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畢業設計

恒握力平行開閉機械手設計

時間:2020/12/13 21:02:20   作者:未知   來源:網絡文摘   閱讀:5   評論:0

摘 要

機械手是機械工業自動化生產中的重要設備,本文根據實際生產需要,設計了恒握力工業機械手。該恒握力機械手可夾持20~80mm圓柱形棒料,夾持重量大于5kg。根據摩擦離合器原理,在大小兩齒輪軸向之間夾有摩擦片,大小齒輪之間的壓力由彈簧控制,從而實現了手抓抓力恒定并且可調。

關鍵詞:機械手,氣壓傳動,恒握力

ABSTRACT

The manipulator is a machinery industrial automation in the production of important equipment, according to the actual production needs, design a constant force of industrial manipulator. The constant grip manipulator capable of holding20 ~ 80mm cylindrical rods, holding a weight greater than 5kg. According to the principle of friction clutch, in size two shaft gear to the clamped between the friction plate, the size of gear between the pressure is controlled by a spring, thereby realizing the hand grasp force is constant and adjustable. 

Key words:  manipulator, pneumatic drive, constant grip

第一章 緒 論
1.1 工業機械手概況

在現代工業中,生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題;さ冗B續性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業中,加工、裝配等生產是不連續的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法;程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外,還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業,有待于進一步實現機械化。機器人的出現并得到應用,為這些作業的機械化奠定了良好的基礎。

“工業機器人”(Industrial Robot):多數是指程序可變(編)的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置(國內稱作工業機器人或通用機器人)。

機器人是一種具有人體上肢的部分功能,工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結構簡單、成本低廉、維修容易的優勢,但功能較少,適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人,而把工業機械人稱為通用機器人。

簡而言之,機器人就是用機器代替人手,把工件由某個地方移向指定的工作位置,或按照工作要求以操縱工件進行加工。

機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人,也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置,可以根據任務的需要編制程序,以完成各項規定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外,還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的,稱為操作機(Manipulator)。它起源于原子、軍事工業,先是通過操作機來完成特定的作業,后來發展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業機器人,主要附屬于自動機床或自動生產線上,用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”,它是為主機服務的,由主機驅動。除少數外,工作程序一般是固定的,因此是專用的。

機器人按照結構形式的不同又可分為多種類型,其中關節型機器人以其結構緊湊,所占空間體積小,相對工作空間最大,甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點,成為機器人中使用最多的一種結構形式,世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構形式的機器人。

要機器人像人一樣拿取東西,最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節等部分組成的抓取和移動機構——執行機構;像肌肉那樣使手臂運動的驅動-傳動系統;像大腦那樣指揮手動作的控制系統。這些系統的性能就決定了機器人的性能。一般而言,機器人通常就是由執行機構、驅動-傳動系統和控制系統這三部分組成,如圖 1-1 所示。


恒握力平行開閉機械手設計

圖1-1 機器人的一般組成

對于現代智能機器人而言,還具有智能系統,主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機器人“眼睛”,使它能識別物體和躲避障礙物,以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的,或者說并不是簡單的疊加在一起,從而構成一個機器人的。要實現機器人所期望實現的功能,機器人的各部分之間必然還存在著相互關聯、相互影響和相互制約。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。


恒握力平行開閉機械手設計

圖1-2 機器人各組成部分之間的關系

機器人的機械系統主要由執行機構和驅動-傳動系統組成。執行機構是機器人賴以完成工作任務的實體,通常由連桿和關節組成,由驅動-傳動系統提供動力,按控制系統的要求完成工作任務。驅動-傳動系統主要包括驅動機構和傳動系統。驅動機構提供機器人各關節所需要的動力,傳動系統則將驅動力轉換為滿足機器人各關節力矩和運動所要求的驅動力或力矩。有的文獻則把機器人分為機械系統、驅動系統和控制系統三大部分。其中的機械系統又叫操作機(Manipulator),相當于本文中的執行機構部分。

1.2 工業機械手的分類

現在對工業機械手的分類尚無明確標準,一般都從規格和性能兩方面來分類。按規格(所搬運工件的重量)分類:

1.微型的—搬運重量在1公斤以下:

2.小型的—搬運重量在10公斤以下:

3.中型的—搬運重量在50公斤以下:

4.大型的—搬運重量在50公斤以上。

目前大多數工業機械手能搬運的重量為1~30公斤。最小的為0.5公斤,最大的已達到800公斤。

按功能分類:

1.簡易型工業機械手

有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓和擋塊轉鼓控制:可變程序可插銷板或順序轉動控制來給定程序。

這種機械手多為氣動或液動,結構簡單,改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制,但作為一般單機服務的搬運作業已足夠。所以,目前這種工業機械手數量最多。

2.記憶再現型工業機械手

這種工業機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍,由磁帶(或磁鼓)把程序記錄下來,此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環動作。

這也是采用較多的一種,多為電液伺服驅動。與前者比較有較多的自由度,能進行程序較復雜的作業,通用性較廣。

3.計算機數字控制的工業機械手

可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業機械手的動作,還可以進行多種控制(DNC)。技術還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。

4.智能工業機械手(機器人)

由電子計算機控制,通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機構等。

按用途分:

1.專用機械手

附屬于主機的,具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置,這種工業機械工作對象不變,手動比較簡單,結構簡單,使用可靠,施用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。

2.通用機械手

具有獨立控制系統,程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大,定位精度高,通用性強,使用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。

1.3 工業機械手在工業生產中的應用

  工業機械手在生產中的應用非常廣泛,還可以歸納為以下的一些方面:

1.建造旋轉零件體自動線方面

  建造旋轉零件體(軸類、盤類、環類零件)自動線,一般都采用機械手在機床之間傳送工件。

2.在實現單機自動化方面

  (1)各類半自動車床,有自行夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能,但仍需人工上下料,裝上機械手,可實現全自動化生產。

  (2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環,裝上機械手自動取料,可實現全自動生產。

  (3)沖床有自動上下沖壓循環,機械手上下料可實現沖壓上產自動化。

3.鑄、鍛、焊、熱處理等方面

總的來說,由于工業機械手的特點滿足了社會生產的需要,進而帶來了經濟效益。其特點:

  (1)對環境的適應性強,能代替人從事危險,有害的操作,在長時間對人體有害的場所,機械手不受影響。

  (2)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調的繁重的勞動中解放出來,并能擴大和延伸人的功能。

  (3)動作準確,可保證穩定和提高產品的質量,同時可避免人為操作的錯誤。

  (4)通用性靈活性好,特別是通用機械手,能適應產品品種迅速變化的要求,滿足柔性生產的需要。

(5)采用機械手能明顯的提高勞動生產率和降低成本。

4.國外應用

美國制造155毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠,從胚料加工開始到加工完畢直至彈體包裝都自動進行,不用人手去接觸,達到全自動生產。

工業機械手還能用來代替人工進行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如,瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時,采用ASEA機械手,提高加工效率30%以上,而且產品質量穩定,不傷害工人。又如:瑞典沃爾沃(Valov)公司在機械手上裝了三個環形磨輪裝置,用來對傳動箱外表面去毛刺,比手工方法節省工時50%。

5.國內應用

國內在金屬切削加工中,用機械手來完成刀具的自動更換。如北京第二機床廠,北京第八機床廠,上海第二機床廠,上海第八機床廠,寧夏大河機床廠等單位研制的自動換刀機床,均用機械手自動更換刀具。在生產自動線上,用機械手完成的傳遞和上下料,如:沈陽水泵廠深井泵體加工自動線,無錫柴油機廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動線都采用了機械手。大連工礦車輛廠的800Kg側架的加工,采用機械手抓取、傳遞和安放并與一些機床組合成側架切削加工自動線,提高效率10倍。

1.4機械手的歷史及發展趨勢

機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機器人。它的結構特點是機體上安裝一回轉長臂,端部裝有電磁鐵的工件抓放機構,控制系統是示教型的。

日本是工業機器人發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后,大力從事機器人的研究。

目前工業機器人大部分還屬于第一代,主要依靠人工進行控制;控制方式則為開環式,沒有識別能力;改進的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統,具有視覺、觸覺能力,甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器,把感覺到的信息進行反饋,使機器人具有感覺機能。

第三代機器人(機器人)則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系,并逐步發展成為柔性制造系統FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環。

隨著工業機器人研究制造和應用領域不斷擴大,國際性學術交流活動十分活躍,歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。國際工業機器人會議ISIR決定每年召開一次會議,討論和研究機器人的發展及應用問題。

目前,工業機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面,無論數量、品種和性能方面還不能滿足工業生產發展的需要。使用工業機器人代替人工操作的,主要是在危險作業(廣義的)、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業的環境。

在國外機械制造業中,工業機器人應用較多,發展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料,以及點焊、噴漆等作業,它可按照事先制訂的作業程序完成規定的操作,但還不具備傳感反饋能力,不能應付外界的變化。如發生某些偏離時,就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。

隨著現代化科學技術的飛速發展和社會的進步,針對于上述各個領域的機器人系統的應用和研究對系統本身也提出越來越多的要求。制造業要求機器人系統具有更大的柔性和更強大的編程環境,適應不同的應用場合和多品種、小批量的生產過程。計算機集成制造(CIM)要求機器人系統能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統的性能和智能水平,要求機器人系統具有開放結構和集成各種外部傳感器的能力。然而,目前商品化的機器人系統多采用封閉結構的專用控制器,一般采用專用計算機作為上層主控計算機,使用專用機器人語言作為離線編程工具,采用專用微處理器,并將控制算法固化在EPROM中,這種專用系統很難(或不可能)集成外部硬件和軟件。修改封閉系統的代價是非常昂貴的,如果不進行重新設計,多數情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結構的機器人系統。

美國工業機器人技術的發展,大致經歷了以下幾個階段:

(1)1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年,  萬能自動化公司制造的工業機器人供用戶做工藝試驗。1967年,該公司生產的工業機器人定型為1900型。

(2)1968-1970年為實際應用階段。這一時期,工業機器人在美國進入應用階段,例如,美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業機器人;1969年該公司又自行研制出SAM新工業機器人,并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線;又如,美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業機器人傳遞工件。

(3)1970年至今一直處于推廣應用和技術發展階段。1970-1972年,工業機器人處于技術發展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業機器人會議。據當時統計,美國大約200臺工業機器人,工作時間共達60萬小時以上,與此同時,出現了所謂了高級機器人,例如:森德斯蘭德公司(Sundstrand)發明了用小型計算機控制50臺機器人的系統。又如,萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產自動線。麻省理工學院研制了具有有“手眼”系統的高識別能力微型機器人。

其他國家,如日本、蘇聯、西歐,大多是從1967,1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說,1967年,日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“Unimate”,并獲得迅速發展。通過引進技術、仿制、改造創新。很快研制出國產化機器人,技術水平很快趕上美國并超過其他國家。經過大約10年的實用化時期以后,從1980年開始進入廣泛的普及時代。

我國雖然開始研制工業機器人僅比日本晚5-6年,但是由于種種原因,工業機器人技術的發展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業機器人技術,通過引進、仿制、改造、創新,工業機器人將會獲得快速的發展。


國內應加強機械手基礎性能的實驗以及基礎理論研究,克服和解決制造技術及其它存在的問題。提高機械手運動速度。尤其是應用于沖壓行業中的機械手,以適應提高生產率和符合生產節拍的需要。要研究解決機械手的運動速度和緩沖、定位技術。引進國外先進技術,培訓專門技術人才,普及機械手有關知識。盡快解決機械手的定型設計、定點、定量生產以及配套件的生產和供應問題,推進機械手設計制造中的現代化(CAD/CAM)、標準化、系列化工作,以滿足國內外市場的需求。目前工業機械手的應用逐步擴大,技術性能不斷提高,其發展趨勢是:擴大機械手在工業上的應用、提高工業機械手的工作性能、發展組合式機械手、研制具有“視覺”和“觸覺”的“智能機器人”。


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