工业机械手升降臂及其控制系统设计指导书.doc

机电学院毕业设计指导书课 题 名 称工业机械手升降臂及其控制系统设计教学系、部、室机电教研室专 业机电一体化专业指 导 教 师万俊贺一、设计题目：工业机械手升降臂及其控制系统设计二、设计参数：（1）、升降臂起升高度：0500mm，任意可调；（2）、单向升降运动时间：05s；（3）、升降过程速度变化均匀，无刚性的冲击；（4）、升降臂定位可靠、精确。（5）、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；（6）、结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡；三、设计要求一）、设计任务书的补充说明毕业设计是学生在校学习期间最后一个十分重要的实践性教学环节，通过毕业设计，综合运用学到的基础知识、基础理论、专业知识和基本技能，针对毕业设计课题，进行了综合训练。，通过毕业设计培养学生初步具有以下几个方面的能力：1、 综合运用知识的能力。工业机械手升降臂及其控制系统设计，是工业机器人设计的一个部分，涉及机、电、液等多方面的设计计算和绘图工作。2、 资料检索和学习能力。毕业设计涉及面广，工作量大，故在设计过程中需要翻阅大量有关设计手册、标准与有关参考书籍。3、 系统的设计思想和设计能力。4、 独立分析和解决问题的能力。设计过程是一个极其复杂与综合的过程，其中不乏在大学学习阶段未及学习的内容，因此需要学生自主学习有关知识，独立分析处理有关问题。5、 开发创新能力，更好地适应将来工作的需要。工业机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。本次设计的工业机械手，是从输送带上抓取待加工的坯料送到加工机床的加工工位。有圆柱坐标式与极坐标式两种，具有手臂回转、升降、伸缩和手部夹持运动等四个自由度。因此相应地由夹持器夹紧与松开机构、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和各种定位装置等组成。工业机械手床身有两种结构方案，圆柱坐标式床身由回转底座和机械手大臂两大部分组成，与伸缩臂配合，用以调整末端执行器的位置。床身部分具有水平面内回转、垂直升降两个自由度，包括驱动装置、传动机构、定位导向机构、支撑联接件与检测元件等。机械手大臂部分包括滑台导轨副及其传动机构，底座部分包括机座及旋转驱动机构。极坐标式床身包括回转底座和机械手臂两大部分组成，与夹持器旋转腕部及夹持器连接。床身包含驱动装置、水平位姿保持机构、支撑联接件与检测元件等组成。二）、可行方案的筛选方法提要（一）、技术要求：1、升降臂起升高度0-500mm任意可调。极坐标式床身最大位移：Y方向500mm；X方向300mm升降臂安装于回转底座，随回转底座做旋转运动；升降臂承负伸缩臂与夹持器及工件，调整承负结构的高低位置，完成工件的工位转换。2、单方向升降运动时间：0-5S3、定位准确、可靠，要有合理的定位措施。4、升降臂运动平稳，起动和终止无刚性冲击。（二）、设计方案的选择根据升降臂动作要求，结合已学知识，列出可实现动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理，经济性好。作为初次设计，给出液压和电动两个设计方案，供设计时参考。C1圆柱坐标（直线移动）升降臂升降臂与底座、伸缩臂采用法兰连接，运动方式采用直线移动方式，升降滑台与升降臂立柱可采用燕尾导轨、圆柱导轨、特型导轨等联结方式。考虑手臂最低工位的高度，可采用变行程措施以降低直线油缸的整体长度。图（1）为变行程机构的一种形式。C2、极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂与夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂与底座、伸缩臂采用铰接方式。升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。图2 直线移动式升降臂升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂与底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。C3液压驱动方案设计图3旋转升降式升降臂1、工作原理采用单出杆双作用液压油缸或液压马达驱动，升降速度采用调速阀油节流调速，接近运动终点时，发出信号，进行调速缓冲，依靠行程极限与限位挡块联合定位，利用定型导轨或升降臂与底座、伸缩臂间铰接处的相对转动实现升降运动，防止承载的伸缩臂与夹持器发生失控旋转。2、液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足升降臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足升降臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参见工业机器人液压传动控制系统设计毕业设计指导书。C4机械驱动方案设计1、工作原理采用电动机作为动力源，滚珠丝杠、普通丝杠谐波减速器等传动机构。升降臂升降转换可直接利用电动机正反转换向，也可以在变速装置中采用电磁离合器配合控制系统实现自动换向。运动系统制动选择带有制动装置的制动电机，也可以选择利用电磁制动器与控制系统配合制动。同时设计时考虑伸缩臂、夹持器等承载重量的惯性力作用对定位的影响以及机构能够实现快速制动。2、传动系统结构设计根据升降臂的不同结构形式、驱动方案、传动方式设计传动系统结构。要求传动系统体积小，运动灵活，调整方便；设计时应有利于构件间动力传递，机械效率较高。3、传动系统设计与计算、丝杠的选择与设计计算根据滑台受力分析，计算驱动功率。根据大臂升降高度、速度、驱动功率计算丝杠导程、公称直径、长度等参数。确定丝杠转速，选择标准丝杠。选择丝杠时应考虑滑台在导轨上的可靠定位。普通丝杠可以利用自锁性能，而滚珠丝杠无法实现自锁，因此需另外考虑制动系统。丝杠设计计算承载能力 压杆稳定性 刚度验算 公式中各参数参见参考资料（1）。、电机的选择计算根据驱动功率，丝杠转速、最大转矩选择电机。、丝杠间隙调整方式选择丝杠间隙调整方式有：双螺母螺纹预紧调整式、双螺母齿差预紧调整式、双螺母垫片调整式、弹簧自动调整及单螺母变位导程自顶紧式等。、选择丝杠支承方式确定丝杠的支撑方式，合理选择轴承。支撑轴承寿命计算参见参考资料（4）或参考资料（5）。电机、丝杠变速齿轮设计计算及校核计算参见参考资料（4）或（5）。升降臂结构方案设计及强度和刚度计算1、结构方案说明：、 升降臂以圆形法兰连接于回转底座，其形式和尺寸要与回转底座相协调。、 升降工作台用于安装伸缩臂等零部件，其形式和尺寸要与伸缩臂底座相协调。、 利用所掌握的传动机构，实现升降工作台做升降动作，同时应保证伸缩臂水平位姿。、 圆柱坐标（直线移动）升降臂导向采用定型导轨，导轨副采用铸件，自行设计，并且要考虑导轨副的润滑与间隙调整。润滑方式参考有关手册设计。2、导向机构设计2.1、圆柱坐标（直线升降式）升降臂升降臂导向机构包括滑台与导轨。导轨与回转底座用法兰联接，滑台在导轨上垂直升降，已调整末端执行器的垂直高度。（1）、导轨材料选择大臂导轨滑台副自身重量、体积均较大，并承担伸缩臂、末端夹持器和工件的重量以及运动中产生的动载荷。因此在材料选择时既要考虑能够承受因复杂的受力引起的强度问题，又要考虑减震与加工性能方面的因素，同时导轨副应具有良好的耐磨性能，因此导轨副多采用铸铁或球墨铸铁材料，铸造成型配合机械加工。（2）、导轨形式选择导轨副按结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。只有闭式导轨能够承受倾覆力矩，可以依靠本身的结构形状保证滑台与导轨面之间的接触，因此设计时需选用闭式导轨。常用的闭式导轨有圆柱导轨、闭式燕尾导轨、闭式矩形导轨以及闭式燕尾导轨与矩形导轨的组合等种类，各有不同的特点，根据设计需要选择。（3）、导轨间隙调整滑台导轨副结合面配合的松紧对机械的工作性能有很大影响，除在装配时应调整导轨间隙外，经过使用后因磨损仍需调整导轨间隙。导轨间隙一般利用镶条和压板来调整。根据选用导轨的形式选择间隙调整方式。（4）、导轨精度要求导轨精度应包括几何精度与接触精度。导轨几何精度规定在导轨平面（B项）和垂直于导轨平面（A项）两平面内的直线度要求，两导轨面的平行度要求（C项）。接触精度应规定25×25mm2面积内的接触点数。（5）、导轨的设计计算按强度条件估算大臂导轨截面积S。F：为包括滑台、伸缩臂、末端执行器等在内的质量、运动时产生的动载荷等。按结构因素设计大臂的截面形状。（6）、验算导轨滑台副的强度导轨受力分析导轨副的载荷可以归结为一个集中力F和一个倾覆力矩M。计算导轨比压最大许用比压为2.53.0Mpa2.2、极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂与夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂与底座、伸缩臂采用铰接方式。图4连杆机构升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂与底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。计算主要构件的机械强度，各构件间的传动角，选择驱动电机、减速器类型与传动比等。参考结构如下图4、图5。其他机械手结构可参考图6-8机械手传动方案可参考图9-三）、已学过的相关理论知识提要以及与设计题目有关的新知识图5双轴联动方案工业机器人是典型的机电一体化设备，设计中涉及机、电、液设计，涉及面广，涉及到的专业基础知识和专业知识有：力学、图9、机械手传动布置1图10、机械手传动布置2图8、伸缩臂可仰俯机械手图7、直角坐标机械手图6、SCARA机器人机械设计、机械制图、机电传动、液压传动与控制、机床电控与PLC、机电一体化系统设计等相关知识，设计过程中要对涉及到的已学过的相关内容进行复习，教材是第一参考书。四）、指导方式和大致的进度安排1、指导方式和要求学生毕业设计在固定教室进行，教师经常到教室查看设计进度，解答学生设计中遇到的问题，并对学生出勤情况进行登记。学生有事外出，必须请假，毕业设计过程不符合要求的学生不准参加毕业答辩。毕业设计是学生在校期间最后一个重要的实践性教学环节，毕业设计题目是涉及机电液系统设计，是难得的一个综合训练的机会。2、设计步骤1）、明确设计任务，收集分析资料认真阅读设计任务书，明确设计任务，查找收集有关资料，进行认真分析研究，了解类似机器人的结构和工作原理。2）、总体方案设计与技术经济分析参考有关资料，进行方案设计。工业机器人升降臂一般由动力部分和导向部分组成。根据机器人其它部分的动力使用情况，选择升降臂的动力；根据导向精度要求，并考虑生产工艺及生产成本，选择导向机构的形式。3）、技术设计根据总体方案的结构形式，进行技术设计，包括运动设计和动力设计，选择元件，对主要零件进行强度和刚度计算初步确定主要结构尺寸。进行液压和电控部分设计。4）、图纸设计根据总体设计方案和技术设计的结果，进行图纸设计，按国家制图标准完成图纸设计。5）、编制设计文件按学院规定要求，编制设计计算说明书（毕业论文），准备毕业答辩。3、毕业设计进度安排第1周： 布置任务，熟悉题目，收集资料。第23周：设计计算，结构设计，草图设计，制图：机械图相当0号图3张，要求有手工绘图和计算机绘图，电液控制图。第4周：整理设计资料，编制设计计算说明书（要求打印）。教师对设计成果进行评阅，学生准备答辨。毕业答辨。.五）、本题目的重点和难点本题目的设计重点是机电液一体化系统设计，培养学生系统设计思想和方法，要求学生针对设计中用到的知识，对课堂学过的内容进行重点复习。本设计的难点是PLC程序设计，要求学生能够针对实际控制对象，编制出适用的控制程序。六）、任务书中开列的参考资料的使用方法1、使用标准时，一定要注意使用标准的最新版本。2、使用教材或手册中的计算公式时，一定要注意来源的一致性，即公式来源和公式中的参数来源要一致，不可混用，使用时要标注出公式的出处。3、学会上网查资料。网上的资源十分丰富，网上不仅可查产品标准、产品型号、产品性能、产品结构和尺寸等，还可查到相关设计的设计思想、设计方法、以及典型结构等。上网查询的相关资料作为设计参考资料时，必须注明网址，就将网址列在参考文献中。学会查询资料，学会自已获取知识，也是毕业设计培养学生应有能力的一个重要方面。七）、编制设计计算说明书按学院统一要求编制。八）、参考资料：1机电一体化系统设计（第二版）张建民著，高教出版社,2001.8 2机械制造装备设计大连理工大学,冯辛安主编,机械工业出版社,1999.103材料力学 孙训方，方孝淑编著 人民教育出版社 4机械设计基础杨可桢，高等教育出版社，20015机械设计手册徐灏主编，机械工业出版社，19916金属切削机床 大连理工大学 戴曙等主编7中国机械设计大典第三卷“机械零部件” 中国机械工程学会8机电一体化设计基础 郑堤等主编9. 滚珠丝杠型号尺寸10. http:/www.free- 天津市金港动力传动有限公司 滚珠丝杠11 中国工控网PLC专栏机电学院毕业实习指导书课 题 名 称工业机械手升降臂及其控制系统设计教学系、部、室机械设计系专 业机械设计制造及其自动化指 导 教 师一、实习的目的毕业实习学生在校期间最后一次综合性的实践教学环节，通过实习，使学生更进一步接触生产实际、开阔视野、增长见识，获得实际生产技能和现代生产管理知识，提高分析问题和解决问题的能力，为后续的毕业设计做好充分的技术准备。二、实习时间和地点实习地点：洛阳、保定。实习时间为4周。三、实习内容学生在实习教师的带领下，要深入到企业的生产第一线，紧紧围绕毕业设计课题进行参观、学习和调研，为后面的毕业设计做好充分准备。本次毕业实习的具体内容如下：1、了解工业机械手在自动化生产线上的应用情况，了解工业机械手的结构组成、运动原理、动作要求、控制方法等。2、搜集整理相关资料，绘制机械手结构草图，记录机械手的动作顺序。3了解企业生产过程，学习工人师傅和工程技术人员的爱岗敬业精神。四、毕业实习要求和注意事项1学生实习期间，必须严格遵纪守法，遵守社会道德规范，遵守交通秩序，遵守生产单位的各项规章制度，不做有损学校和集体荣誉的事情。2学生实习期间，必须牢固树立安全第一的思想，一切行动听指挥，严格遵守操作规程，时刻注意生产安全和人身安全，出现险情要及时报告和撤离。3学生实习期间，要严格执行请假制度，做到有事向带队教师请假，要按时上下班，不准无故迟到、早退或矿工。4学生实习期间，必须积极参加实习队安排的各项活动，要认真学习，虚心求教，要理论联系实际，要大胆思考问题、积极解决问题，要注意培养自己的素质和能力。5学生实习期间，要做有心人，要注意做好实习笔记，要注意收集和积累各种信息资料，要及时进行整理、归纳和总结。6学生实习期间，要注意团结合作、互助友爱，要爱护公物、文明实习。五、实习报告毕业实习结束后的三天内，每个参加实习的学生都应写出书面实习报告交带队老师。实习报告的内容和格式如下：1、实习时间、地点；2、实习内容；3、实习收获：学习的知识、技能；为毕业设计收集的资料、图纸；对企业生产过程和企业管理各方面的了解和认识；从工人和工程技术人员身上学到的优良品德和工作作风等等。实习报告要求字迹清晰，叙述清楚，语言简练。带队教师应在实习结束后的一周内，根据每个实习学生的实际表现、实习报告等情况，实事求是地评定出学生成绩并上报。对毕业实习不认真，实习报告不符合要求，实习中违法违纪，按毕业实习不及格处理，不得参加本次毕业设计。