车间运输机器人系统设计——毕业设计(论文) .doc
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1、辽宁工程技术大学毕业设计(论文)引言在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平。目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,一般采取示教再现的工作方式。“工业机器人”(Industrial Robot)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,国内称作工业机器人或通用机器人。机器人是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置。简而言之,机器人就是
2、用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优点,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人,而把工业机器人称为通用机器人。要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分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控制系统。一般而言,机器人通常就是由这三部分组成,这些系统的性能就决定了机器人的性能。1 机器人介绍1.1 机器人简介机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预
3、先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作,例如生产业、建筑业,或是危险的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 现在,国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。中国的机器人专家从应用环境出发,将机器人分为两
4、大类,即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的,用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前,国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和中国的分类是一致的。1.2 机器人的研究历史及现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出世界
5、上第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一个回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力开展机器人的研究。目前,工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面,无论是数量、品种,还是性能方面都还不能完全满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的,主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的工作环境。在国外机械制造业中,工业机器人应用较多,发展较快。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,它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作,但
6、还不具备传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就会导致零部件甚至机器人本身的损坏。我国虽然开始研制工业机器人的时间仅比日本晚56年,但是由于种种原因,工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术,通过引进、仿制、改造、创新,工业机器人将会获得快速的发展。1.3 机器人的发展趋势随着现代化生产技术的提高,机器人的设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器人的生产与柔性化制造系统相结合,从而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。就目前来看,现代工业机器人有以下几个发展趋势:1)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准化和
7、模块化,将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。2)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合。3)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越来越多的系统采用微机进行控制。对于现代智能机器人而言,还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍物,以及机
8、器人的触觉装置。1.4 运输机器人的应用简况在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。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办法,数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。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。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5。从这里可看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,运输机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。机器人可在空间抓放物体,动作
9、灵活多样,适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产,广泛应用于柔性自动线。2运输机器人机械部分设计2.1运输机器人设计概况本运输机器人用于生产线各工序之间零件的搬运,所搬运零件为法兰盘,如图2-1所示。当工件的一道工序加工完之后,通过按钮呼叫运输机器人,机器人将工件搬到下一道工序,设计机器人的手臂长度为导轨与加工完的工件放置位置的距离,使手抓始终在工件的上端,机械手臂只需上下移动而无需伸缩,手抓始终水平放置,使机械手结构简单,本机械手需要3个自由度,手臂的上下移动,手抓张合,运输机器人在导轨上的移动。图2-1 法兰盘Fig.2-1 flange constructed本设计主要有机身、手臂、
10、机械手。手部的一个直线液压缸通过机械结构实现手抓的张合,机身一个直线液压缸实现机身带动手臂的上下移动,机身通过三相异步电动机的正反转实现的运输机器人在导轨上的移动。本运输机器人由机械手和导轨小车组成,机械手采用平动搬运机械手设计,导轨小车用双向电动机驱动小车在导轨上移动。本部分设计的主要任务是完成结构方面的设计。在本章中进行了坐标形式、自由度、驱动机构的确定。法兰(Flange)又叫法兰盘或凸缘盘。法兰是使管子与管子相互连接的零件,连接于管端。法兰连接或法兰接头,是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接,管道法兰系指管道装置中配管用的法兰,用在设备上系指设备的进出口法兰
11、。法兰上有孔眼,螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接(丝扣连接)法兰和焊接法兰和卡夹法兰。2.2 机械手的设计2.2.1 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真
12、正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序;机械手加工行业中用于取料、送料;浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1)建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多,如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线(环类),大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线(轴类),上海拖拉机厂的齿坯自动线(
13、盘类)等。加工箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。2)在实现单机自动化方面各类半自动车床,有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,单仍需人工上下料;装上机械手,可实现全自动化生产,一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用很多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手,大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手,沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手,青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验,国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手,或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂
14、的灯壳冲压生产线机械手(生产线中有两台多工位机床)和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手的自动装卸工件,可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面:一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;其一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。3)铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面,国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成一定角度布置早炉前,实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛
15、阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。2.2.2 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构1)手部既直接与工件接触的部分,一般是回转型或平动型(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要用于吸冷的,光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。2) 腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。本设计只要求上下移动,要求功能较简单,一般腕部设有回转运动再增加一个上下运动即可满足工
16、作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。3)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动较为多,受力复杂。因此,它的结构、工作范围、灵活
17、性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。4)行走机构 有的工业机械手带有行走机构。驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。2.2.3 机械手基本形式的选择圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,因此本设计采用圆柱坐标。根据设计要求,本机械手有3个自由度:手抓张合、手臂升降、机身在导轨上移动。本设计由3大部件(手爪、手臂、机身)和两个液压缸、一个双向电动机驱动。手爪张合、手臂上下移动采用直线液压缸移动,机器人在导轨上移动采用双向电
18、动机驱动。2.2.4 手部设计基本要求 1)有适当的夹紧力手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2)有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸,手指的形状和尺寸,一般来说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好,如图2-2所示。3) 力求结构简单,重量轻,体积小手部处于腕部的最前端,工作时运动状
19、态多变,其结构,重量和体积直接影响整个机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。因此,在设计手部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。4) 手指应有一定的强度和刚度5)其它要求因此送料,夹紧机械手,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭式弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。图2-2机械手开闭示例简图Fig. 2-1 flange constructed2.2.5 选择手爪的类型及夹紧装置手抓张合角=,夹取重量为5Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方
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