二維機械手方案

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1、 SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ?。希啤。裕牛茫龋危希蹋希牵? 課程設(shè)計 二維噴漆機械手設(shè)計 學(xué) 院：?農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 專 業(yè)：?農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 學(xué)生： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 程衛(wèi)東 2011?年?07?月?03?日 目錄 0、前言. ............................................................ 2 第一章 緒論.....

2、..................................................3 1.1?摘要....................................................... 3 1.2?設(shè)計要求................................................... 4 第二章?噴漆機械手總體設(shè)計方案...................................... 4 2.1?噴漆機械手總體方案論述..................................... 4 2.2?噴漆

3、機械手的總體方案確定. ............。..................... 6 第三章?噴漆機械手子系統(tǒng)設(shè)計....................................... 6 3.1?機械傳動設(shè)計............................................... 6 3.1.1?蝸輪蝸桿傳動的特點.................................... 7 3.1.2?齒輪齒條傳動的特點.................................... 7 3.1.3?滾珠絲杠副傳動的特點.

4、................................. 8 3.2?液壓傳動設(shè)計.............................................. 11 3.2.1?氣壓傳動的特點........................................ 11 3.2.2、機械傳動的特點. ....................................... 11 3.2.3、液壓傳動的特點. ....................................... 12 3.2.4、液壓

5、傳動系統(tǒng)主要參數(shù). ................................. 13 3.3?電氣控制的設(shè)計............................................ 14 3.3.1?方案論證.............................................. 14 3.3.2?電氣控制方案.......................................... 16 1 第四章?設(shè)計總結(jié)..........................................

6、......... 18 附：設(shè)計說明書 二維噴漆機械手設(shè)計 前 言 　　機械手：mechanical?hand，也被稱為自動手，auto?hand?能模 仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操 作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械 化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，廣泛應(yīng)用于機 械制造。 　　機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部 是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、 重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形

7、式，如夾持型、托持型和吸 附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動 來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升 降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度?。自由度是 機?械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)越多、自由度越多，機械手的靈活性越大， 通用性好。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、 機械式機械手；按適用圍可分為專用機械手和通用機械手兩種； 2 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或 自動生產(chǎn)線

8、上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒 有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子 能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛 造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等 勞動條件。 第一章?緒論 本產(chǎn)品設(shè)計符合國家標準?： GB276 GB1.1-87 GB3935.1-83 GB321-80 GB4025-83 GB4064-83 GB4720-84 GB4728.1 GB5465.1 GB/T2348 /T7938 GB/T2349 GB/T2878 GB/T786.1

9、GB/T2346 GB/T2350 GB/T3452.2 GB/T2349 GB/T10374 GB/T10366 GB/T5963 GB/T14042 摘要： 工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強 度，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，解決了工業(yè)生產(chǎn)中長期頻繁單 調(diào)的操作。也提高了工件的生產(chǎn)加工速度，所以機械手的使用是非 常高效的。 　　本設(shè)計簡要介紹了機械手的種類及其發(fā)展過程，國外機械手 的研究動態(tài)及發(fā)展趨勢，通過參考各方文獻，分析比較了各種機械 3 手的優(yōu)缺點，并結(jié)合所要搬運零件的自身特點，確定了設(shè)

10、計結(jié)構(gòu)， 采用直角坐標型的手臂運動形式，來實現(xiàn)一個繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動和 兩個繞自身軸線的伸縮，然后通過對驅(qū)動方式的比較，選擇了采用 變頻電機和氣缸作為驅(qū)動，使機械手所占的空間尺寸小，工作圍 大，最后對機械手進行了設(shè)計計算。 關(guān)鍵詞：機械手；直角坐標型；液壓缸 設(shè)計要求： 某產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)過程中需要對一平面進行噴漆處理（如圖所示）， 為實現(xiàn)自動生產(chǎn)，減少工人的勞動強度，需要設(shè)計一臺噴漆機械手 來實現(xiàn)，要求完成?1?塊物料噴漆的時間控制在?5?分鐘以。 已知生產(chǎn)線的移動為間歇移動，速度為?0.15?米/秒，產(chǎn)品重量 圍在?5

11、—80?公斤之間，尺寸圍在?800×800×800--- 300×300×300?之間。 第二章 總體方案確定 2.1、總體方案設(shè)計論述 4 （方案一?運動簡圖） 方案一：機械手由底座，立柱，機械臂和噴頭組成，機械臂有?PLC 和氣動控制。 底座開有?T?形軌道槽，槽兩側(cè)有一對軸承，支撐滾珠絲杠副。 在步進電機和滾珠絲杠副的共同作用下，機械臂沿槽做前后運動

12、。 噴頭在液壓缸的作用下實現(xiàn)左右運動。整個系統(tǒng)有?PLC?控制。液壓 缸的動作時刻，動作時間的長短，步進電機的動作時間，正反轉(zhuǎn)及 動作速度全部由?PLC?變成決定。機械手臂最末端是油漆噴頭，由液 壓控制，由液壓泵提供動力，然后將油漆從噴頭噴出。立柱上設(shè)有 螺紋限高裝置可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來調(diào)節(jié)機械臂的高度，從而更好的 完成任務(wù)。 5 （方案二?運動簡圖） 方案二：采用立柱與底座固定式，在立柱上安裝液壓缸使得機械手 在

13、有水平方向上進行移動從而使得機械手能夠?qū)ζ矫孢M行噴漆作業(yè)。 整個系統(tǒng)有?PLC?控制。液壓缸的動作時刻，動作時間的長短，步進 電機的動作時間，正反轉(zhuǎn)及動作速度全部由?PLC?變成決定。機械手 臂最末端是油漆噴頭，由液壓控制，由液壓泵提供動力，然后將油 漆從噴頭噴出。立柱上設(shè)有螺紋限高裝置可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來調(diào)節(jié) 機械臂的高度，從而更好的完成任務(wù)。 兩方案比較：方案一結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性好，能夠很好的適應(yīng)平面噴 漆 產(chǎn)品的性能要求，而且工作效率高，但是靈活性較方 案二較差，是專用類型的機械手。方案二靈活性和適 6

14、 應(yīng)性比較好，但較方案一結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)濟性較差同樣 的工作方案二成本高于方案一。 2.2 總體方案確定 根據(jù)設(shè)計要求采用方案一進行產(chǎn)品設(shè)計，機械傳動選用滾珠絲 杠副進行機械傳動，液壓傳動方案實現(xiàn)噴頭的自由移動，電氣控制 采用?PLC?控制以實現(xiàn)自動控制。 第三章 噴漆機械手子系統(tǒng)設(shè)計 3.1?機械傳動設(shè)計 傳動方案的選型：根據(jù)設(shè)計要求機構(gòu)?2?要能在?1?往復(fù)運動而 且要運動平穩(wěn)使用可靠，因此選用滾珠絲杠副傳動方案。在機械傳 動方案中，能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)自由運動的傳動方案有：滾珠絲杠副，渦 輪蝸桿傳動以及齒輪齒條

15、。 3.1.1?蝸輪蝸桿傳動的特點 蝸輪蝸桿傳動的兩輪嚙合齒面間為線接觸，能獲得比交錯軸斜 齒輪機構(gòu)更好的嚙合效果，傳動比和承載能力也更高。 蝸輪蝸桿傳動是一種螺旋式傳動，傳動中主要形式為齒嚙合傳 動，因此傳動更為平穩(wěn)、振動小、噪音低，適合需要穩(wěn)固狀態(tài)的機 械使用。 蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)比其他傳動機構(gòu)突出的優(yōu)點在于其自鎖功能， 7 蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)的蝸桿導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間當量摩擦角時，蝸 輪蝸桿傳動機構(gòu)就會反向自鎖，這時只能是蝸桿帶動蝸輪，而蝸輪 無法帶動蝸桿，即可實現(xiàn)對機械的安全保護。 3.1.2?

16、齒輪齒條傳動的特點 蝸輪蝸桿傳動的缺點在于其傳動效率較低，傳動中發(fā)生的磨損 嚴重，這是因為蝸輪蝸桿傳動是嚙合齒輪傳動，嚙合齒輪間有較大 的相對滑動速度，會導(dǎo)致齒面的磨損、發(fā)熱和能量消耗。另外，為 了減少齒面磨損，蝸輪蝸桿機構(gòu)經(jīng)常使用昂貴材料和良好的潤滑裝 置，增加了成本。 齒輪齒條傳動與帶傳動相比主要有以下優(yōu)點： （1）傳遞動力大、效齒輪傳動的特點。齒輪傳動用來傳遞任意兩軸 間的運動和動力，其圓周速度可達到300m/s，傳遞功率可達105KW， 齒輪直徑可從不到1mm?到150m?以上，是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣的一種 機械傳動。

17、 （2）壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高； （3）能保證恒定的傳動比，能傳遞任意夾角兩軸間的運動。 齒輪傳動與帶傳動相比主要缺點有： （1）制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高； （2）不宜作遠距離傳動。 3.1.3?滾珠絲杠副傳動的特點 8 滾珠絲杠副可以獲得精確、高效、靈敏、耐用、可靠等效果。 在特殊環(huán)境或者特殊要求下如：高溫、低溫、高壓、真空、強磁場、 強輻射、無潤滑磨蝕介質(zhì)中工作以及要求可逆運動、同步運動、瞬 時高低速轉(zhuǎn)換等均均有良好的傳動性能。 滾珠絲杠副的特點：（1）傳動效率高（2

18、）運動平穩(wěn)（3）傳動 可靠（4）可以預(yù)緊（5）定位精度和重復(fù)定位精度高（6）同步性好 （7）使用壽命長（8）使用可靠潤滑簡單維修方便 傳動形式：絲杠轉(zhuǎn)動——螺母移動（如圖所示） 螺母： 9 絲桿： 循環(huán)方式：循環(huán)浮動反向器 特點

19、：（1）、滾珠返回通道短，不受載荷的滾珠最少，滾珠間摩擦 損失少，提高了傳動的靈敏度。 （2）、有較高的可靠性。 （3）反向器如用工程塑料制作，則吸振性能好，耐磨，噪音 小，一次成型，工藝簡單成本低。 預(yù)緊方式：單螺母墊片預(yù)緊 10 軸承類 型 d/mm Cr/N C0r/mm D/mm B/(mm) N0/(r/m in) 6006 30 13200 8300 55 13 10000 滾珠絲杠副 規(guī)格 公稱直徑?d0 基本導(dǎo)程?ph 負荷滾珠總 圈數(shù) 旋向 3210 32

20、10 3.5 右旋 D3 D4 B D5 D6 h 90 71 15 9 18 11 特點：（1）、軸向尺寸較小，可以消除因雙螺母的形狀、位置誤差 的干涉對傳動副精度和性能的影響。 （2）、改變滾珠的直徑可調(diào)整預(yù)緊力，適用于中小負荷的場所。 精度等級：7?級 基于設(shè)計要求中傳動效率 P=1.2kw，轉(zhuǎn)速?n（最大） =1500r/min，每天工作十小時。軸承徑向載荷?Fr=2000N，軸向載荷 Fa

21、=1000N，無沖擊軸徑?d>=20.使用壽命應(yīng)大于等于?1000h?？煽慷? 90%，脂潤滑。 軸承選擇： 11 軸承： 軸承固定方式：?采用兩端固定方式 3.2、液壓傳動子系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)主要有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動。 3.2.1?氣壓傳動的特點 氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，靠壓力傳動動力或信息的流 動傳動。氣壓傳動的工作介質(zhì)是空氣，它取之不竭，用后的空氣可 排到大氣中去，不污染環(huán)境；氣壓傳動的工作介質(zhì)粘度很低，所以

22、 流動阻力很小，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送。但是氣 壓傳動缺點很多，由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動的速度穩(wěn)定性 差，給系統(tǒng)速度和位置控制帶來很大的影響；另外，氣壓傳動的噪 聲大，尤其是排氣時，需加消聲器 3.2.2、機械傳動的特點 機械傳動是一種技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠的傳動方式，但體積龐大， 制造成本高，維修困難，動作反應(yīng)遲鈍。產(chǎn)品升級自動化控制難度 12 大，在機械設(shè)計中有很多死角及不能完成的作業(yè)。 3.2.3、液壓傳動的特點 液壓傳動是在機械傳動的基礎(chǔ)上誕生的一種新型的傳動方式， 它以液體為工作介質(zhì)，通

23、過動力原件將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體 的壓力能，然后通過控制原件，借助執(zhí)行原件將液體的壓力能轉(zhuǎn)換 為機械能，驅(qū)動負載實現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運動。體積小，傳動平穩(wěn)，性 能可靠，能輕松實現(xiàn)很多機械傳動不能完成的作業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)自 動化控制系統(tǒng)的最佳選擇。 本設(shè)計系統(tǒng)中，執(zhí)行原件的速度為?0.15m/s，要求運動平穩(wěn)， 速度變化小，液壓傳動為最佳選擇。 13 （?液壓系統(tǒng)原理圖） 液壓傳動系統(tǒng)主要由五部分組成：動

24、力元件、執(zhí)行元件、控制 元件、輔助元件、工作介質(zhì)。此次設(shè)計中動力元件指液壓泵，執(zhí)行 元件為液壓缸，控制元件為各種液壓閥，輔助元件為一些密封等裝 置，工作介質(zhì)為粘度為通用液壓油。 3.2.4、液壓傳動系統(tǒng)主要參數(shù) （1）、液壓缸主要參數(shù) <1>、結(jié)構(gòu)及連接方式:雙作用但活塞桿差動連接 <2>、液壓缸油口尺寸：d0=10mm <3>、缸筒與缸蓋的的連接形式?：?外螺紋連接 <4>、缸筒缸蓋材料 缸筒材料：45?缸，無縫鋼 缸蓋材料：HT200 <5>、液壓缸壁厚：12mm <6>、液壓缸外徑：124mm <7>、液

25、壓缸徑：100mm <8>、活塞和活塞桿組件 ?、活塞和活塞桿連接方式:采用整體結(jié)構(gòu)。 ?、活塞材料 耐磨鑄鐵，套上尼龍?66 <9>、密封裝置——Y?型密封圈 <10>、排氣裝置——排氣塞 <11>、緩沖裝置——間隙緩沖 液壓缸型號：HSGL*——100/70BE——E?Z1 14 型號 工程排量 ml/min 壓力 壓力 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速 容積效率 PVL 5.8~153 額定 16、2 1 最高 — 額定 — 最高 1800r/min 0.8~0.9 壓力 /MPa 流量

26、 /L/min 徑 /mm 外徑 /mm 行程 /mm 壁厚 /mm 活塞桿直徑 /mm 活塞桿長度 /mm 16 72 100 124 1000 10 71 850 2.5 4.0 6.3 10 16 25 40 63 100 160 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 （天津工程液壓件廠） (2)、液壓回路方案 限壓式定量泵供油和調(diào)速閥聯(lián)合的容積節(jié)流 調(diào)速方案 (3)、液壓泵的選擇

27、 PVL?雙作用定量葉片泵 (上海液壓件廠) (4)、電機選擇 選?Y?系列?Y225M—Z?三相異步電動機 其額定功率?45KW，滿載轉(zhuǎn)速?2950r/min，最大轉(zhuǎn)矩?2.2N·M (5)油箱選擇 J??B/T7938——1999?油箱公稱容量系列 按標準??V=800L 15 3.3、電氣控制的設(shè)計 3.3.1、方案論證 方案一：常規(guī)電氣控制。?有接觸器，熱繼電器和熔斷器在現(xiàn)場進行 接線組成控制電路，原理簡單容易實現(xiàn)抗干擾性好，經(jīng)濟實用。在 動作頻率低線路連接復(fù)雜，檢修維護工作

28、量大體積龐大，而且只實 用于一個固定不變的控制要求。當被控設(shè)備或其工藝要求變化時， 必須重新接線，有時甚至使原系統(tǒng)報廢，造成不必要的浪費，靈活 性和通用性也較差。 方案二：PLC?控制 PLC?控制系統(tǒng)不僅保留了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時具有體積 小功能強，通用性和靈活性強，使用和維修方便（1）使用軟件控制 省去了大量的控制電器及線路連接。當改變控制要求和參數(shù)時，只 需改動程序的相應(yīng)部分，外部線路基本上不用改動，因而節(jié)省了資 源。（2） 16

29、 執(zhí)行程序時間段，一些電器元件的觸電可以用無觸點開關(guān)代替，所 以整個系統(tǒng)的動作頻率高，生命長，這些較好的克服了傳統(tǒng)控制系 統(tǒng)存在的缺點。 所以經(jīng)過比較和設(shè)計要求最終選用?PLC?控制來滿足在一定圍 進行不同規(guī)格產(chǎn)品的加工。 3.3.2?電氣控制方案 電路控制見圖（一） 轉(zhuǎn)換圖見圖（二） 圖一 X0:開始按鈕 M0：是否按下停止按鈕標志 C0：計數(shù)器 T0，T1，T2，T3：計時器 17

30、 圖二 PLC?步進指令工作過程 按下開啟按鈕，此時初始脈沖?M8002?激活，進入下一步，接觸 器?KM1?帶電閉合，電動機?1?工作，使油泵開始供油，油路打開，油 壓推動閥芯，進而使油桿前移，開始噴漆工作。 當?T0 K50?時間滿足條件?T0?時，KM2?閉合，電動機?2?工作，帶動滾 珠絲杠前進，當?T1?K50 世間滿足?T1?時，計數(shù)器開始計數(shù)（計數(shù) 器設(shè)定?C0=3），若?C0?滿足條件，進入?S23，不滿足則返回?S20。當 C0?滿足條件是，進入?S21，此時?Y3?工作，電動機?2?反轉(zhuǎn)，T2?時刻 到回到原點位置，進入下一步?S24，KM1?帶電，油泵工作，油桿回程 至原位置，同時計數(shù)器?C0?復(fù)位。 M0?是否滿足，如滿足則停止工作，不滿足則返回?S20，繼續(xù)工 作 18 第四章 設(shè)計總結(jié) 19