机床上下料机械手设计[毕业论文+CAD图纸]

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机床上下料机械手设计[毕业论文+CAD图纸]

摘 要

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，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。设计达到了设计的预期目标。

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统

Abstract

Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction design, the wrist’s construction design, the end effector’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulator’s control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object.

Keywords: Manipulator；PLC；Hydraulic servo control；Electrohydraulic system

目 录

摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 设计目的 1
1.3 国内外研究现状和趋势 2
1.4 设计原则 3
第2章 设计方案的论证 3
2.1机械手的总体设计 3
2.1.1 机械手总体结构的类型 3
2.1.2 设计具体采用方案 4
2.2机械手腰座结构的设计 5
2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 5
2.2.2 设计具体采用方案 6
2.3机械手手臂结构的设计 7
2.3.1 机械手手臂的设计要求 7
2.3.2 设计具体采用方案 8
2.4工业机器人腕部的结构 9
2.4.1机器人手腕结构的设计要求 9
2.4.2设计具体采用方案 10
2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 10
2.5.1机械手末端执行器的设计要求 11
2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 12
2.5.3机器人夹持器的典型结构 12
2.5.4设计具体采用方案 13
2.6机械手的机械传动机构的设计 13
2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题 14
2.6.2工业机器人常用的传动机构形式 15
2.6.3 设计具体采用方案 18
2.7机械手驱动系统的设计 18
2.7.1机器人各类驱动系统的特点 18
2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则 19
2.7.3机器人液压驱动系统 20
2.7.4机器人气动驱动系统 21
2.7.5 机器人电动驱动系统 23
2.7.6 设计具体采用方案 25
2.8机器人手臂的平衡机构设计 26
2.8.1 机器人平衡机构的形式 26
2.8.2 设计具体采用的方案 26
第3章 理论分析和设计计算 27
3.1液压传动系统设计计算 27
3.1.1 确定液压系统基本方案 27
3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路 28
3.1.3 液压源系统的设计 28
3.1.4 绘制液压系统图 29
3.1.5确定液压系统的主要参数 30
3.1.6 计算和选择液压元件 35
3.1.7 液压系统性能的验算 37
3.2电机选型有关参数计算 37
3.2.1 有关参数的计算 37
3.2.2 电机型号的选择 40
第4章 机械手控制系统的设计 41
4.1机械手控制系统硬件设计 41
4.1.1 机械手工艺过程与控制要求 41
4.1.2 机械手的作业流程 42
4.1.3 机械手操作面板布置 43
4.1.4 控制器的选型 45
4.1.5 控制系统原理分析 45
4.1.6 PLC外部接线设计 46
4.1.7 I/O地址分配 47
4.2机械手控制系统软件设计 49
4.2.1机械手控制主程序流程图 49
4.2.2机械手控制程序设计 49
技术经济分析 51
结论 52
专题部分 53
参考文献 64
附录1 66
附录2 71
附录3 78
致谢 94

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。

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、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（μm级）。但是，这种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