柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告課題名稱 柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料 氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 定稿日期: 年 02月21日柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)1 論文選題背景、目的及意義本課題來源于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著近幾年柔性制造技術(shù)不斷發(fā)展,怎樣在加工過程當(dāng)中怎樣進(jìn)一步提升效率成為一個(gè)新的課題,縮短裝卸料的時(shí)間是有效的手段之一,本課題研究的就是一種在由多臺(tái)數(shù)控加工中心組成的FMS系統(tǒng)中,能夠完成自動(dòng)裝卸料的工業(yè)機(jī)械手。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手,是典型的機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)之一,它采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng),PLC控制, 作為機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生而言,通過該課題的畢業(yè)設(shè)計(jì),能夠?qū)⑸险n所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)、PLC控制技術(shù)、檢測技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)等只是有機(jī)的結(jié)合起來,并最終達(dá)到模擬工程實(shí)際設(shè)計(jì)的目的,使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)基本方法,達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱的要求。2 文獻(xiàn)綜述(國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢)我設(shè)計(jì)的這個(gè)柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手其主體為機(jī)械手。它可按固定程序來完成某些特定操作。機(jī)械手是按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化,代替人在有害環(huán)境下的手工操作,改善勞動(dòng)條件,保證人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。20世紀(jì)40年代后期,美國在原子能實(shí)驗(yàn)中,首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料,人在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后,機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門,用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料,也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用,完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后,大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道,1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元,產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半,達(dá)222億日元,是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元,比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元,為1978年的6倍。截止1979年,機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位,約占70%,并以每年50%60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè),其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。機(jī)械手搬運(yùn)流水線主要包括機(jī)械手,驅(qū)動(dòng)設(shè)備,控制設(shè)備及工作臺(tái)等。在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高,現(xiàn)代化加工車間,常配有以機(jī)械手為主體的搬運(yùn)工作流水線,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作??稍跈C(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手搬運(yùn)常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。國內(nèi)建造的生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)零件的流水線很多,如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線(環(huán)類),大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線(軸類),上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線(盤類)等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線,一般采用隨行夾具傳送工件,也有采用機(jī)械手的,如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。機(jī)械手運(yùn)輸線的發(fā)展前景及方向分為以下這些;1重復(fù)高精度精度是指機(jī)械手在進(jìn)行流水線工作時(shí)到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手運(yùn)搬運(yùn)的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。2模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。3機(jī)電一體化由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 如今機(jī)械手搬運(yùn)被應(yīng)用于各種實(shí)際生產(chǎn)中,可以說現(xiàn)代生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)離不開機(jī)械手運(yùn)輸線了,而更高效、更智能、更精確的搬運(yùn)機(jī)械手必將成為一種趨勢。本次設(shè)計(jì)的械手主要與數(shù)控車床組合最終形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工過程(上料、下料)的自動(dòng)化、無人化。目前,我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展,越來越多的資金流向制造業(yè),越來越多的廠商加入到制造業(yè)。能夠應(yīng)用到加工工廠車間,滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求,從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約加工輔助時(shí)間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力,降低生產(chǎn)成本。3 研究內(nèi)容本課題的內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)由PLC控制的四自由度氣動(dòng)機(jī)械手,機(jī)械手能完成抓緊,放松,手腕的旋轉(zhuǎn),手臂的伸縮,腰部的上升和下降及旋轉(zhuǎn)功能。并且畫出機(jī)械手的總裝圖和各部件的零件圖。并且根據(jù)課題,設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng),包括元器件的選取和回路的設(shè)計(jì),畫出氣路原理圖。機(jī)械手控制部分有PLC完成,通過設(shè)計(jì)要完成PLC的選型,PLC的外部接線圖以及根據(jù)機(jī)械手的流程圖編寫出PLC梯形圖。機(jī)械手詳細(xì)參數(shù)本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是FMC系統(tǒng)中的上下料機(jī)械手,抓重為4kg,采用圓柱坐標(biāo)型,自由度為4個(gè),該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為90度/s,機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1400mm。手臂升降行程定為200mm,定位精度為。1機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11手部結(jié)構(gòu)的選擇12機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算13夾緊氣缸的設(shè)計(jì)14手部驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)2腕部的設(shè)計(jì)21腕部結(jié)構(gòu)的選擇22腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算23腕部驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算24腕部工作壓力的計(jì)算3手臂的設(shè)計(jì)31手臂的設(shè)計(jì)要求32伸縮氣缸的設(shè)計(jì)33導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)4機(jī)械手腰部和機(jī)座的設(shè)計(jì)41結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算42控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì)43導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)44平衡裝置的設(shè)計(jì)45機(jī)身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)51氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理52控制器的選擇及工作過程53控制器的使用步驟54機(jī)械手控制器的控制方案4 研究方案4.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下,采用氣壓傳動(dòng)方式,來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的,有順序的動(dòng)作。該設(shè)計(jì)的四個(gè)自由度包括手腕的轉(zhuǎn)動(dòng),手臂的伸縮,立柱的上升與下降,立柱的旋轉(zhuǎn)。41.1手腕的設(shè)計(jì)(1)腕部處于手臂的前端,作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要是用于抓取工件。(2)工業(yè)機(jī)械手是由氣壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的的。(3)該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng),它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng),并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度的及時(shí)間),同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令,必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出警報(bào)信號(hào)。4.1.2手臂伸縮的設(shè)計(jì)(1)手臂應(yīng)承載能力大,運(yùn)動(dòng)速度高,動(dòng)作靈活,慣性小。(2)手臂的動(dòng)作是由PLC系統(tǒng)控制。(3)手臂的伸縮是由驅(qū)動(dòng)氣缸來實(shí)現(xiàn)的。4.1.3控制手臂上下移動(dòng)的立柱設(shè)計(jì)(1)立柱是支撐手臂的部件,立柱也可以試手臂的一部分,手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切聯(lián)系。(2)立柱的上下運(yùn)動(dòng)是由氣缸的伸縮來完成的。(3) 立柱的動(dòng)作是由PLC系統(tǒng)控制。4.1.4立柱的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)(1) 通過安裝在立柱下端旋轉(zhuǎn)氣缸的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(2)立柱的旋轉(zhuǎn)是由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)的。(3)立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由PLC層序控制(4)腰部支撐著機(jī)械手的各部分,應(yīng)具有足夠的剛度,良好穩(wěn)定性,支撐梁應(yīng)采用鋁合金以減輕重量和節(jié)省材料。4.2機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大概可以分為以下4種:a直角坐標(biāo)型機(jī)械手;b圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手;c球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手;d多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。期中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小,容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)課題要求確定圓柱坐標(biāo)機(jī)械手,利用雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂上下運(yùn)動(dòng);雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng);末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu),用小型單作用氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊;手腕和機(jī)座的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。4.3 控制部分設(shè)計(jì)在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中,氣源是由氣壓縮機(jī)通過快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐,經(jīng)分水過濾器,調(diào)壓器,油霧器這氣動(dòng)三聯(lián)件,進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥以控制氣缸和手部動(dòng)作。(1)可編程序控制器PLC的選擇考慮到本課題機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)少,流程簡單,同時(shí)又要考慮到成本,因此選擇三菱電機(jī)公司的FX2N系列PLC。(2)可編程序控制器的工作過程第一階段是初始化處理第二階段是處理輸入星號(hào)階段第三階段是程序處理階段第四階段是輸出處理階段 CPU對(duì)用戶程序以掃描處理完畢,并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表暫存器中。(3)可編程序控制使用步驟(4)程序控制方案控制對(duì)象為圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)機(jī)械手 控制要求應(yīng)滿足手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。 5 進(jìn)度計(jì)劃12011年11月01日2011年11月14日 市場調(diào)研,工業(yè)機(jī)器人相關(guān)資料收集和整理,準(zhǔn)備開題報(bào)告。22011年11月15日2011年12月07日 確定機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案。32011年12月08日2012年01月07日 進(jìn)行手部,手腕,手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及氣缸的設(shè)計(jì)。42012年01月08日2012年02月08日 進(jìn)行手部,手腕,手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及氣缸的計(jì)算校核。52012年02月09日2012年02月23日 氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。62012年02月24日202年03月20日 PLC控制設(shè)計(jì)。72012年03月21日2012年04月30日 編寫畢業(yè)論文。8. 2012年05月01日2012年05月25日 畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。6 參考文獻(xiàn)1.UNECE, IFR. 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