四自由度搬运机械手的设计毕业论文.docx
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1、编号:本 科 毕 业 设 计题 目:四自由度搬运机械手的设计 学 院:机械工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化 年级:12级 姓 名: 指导教师: 完成日期:2021年5月31日 目录摘要1Abstract21引言31.1机械手研究的背景及其意义31.2机械手的研究现状和发展前景41.3机械手的种类及其应用41.4机械手研究的主要内容52机械手总体方案的设计62.1 机械手的功能以及技术要求62.2 机械手的整体结构设计62.3机械手的主要部件及其自由度72.3.1 机械手的主要部件组成72.3.2 机械手的自由度72.4 机械手的动作过程及其时间配置82.4.1 机械手动作形式及其顺序的
2、确定82.4.2 机械手动作过程中的时间配置82.3 机械手动作过程中基本参数的确定93机械手的传动机构以及执行机构的设计103.1 机械手机构的模块化设计103.1.1 机械手结构模块划分所遵循的原则103.1.2 机械手模块化设计的一般方法113.2 机械手的组成及其模块化113.3 机械手基本结构构成及其设计流程113.3.1 机械手的基本结构113.3.2 机械手的总体设计流程123.4 机械手执行机构的设计123.4.1 机械手手部的结构设计133.4.2 机械手手部结构(夹持爪)的计算143.5 机械手手臂结构的设计153.6 机械手底座结构的设计164机械手的驱动系统的设计174
3、.1 气动驱动系统的设计174.2 气动元件的选择174.2.1 气压泵的选择174.2.2气动系统中各控制和辅助元件的选择195机械手的控制系统设计215.1 PLC控制系统的设计步骤215.2 PLC类型的选择及I/O点的确定215.2.1 PLC类型的选择215.2.2 PLCI/O点的确定225.3 PLC程序的编制245.3.1 编写PLC程序245.3.2 制作N-S流程图245.3.3 PLC在程序编程中需要注意的具体事宜276总结及展望286.1总结286.2展望28参考文献29致谢30四自由度搬运机械手的设计摘要机械手是由于现代科技高速发展以及其在现代工业、制造业范畴中的高度
4、应用而泛起,分外是机械手在工业、制造业范畴的应用使得人类从繁重的、单调的、无意义的脏、乱、差的工作环境中彻底解放出来,大大鞭策了人类社会的前进步伐。所以本论文旨在设计出一款既实用成本又低还能应用于一般劳动工作中的四自由度搬运机械手,具体设计过程采用的是在机械设计范畴比力先进模块化设计方式,就是对机械手的机械结构、控制和驱动系统、以及各零部件等分类、分步进行设计。本课题所设计的这种四自由度搬运机械手可应运于一般的流水作业线和个体货仓的搬运等工作中,具有必然的实际意义和应用价值。关键词:机械手;四自由度;气动驱动;可编程控制 Design of for degree of freedom mani
5、pulatorAbstractRobot is due to the rapid development of modern science and technology and its emergence in modern industry, the manufacturing sector in the height of the application, especially in robot applications in industry, the manufacturing sector so that humanity from the heavy, monotonous, m
6、eaningless dirty, chaotic, poor working environment completely liberated, and has great significance for the development of the human society. Therefore, this paper aims to design one that is both practical and low cost can be applied to general labor work carrying four degrees of freedom manipulato
7、r, the specific design process uses a more advanced modular design approach in the field of mechanical design, is the manipulator mechanical structure, control and drive systems, as well as parts and other classification, step by step design. This paper designed a robot that can carry four degrees o
8、f freedom should be transported to the firing line and individual general warehouse work moving the like, have a positive practical importance and utilization value.Key Words: Manipulator; four degrees of freedom; pneumatic actuators; programmable control1引言1.1机械手研究的背景及其意义机械手是当今世界的科技革命发展飞速变化的必然产物,它的
9、泛起符号着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初泛起的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技范畴,随着近几十年来计算机在科技范畴全面应用,科技革命的变化也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展,并且在其应用范畴也不断地深入、飞速地拓宽,分外是近些年来机械手在现代制造业范畴更是获得了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的轨范来控制其动作次序和轨迹,所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、反复的、分外是对于人类来说毫无意义的工作,除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作,分外是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的
10、工作条件之下,机械手比拟较人力有得天独厚的优势机械手在某些邻域能够完全替代人力,将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来,这是人类社会几千年来的又一次变化和人类生活方式的又一次蜕变。分外是近几十年来工业、制造业范畴在机械手的广泛应用下发生了伟大的变化,在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高,与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。机械手技术虽然发展迅猛,但现在市场上的机械手大多还处在高端应用范畴,价格也相对昂贵,不能满足低成本、低层次应用范畴的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手,填补这一范畴市场的空白,这对于工业、制造业范畴以及人类社
11、会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术范畴中,机械手在模型设计上,四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型,在技术上,四自由度机械手技术门槛相对较低四自由度便于设计和实现,在应用层面上,四自由度机械手对于一般的反复性工作条件完全满足,在成本上,四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本,也就说其性价比相对较高,所以本论文以四自由度搬运机械手为课题进行研究旨在设计出一个比力实用的、成本低的、具有必然的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景机械手是现代工业革命变化、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品,从较高应用层次来说,机械手是集机械设计、计算机轨
12、范控制等多范畴知识和多种设计方式于一身的一种新型自动扮装备,分外是近年来互联网、大数据的泛起和应运机械手已开始从自动化向智能化范畴迈进。机械手虽然在近几十年来才泛起,其发展历史并不算太长,机械手最早发源于美国,接着又在德国、日本等工业发达国获得了飞速发展,然而我国近十年来虽然工业发展迅猛,可机械手在工业范畴的应用才方才起步,机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距,分外实是在机械手的高端应用范畴,主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。近年来机械手在工业、制造业范畴的应用突飞大进,这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”,越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来,互
13、联网技术飞速发展,工业、制造业范畴正发生着一场伟大的变化,从美国的“工业互联网”到德国的“工业4.0” ,再到“中国制造2025”,世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”改变,在此历史背景下机械手也正在从自动化向智能化的标的目的发展。1.3机械手的种类及其应用本课题研究的机械手其动作自由度为4,虽然其动作自由度种类大多类似,但是因其在工业、制造业范畴应用条件和具体工作要求的差异,所以机械手的外观形状、结构、功能以及其具体动作次序和形式千差万别,不过为了便当机械手的设计,机械手按照其的各系统的组成大致可以分为:动力驱动系统、传动执行机构、控制系统三大类。按照机械手的驱动动力源又可以细分
14、为:气动驱动型机械手、液压驱动型机械手。按照机械手的应用环境又可以细分为:通用型机械手、专用型机械手1。按照机械手的运动轨迹又可以细分为:点位控制型机械手、连续式控制型机械手。机械手种类繁多其应用范畴和应用场合颇多,分外是在工业、制造范畴,机械手正在逐步取代人力成为工业生产中必弗成少的装备。1.4机械手研究的主要内容本课题研究的是四自由度搬运机械手,此类型的机械手大多为应用于工业、制造业范畴的机械手,一般执行一些单调的、反复性的工作,所以从设计层面上来说,在控制方面的设计比力容易实现,本论文关于四自由度搬运机械手的设计方式采用的是机械设计范畴比力前瞻的模块化设计方式,模块化设计的工作主要是应运
15、在机械手控制系统的设计工作中,通过主轨范和子轨范的单独编程和有效调用大大简化了机械手控制系统设计的难度2。此外针对机械手的驱动系统、传动及执行机构、数控系统以及各零部件等分类、分步进行设计,使得设计工作简化且有序进行。机械手设计的总体工作内容如下:机械手的总体方案的设计。机械手的传动机构以及执行机构设计。机械手的驱动系统设计。机械手的控制系统设计。2机械手总体方案的设计2.1 机械手的功能以及技术要求机械手是通过仿照人手臂的功能实现各种复杂的动作次序和轨迹来完成各种具体的工作和实现既定的功能,分外是在完成一些比力复杂的运动形式和在一些比力危险或有限的空间内工作。本课题研究的四自由度固定式搬用机
16、械手,主要应运于一般的流水作业线和一些重量较轻的个体货仓搬运等工作中,因其可实现大部分人手的功能,所以在现实应运中具有必然的实际意义和较大的应运价值。因为机械手大多应运于一般的流水作业线,所以对其具体动作路劲和动作次序、时间的精度和偏差有较高的要求,我们要求机械手在实现其基本功能的过程中能够做到平稳的、迅速的、准确的搬运物体,包管整条流水线工作的有序运行,完成预先设定各种工作要求。2.2 机械手的整体结构设计在对机械手进行结构的设计时,不仅要满足理论上对其动作具体过程的要求,还要同机械手的具体工作环境、工作空间的要求和限制相匹配,所以在机械手的设计过程中必需严格遵守如下基本原则:要给予机械手的
17、动作范围留有尽可能大的活动空间,并且所设计的机械手应能完成多种运动形式以满足分歧的工作要求。在进行机械手的结构设计时,要按照具体的工作环境和要求通过仿照人的手臂功能,然后在满足工作要求的运动形式下来设计机械手的具体结构和机械手的姿态以及运动方式。机械手结构的设计并不是淡淡的做到其性能的最佳,还要同时考虑它的经济性,要力求以最简单的结构、最轻的自身重量、最低的成本取满足具体的工作性能要求,如机械手的行程范围、最大负载能力和运动的平稳性、准确性等。2.3机械手的主要部件及其自由度2.3.1 机械手的主要部件组成本论文所研究的四自由度搬运机械手,主要是用来仿照人手的功能,所以其结构部件也类似人手臂的
18、组成,从整体上来说包孕机械手部、机械臂、和底座三大部分。可是机械手毕竟和人手有很大的分歧,它还需要有动力驱动的部分、控制的部分和执行的部分,所以机械手的主要部件包孕:电动机、气压泵、气压缸、底座、立柱、大臂、小臂、机械夹手部等。2.3.2 机械手的自由度机械手是对于人的手臂功能仿照相当成功的产品,基本上可以实现人手的一些基本的动作形式,不过区别在于机械手不需要做的像人手那样灵活自如,在具体实际工作的应用中进行了必然的简化处理,具体结构设计这要看机械手实际的工作环境、要求以及成本等问题,也就是尽可能以最少的自由度实现实际的工作要求。人的手臂堪称是世界上最完美的机器,因为它共有6个自由度,能过完成
19、任何复杂的动作过程和任何方式的运动,所以在各种仿生学井喷的今天,对机械手的研究具有极其重要的意义和价值。本课题研究的四自由搬运机械手主要用于一般的流水作业线和搬用个别重量较轻物体的搬运,为了满足具体的工作要求本课题所设计的机械手应该具备:上升、下降、水平移动、反转展转和机械手夹持手部的伸缩等运动形式,针对方针工作要求及机械手的动作形式的研究,本课题设计的机械手4个自由度3。按照本课题设计的机械手的具体运动形式,我们可以将机械手的四个自由度大致分为:标的目的控制、工作执行两个方面。其中在标的目的控制方面包含:水平反转展转和水平移动2个自由度,在工作执行方面包孕:小臂的升降和机械手手部的夹放2个自
20、由度。此外,以上自由度在实际工作中可进行有序组合,从而完成一些复杂的动作形式和要求。2.4 机械手的动作过程及其时间配置2.4.1 机械手动作形式及其按次的确定本课题研究的机械手主要用于在一般的流水作业线上和重量较轻的个体货色搬运工作中执行一些简单且反复性的动作,所以机械手的整体动作形式具体可以切分为如下几个彼此独立的动作形式:水平反转展转机械手的大臂随着立柱可以实现水平反转展转240度,然后在配合上大臂的水平移动可以使机械手到达以底座为圆心以大臂为半径的半圆范围内的任意一点。轴向移动机械手小臂可以随着机械手大臂通过气压缸的收缩实现小臂的轴向移动300mm,大大扩大了机械手的移动行程和动作范围
21、。 竖直升降机械手大臂在立柱上通过气压缸的伸缩可以达到320mm的升降行程,这个行程可以有效避开工作过程中的大多障碍物,大大提升了机械手的应用范围。机械手手部的旋转机械手手部可水平旋转180便于调整夹取器件的角度。机械手的夹放通过气压缸控制机械手夹放力度,包管物体在搬运不会意外掉落,通过PLC准确控制机械手的夹放时间,包管物体在搬运过程的有序进行。以上机械手的各部件动作形式在工作过程彼此独立,通过PLC可编程控制器的有效控制,实现各部件之间的动作彼此组合且有序进行,从而完成具体的工作要求。2.4.2 机械手动作过程中的时间配置本课题所研究的机械手主要是用于一般的流水作业线和一些器件的搬运,其基
22、本动作轨迹大多都是类似的,只不过是在具体动作形式和时间配置上有参数上的区别,所以本课题研究的机械手的新颖之处就在于充分化决了这一问题,本论文中的控制系统采用的是PLC可编程控制器,它可以实现随工作环境和任务的不同,把机械手的每一个具体动作形式和动作时间按照具体工作情况参数化,如此设计出的机械手可适用于任何工作环境和完成任何工作任务,大大提高的机械手的通用性。2.3 机械手动作过程中基本参数的确定机械手的设计包孕结构设计、功能设计以及各种驱动及动力系统的设计,不过这些设计首先要得在机械手动作过程中的基本参数确定的基础上,然后再展开后续的设计工作,机械手动作过程中的基本参数如下表2-1所示:表2-
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