《上下料机械手设计11000字（论文）》

年，济南二机床厂与美国ISI公司合作，生产了我国第一条自动化生产线，随后在哈飞汽车公司正式运作。这是我国首次釆用具备世界先进水平的自动化生产线，标志着我国同世界先进水平接轨[15]。2007年，济南二机床厂自主研发的自动化生产线成功，并于2007年在荣成华泰有限公司正式运作，这是我国国内第一条具备自主知识产权、制造的自动化生产线，奠定了我国的冲压自动化技术的基础[16][17],打破了一直以来外国企业的垄断，具有非常重大的意义。2011年，济南二机床厂成功攻克了“大型快速高效数控全自动冲压生产线”国家科技重大专项，并通过了国家的验收[18]。它的效率非常高，工作节拍可达每分钟15次，整条生产线包括一台LS4-1800B闭式四点多连杆压力机、三台J39-800C闭式四点压力机和双臂快速送料系统[18]。1.3上下料机械手发展趋势随着科学技术的迅猛发展，电子技术和计算机技术推动着各行各业进行着自动化的技术革新，冲压技术也不例外，也在向着自动化的道路前进。它的发展趋势主要有以下三方面[19-21]：高精度化：高精度化主要体现在两方面，一方面是运动部件的位置控制，它的实现主要是因为计算机技术的兴起，使得加工精度得到很好的保证，同时位置误差补偿技术在各个精密行业得到广泛应用，使得现在许多的高精密件的误差可以控制在微米的范围内；另一方面是送料的精确度。高速度化：企业的竞争越来越激烈，只有提高生产效率才能更好地和世界先进技术接轨，因此提高生产效率具有重大意义。高自动化：自动化是各行各业面临的发展趋势，冲压行业也不例外，高自动化不仅提高了生产效率，减少了人在生产中的参与，同时降低了安全隐患，更加便于管理。1.4主要研究内容本文设计的是一款结构简单、应用普遍的上下料摆臂式机械手。通过查阅资料进行科学系统分析,提出设计的方案,进行合理设计,借助三维绘图软件设计上下料机械手的机构。具体研究内容如下:(1).借助三维建模软件,设计出上下料机械手的结构,分析装配结构的合理性,是否存在干涉情况等。(2)将不同的设计方案对比分析,包括结构的复杂性、功能的稳定性等。得出一套最优的设计方案。1.5本章小结本章主要通过收集资料、查阅文献说明了上下料机械手的研究背景和研究意义，并对国内外机械手的发展进行了详细介绍，最后明确的本课题的主要研究内容和研究方向。2.方案设计2.1机械手的工作原理、组成及其分类2.1.1机械手的工作原理机械手的工作原理是在PLC程序操控的条件下，用气压传动、液压驱动或电力驱动的方法，完成执行机构的相对应部位发作需求，有次序，有运动轨道，有必定速度和时刻的动作。根据控制系统的信息，向执行机构发出指令，必要时对机械手位置进行追踪，动作出现错误或故障时发出报警信号。方位检测设备会随时将执行机构的实际方位反馈给控制系统，与设定方位进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构达到一定精度的设定方位。2.1.2机械手的组成图2-1机械手的组成方框图机械手的整体结构主要部分包括自动执行器、驱动继电系统、控制器、以及自动定位器和检查器等装置。各个网络子系统的相互关系框图如以下方框中的图2.1所示。图2-1机械手的组成方框图1)执行机构机械手的执行机构主要包括手部、腕部、臂部、腰座和行走机构，手部主要实现机械手对工件的抓取或吸放功能；腕部可以实现手部整体自由度的变化，它将手部和臂部连接与一体，可以更灵活的调节手部工件的方位；臂部是机械手的重要支持部分，它可以实现机械手主要空间运动，同时也是驱动或传动机构安装和工作的重要位置；基座可以支撑机械手的整体结构，也是机械手内部电器设备和传动机构的重要安装部位；根据环境需要，机械手可以加装行走机构，以提高机械手的工作范围。各个结构相互连接和配合，才能成为机械手完整的执行系统[20]。2）驱动机构驱动机构可以作为工业机械手的重要动力来源，根据负载和工作情况等要求机械手的驱动系统主要包括液压驱动、气压驱动、电气驱动和复合驱动[20]。3）控制系统和反馈系统：机械手的控制可以釆用PC上位机、专用控制器或可编程控制器。机械手的工作往往分为连续工作和点动工作，这就需要系统根据实际要求，设置控制参数和编写相应的程序。根据控制要求，也可以加入反馈元件如传感器，组成闭环控制系统，以完成更加精确可靠的操作任务[22]。2.1.3机械手的分类1)根据作业特点可以分为：承担搬运工作的机械手，该机械手可以为加工设备装卸需要的毛胚、夹具或工件。生产工业用的机械手，例如焊接机械手、装配或切割机械手。通用工业机械手，用途广泛，适用于各种生产作业。2)根据功能分：专用机械手，该机械手针对性强，通常采用固定程序在专门的加工设备中使用，同时它可以实现大批量生产，动作虽然简单，但实用可靠。如柱销加工装卸机械手。通用机械手，该机械手往往安装独立控制系统，可以因加工场合不同而变换不同的加工程序，所以其适用范围广，通用性强，而且可以实现一定的批量生产。如本机械手。示教再现机械手，就是釆用示教法编程的通用机械手，按照既定的演示规则操作工作。3)按控制方式：固定程序机械手，机械手控制程序单一，不可变，适用于针对性加工设备。可编程机械手，往往会有一个可编程控制器，依据实际工作要求，编写相应的控制程序。4)按坐标形式：机械手一般可分为关节坐标型、球坐标型、直角坐标型和圆柱坐标型等方式[20]。2.2运动方式设计为了能够对工件进行有效定位,抓取被加工件放置到冲压线上进行冲压,需要抓取、平移、旋转这三个动作[23],为更直观的表述，建立如图2-2所示的模型,,该模型主要由底座、伸降轴、中心旋转、伸缩轴和末端五部分组成。该上下料机械手有4个自由度,分别为前后伸缩轴F1、中心旋转轴F2、上下升降轴F3、末端旋转轴F4。前后伸缩轴F1的传动方式为：伸缩轴电机B→伸缩轴同步带→线性滑台→伸缩轴。启动伸缩轴电机B时，通过同步轮带动同步带，使得线性滑台能够同伸缩轴在导轨上进行前后伸缩运动。中心旋转轴F2的传动方式为：旋转轴电机A→旋转同步轮→旋转轴，启动旋转轴电机A时，旋转同步轮带动旋转轴整体进行旋转动作。上下升降轴F3的传动方式为：升降轴电机D→升降轴同步轮→丝杠→伸缩轴和旋转轴。升降轴电机D带动同步轮转动,,从同步轮轴连接丝杆进而转动,丝杆螺母固定在机械手整体上下升降。末端旋转轴F4的传动方式为：末端旋转电机C→末端同步带→末端，末端旋转电机C驱动转动轴从而带动末端旋转。图2.2机械手结构图2.2机械手结构2.3方案设计机械手的基本要求是能够快速、准确地拾取、和运输物体，这就要求机械手具有较高的定位精度、快速的响应和反馈能力、足够的承载能力、和运动所需空间。机械手设计的基本原则和方法是：通过对操作对象技术要求的分析，在满足系统功能和环境条件要求的前提下，制定出最合理的操作规程和制造工艺；确定与工件结构形状和材料性能有关的参数，进一步明确了对机械手结构和操作过程的要求；尽量选择市场上现有的零部件和模块，从而大大简化设计和制造工艺，节约成本。2.3.1手部设计手部通常是直接接触工件，一般采用旋转式或平移式。机械手手部是根据被抓取物体的外观、形状、尺寸、重量、材质和抓取等要求，设计用于移动和抓取工具上的物体和零件的各种机械结构，如夹紧式、支撑式、吸附式等。其中，最常见的抓取方式有吸附式和夹紧式。吸附式主要用于一些光滑、重量轻的工件或材料，夹紧式主要用于圆柱形，特别是一些形状复杂的工件或材料。在本产品的设计中，设定冲压件为板料，冲压后的表面基本平整。因此，在这里选择的手部为吸附式手部。2.3.2腕部设计机械手的腕部是用于连接手部和手臂的部件，起着支撑和调节手部的位置的作用。它可以拓宽机械手的运动范围，使机械手具有更大的灵活性和适应性。他们的手腕有独立的自由度。一般情况下，手腕配有旋转运动，再加上一次上下摆动即可满足操作要求。有些操作是相对简单的机械手。为了降低操作的复杂度，即不需要增加手腕，直接利用手臂的运动来驱动机械手来搬运工件。腕部是一种连接手部和臂部的组成零件,起到了支撑和调整手部位置的作用,可以拓宽机械手的移动范围,使得机械手能够变得更灵巧,适应力也更强。它们的手腕都有着独立的自由度。一般在腕部设有回转运动再额外增加一个上下摆动就能够满足操作的要求,有些操作较为简单的是机械手,为了减少操作的复杂性,也就是可以不再考虑加设腕部,而是直接利用臂部的运动来驱动手部对于搬运的工件。在本课题设计中,为了让机械手手部可以更加灵活的夹取零件,可以适应不同零件位置,因此我们使其具有回转运动。2.3.3臂部设计机械臂是机械手用于支撑手腕和手臂（包括工作装置或夹具）的重要支撑部件，并带动它们做空间运动。手臂运动功能：将手柄送至空间运动范围内的任意点。通常情况下，手臂一般有三个自由度，这样才能满足基本的运动要求，即手臂伸缩运动、左右摆臂和上下运动。手臂运动一般由驱动机构和各种传动装置或手臂组合来实现。根据手臂的受力状态，在操作过程中，手腕、手等工件经常受到静、动载荷的作用。此外，手臂承受的压力更大，手臂上受力也很复杂。本课题设计中,我们要求机械手的手臂要有纵向伸缩、左右移动摆臂及上下升降的功能。2.3.4机械手的基本形式选择设计根据运动方向和形式，常见的工业机器手手臂可分为以下四种类型：A.圆柱坐标型机械手；B.直角或坐标机器手；C.多关节机械手；D.球坐标（极坐标）式机械手（见图2.3）。这四类机械手的特点如下：1）直角坐标型：各个自由度所行成的空间夹角为直角，其占用的空间相对较大，因为底座被固定，所以其工作范围存在一定的局限性。常见的有天车式、龙门式以及悬臂式。2）圆柱坐标型：它的运动包含一个回转运动跟两个直线运动，它占用的空间相对较小,结构简单紧凑，常用于搬运作业。3）球坐标（极坐标）型:它的操作空间相对较小,工作空间是一个类球型的空间，自由度高,但是操作精度不高。4多关节型：拥有多个自由度，因此工作更加灵活，但结构也更加复杂。由于本课题设计的机械手的功能主要是实现在冲压生产线上板料的运送，工作空间相对较小，所需的功能要求和自由度也相对较小。因此，在设计中，考虑到上述几种机械手的工作特性、成本和实现的难度，选择了圆柱坐标机械手。图2.4机械手机构简图①2.3.5机械手主要部件及运动图2.4机械手机构简图①在选定机械手为圆柱坐标式后，由于设计受到空间使用的限制，机械手应放置在两个冲床之间，要求机械手要有左右摆臂、上下升降、前后移动的功能。必须有一个左右移动臂，而且它们可以上下移动，左右移动手臂升降，所以机械手要有3个主要的自由度，即手臂的前后伸展，手臂的上下运动，手臂的左右移动。整个机构及其结构的精确原理图如2-4所示。2.3.6机械手的技术参数因本课题所所设计机械手为理论研究，并未根据具体的工作环境进行研究，故计算方面给定如下参数自由度：3个自由度2)坐标类型：圆柱坐标型3)机械手承载板料最大质量：mmax≤4kg4)机械手旋转半径：1250mm6)手臂伸缩运动参数:包括手臂伸缩运动行程:600mm;手臂伸缩运动速度:1000mm/s7)手臂的上下运动参数:手臂的升降运动行程:350mm;升降速度:200mm/s8)手臂运动参数:旋转范围:±120°;旋转速度:360°/s2.4本章小结本章从一个宏观的角度针对上下料冲压机械手作品进行了整个总体方案的设计和分析,经过不同方面的对比和考虑最终确定了机械手的基本形态以及其自由度,并且清楚地给出了机械手作品在设计时所应用到的一些重要技术参数。下面的设计和计算会以此为例。3.结构设计3.1手腕部分的设计手腕结构位于第二十一章的正如图2.2上④所示的主要位置,其中运动手腕结构是在一个运动手臂之上,具体的机械结构原理是由一台伺服驱动电机经过自动减速器传递携带的机械动力,并且通过传递动力到运动手腕的各个运动部分。然后手腕末端就可以进行一个转动具体结构如下图3.1所示:图3.1手腕部分图3.1手腕部分3.1.1手腕处轴承的选择根据本课题设计，选用内径FORMTEXTd=25mm的深沟球轴承，转速约FORMTEXT30r/min，其轴向载荷约，径向载荷约FORMTEXTFr=100N，工作寿命（为机器工作寿命，系数0.5是根据机械手工作时间内手腕工作时间所占比例）。计算过程：查《机械设计手册（成大先第五版）》轴承选型表，拟选取代号为61805的轴承，内径为FORMTEXTd=25mm，滚珠直径为，其额定动载荷为，额定静载荷，滚珠数量为。,查表可得：轴径载荷比，，FORMTEXTX==0.56,Y=2.022，径向当量动载荷：查表得：冲击载荷因数为，温度因数为，速度因数为，寿命因数为，力矩载荷因数为轴承的动载荷，满足要求，因此选取合适。对轴承的额定静载荷进行如下校核：，取，取，，故轴承61805满足要求。3.1.2手腕驱动伺服电机与减速器的选择由于结构的限制拟采用伺服电机带动减速器，减速器通过安装的同步带轮传动至手腕处。计算条件：手腕处加以抓重预估计重量为，估计工件直径，手腕处转速最高。设计计算：计算工件转动惯量：假设减速器连同同步带轮总共减速比为,则折算到伺服电机上的转动惯量为。按照负载惯量＜3倍电机转子惯量的原则：查相关产品手册，选用电机，，则,,，取校核输出转速：，满足要求。因为使用条件扭矩很小，故忽略扭矩计算。考虑尽可能选取级数较低的减速器，以便减少重量以及空间占用量，同时保证较高的精度，根据结构选择一级减速器直角型，查相关手册，一级减速器最高减速比为，故应设计同步带轮减速比为。3.1.3传动同步带的选择计算条件：由上一节知，同步带轮减速比为2，工件由静止加速至转速30r/min即其角速度为时，大约需要时间为，则所需要做的功为平均功率，最大功率约为。设计计算：计算设计功率(为工况系数）拟选用圆弧型同步带，查机械设计手册，由及,选择带节距为的同步带。确定小带轮齿数：，查相关图表，最少齿数为，根据相关结构选择小带轮齿数为。小带轮节圆直径带速：（为允许最大转速），故带速齿数合适。由传动比，得大带轮齿数大轮节圆直径根据结构需要初定中心距约为，则初定带节线长度查设计手册，得同步带节圆长，齿数。为使得同步带可以良好配合于带轮，故将其设计为中心距可调的结构，则实际中心距小带轮啮合齿数，故选择合适。查表得基准额定功率，查表得圆弧齿带长系数,小齿轮啮合系数。查机械设计手册得基准带宽，故带宽查相应表格，选定带宽为15mm。3.2手臂伸缩部分的设计手腕位于第二章图2.2上③所示位置，其位于立柱之上，具体结构为伸缩轴电机启动带动伸缩轴同步轮，带动同步带传递动力给滑块，然后滑块就能在直线导轨上进行一个伸缩运动。具体结构如下图3.2所示：图3.2手臂部分图3.2手臂部分图3.1速度时间关系图3.2.1直线导轨与滑块的选择图3.1速度时间关系图计算条件：由上一章计算选型结果可知工件连同手腕组件质量为，伺服电机与减速机质量，滑块上固定板质量约。按设计要求，滑块的最大速度，滑块运动时由静止至最大速度时间，匀速时间，减速时间，运动行程，加速度，；距离，，，，，，。速度时间关系图如图3.1所示，设计计算：由已知条件可计算出，，。（一）每个滑块负荷的大小计算1)等速时，径向负荷大小 2)左行加速时，径向负荷大小3)左行减速时，径向负荷大小4)右行加速时，径向负荷大小5)右行减速时，径向负荷大小（二）等效负荷的计算1)等速时2)左行加速时3)左行减速时4)右行加速时5)右行减速时（三）拟选用导轨滑块型号为H20FN（TBI直线导轨手册）基本额定动负荷:,基本额定静负荷：。（四）静安全系数计算由以上计算可以得知，最大等效负载为,故安全系数应为：（五）每个滑块的平均负荷计算（六）额定寿命的计算表4.1负载系数振动·冲击速度（V）振动（G）微小大查负载系数表4.1，取负载系数。根据直线导轨的额定寿命计算公式，分别计算各导轨滑块的寿命如下：故直线导轨的寿命为：。按每分钟往复次数，折算成寿命时间为：满足需求。3.2.2传动同步带选择传动同步带的选择根据实际结构情况选为：周节制带L型，带宽为19.1mm。图3.3伸缩轴传动结构图3.2.3伺服电机的选择图3.3伸缩轴传动结构图计算条件：由上几节计算，导轨滑块上移动单位质量共约，运输同步带轮直径为，负载与滑台摩擦系数，电机处带轮齿数比为，负载最高速度，加速度。传动结构图如图3.3所示：设计计算：（一）计算折算到电机轴上的转动惯量按照负载惯量＜3倍电机转子惯量的原则，则（二）计算电机驱动负载所需要的扭矩克服摩擦力所需要转矩加速时所需转矩伺服电机额定转矩,最大扭矩。（三）计算电机所需转速根据以上计算分析，结合结构实际选择ECMA-C△0807.电机处传动同步带型号为：圆弧型5M,带宽20mm。3.3装配设计3.3.1机械结构建模过程上下料冲压机械手的机械结构建模工作过程按照从零到整,由冲压机械手的基座、立柱、手臂、腕、手部从下到上的设计流程,对每个关键部件按实际模拟的数值进行了设计,由局部到整体,层层递进,完成了一个整体的机械结构的建模,最后才能够完成冲压机械手的结构整体设计。再对其进行分析修改。3.3.2机械结构装配流程三维建模软件中的虚拟装配流程是建立在完成所有零部件建模的基础上进行的，根据所设计的整个上下料冲压机械手零部件之间的关系进行装配与约束，在软件虚拟环境中装配组装的流程。本文首先对上下料冲压机械手进行零件装配，再对机械手整体机械结构进行虚拟装配，其次对装配完成的上下料机械手进行检查，对检查出现的错误按照零件之间的装配关系修改，反复修改直到没有错误后，才算完成整体的虚拟装配。机械结构装配的流程主要包括：结构分析、零件三维建模、确定装配关系、虚拟装配、设计修改和确定装配效果等过程。整个上下料冲压式机械手的整体机构结构主要包括:基座、立柱、手臂、手腕、手部等。在机械结构的整体装配当中,按照由下而上的装配顺序进行,从底部基座、立柱、手臂、手腕以及最后的手部依次进行装配,最终完成整个上下料冲压机械手结构的整体装配。3.4本章小结本章分析了上下料冲压机械手手腕和手臂两个关键部件的设计，通过详细的计算对手腕处轴承、手臂的直线导轨和滑块、伺服电机、传动带等零件进行分析，从而更好的去选择合适的零部件型号。然后对整体的一个3D结构建模过程和装配设计流程做出了简要说明。4总结与展望4.1总结本文设计的是一种较为简易的上下料机械手，并着重对上下料机械手手腕部分和手臂部分进行了设计和分析，通过理论知识和计算提出最佳结构方案，并且通过三维建模、装配对三维模型进行分析。综上所诉，本文章完成了以下工作：(1).对上下料机械手的研究背景和意义进行了说明，通过收集资料、查阅文献，对国内外工业机器人的发展及发展趋势有了较为清晰的认识，并且根据网上收集的资料以及各式各样的机械手实物操作视频提出设计方案，研究出一款结构简单、常见的上下料冲压机械手。(2).对上下料机械手的工作环境和物理特性进行了研究，分析了机械手手腕部分和手臂伸缩部分的运动方式，通过分析结果确定了机械手的结构、自由度、运动方式、驱动方式等。完成了对上下料机械手的总体设计方案，对各部件进行了设计。(3).对各关键部件进行计算，包括手腕处轴承、驱动伺服电机、减速器、传动同步带以及手臂伸缩部分直线导轨和滑块等，分析结构。用UG软件对各部件进行建模，对各零件进行装配设计，对装配后的机械手进行分析，结构表明结构设计合理。通过本次毕业论文设计，我自身的能力也得到进一步提升，尤其是在UG建模装配方面，同时此次论文设计也是对我所学习的理论知识的一次实践检验过程，巩固和深化了我的专业知识，提高了我发现问题、分析问题和解决问题的以及正确查找资料、文献和使用设计工具的能力。4.2展望随着科技的发展与自动化进程的推进，自动化设备会逐渐代替人工劳作，从而解放大部分劳动力，提高工业制造生产的经济效益。本文设计的上下料机械手还处于理论状态，对其进一步研究和结构优化设计还在进行中，在之后的研究要不断对上下料机械手行完善。本文在某些内容还未考虑到，分别为以下几个方面：（1）.在机械手进行工作时，运动进程较为缓慢，所以工作效率偏低，造成此原因的关注在于未考虑手部的负压式吸盘在机械手快速旋转进程中能否对工件进行有效的吸附。（2）.本文中未通过所学工业产品造型设计课程对上下料冲压机械手的外观进行优化，在后续的研究中，不仅对机械手的工作效率进一步优化，在产品造型方面也会进行美化（3）.本文在设计过程中并未考虑到机械手的移动问题，在后续研究具体的实践环境下，需要上下料冲压机械手的移动路线进行规划。对其加装一个有轨或者无轨运动装置，从而使上下料冲压机械手的工作更加灵活。参考文献李健洪.基于多联机的上下料机械手结构与控制研究[D].广东工业大学,2019.王占军.工业码垛机器人机械结构与控制系统的研究[D].山东理工大学,2015.杨金桥.基于PLC的上下料机械手[D].浙江工业大学,2014.王翠.可转位刀片磨削加工上下料机器人控制系统研究[D].山东大学,2016.唐野.四轴冲压上下料机械手开发研究[D].吉林大学,2018.宋梦啸.一种新型串并混联上下料机械手分析与设计[D].燕山大学,2014.季小明,B.Hechler.自动冲压生产线上的一次技术革命快速横杆式(SpeedBAR)自动化输送系统[J].机械工人,2005(04):16-18.北京机电研究所.锻压［M］.北京：机械工业出版社,2002:15.徐邱粱，谢文才.关节型机器人在汽车大型外表面件冲压生产上的应用［J］.轻型汽车技术,2005(2):15-18.HadiA.Aked,SteveW.HoilanP