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作者姓名 汪增帅
专 业 机械设计制造及其自动化指导教师 付秀琢
专业技术职务
目 录
摘要 1
第一章 概述… 2
机械手概述 2
机械手历史和现状 4
机械手进展趋势… 6
其次章 总体设计… 8
机械手组成及各局部关系… 8
总体方案拟定… 9
驱动方式的选择… 11
第三章 机械系统设计 13
机械手的构造设计 13
传动构造的设计 15
导轨的设计 20
轴承的选择 21
电机的选择 22
第四章 总结… 25
致 25
参考文献 26
摘要
在工业上,自动掌握系统有着广泛的应用,如工业自动化机床掌握,计算机系统,机械手等。而工业机械手是相对较的电子设备,它正开头转变现代化工业面貌。本设计为三自由度直角坐标型工业机械手,其工作方向为三个直线方向。在掌握器的作用下,它执行将工件从一个地方搬到另一个地方这一简洁的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。
关键词:三自由度直角坐标工业机械手
ABSTRACT
,whichperformstheworkpiecemovedfromoneplacetoanotherplaceofthissimpleaction,Thisistheentiredesignmorecomprehensiveintroductionandsummary.
Keywords:threedegreesoffreedom;rectangularcoordinates;industrialrobot
第一章概述
机械手概述
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已根本得到解决。但在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效方法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要方法。但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业,有待于进一步实现机械化。机械手的消灭并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的根底。
“工业机械手”〔IndustrialRobot〕多数是指程序可变〔编〕的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置〔国称作工业机械手或通用机械手〕。
机械手是一种具有人体上肢的局部功能,工作程序固定的自动扮装置。机械手具有构造简洁、本钱低廉、修理简洁的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手,而把工业机械人称为通用机械手。
简而言之,机械手就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或依据工作要求以操纵工件进展加工。
机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,也即本文所争论的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以依据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备一般机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。其次类是需要人工操作的,称为操作机
〔Manipulator〕。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来进展到用无线电讯号操作机械手来进展探测月球等。工业中承受的锻造操作机也属于这一畴。第三类是专业机械手,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“MechanicalHand”,它是为主机效劳的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。
机械手依据构造形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机械手以其构造紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座四周的一些障碍物等这样一些特点,成为机械手中使用最多的一种构造形式,世界一些著名机械
手的本体局部都承受这种机构形式的机械手。
要机械手像人一样拿取东西,最简洁的根本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等局部组成的抓取和移动机构——执行机构;像肌肉那样使手臂运动的驱动-传动系统;像大脑那样指挥手动作的掌握系统。这些系统的性能就打算了机械手的性能。一般而言,机械手通常就是由执行机构、驱动-传动系统和掌握系统这三局部组成,如图1-1所示。
手部
腕部
执行机构
臂部
腰部
机
器
人
基座部〔固定或移动〕
驱动-传动系统
电、液或气驱动装置
单关节伺服掌握器
掌握系统
关节协调及其它信息交换
计算机
图1-1机械手的一般组成
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统供给动力,按掌握系统的要求完成工作任务。驱动-传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构供给机械手各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和掌握系统三大局部。其中的机械系统又称操作机(Manipulator),相当于本文中的执行机构局部。
机械手的历史和现状
机械手首先是从美国开头研制的。1958年美国联合掌握公司研制出第一台机械手。它的构造特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,掌握系统是示教型的。
日本是工业机械手进展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后,大力从事机械手的争论。
目前工业机械手大局部还属于第一代,主要依靠人工进展掌握;掌握方式则为开环式,没有识别力量;改进的方向主要是降低本钱和提高精度。
其次代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机掌握系统,具有视觉、触觉力量,甚至听、想的力量。争论安装各种传感器,把感觉到的信息进展反响,使机械手具有感觉机能。
第三代机械手〔机械手〕则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步进展成为柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中的重要一环。
随着工业机械手争论制造和应用领域不断扩大,国际性学术沟通活动格外活泼,欧美各国和其他国家学术沟通活动开展很多。国际工业机械手会议ISIR打算每年召开一次会议,争论和争论机械手的进展及应用问题。
目前,工业机械手主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产进展的需要。使用工业机械手代替人工操作的,主要是在危急作业〔广义的〕、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中,工业机械手应用较多,进展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可依据事先制订的作业程序完成规定的操作,但还不具备传感反响力量,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速进展和社会的进步,针对于上述各个领域的机械手系统的应用和争论对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机械手系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量
的生产过程。计算机集成制造〔CIM〕要求机械手系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。争论人员为了提高机械手系统的性能和智能水平,要求机械手系统具有开放构造和集成各种外部传感器的力量。然而,目前商品化的机械手系统多承受封闭构造的专用掌握器,一般承受专用计算机作为上层主控计算机,使用专用机械手语言作为离线编程工具,承受专用微处理器,并将掌握算法固化在EPROM中,这种专用系统很难〔或不行能〕集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是格外昂贵的,假设不进展重设计,多数状况下技术上是不行能的。解决这些问题的根本方法是争论和使用具有开放构造的机械手系统。
美国工业机械手技术的进展,大致经受了以下几个阶段:
〔1〕1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年,万能自动化公司制造的工业机械手供用户做工艺试验。1967年,该公司生产的工业机械手定型为1900型。
〔2〕1968-1970年为实际应用阶段。这一时期,工业机械手在美国进入应用阶段,例如,美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机械手;1969年该公司又自行研制出SAM工业机械手,并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如,美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机械手传递工件。
〔3〕1970年至今始终处于推广应用和技术进展阶段。1970-1972年,工业机械手处于技术进展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院争论所召开了第一届全国工业机械手会议。据当时统计,美国大约200台工业机械手,工作时间共
达60万小时以上,与此同时,消灭了所谓了高级机械手,例如:森德斯兰德公
司〔Sundstrand〕制造了用小型计算机掌握50台机械手的系统。又如,万能自
动公司制成了由25台机械手组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别力量微型机械手。
其他国家,如日本、联、西欧,大多是从 1967,1968年开头以美国的“Versatran”和“Unimate”型机械手为蓝本开头进展研制的。就日原来说,1967年,日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”,并获得快速进展。通过引进技术、仿制、改造创。很快研制出很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的有用化时期以后,从
1980年开头进入广泛的普准时代。
我国虽然开头研制工业机械手仅比日本晚5-6年,但是由于种种缘由,工业机械手技术的进展比较慢。目前我国已开头有打算地从国外引进工业机械手技术,通过引进、仿制、改造、创,工业机械手将会获得快速的进展。
机械手进展趋势
国各行各业对机械手的需求将越来越多,国市场将稳步增长,依据目前的现状,我国机械手近几年进展的形式将会怎样呢?依据我们的分析将会呈现如下几个特点:
从国际市场来看,机械手工业是一种高投入低赢利的产业,市场竞争极为剧烈,机械手工业必需上肯定规模才有利润可言,才有必需的开发投入,才能走上良性循环的进展道路。世界上机械手产量最大的三家公司年产机械手数均超千台以上,其中ABB公司到达9000台,安川电机公司近2500台,KUKA公司近2023台,从国现状来看,大公司、大企业通过与外国机械手公司合资合作,引进技术和资金,逐步规模化生产机械手,把国机械手产业推向一个的阶段,其中有代表性的,如首钢集团公司与安川电机公司合资的首钢莫托曼公司、电子设备厂与松下电器公司合资的松下产业机器、东风汽车公司与德国KUKA公司合作、二机床公司与美国ISI机械手公司合作等等。这些合资合作的开展,将会有效地推动中国机械手工业的进步,全面促进中的提高,但是它也会和其他外国机械手公司一样,冲击中国机械手市场,影响具有自主开发力量的中国机械手产业的形成,也会使国其他的机械手生产厂家面临一种严峻的挑战。
由留意机械手单机开发过渡到成套开发机械手应用系统
生产机械手多的大型公司,可以凭借规模优势,占据较大的市场份额,形成规模效益,而一些中小公司要想在剧烈的市场竞争中求得生存,必需具有自己的特色。国外很多中小公司把自己的市场定位在机械手系统集成或某些有特长领域,从而形成自己的局部优势,在市场中求得生存和进展,如奥地利IGM公司以向用户供给大型机械手焊接系统著称,机械手在系统中只占售价的1/3左右,卖
单台机械手赢利甚微,而卖机械手系统却赢利可观。意大利COMAU公司以承接压机生产线见长,在这里,机械手系统是促销售的关键。我国国机械手生产厂家规模大都较小,甚至谈不上规模,而国一般企业又没有力量将机械手有效地集成到生产系统中去,因此,那些进展系统集成并向用户供给一条龙效劳的公司,在机械手市场中将有较强的竞争力。国机械手生产厂家中机械工业自动化争论所,以承接涂装自动化生产线见长,累计产值近2023万元,中国科学院自动化争论所承接焊接生产线,累计产值近5000万元,工业大学机械手争论所的机械手码垛生产线正在产业化,累计产值超千万元。
机械手开发走开放型科研之路
国通过“七五”机械手技术攻关,已具备了生产国产机械手的根底,但国产机械手无论在技术上,还是牢靠性上,都与国外机械手差相当一段距离,要尽快缩短这种距离,必需走一条开放型的自主科研道路。
多方筹措开发资金,通过政府部门投资、用户单位投资、自我积存、外商投资、银行贷款等形式,筹措国产机械手的开发资金。
消化和利用国外机械手技术、资料、样机和关键元器件,为我所用。
选择引进国外质量牢靠的机械手零部件和元器件。
大力开展国合作,利用国技术优势,开发具有中国技术特色的国产机械手产品。
留意机械手产品的高牢靠性,使国产机械手的牢靠性与国外机械手具有可比性,同时要做到低本钱、易操作。
其次章总体设计
机械手的组成及各局部关系概述
机械手的组成图
它主要由机械系统(执行系统和驱动系统)、掌握检测系统及智能系统组成。
A、执行系统:执行系统是工业机械手完成抓取工件,实现各种运动所必需的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。
手部:又称手爪或抓取机构,它直接抓取工件或夹具。
腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或转变手部的工作方位。
臂部:是支承腕部的部件,作用是承受工件的负荷,并把它传递到预定的位置。
机身:是支承手臂的部件,其作用是带动臂部升降或俯仰运动。
B、驱动系统:为执行系统各部件供给动力,并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。本设计使用的是电传动。
C、掌握系统:通过对驱动系统的掌握,使执行系统依据规定的要求进展工作,当发生错误或故障时发出报警信号。