工業(yè)機械手升降臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)書

1、 機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書課 題 名 稱工業(yè)機械手升降臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)系、部、室機電教研室專 業(yè)機電一體化專業(yè)指 導(dǎo) 教 師萬俊賀一、設(shè)計題目：工業(yè)機械手升降臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計參數(shù)：（1）、升降臂起升高度：0500mm，任意可調(diào)；（2）、單向升降運動時間：05s；（3）、升降過程速度變化均勻，無剛性的沖擊；（4）、升降臂定位可靠、精確。（5）、升降臂與旋轉(zhuǎn)底座、伸縮臂為法蘭連接；（6）、結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮伸縮臂原位時的整機平衡；三、設(shè)計要求一）、設(shè)計任務(wù)書的補充說明畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間最后一個十分重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計，綜合運用學(xué)到的基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本

2、技能，針對畢業(yè)設(shè)計課題，進行了綜合訓(xùn)練。，通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生初步具有以下幾個方面的能力：1、 綜合運用知識的能力。工業(yè)機械手升降臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計，是工業(yè)機器人設(shè)計的一個部分，涉及機、電、液等多方面的設(shè)計計算和繪圖工作。2、 資料檢索和學(xué)習(xí)能力。畢業(yè)設(shè)計涉及面廣，工作量大，故在設(shè)計過程中需要翻閱大量有關(guān)設(shè)計手冊、標(biāo)準與有關(guān)參考書籍。3、 系統(tǒng)的設(shè)計思想和設(shè)計能力。4、 獨立分析和解決問題的能力。設(shè)計過程是一個極其復(fù)雜與綜合的過程，其中不乏在大學(xué)學(xué)習(xí)階段未及學(xué)習(xí)的內(nèi)容，因此需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)有關(guān)知識，獨立分析處理有關(guān)問題。5、 開發(fā)創(chuàng)新能力，更好地適應(yīng)將來工作的需要。工業(yè)機械手是模仿人的手部動作

3、，按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動裝置，它是機械化、自動化的重要手段。因此，獲得了日益廣泛的應(yīng)用，特別在高溫、高壓、危險、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意義。在機械加工中，沖壓、鑄、鍛、焊、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸、國防工業(yè)等各方面，也已愈來愈引起人們的重視。機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制機構(gòu)以及位置檢測裝置等組成，驅(qū)動系統(tǒng)可采用液壓傳動、氣動傳動、電氣傳動和機械傳動等形式，而多數(shù)采用電液機聯(lián)合傳動。本次設(shè)計的工業(yè)機械手，是從輸送帶上抓取待加工的坯料送到加工機床的加工工位。有圓柱坐標(biāo)式與極

4、坐標(biāo)式兩種，具有手臂回轉(zhuǎn)、升降、伸縮和手部夾持運動等四個自由度。因此相應(yīng)地由夾持器夾緊與松開機構(gòu)、手臂伸縮機構(gòu)、手臂升降機構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)和各種定位裝置等組成。工業(yè)機械手床身有兩種結(jié)構(gòu)方案，圓柱坐標(biāo)式床身由回轉(zhuǎn)底座和機械手大臂兩大部分組成，與伸縮臂配合，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的位置。床身部分具有水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)、垂直升降兩個自由度，包括驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、定位導(dǎo)向機構(gòu)、支撐聯(lián)接件與檢測元件等。機械手大臂部分包括滑臺導(dǎo)軌副及其傳動機構(gòu)，底座部分包括機座及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)。極坐標(biāo)式床身包括回轉(zhuǎn)底座和機械手臂兩大部分組成，與夾持器旋轉(zhuǎn)腕部及夾持器連接。床身包含驅(qū)動裝置、水平位姿保持機構(gòu)、支撐聯(lián)接件與檢測元件等組

5、成。二）、可行方案的篩選方法提要（一）、技術(shù)要求：1、升降臂起升高度0-500mm任意可調(diào)。極坐標(biāo)式床身最大位移：y方向500mm；x方向300mm升降臂安裝于回轉(zhuǎn)底座，隨回轉(zhuǎn)底座做旋轉(zhuǎn)運動；升降臂承負伸縮臂與夾持器及工件，調(diào)整承負結(jié)構(gòu)的高低位置，完成工件的工位轉(zhuǎn)換。2、單方向升降運動時間：0-5s3、定位準確、可靠，要有合理的定位措施。4、升降臂運動平穩(wěn)，起動和終止無剛性沖擊。（二）、設(shè)計方案的選擇根據(jù)升降臂動作要求，結(jié)合已學(xué)知識，列出可實現(xiàn)動作要求的各種方案，進行對比分析，主要考慮：技術(shù)可行，結(jié)構(gòu)布局合理，工藝合理，經(jīng)濟性好。作為初次設(shè)計，給出液壓和電動兩個設(shè)計方案，供設(shè)計時參考。c1圓柱

6、坐標(biāo)（直線移動）升降臂升降臂與底座、伸縮臂采用法蘭連接，運動方式采用直線移動方式，升降滑臺與升降臂立柱可采用燕尾導(dǎo)軌、圓柱導(dǎo)軌、特型導(dǎo)軌等聯(lián)結(jié)方式?？紤]手臂最低工位的高度，可采用變行程措施以降低直線油缸的整體長度。圖（1）為變行程機構(gòu)的一種形式。c2、極坐標(biāo)（旋轉(zhuǎn)升降式）升降臂升降臂完成起升所承載的伸縮臂與夾持器等，運動方式采用轉(zhuǎn)動起升方式，升降臂與底座、伸縮臂采用鉸接方式。升降臂起升過程中應(yīng)保持伸縮臂及夾持器等的水平位姿。圖2 直線移動式升降臂升降臂可考慮采用平行四邊形機構(gòu)，升降臂與底座、伸縮臂交接軸間的連鎖運動機構(gòu)等保持伸縮臂的水平位姿。c3液壓驅(qū)動方案設(shè)計圖3旋轉(zhuǎn)升降式升降臂1、工作原理

7、采用單出桿雙作用液壓油缸或液壓馬達驅(qū)動，升降速度采用調(diào)速閥油節(jié)流調(diào)速，接近運動終點時，發(fā)出信號，進行調(diào)速緩沖，依靠行程極限與限位擋塊聯(lián)合定位，利用定型導(dǎo)軌或升降臂與底座、伸縮臂間鉸接處的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)升降運動，防止承載的伸縮臂與夾持器發(fā)生失控旋轉(zhuǎn)。2、液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算液壓控制系統(tǒng)設(shè)計要滿足升降臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足升降臂動力要求和運動時間要求，具體設(shè)計計算參見工業(yè)機器人液壓傳動控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書。c4機械驅(qū)動方案設(shè)計1、工作原理采用電動機作為動力源，滾珠絲杠、普通絲杠諧波減速器等傳動機構(gòu)。升降臂升降轉(zhuǎn)換可直接利用電動機正反轉(zhuǎn)換向，也可以在變速裝置中采用電磁離合器

8、配合控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動換向。運動系統(tǒng)制動選擇帶有制動裝置的制動電機，也可以選擇利用電磁制動器與控制系統(tǒng)配合制動。同時設(shè)計時考慮伸縮臂、夾持器等承載重量的慣性力作用對定位的影響以及機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速制動。2、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)升降臂的不同結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方案、傳動方式設(shè)計傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。要求傳動系統(tǒng)體積小，運動靈活，調(diào)整方便；設(shè)計時應(yīng)有利于構(gòu)件間動力傳遞，機械效率較高。3、傳動系統(tǒng)設(shè)計與計算、絲杠的選擇與設(shè)計計算根據(jù)滑臺受力分析，計算驅(qū)動功率。根據(jù)大臂升降高度、速度、驅(qū)動功率計算絲杠導(dǎo)程、公稱直徑、長度等參數(shù)。確定絲杠轉(zhuǎn)速，選擇標(biāo)準絲杠。選擇絲杠時應(yīng)考慮滑臺在導(dǎo)軌上的可靠定位。普通絲杠可以利用自鎖性能

9、，而滾珠絲杠無法實現(xiàn)自鎖，因此需另外考慮制動系統(tǒng)。絲杠設(shè)計計算承載能力 壓桿穩(wěn)定性 剛度驗算 公式中各參數(shù)參見參考資料（1）。、電機的選擇計算根據(jù)驅(qū)動功率，絲杠轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩選擇電機。、絲杠間隙調(diào)整方式選擇絲杠間隙調(diào)整方式有：雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式、雙螺母墊片調(diào)整式、彈簧自動調(diào)整及單螺母變位導(dǎo)程自頂緊式等。、選擇絲杠支承方式確定絲杠的支撐方式，合理選擇軸承。支撐軸承壽命計算參見參考資料（4）或參考資料（5）。電機、絲杠變速齒輪設(shè)計計算及校核計算參見參考資料（4）或（5）。升降臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及強度和剛度計算1、結(jié)構(gòu)方案說明：、 升降臂以圓形法蘭連接于回轉(zhuǎn)底座，其形式和尺寸要與

10、回轉(zhuǎn)底座相協(xié)調(diào)。、 升降工作臺用于安裝伸縮臂等零部件，其形式和尺寸要與伸縮臂底座相協(xié)調(diào)。、 利用所掌握的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)升降工作臺做升降動作，同時應(yīng)保證伸縮臂水平位姿。、 圓柱坐標(biāo)（直線移動）升降臂導(dǎo)向采用定型導(dǎo)軌，導(dǎo)軌副采用鑄件，自行設(shè)計，并且要考慮導(dǎo)軌副的潤滑與間隙調(diào)整。潤滑方式參考有關(guān)手冊設(shè)計。2、導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計2.1、圓柱坐標(biāo)（直線升降式）升降臂升降臂導(dǎo)向機構(gòu)包括滑臺與導(dǎo)軌。導(dǎo)軌與回轉(zhuǎn)底座用法蘭聯(lián)接，滑臺在導(dǎo)軌上垂直升降，已調(diào)整末端執(zhí)行器的垂直高度。（1）、導(dǎo)軌材料選擇大臂導(dǎo)軌滑臺副自身重量、體積均較大，并承擔(dān)伸縮臂、末端夾持器和工件的重量以及運動中產(chǎn)生的動載荷。因此在材料選擇時既要考慮能

11、夠承受因復(fù)雜的受力引起的強度問題，又要考慮減震與加工性能方面的因素，同時導(dǎo)軌副應(yīng)具有良好的耐磨性能，因此導(dǎo)軌副多采用鑄鐵或球墨鑄鐵材料，鑄造成型配合機械加工。（2）、導(dǎo)軌形式選擇導(dǎo)軌副按結(jié)構(gòu)特點可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。只有閉式導(dǎo)軌能夠承受傾覆力矩，可以依靠本身的結(jié)構(gòu)形狀保證滑臺與導(dǎo)軌面之間的接觸，因此設(shè)計時需選用閉式導(dǎo)軌。常用的閉式導(dǎo)軌有圓柱導(dǎo)軌、閉式燕尾導(dǎo)軌、閉式矩形導(dǎo)軌以及閉式燕尾導(dǎo)軌與矩形導(dǎo)軌的組合等種類，各有不同的特點，根據(jù)設(shè)計需要選擇。（3）、導(dǎo)軌間隙調(diào)整滑臺導(dǎo)軌副結(jié)合面配合的松緊對機械的工作性能有很大影響，除在裝配時應(yīng)調(diào)整導(dǎo)軌間隙外，經(jīng)過使用后因磨損仍需調(diào)整導(dǎo)軌間隙。導(dǎo)軌間隙一般

12、利用鑲條和壓板來調(diào)整。根據(jù)選用導(dǎo)軌的形式選擇間隙調(diào)整方式。（4）、導(dǎo)軌精度要求導(dǎo)軌精度應(yīng)包括幾何精度與接觸精度。導(dǎo)軌幾何精度規(guī)定在導(dǎo)軌平面（b項）和垂直于導(dǎo)軌平面（a項）兩平面內(nèi)的直線度要求，兩導(dǎo)軌面的平行度要求（c項）。接觸精度應(yīng)規(guī)定2525mm2面積內(nèi)的接觸點數(shù)。（5）、導(dǎo)軌的設(shè)計計算按強度條件估算大臂導(dǎo)軌截面積s。f：為包括滑臺、伸縮臂、末端執(zhí)行器等在內(nèi)的質(zhì)量、運動時產(chǎn)生的動載荷等。按結(jié)構(gòu)因素設(shè)計大臂的截面形狀。（6）、驗算導(dǎo)軌滑臺副的強度導(dǎo)軌受力分析導(dǎo)軌副的載荷可以歸結(jié)為一個集中力f和一個傾覆力矩m。計算導(dǎo)軌比壓最大許用比壓為2.53.0mpa2.2、極坐標(biāo)（旋轉(zhuǎn)升降式）升降臂升降臂完

13、成起升所承載的伸縮臂與夾持器等，運動方式采用轉(zhuǎn)動起升方式，升降臂與底座、伸縮臂采用鉸接方式。圖4連桿機構(gòu)升降臂起升過程中應(yīng)保持伸縮臂及夾持器等的水平位姿。升降臂可考慮采用平行四邊形機構(gòu)，升降臂與底座、伸縮臂交接軸間的連鎖運動機構(gòu)等保持伸縮臂的水平位姿。計算主要構(gòu)件的機械強度，各構(gòu)件間的傳動角，選擇驅(qū)動電機、減速器類型與傳動比等。參考結(jié)構(gòu)如下圖4、圖5。其他機械手結(jié)構(gòu)可參考圖6-8機械手傳動方案可參考圖9-三）、已學(xué)過的相關(guān)理論知識提要以及與設(shè)計題目有關(guān)的新知識圖5雙軸聯(lián)動方案工業(yè)機器人是典型的機電一體化設(shè)備，設(shè)計中涉及機、電、液設(shè)計，涉及面廣，涉及到的專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識有：力學(xué)、圖9、機械

14、手傳動布置1圖10、機械手傳動布置2圖8、伸縮臂可仰俯機械手圖7、直角坐標(biāo)機械手圖6、scara機器人機械設(shè)計、機械制圖、機電傳動、液壓傳動與控制、機床電控與plc、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)知識，設(shè)計過程中要對涉及到的已學(xué)過的相關(guān)內(nèi)容進行復(fù)習(xí)，教材是第一參考書。四）、指導(dǎo)方式和大致的進度安排1、指導(dǎo)方式和要求學(xué)生畢業(yè)設(shè)計在固定教室進行，教師經(jīng)常到教室查看設(shè)計進度，解答學(xué)生設(shè)計中遇到的問題，并對學(xué)生出勤情況進行登記。學(xué)生有事外出，必須請假，畢業(yè)設(shè)計過程不符合要求的學(xué)生不準參加畢業(yè)答辯。畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在校期間最后一個重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，畢業(yè)設(shè)計題目是涉及機電液系統(tǒng)設(shè)計，是難得的一個綜合訓(xùn)練的機會

15、。2、設(shè)計步驟1）、明確設(shè)計任務(wù)，收集分析資料認真閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計任務(wù)，查找收集有關(guān)資料，進行認真分析研究，了解類似機器人的結(jié)構(gòu)和工作原理。2）、總體方案設(shè)計與技術(shù)經(jīng)濟分析參考有關(guān)資料，進行方案設(shè)計。工業(yè)機器人升降臂一般由動力部分和導(dǎo)向部分組成。根據(jù)機器人其它部分的動力使用情況，選擇升降臂的動力；根據(jù)導(dǎo)向精度要求，并考慮生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)成本，選擇導(dǎo)向機構(gòu)的形式。3）、技術(shù)設(shè)計根據(jù)總體方案的結(jié)構(gòu)形式，進行技術(shù)設(shè)計，包括運動設(shè)計和動力設(shè)計，選擇元件，對主要零件進行強度和剛度計算初步確定主要結(jié)構(gòu)尺寸。進行液壓和電控部分設(shè)計。4）、圖紙設(shè)計根據(jù)總體設(shè)計方案和技術(shù)設(shè)計的結(jié)果，進行圖紙設(shè)計，按國家制

16、圖標(biāo)準完成圖紙設(shè)計。5）、編制設(shè)計文件按學(xué)院規(guī)定要求，編制設(shè)計計算說明書（畢業(yè)論文），準備畢業(yè)答辯。3、畢業(yè)設(shè)計進度安排第1周： 布置任務(wù)，熟悉題目，收集資料。第23周：設(shè)計計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計，草圖設(shè)計，制圖：機械圖相當(dāng)0號圖3張，要求有手工繪圖和計算機繪圖，電液控制圖。第4周：整理設(shè)計資料，編制設(shè)計計算說明書（要求打?。?。教師對設(shè)計成果進行評閱，學(xué)生準備答辨。畢業(yè)答辨。.五）、本題目的重點和難點本題目的設(shè)計重點是機電液一體化系統(tǒng)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計思想和方法，要求學(xué)生針對設(shè)計中用到的知識，對課堂學(xué)過的內(nèi)容進行重點復(fù)習(xí)。本設(shè)計的難點是plc程序設(shè)計，要求學(xué)生能夠針對實際控制對象，編制出適用的控制

17、程序。六）、任務(wù)書中開列的參考資料的使用方法1、使用標(biāo)準時，一定要注意使用標(biāo)準的最新版本。2、使用教材或手冊中的計算公式時，一定要注意來源的一致性，即公式來源和公式中的參數(shù)來源要一致，不可混用，使用時要標(biāo)注出公式的出處。3、學(xué)會上網(wǎng)查資料。網(wǎng)上的資源十分豐富，網(wǎng)上不僅可查產(chǎn)品標(biāo)準、產(chǎn)品型號、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸等，還可查到相關(guān)設(shè)計的設(shè)計思想、設(shè)計方法、以及典型結(jié)構(gòu)等。上網(wǎng)查詢的相關(guān)資料作為設(shè)計參考資料時，必須注明網(wǎng)址，就將網(wǎng)址列在參考文獻中。學(xué)會查詢資料，學(xué)會自已獲取知識，也是畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)有能力的一個重要方面。七）、編制設(shè)計計算說明書按學(xué)院統(tǒng)一要求編制。八）、參考資料：1機電一體化系

18、統(tǒng)設(shè)計（第二版）張建民著，高教出版社,2001.8 2機械制造裝備設(shè)計大連理工大學(xué),馮辛安主編,機械工業(yè)出版社,1999.103材料力學(xué) 孫訓(xùn)方，方孝淑編著 人民教育出版社 4機械設(shè)計基礎(chǔ)楊可楨，高等教育出版社，20015機械設(shè)計手冊徐灝主編，機械工業(yè)出版社，19916金屬切削機床 大連理工大學(xué) 戴曙等主編7中國機械設(shè)計大典第三卷“機械零部件” 中國機械工程學(xué)會8機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 鄭堤等主編9. /html/gund/g1.htm# 滾珠絲杠型號尺寸10. /gunzhusigang_index

19、.asp 天津市金港動力傳動有限公司 滾珠絲杠11/sort/plc/ 中國工控網(wǎng)plc專欄機電學(xué)院畢業(yè)實習(xí)指導(dǎo)書課 題 名 稱工業(yè)機械手升降臂及其控制系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)系、部、室機械設(shè)計系專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化指 導(dǎo) 教 師一、實習(xí)的目的畢業(yè)實習(xí)學(xué)生在校期間最后一次綜合性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實習(xí)，使學(xué)生更進一步接觸生產(chǎn)實際、開闊視野、增長見識，獲得實際生產(chǎn)技能和現(xiàn)代生產(chǎn)管理知識，提高分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計做好充分的技術(shù)準備。二、實習(xí)時間和地點實習(xí)地點：洛陽、保定。實習(xí)時間為4周。三、實習(xí)內(nèi)容學(xué)生在實習(xí)教師的帶領(lǐng)下，要深入到企業(yè)的生產(chǎn)第一線，緊緊圍繞畢業(yè)設(shè)計課題進行參觀、學(xué)習(xí)和調(diào)研，為后面的畢業(yè)設(shè)計做好充分準備。本次畢業(yè)實習(xí)的具體內(nèi)容如下：1、了解工業(yè)機械手在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用情況，了解工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)組成、運動原理、動作要求、控制方法等。2、搜集整理相關(guān)資料，繪制機械手結(jié)構(gòu)草圖，記錄機械手的動作順序。3了解企業(yè)生產(chǎn)