运送铸造毛坯机械手的毕业设计

XXXX大学毕业设计说明书设计Q扣11459919609Q扣21969043202学院专业题目运送铝活塞铸造毛坯的机械手设计指导教师职称职称20年月日任务书毕业设计（论文）任务书的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。有关数据设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具2米远处的铝活塞毛坯箱里。铝活塞的基本尺寸等技术要求参见顾崇衍编机械制造工艺学P91P100。要求设计方案和计算准确，叙述清楚，图纸符合制图规范，翻译一篇有关的外文资料。要求完成的图纸内容及要求1机械手机构简图2工作空间投影图3机械手传动原理图4装配图5零件图要完成的实习内容及要求1到本校机械实验室组装各类机械手模型。2学习工业机械人设计方面知识设计参考资料1顾崇衍机械制造工艺学陕西科技出版社，19962周伯英工业机械人设计机械工业出版社，19953龚振帮机械人机械设计电子工业出版社，19954成大光机械设计图册（5）化学工业出版社，1999目录中文摘要1ABSTRACT1第1章绪论211工业机器人简介212工业机器人的发展2第2章工业机器人的总体设计321工业机器人的组成及各部分关系概述322工业机器人的设计分析3221设计要求3222总体方案拟定3223工业机器人主要技术性能参数4第3章工业机器人的机械系统设计531工业机器人的运动系统分析5311机器人的运动概述5312机器人的运动过程分析632工业机器人的执行机构设计7321末端执行机构设计73211设计时要注意的问题73212总体结构设计73213液压油缸的选择和夹紧力的校验83214弹性爪的强度校验10322手臂机构的设计103221手臂的设计要求103222伸缩液压油缸的选择113223活塞杆的强度校核11323腰部和基座设计133231结构设计133232步进电机的选取133233轴承的选取163234齿轮的选取17第4章工业机器人的计算机控制系统概述1841工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求1842计算机控制系统的设计方案1843硬件电路的组成1944电路接口说明19第5章工业机器人运行时应采取的安全措施2151安全要求2152实施方法21总结22鸣谢23参考文献24中文摘要在工业上，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结。关键词手臂；夹持器；工业机器人ABSTRACTINDUSTRIALLY,AUTOMATICCONTROLSYSTEMSAREFOUNDINNUMEROUSAPPLICATIONS,SUCHASAUTOMATIONMACHINETOOLCONTROL,COMPUTERSYSTEMSANDROBOTICSINDUSTRIALROBOTSARERELATIVELYNEWELECTROMECHANICALDEVICESTHATAREBEGINNINGTOCHANGETHEAPPEARANCEOFMODERNINDUSTRYAPHYSICALROBOTISNORMALLYCOMPOSEDOFAMAINFRAMEORARMWITHAWRISTANDSOMETOOLINGUSUALLYSOMETYPEOFGRIPPERATTHEENDOFTHEFRAMEANAUXILIARYPOWERSYSTEMMAYALSOBEINCLUDEWITHTHEROBOTTHISPAPERISMORECOMPREHENSIVEINTRODUCTIONANDSUMMINGUPFORTHEFORTHEWHOLEDESIGNWORKKEYWORDSARM；GRIPPER；INDUSTRIALROBOT第一章绪论11工业机器人简介机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。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。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。采用工业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。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。12工业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。第2章工业机器人的总体设计21工业机器人的组成及各部分关系概述它主要由机械系统执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统组成。A、执行系统执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1）手部机器人为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2）腕部又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3）臂部联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。（4）机身机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、驱动系统为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C、控制系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D、检测系统作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。22工业机器人的设计分析221设计要求通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。有关数据设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出，并运送到离模具2米远处的铝活塞毛坯箱里。铝活塞的基本尺寸等技术要求参见顾崇衍编机械制造工艺学P91P100。零件尺寸外孔1016，高106。零件材料铝。222总体方案拟定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工业机器人工作方式，利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用一个液压缸，使手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图21机器人外形图42计算机控制系统的设计方案控制系统采用二级计算机控制方式，选用IBMPC，80C51系列CPU。第一级机担负管理，示教编程，控制再现，轨迹正逆运算，机器人语言的编辑和编译，通过串行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算，位置检测等工作，根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。一级机与示教盒通讯采用串行RS232接口，既接收示教盒信息，完成示教动作，又向示教盒发送信息，显示示教情况。还可以连接软驱，CRT终端。二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量，驱动伺服控制系统，选用速度单元，伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。41机器人控制系统框图43硬件电路的组成图31是采用MCS51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下I主从CPU都采用8031芯片；II主从CPU各扩展程序存储器27256一片，扩展数据存储器62256一片；III主CPU扩展可编程串行通信接口芯片8251A一片；可编程多功能接口芯片8155一片；电平转换芯片MAX232一片；IV从CPU扩展可编程多功能接口芯片8155六片；D/A转换器DAC0832六片；运算放大器A741六片；PWM功率放大器六片；光电编码器六片；V地址锁存器、译码器各两片；VI键盘电路，显示电路；VII光电编码电路，功率放大电路；VIII报警电路，暂停、急停电路，复位电路；44电路接口说明A主计算机1CPU采用8031芯片，由于片内无程序存储器，数据存储器也只有128字节，因此，扩展外部程序存储器27256一片16K，数据存储器62256一片16K。8031的I/O口也不能满足输入输出口的要求，本系统也扩展了一片8155可编程接口芯片。2采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，8251A，8155的片选信号分别接到译码器的0Y4Y。MCS51系列单片机，64K字节外部RAM是由16根地址线A0A15决定的，它由P0口提供低8位，P2口提供高8位。要想扩大RAM空间，可用增加地址线的办法来解决。这里，利用P1口增加地址线。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P10、P11、P27。3由于27256和62256芯片都是32KB，需要15根地址线。其A0A7低8位接74LS373芯片的输出端线，A8A14接8031芯片的P20P26，74LS373地址锁存器在选通号ALE为高电平时直接传送8031P0口低8位地址，当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时，P0口可用来向片外传送读写数据。4主机8031要和示教盒通信，因此扩展一片8251A增加一个串行RS232C接口。8251A的数据线与8031的P0口相接。WR、RD对应相连。8251的CS接74LS138的3Y，D/C接74LS373的1Q，。RXRDY和TXRDY经或非门接到8031的0INT，当8251A准备好接收或发送数据时都能向8031申请中断。时钟部分，8251A的CLK接到8031的ALE；TXC和RXC接在一起，由ALE经过一个分频电路后提供时钟。TTL电平与RS232C电平的转换通过专门的电平转换芯片MAX232。由于不用调制解调器，DSR和CTS接地。58155的PA0PA7、PB4PB7作为显示器位选信号，显示器的段选信号由8031的P12P17和P34、P35发出，两边都接上反相驱动器74LS06。通过软件译码静态显示，12个显示器，每4个分别显示X、Y、Z轴的坐标。8155的PB0PB3是键盘扫描输入，采用行列式结构，123键。行线经限流电阻接5V电源，按键跨接在行线和列线上。68155的PC0PC4接控制面板上的按钮开关，设有启动、暂停、急停、示教等操作方式。B从计算机1CPU采用8031芯片，扩展外部程序存储器27256一片16K，数据存储器62256一片16K。从CPU8031要控制6个关节位置的伺服量，8031的I/O口不能满足输入输出口的要求，本系统扩展了6片8155可编程接口芯片。每一个芯片负责其相应伺服系统的输入输出量。2采用74LS138三八译码器的输出作为片选信号。27256，62256，六片8155的片选信号分别接到译码器的0Y7Y。74LS138的输入A、B、C口分别接8031的P10、P11、P27。3由于27256和62256芯片都是32KB，用74LS373芯片的输出端线1Q8Q及P2口的P20P26输出地址作为27256、62256的15根地址线，寻址空间各为32K字节。4用8155的I/O输入输出口来控制伺服电机，在计算机系统求出控制量之后，把这个控制数据送出到D/A转换器DAC0832去，把数字量转换成模拟电压，再去控制PWM功率放大器工作。5DAC0832的输入数据线0DI7DI接到8155的PA口，DAC0832内部有输入寄存器，所以可以这样直接相连而不必另加锁存器。输入寄存器允许信号ILE固定置于高电平。片选信号CS和传送控制信号XFER一起接到8155的高位地址5PC，写信号1WR和2WR一起接到8031的WR端。6D/A转换器DAC0832和运算放大器A741组成一个完整的D/A转换电路，它可以把数字转换成模拟电压信号。按照常规的用法，DAC0832以电流开关方式进行D/A转换的。其转换结果以电流形式在1I、2I端输出，而1I、2I再接一个运算放大器A741的两个输入端，同时运算放大器的输出再接反馈电阻端FBR；这样由一个运算放大器把DAC0832的输出1I、2I的信号转换成电压信号输出。其输出的电压去控制PWM功率放大器，就可以使伺服电机以不同的速度实现正转和反转。7光电编码盘是一种可以直接把角度转换成二进制数码的元件，可以产生9位数据。它的分辨率是07。当光电编码盘随伺服电机的旋转处于不同位置时，它送出的数据不同；每一个数据和一个角度对应。光电编码盘输出的数据的最高位从8155的0PC输入，而低八位则从PB端口输入。读取光电编码盘的数据时，单片机只需读取I/O口0PC和PB的内容。第五章工业机器人运行时应采取的安全措施有些国家已经颁布了关于机器人的安全法规和相应的规程,国际标准化协会也有业机器人安全规范ISO/TC184/SC2/WG3DP10218。在工业机器人的生产厂家，有严格的管理规定和详尽的技术保障体系。在机器人应用工程中，要参照有关规程、规范以及工业机器人的说明资料，注意落实安全措施，杜绝发生机器人伤人或其它事故。51安全要求工业机器人能代替人在危险有害的环境作业。但又给人另一种危险，即机器人伤人事故。这是工业机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，还要注意工业机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。对工业机器人应用工程的安全要求有如下几条A、必须为工业机器人和周边设备安装安全护栏，以防止人靠近而造成伤害。工业机器人的动作范围不能超越护栏。B、在护栏出入口的门上必须设置插拔式电接点点开关，其插座有导线与控制系统的电路连接。只有拔下开关的插头，才能打开对应的门。这时，工业机器人及周边设备停止运转，并且将工业机器人锁定在示教模式。C、在距操作者的地方设置紧急停止开关。按下此开关，工业机器人和有关的设备立即停止运转。D、在人机结合部设置传感器。当操作者在此处上、下料或装卡工作时，控制系统要有相应的安全对策。E、在生产设备旁边的显著位置用大型指示灯箱表示生产系统的当前状态。如运转、调试、停止等。F、设置工业机器人的作业的作业原点，并在生产系统的操作盘上设置相应的指示灯，使操作者容易判断工业机器人本体的位置状态。G、示教作业时应降低工业机器人的运动速度，并且要另有一人专门监护，一但发现异常应立即停机。H、由经过操作培训的人员进行工业机器人的示教作业。I、制定生产系统及工业机器人的操作规程和安全规程，张贴在护栏上并认真执行。52实施方法在工业机器人应用工程中，不仅要注意对人员的危险性，而且还要考虑包括工业机器人在内的设备的安全性。为此生产厂家在工业机器人及控制系统的软硬件方面应尽可能地增加有关功能，以确保安全。例如，用软极限的功能可设定工业机器人操作机（本体）的实际动作小于标称最大动作范围。当控制点运动到软极限位置时，工业机器人自动停止并报警，不会超越设定的区间。因此，可以将工业机器人本体的动作限制在实际作业的领域内。又如对于弧焊的应用，生产厂家可提供一种带有碰撞传感器的焊枪把持器及焊枪后，示教作业及再现运动时，一但焊枪撞上工件或其他物体时，工业机器人将立即停机。为了确保工业机器人应用工程中的安全，必须实施确保安全要求的具体措施。总结机械设计制造及其自动化毕业设计是我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及专业基础课之后进行的。这是我们对所学课程的一次深入的综合性总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综