数控机床轴类零件上下料用工业机器人的手爪设计
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单位代码 10642 密 级 公 开 学 号 学士学位论文 数控机床轴类零件上下料用工业机器人的手爪设计 论文作者: 指导教师: 学科专业: 提交论文日期: 年 月 日 论文答辩日期: 年 月 日 学位授予单位: 20 年 月目 录摘要IIAbstractIII1.绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外发展现状12.机械手总体介绍22.1 基本要求22.2总体方案确定23.机械手手爪结构设计33.1 手爪结构33.2 手爪驱动装置设计33.3 传动装置的设计计算与校核53.4 轴的计算与校核7参考文献10致谢11摘要数控机床轴类零件上下料用工业机器人的手爪设计XXX专业XX班XXX姓名 指导教师 XXX摘要:随着我国人口红利的不断下降,人均工资的不断提升。传统的人工密集型生产企业已经需要综合考虑人工成本对企业运营所带来的问题。同时随着计算机技术和自动化控制的不断发展和突破,机械人或者机械手的技术不但得到了应用和发展。对于机械手来说,不但能够替代简单的人工操作,还能够在危险场合进行工作。同时具有高效率、高频次、多动作等特点,他能够降低人类的工作强度,增加工业生产效率,降低成本。这些特点都符合未来工业发展的智能化、高精度、机械化等发展的方向。机械手就在这种背景下不断得到了大力推广。本次毕业设计研究的机械手是应用于数控机床轴类零件上下料用场合。机械手能够满足对的夹持、转移、放入制定位置等功能,从而能够实现和机床的配合使用,能够更加准确的实现零部件的转移和防止。在本次毕业设计中主要研究的是机械手的手爪部分设计。手爪是机械手的一个关键零部件,因为它是和工件直接相接触的,并且需要承受来自工件和手腕、手臂等综合的作用力。在本次毕业设计中,首先对机械手的大致结构进行了分析和研究,然后对机械手手爪的工作原理、主要构成以及主要的零部件等进行了设计计算,并对其中关键的受力部位进行了校核,从而确保所研究的手爪能够满足使用要求,具有较高的安全系数。然后对其手爪进行了CAD绘图和三维绘图,最后完成了简单动作的仿真。 关键词: 机械手手爪; 设计计算; 校核; 三维仿真VabstractDesign of industrial robots paw for axle loading and unloading of NC machine toolsMajor:XXX Name:XXX Supervisor: XXXAbstract:As Chinas demographic dividend continues to decline, the per capita wage continues to rise. The traditional artificial intensive production enterprises have to consider the problems brought by the labor cost to the operation of the enterprise. At the same time, with the continuous development and breakthrough of computer technology and automation control, the technology of robot or manipulator has not only been applied and developed. For the manipulator, it can not only replace simple manual operation, but also work in dangerous situations. At the same time, it has the characteristics of high efficiency, high frequency and multi action. It can reduce the intensity of human work, increase the efficiency of industrial production and reduce the cost. All these characteristics are in line with the development direction of intelligent, high-precision and mechanized industrial development in the future. Manipulator has been vigorously promoted under this background.This graduate design research manipulator is applied to CNC machine tool shaft parts loading and unloading occasions. The manipulator can meet the functions of clamping, transferring and placing the position, which can be used in combination with the machine tool, and can be more accurate to realize the transfer and prevention of parts. In this graduation project, the main research is the design of the gripper of the manipulator. The claw is a key component of a manipulator, because it is in contact with the workpiece and needs to bear a comprehensive force from the work piece, the wrist, the arm, and so on. In this graduation design, the general structure of the manipulator is analyzed and studied. Then the working principle, main components and main parts of the hand claw are designed and calculated, and the key part of the force is checked so as to ensure that the research hands can meet the requirements of use. It has a high safety factor. Then the CAD and 3D drawing of the gripper were carried out, and finally the simulation of simple action was completed.Key words: manipulator gripper; design calculation; checking; 3D simulation绪论1.绪论1.1 课题研究的背景和意义随着工业技术的不断发展,人工在工作时候的效率、精准度以及人工成本等已经不能满足传统的机械化自动化生产了。传统的人工操作效率较低、对人的技术水平要求较高、有效的劳动时间不够,同时针对数控机床这种精准的机械来说,定位不足够准确。在人工工作的时候,大部分时间都应用到了准备时间,真正加工的时间比较少。同时随着人工成本的增高。我国企业对工业机械的自动化、智能化需求不断增加。在这种情况下机械手应运而生。机械手图片如下图1.1所示图1.1 机械手机械手是随着计算机技术和自动化控制而逐渐发展起来的一种自动装置,他能够自动的配合其他工序、工种等完成对物料的抓取、转移等功能。随着近似算计特别是智能化控制等不断的突破和发展,机械手的自动化程度以及优点不断的凸显出来,虽然前期成本较高。但是生产效率高,不需要休息,定位精准等。在机床加工生产中能够持续不便的完成一个单调的工作,工作时间长,能够节省大量的时间。在本次毕业设计中就是利用大学期间所学习的专业知识,研究设计一个可靠、稳定、操作性强的机械手手爪。使之能够稳定的工作,实现相应速度快、能够实现配合数控机床上下料工作。本次毕业设计以此为目的,希望能够对大学期间所学习的专业知识进行运用,通过对知识的总结运用达到学以致用和理论联系实际的目的,从而实现对大学所学习知识的总结和提升。同时通过毕业设计的过程,提高自己发现问题、解决问题、分析问题的能力,不但在专业知识有一定的升华,同时在个人综合能力方面有一定的提高。1.2 国内外发展现状机械手最早出现在国外工业发达的国家。由于欧美国家人数较少,为了能够满足强大的工业需求以及能够满足工业精度、自动化等要求,所以从二十世纪三四十年代开始就出现了第一代机械手。主要是利用机械和气压或者液压,利用继电器等进行控制工作,它能够完成重复的固定动作,功能比较单一,适应范围窄。之后随着单片机、PLC等控制技术的发展以及机械加工和机械设计水平的不断提高,机械手的发展也迎来了一个快速的时代。特别是在日本,由于劳动人员数量有限,所以机械手得到了迅猛的发展,在工业、电力、军工等都有应用到。如图1.2所示图1.2 数控机床机械手在我国,由于前期人力资源丰富,所以对机械手的研究和投入都比较少。但是随着我国对工业自动化机械化的加快,特别是工业4.0的概念提出。我国的机械手工业也在不断发展。已经由传统的机加工、锻造等,逐渐融合了电子信息控制、自动化智能化技术,能够实现对运行程序的更改,对使用功能的扩展等,最大的扩展了其使用的范围。虽然我国的机械手工业起步较晚,但是随着我国对外来技术的不断引进、吸收、整合等,已经行程了自主开发的一批机械手,并且能够满足在机加工、工业流水、焊接等方面的应用。随着计算机技术的发展,科技含量更高、功能更加强大的机械手正在研究,并且取得了突破的进展。未来随着应用的增多,机械手在我国具有非常广阔的市场。如下图1.3所示图1.3 我国常见机床机械手17机械手总体介绍2.机械手总体介绍2.1 工件要求本次毕业设计研究应用的是数控机床轴类零件上下料用机械手的手爪设计。根据一般的工作要求,需要能够实现在一定高度和水平两个方向的移动或者转动,所以选择了四个自由度。根据一般阶梯轴类的结构以及直径等,取手爪抓取的最大重量为5kg。工件简图如下图2.1所示。图2.1 被加工工件2.2总体方案确定对于数控机床的送料机械手气机械结构一般由机械手的手臂、腕部、手爪、底座和立柱等组成,分别起到支撑和完成所需要的运动等作用。下面分别介绍每一部分。1、 机座。这是整个机械手的基础。承受着整个机械手工作中的受力,并且维持机械手工作时候的稳定性。并且其上面一般会安装有驱动的电机或者各种器具元件。2、 立柱。是用来承受工作中手臂和工件所产生的力和力矩。在工作的时候,一般除了承重之外,还会把他和升降部分的运动设计成为一体。一般立柱和机座是固定装配在一起的。3、 手臂。手臂是受力较为复杂的地方,他通过手腕支撑着手爪,由于是悬臂的结构,所以要求具有一定的刚度和强度。4、 手腕。用来连接手臂和手爪的部分,在工作中起到承上启下的作用,实现手臂和手爪之间的某些相对运动。5、 手爪。这是机械手的工作部分,在工作的时候,手爪直接和和工件相接触。手爪的结构根据和物件产生作用方式的不同分为两种,分别是夹持和吸附两种。在本次设计结构中,工件是阶梯轴形状,所以采用的是夹持结构。整个手爪的动作利用一系列的传动机构进行组成,带动手爪产生开、合动作,从而形成夹紧力,达到对物件的夹持、转移、放下等动作。在本次设计中,主要研究的是手爪的结构设计,所以重点研究手爪的结构。机械手手爪结构设计3.机械手手爪结构设计3.1 手爪结构机械手手爪的结构主要有手指和传动机构组成在一起的。手指根据被夹持工件的特点有片状、圆形、弧形等不同的结构。本次设计被夹持的工件是阶梯轴,是圆形的,所以选择的手指内部是圆形结构的。手爪的传动机构形式比较多,常见的有齿轮传动、杠杆原理、弹簧结构等,通过电机、气压或者液压的作用实现动力的驱动,从而实现手爪的开合动作。图3.1机械手爪结构图在手爪的设计的时候,需要综合考虑满足以下要求:1、 手爪具有足够的夹持力。在工作的时候能够确保工件不会掉落或者夹持不起来等情况不会出现。2、 手爪具有能够满足工件的开合角度,从能能够实现工件进入手爪和夹持以及放下工件的空间。3、 定位准确。这是机械手必须具备的一个条件。只有精准的定位才能够满足数控机床的使用,对于圆形的手爪能够利用中心线进行准确的定位。4、 具有足够的强度和刚度,确保工作中手臂、手爪等不变形。3.2 手爪驱动装置设计本次设计的手爪采用的是液压驱动作为动力来源,通过齿轮齿条传动进行动作的传递,从而实现对物料的夹持。其基本机构简图如下图3.2所示。图3.2 手爪示意图首先假设工件重量G=5kg。则设定手爪的角度为2=120,b取值120mm。手爪和棒料的摩擦系数f取值为0.1。则可以计算器驱动力公式如下: (1)则夹持力N计算如下: (2)计算驱动力如下=245N (3)实际驱动力计算如下: (4)上述公式中表示传动的效率,在本次设计中采用的是齿轮齿条传动,取值为0.94。K1表示安全系数,取值为1.5。K2表示抓取工件在加速和减速时候的系数,计算公式为,假设最大的加速度取值为3g,则K2=4。则带入(4)计算可得:1、气缸的直径。手爪驱动气缸属于单向气缸,其基本结构尺寸如下图3.3所示。3.3 气缸基本尺寸然后直径计算公式如下: (5)公式中F1表示作用在活塞杆上的推力,Ft表示气缸复位弹簧的作用力,Fz表示活塞工作时候各个部分所产生的阻力。P则表示气缸在工作时候的压力。弹簧的计算公式如下: (6) (7)上述公式中Gf表示所选择弹簧的刚度,l则表示在开始工作前,弹簧的预压缩量。s表示活塞工作的形成。d1和D1分别表示弹簧的钢丝直径和平均直径,n则表示弹簧的有效圈数。G表示所选择弹簧材质的剪切模量,取值为79.4109Pa。则合并(5)、(6)、(7)为: (8)气缸的直径: (9)代入有关数据,可得所以查有关手册圆整,得2、活塞杆直径一般取值是活塞缸在回京的0.2到0.3倍,则活塞杆直径计算如下: (10)然后验证活塞杆是否能满足使用要求: (11)其中,则:满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计 (12)公式中表示缸筒的厚度,D表示气缸的直径,P表示实验压力,取值为设计压力的1.5倍。缸筒材料选择ZL3,则=3MPa。代入己知数据,则壁厚为:取,则缸筒外径为3.3 传动装置的设计计算与校核在手爪传动装置所选择的齿轮齿条结构中,齿轮的材质选择的是45钢,并经过调质处理。齿轮齿条传动形式如下图3.4所示。根据相关的机械设计手册,查询可得:则:查机械设计基础得:1、 验算齿面接触疲劳强度在计算的时候,取载荷系数K值为1.5,则可以查询其他参数分别是Zh为2.5,Z=0.88, 接触应力为:2、验算齿根弯曲疲劳强度查表:许用弯曲应力计算公式如下: (13)弯曲疲劳强度的最小安全系数,取则:根据计算可以看到,能够满足使用要求。3.4 轴的计算与校核手爪的转动需要围绕着一个轴进行转动,所以轴会承受着手爪所承受的力,轴的中间直径选择是150mm,材质选择45钢,MPa。则轴所承受的弯扭合力计算如下: MPa (14)根据计算可以看到轴能够满足使用要求。然后校核轴的疲劳强度。首先确定危险截面,从轴的受力来看,其支撑部分所承受的力最为复杂的,其直径比中间部分略细,为140mm。则对其进行校核。抗弯截面系数:mm (15)抗扭截面系数:mm (16)截面的弯矩M为:Mpa截面上的扭矩T为:MPa 截面上的弯曲应:Mpa截面上的扭转切应力MPa根据前面对轴的材质的选择,可一直MPa,MPa,MPa。用插入法求出,轴的表面质量系数为:轴表面强化处理,固得综合系数为碳钢的特性系数 取 取所以轴在截面V左侧的安全系数为故该轴的强度是足够的。参考文献参考文献1张福学编著.机械手夹持器技术及其应用.北京:电子工业出版社,2000。2何发昌著,邵远编著.机械手夹持器的原理及应用.北京:高等教育出版社,1996。3张利平著. 破碎机实用技术速查手册. 北京:化学工业出版社,2006.12。4李宝仁著. 气动技术低成本综合自动化. 北京:机械工业出版社,1999.9。5宋学义著. 机械手夹持器速查手册. 北京:机械工业出版社,1995.3。6陈奎生著. 气与气压传动. 武汉:武汉理工大学出版社,2008.5。7SMC(中国)有限公司. 机械手夹持器实用技术. 北京:机械工业出版社,2003.108徐文灿著. 机械手夹持器系统设计. 北京:机械工业出版社,1995。9曾孔庚.机械手夹持器的发展趋势. 机械手技术与应用论坛。10寿庆丰.一种多指多关节机器手爪. 机械设计1999年第3期,第3卷。11高微,杨中平,赵荣飞等.机械手夹持器结构优化设计. 机械设计与制造2006.1。12孙兵,赵斌,施永辉.机械手夹持器的研制. 中国期刊全文数据库。13马光,申桂英.工业机械手的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库2002年。14李如松.机械手夹持器的应用现状与展望. 中国期刊全文数据库1994年第4期。15李明.机械手夹持器设计.制造技术与机床2005年第7期。16李杜莉,武洪恩,刘志海.机械手夹持器的运动学分析. 煤矿机械2007年2月17Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space.18Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematicsnd Dynamics of Underactuated Manipulators.致谢致谢经过一段时间的努力和老师的帮助,毕业设计即将进入尾声。在设计中离不开指导老师的支持和鼓励。老师学识渊博、治学严谨。在每次设计的关键点,老师都能够用通俗易懂的语言为我解答,为我指明方向。通过老师的指引和知道。使我明白了如何去理论结合实际,如何总结运用理论知识。在设计中如何去提前发现问题、解决问题。同时老师还教会了我如何去查阅资料,如何从更高的层次去看待问题。这些对我来说都是专业知识无法学习到的内容。感谢老师在设计中对我的支持和鼓励,每当我遇到困难,老师总是不厌其烦地为我讲解,指导我不断展开设计研究,每一次教诲都让我深受启发。他不仅是一个老师,更是一个朋友!感谢老师给我机械专业的指导和知识。感谢宿舍的朋友一直以来对我的关心和支持。感谢系所有老师和同学的帮助和勉励。同窗之谊,终生难忘!最后,向参加论文审阅、答辩的专家和老师表示感谢。
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