运送铝活塞铸造毛坯件机械手设计和实现 机械制造及其自动化专业.docx

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1、运送铝活塞铸造毛坯件机械手设计摘要在工业上，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。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，他执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单动作。通过对其整个机械系统和控制系统的设计来实现。关键词手臂；夹持器；工业机器人目录摘要I第1章绪论11.1 工业机器人简介11.2 工业机器人的发展2第2章工

2、业机器人的总体设计32.1 工业机器人的组成及各部分关系概述32.2 工业机器人的设计分析32.2.1 设计要求32.2.2 总体方案拟定42.2.3 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73.1 工业机器人的运动系统分析73.1.1 机器人的运动概述73.1.2 机器人的运动过程分析83.2 工业机器人的执行机构设计93.2.1 末端执行机构设计93.2.2 手臂机构的设计143.2.3 腰部和基座设计17第4章工业机器人的计算机控制系统概述244.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求244.2 计算机控制系统的设计方案2525292930314.3 硬件

3、电路的组成4.4 电路接口说明第5章工业机器人运行时应采取的安全措施5.1 安全要求5.2 实施方法Q口参考文献鸣谢错误!未定义书签。第1章绪论1.1 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

4、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

5、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

6、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 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

7、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2.1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

8、，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

9、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。2.2工业机器人的设计分析2.2.1 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P91PlO0。）零件尺寸：外孔101.6,高106o零件材料：铝。2.2.2 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

10、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。2.2.3 工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设

11、计手部的基础。C坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。D运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。E运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mms左右，一般为200400mms;回转速度最大为180s,一般为50sF定位精度和重复定位精度：定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。图2-1机器人外形图G编程方式和存

12、储容量。本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表2-1o表2-1技术参数表机械手类型三自由度圆柱坐标型抓取重量2.38Kg自由度3个（1个回转2个移动）机座内部回转运动，回转角Oo-180。，步进电机驱动腰部机构伸缩运动，升降范围40Omnb液压缸驱动手臂机构伸缩运动，伸缩范围70mm,液压缸驱动末端执行器液压缸驱动第3章工业机器人的机械系统设计3.1 工业机器人的运动系统分析3.1.1 机器人的运动概述工业机器人的运动，可从工业机器人的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。如图21所示，为工业机器人机构的简图。图31机构简图A工业机器人的运动自由度所谓机器人的运动自由

13、度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机器人动作灵活程度的参数。本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度。B机器人的工作空间和机械结构类型(1)工作空间工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数，工作空间图如图2-2o圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号RPP）,工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。3.1.2 机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如图

14、3-3和表3-图3-3运动过程表表3-1运动过程机器人开机，处于A点工步一手臂上升工步二，工步七，工步十三旋转至B点工步三手臂伸出工步四，工步十手臂下降工步五，工步H一夹紧工件工步六手臂收缩工步八，工步十四旋转至C点工步九放松工件工步十二实现运动过程口口的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性，这是本次设计成败之关键所在。3.2 工业机器人的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之

15、一:设计时要注意的问题：A、末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。B、末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。C、应能保证工件在末端执行机构内准确定位。D、结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。二、总体结构设计采用滑槽杠杆式回转型夹持器，用小型液压缸驱动夹紧，它的结构形式如图3-4。滑槽杠杆式回转型夹持器，当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在两杆4的滑槽中移动，迫使与支架1相较接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆2向下运动时，手指松开。1、支架2、杆3、扇柱销4、杠杆