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机床上下料机械手设计说明书.docx
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第 1 章 绪论
1.1 选题背景
机 械 手 是 在 自 动 化 生 产 过 程 中 使 用 的 一 种 具 有 抓 取 和 移 动 工 件
功 能 的 自 动 化 装 置 , 它 是 在 机 械 化 、 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的
一 种 新 型 装 置 。 近 年 来 , 随 着 电 子 技 术 特 别 是 电 子 计 算 机 的 广 泛 应
用 , 机 器 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为 高 技 术 领 域 内 迅 速 发 展 起 来 的 一 门
新 兴 技 术 , 它 更 加 促 进 了 机 械 手 的 发 展 , 使 得 机 械 手 能 更 好 地 实 现
与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 械 手 能 代 替 人 类 完 成 危 险 、 重 复
枯 燥 的 工 作 , 减 轻 人 类 劳 动 强 度 , 提 高 劳 动 生 产 力 。 机 械 手 越 来 越
广泛的得到 了应 用,在 机械 行业中 它 可用于 零 部件组 装 ,加工工件
的搬运、装卸,特别 是在 自动 化 数控机床 、组合 机床上使用 更普遍 。
目前,机械 手已 发展 成为 柔性 制造系统 FMS 和柔 性制造 单元 FMC
中 一 个 重 要 组 成 部 分 。 把 机 床 设 备 和 机 械 手 共 同 构 成 一 个 柔 性 加 工
系 统 或 柔 性 制 造 单 元 , 它 适 应 于 中 、 小 批 量 生 产 , 可 以 节 省 庞 大 的
工 件 输 送 装 置 , 结 构 紧 凑 , 而 且 适 应 性 很 强 。 当 工 件 变 更 时 , 柔 性
生 产 系 统 很 容 易 改 变 , 有 利 于 企 业 不 断 更 新 适 销 对 路 的 品 种 , 提 高
产 品 质 量 , 更 好 地 适 应 市 场 竞 争 的 需 要 。 而 目 前 我 国 的 工 业 机 器 人
技 术 及 其 工 程 应 用 的 水 平 和 国 外 比 还 有 一 定 的 距 离 , 应 用 规 模 和 产
业 化 水 平 低 , 机 械 手 的 研 究 和 开 发 直 接 影 响 到 我 国 自 动 化 生 产 水 平
的 提 高 , 从 经 济 上 、 技 术 上 考 虑 都 是 十 分 必 要 的 。 因 此 , 进 行 机 械
手的研究设 计是 非常 有意 义的 。
1.2 设计目的
本 设 计 通 过 对 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 大 学 本 科 四 年 的 所
学 知 识 进 行 整 合 , 完 成 一 个 特 定 功 能 、 特 殊 要 求 的 数 控 机 床 上 下 料
机 械 手 的 设 计 , 能 够 比 较 好 地 体 现 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 毕
业 生 的 理 论 研 究 水 平 , 实 践 动 手 能 力 以 及 专 业 精 神 和 态 度 , 具 有 较
强的针对性 和明 确的 实施 目标 ,能够实现 理 论和实践 的有机 结合。
目 前 , 在 国 内 很 多 工 厂 的 生 产 线 上 数 控 机 床 装 卸 工 件 仍 由 人 工
·1·
完成,劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率
,降
低 成 本 , 并 使 生 产 线 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统 , 适 应 现 代 自 动 化 大 生 产 ,
针对具体生 产工 艺,利 用机器 人 技术,设计 用一台装卸 机械手 代替人
工工作,以 提高 劳动 生产 率。
本机 械手主要 与 数控车 床 (数控 铣 床,加工 中心等 )组合最终
形成生产线 ,实 现加 工过 程( 上料、加工 、 下料)的 自动化 、无人
化。目前, 我国 的制 造业 正在 迅速发展, 越 来越多的 资金流 向制造
业,越来越 多的 厂商 加入 到制 造业。本设 计 能够应用 到加工 工厂车
间,满足数 控机 床以 及加 工中 心的加工过 程 安装、卸 载加工 工件的
要求,从而 减轻 工人 劳动 强度 ,节约加工 辅 助时间, 提高生 产效率
和生产力。
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1.3 国内外研究现状和趋势
目前 ,在国 内外各 种 机器人 和 机械手 的 研究成 为科研的热 点,
其研究 的现 状和 大体 趋势 如下 :
A.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服
电 机 、 减 速 机 、 检 测 系 统 三 位 一 体 化 ; 由 关 节 模 块 、 连 杆 模 块 用 重
组方式构造 机器 人整 机。
B.工业机器人控制系统向基于
PC 机的开放型 控制器方向 发展,
便 于 标 准 化 、 网 络 化 ; 器 件 集 成 度 提 高 , 控 制 柜 日 见 小 巧 , 且 采 用
模块化结构 ;大 大提 高了 系统 的可靠性、 易 操作性和 可维修 性。
C.机器人中的传感器作用日益重要, 除采用传统的 位置、速度、
加 速 度 等 传 感 器 外 , 装 配 、 焊 接 机 器 人 还 应 用 了 视 觉 、 力 觉 等 传 感
器 , 而 遥 控 机 器 人 则 采 用 视 觉 、 声 觉 、 力 觉 、 触 觉 等 多 传 感 器 的 融
合 技 术 来 进 行 决 策 控 制 ; 多 传 感 器 融 合 配 置 技 术 成 为 智 能 化 机 器 人
的关键技术 。
D.关节 式、 侧喷 式、 顶喷 式、龙门式 喷 涂机器 人产品标准 化、
通 用 化 、 模 块 化 、 系 列 化 设 计 ; 柔 性 仿 形 喷 涂 机 器 人 开 发 , 柔 性 仿
形复合机构 开发 ,仿 形伺 服轴 轨迹规划研 究 ,控制系 统开发 ;
E.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、
·2·
通用化、模块化、系列化研究;以及离线示教编程和系统动态仿真。
总 的 来 说 , 大 体 是 两 个 方 向 : 其 一 是 机 器 人 的 智 能 化 , 多 传 感
器 、 多 控 制 器 , 先 进 的 控 制 算 法 , 复 杂 的 机 电 控 制 系 统 ; 其 二 是 与
生 产 加 工 相 联 系 , 满 足 相 对 具 体 的 任 务 的 工 业 机 器 人 , 主 要 采 用 性
价比高的模块,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、简洁、
可靠,大量 采用 工业 控制 器, 市场化、模 块 化的元件 。
1.4 设计原则
在 设 计 之 前 , 必 须 要 有 一 个 指 导 原 则 。 这 次 毕 业 设 计 的 设 计 原
则 是 : 以 任 务 书 所 要 求 的 具 体 设 计 要 求 为 根 本 设 计 目 标 , 充 分 考 虑
机 械 手 工 作 的 环 境 和 工 艺 流 程 的 具 体 要 求 。 在 满 足 工 艺 要 求 的 基 础
上 , 尽 可 能 的 使 结 构 简 练 , 尽 可 能 采 用 标 准 化 、 模 块 化 的 通 用 元 配
件 , 以 降 低 成 本 , 同 时 提 高 可 靠 性 。 本 着 科 学 经 济 和 满 足 生 产 要 求
的 设 计 原 则 , 同 时 也 考 虑 本 次 设 计 是 毕 业 设 计 的 特 点 , 将 大 学 期 间
所 学 的 知 识 , 如 机 械 设 计 、 机 械 原 理 、 液 压 、 气 动 、 电 气 传 动 及 控
制、传感器、可 编 程控制器(PLC )、电子技术、自动控制、机械系
统 仿 真 等 知 识 尽 可 能 多 的 综 合 运 用 到 设 计 中 , 使 得 经 过 本 次 设 计 对
大 学 阶 段 的 知 识 得 到 巩 固 和 强 化 , 同 时 也 考 虑 个 人 能 力 水 平 和 时 间
的 客 观 实 际 , 充 分 发 挥 个 人 能 动 性 , 脚 踏 实 地 , 实 事 求 是 的 做 好 本
次设计。
第 2 章 设计方案的论证
2.1 机械手的总体设计
2.1.1 机械手总体结构的类型
工业机 器人 的结 构形式 主要有 直 角 坐标结构 ,圆柱 坐标结构,
球 坐 标 结 构 , 关 节 型 结 构 四 种 。 各 结 构 形 式 及 其 相 应 的 特 点 , 分 别
介绍如下。
1. 直角 坐标 机器 人结 构
直角坐标 机器 人的空 间运 动是用 三 个相互 垂直 的直线 运 动来实
现的, 如图 a2-1 . 。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制,
所以,
直角坐标机 器人 有可 能达 到很 高的位置精 度(μ m 级)。但是,这种
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直 角 坐 标 机 器 人 的 运 动 空 间 相 对 机 器 人 的 结 构 尺 寸 来 讲 , 是 比 较 小
的 。 因 此 , 为 了 实 现 一 定 的 运 动 空 间 , 直 角 坐 标 机 器 人 的 结 构 尺 寸
要比其他类 型的 机器 人的 结构 尺寸大得多 。
直 角 坐 标 机 器 人 的 工 作 空 间 为 一 空 间 长 方 体 。 直 角 坐 标 机 器 人
主要用于装 配作 业及 搬运 作业 ,直 角 坐标机 器 人有悬 臂式,龙门 式,
天车式三种 结构 。
2. 圆柱 坐标 机器 人结 构
圆柱坐标 机器 人的空 间运 动是用 一 个回转 运动 及两个 直 线运动
来实现的,如图 2-1 .b。这种机器人构造比较简单,精度还可以,常
用于搬运作 业。 其工 作空 间是 一个圆柱状 的 空间。
3. 球坐标机 器 人结构
球 坐 标 机 器 人 的 空 间 运 动 是 由 两 个 回 转 运 动 和 一 个 直 线 运 动 来
实现的,如图 2-1 .c。这种机器人结构简单、成本较低,但精
关节 型机器人 的 空间运 动 是由三 个 回转运动 实现的 ,如图 2-1 .d。
关 节 型 机 器 人 动 作 灵 活 , 结 构 紧 凑 , 占 地 面 积 小 。 相 对 机 器 人 本 体
尺 寸 , 其 工 作 空 间 比 较 大 。 此 种 机 器 人 在 工 业 中 应 用 十 分 广 泛 , 如
焊接、喷漆 、搬 运、 装配 等作 业,都广泛 采 用这种类 型的机 器人。
关节 型机器人 结 构,有 水 平关节 型 和垂直关 节型两 种。
·4·
具体 到本设计 , 因为设 计 要求搬 运 的加工工 件的质 量达 30KG ,
且长度达 500MM ,同时考虑到数控机床布局 的具体形 式及对 机械手
的 具 体 要 求 , 考 虑 在 满 足 系 统 工 艺 要 求 的 前 提 下 , 尽 量 简 化 结 构 ,
以减小成本 、提 高可 靠度 。该 机械手在工 作 中需要 3 种运动 ,其中 手
臂 的 伸 缩 和 立 柱 升 降 为 两 个 直 线 运 动 ,另 一 个 为 手 臂 的 回 转 运 动 ,综
3,坐标形式选择圆柱坐标形式,即
一个转动自 由度 两个 移动 自由 度 ,其特点 是:结 构比较 简单 ,手臂运 动
范围大 ,且有较高 的 定位准 确 度。机 械 手工作 布局图如图 2-2 所示。
进 行 了 机 械 手 的 总 体 设 计 后 , 就 要 针 对 机 械 手 的 腰 部 、 手 臂 、
手腕、末端 执行 器等 各个 部分 进行详细设 计 。
工 业机器人 腰 座,就是圆 柱 坐标机 器 人,球坐标机 器人及 关节
型 机 器 人 的 回 转 基 座 。 它 是 机 器 人 的 第 一 个 回 转 关 节 , 机 器 人 的 运
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