4.2气缸示意图

（a）右腔推力为

（4.1）

=4908.7N

（b）根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：

（4.3）

其中N′=4

98N=392N，带入公式4.2得：

=

=1764N

则实际加紧力为

（4.3）

经圆整F1=3500N

由公式

得：

a=50.5mm

b=72mm

（c）计算手部活塞杆行程长L,即

（4.4）

=25×tg30º

=23.1mm

经圆整取l=25mm

（d）确定“V”型钳爪的L、β[3]。

取

（4.5）

式中：

（4.6）

由公式（4.5）（4.6）得：

L=3Rcp=150

取“V”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定，

查表得：

β=22º39′

（5）机械运动范围（速度）

（a）伸缩运动Vmax=500mm/s

Vmin=50mm/s

（b）上升运动Vmax=500mm/s

　　　　　　　　Vmin=40mm/s

（c）下降Vmax=800mm/s

Vmin=80mm/s

（d）回转

=90º/s

=30º/s

所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s

（6）手部右腔流量

（4.7）

=60

=60×3.14×25²

=1177.5mm³/s

（7）手部工作压强

（4.8）

=

如图所示：

图4.3尺寸示意图

4.2腕部设计计算

腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。

本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。

要求：

回转±90º

角速度

=45º/s

以最大负荷计算：

当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重5kg，长度l=650mm。

如图4.4所示。

图4.4腕部受力简图

（1）计算扭矩

[4]

设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩

为：

（4.9）

=5×9.8×0.2=19.6（N·M）

（2）气缸（伸缩）及其配件的估算扭矩

[4]

F=5kgS=10cm

带入公式2.9得

=5×9.8×0.1=4.9（N·M）

（3）摆动缸的摩擦力矩

[4]

=300（N）（估算值）

S=20mm（估算值）

=

×S=6（N·M）

（4）摆动缸的总摩擦力矩

[4]

=

+

+

（4.10）

=30.5（N·M）

（5）由公式

（4.11）

其中：

b—叶片密度，这里取b=3cm；

—摆动缸内径,这里取

=10cm；

—转轴直径,这里取

=3cm。

所以代入（4.11）公式

=8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106

=0.89Mpa

又因为

所以

=

=0.27×10-4m³/s

=27ml/s

4.2.2臂伸缩机构设计

手臂是自动送料机构的主要执行部件。

它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

自动送料机构的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。

所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了[5]。

手臂的伸缩速度为200m/s

行程L=500mm

（1）手臂右腔流量，公式（4.7）得：

=200×π×40²

=1004800mm³/s

=0.1/10²m³/s

=1000ml/s

（2）手臂右腔工作压力，公式（4.8）得：

（4.12）

式中：

F——取工件重和手臂活动部件总重，估算F=10+20=30kg，

=1000N。

所以代入公式（3.12）得：

=

=0.26Mpa

（3）绘制机构工作参数表如表4.1所示：

机构名称

工作速度

行程

工作压力

流量

手部抓紧

腕部回转

小臂伸缩

60mm/s

45°/s

200mm/s

25mm

±90°

500mm

1.78Mpa

0.89Mpa

0.26Mpa

117.8m/s

27m/s

1000ml/s

表4.1机构工作参数表

（4）由初步计算选气泵

所需气压最高压力

P=1.78Mpa

所需气压最大流量

Q=1000ml/s

选取CB-D型气泵

此泵工作压力为1Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，可以满足需要。

（5）验算腕部摆动缸：

（4.13）

（4.14）

式中：

—机械效率取：

0.85～0.9

—容积效率取：

0.7～0.95

所以代入公式（4.13）得：

=25.8（N·M）

T

代入公式（4.14）得：

=0.673rad/s

W<π/4≈0.785rad/s

因此，取腕部回转气缸工作压力P=1Mpa

流量Q=35ml/s

圆整其他缸的数值：

手部抓取缸工作压力

=2Mpa

流量

=120ml/s

小臂伸缩缸工作压力

=0.25Mpa

流量

=1000ml/s

4.3气压驱动系统设计

气压控制室自动送料机构的一种主要的控制形式。

自动送料机构的运动速度和操作室根据气体的流量与压力来确定，因而只要控制气的流量和压力，就可以控制自动送料机构的运动速度和操作力，气压压力一般在5—140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。

主要优点：

（1）气压执行元件（马达和气缸）结构紧凑，重量轻，功率小。

（2）可通过空气带走大量热能，保证机械的正常运行。

（3）气压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。

只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。

（4）响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。

其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。

（5）气压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。

缺点:

控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便[4-6]。

4.4手部抓取缸

图4.5手部抓取缸气压原理图

（1）手部抓取缸气压原理图如图4.5所示

（2）泵的供气压力P取1Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。

因此，需装图4.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

选取采用：

2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

4.5腕部摆动气压回路

图4.6腕部摆动气压回路

（1）腕部摆动缸气压原理图如图4.6所示

（2）工作压力:

P=1Mpa

流量:

Q=35ml/s

选取采用:

2FRM5-20/102调速阀

34E1-10B换向阀

4.6小臂伸缩缸气压回路

图4.7小臂伸缩缸气压回路

（1）小臂伸缩缸气压原理图如图4.7所示

（2）工作压力:

P=0.25Mpa

流量:

Q=1000ml/s

选取采用：

2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

4.7总体系统图

图4.8总体系统图

（1）总体系统图如图4.8所示,

（2）工作过程:

小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松

（3）电磁铁动作顺序表:

表4.2总体系统图

元件

动作

1DT

2DT

3DT

4DT

5DT

小臂伸长

手部抓紧

腕部回转

小臂收缩

手部放松

卸荷

-

-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

±

+

-

-

-

+

±

-

-

+

-

-

±

-

-

-

-

-

±

（4）确电机规格：

气压泵选取CB-D型气泵，额定压力P=1Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。

选取80L/min为额定流量的泵，

因此：

传动功率

（4.15）

式中：

η=0.8（经验值）

所以代入公式（4.15）得：

=16.7KN

选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，

转速为2940r/min。

4.8机身结构的设计

臂部和机身的配置形式基本上反映了自动送料机构的总体布局。

本课题自动送料机构的机身设计成机座式，这样自动送料机构可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。

臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型自动送料机