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zs655 运送 活塞 铸造 锻造 毛坯 机械手 设计
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湛江海洋大学 本科生毕业论文(设计)书本科生毕业论文(设计)书 设计题目:运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 2001 级 6 班 学生姓名: 王强 指导教师: 李作全 职称 设计起讫日期:3246.3 设计地点: 湛江海洋大学 2005 年 月 日 毕业设计(论文)任务书的内容和要求(包括原始数据、技术 要求、工作要求等) 通过设计机械手,培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析 能力和解决问题的能力。 有关数据:设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出,并运送到离模具 2 米远处的铝活塞毛坯箱里。(铝活塞的基本尺寸等技术要求参见顾崇衍编机械制 造工艺学P91P100。) 要求:设计方案和计算准确,叙述清楚,图纸符合制图规范,翻译一篇有关的 外文资料。 要求完成的图纸内容及要求 1.机械手机构简图 2.工作空间投影图 3.机械手传动原理图 4.装配图 5.零件图 要完成的实习内容及要求: 1.到本校机械实验室组装各类机械手模型。 2.学习工业机械人设计方面知识 其他要提交的设计资料: 设计参考资料: 1.顾崇衍 机械制造工艺学 陕西科技出版社,1996 2.周伯英 工业机械人设计 机械工业出版社,1995 3.龚振帮 机械人机械设计 电子工业出版社,1995 4.成大光 机械设计图册 (5) 化学工业出版社,1999 毕业设计(论文)进度计划 设计起讫时间工作内容备注 324425 42653 54517 518524 52561 实习,拟订设计方案 机械手传动原理图 机械手装配图 零件图 写说明书 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 1 - 中文摘要中文摘要 在工业上,自动控制系统有着广泛的应用,如工业自动化机床控制,计算机系统,机器人 等。而工业机器人是相对较新的电子设备,它正开始改变现代化工业面貌。实际的机器人由带 有腕(或称为手臂)的主机身和机身端部的工具(通常是某些类型的夹持器)组成,同时也包括一个辅 助动力系统。本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词:关键词:手臂;夹持器;工业机器人 Abstract Industrially, automatic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. A physical robot is normally composed of a main frame (or arm) with a wrist and some tooling (usually some type of gripper) at the end of the frame. An auxiliary power system may also be include with the robot. This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work.. Key words ::arm ;gripper ;Industrial robot 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 2 - 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 专业:机械设计制造及其自动化,学号:2001121626,姓名:王强 指导老师:李作全 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机器人简介工业机器人简介 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计 算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果,是当代科学技术发展最活 跃的领域之一,也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和 应用水平,是一个国家科技水平和经济实力的象征,正受到许多国家的广泛重视。 目前,工业机器人的定义,世界各国尚未统一,分类也不尽相同。最近联合国国际标准化 组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义:工业机器人是一种可重复编程的多功能操 作装置,可以通过改变动作程序,来完成各种工作,主要用于搬运材料,传递工件。参考国外 的定义,结合我国的习惯用语,对工业机器人作如下定义: 工业机器人是一种机体独立,动作自由度较多,程序可灵活变更,能任意定位,自动化程 度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。 工业机器人以刚性高的手臂为主体,与人相比,可以有更快的运动速度,可以搬运更重的 东西,而且定位精度相当高,它可以根据外部来的信号,自动进行各种操作。 工业机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用工业机器人是提高产品质量与劳动 生产率,实现生产过程自动化,改善劳动条件,减轻劳动强度的一种有效手段。机器人的诞生 和发展虽只有 30 多年的历史,但它已应用到国民经济,民事技术等众多的领域,具有广阔的应 用和发展前景,显示出强大的生命力。 根据所处的环境和作业需求,工业机器人具有至少一项或多项拟人功能,如抓取功能或移 动功能,或两者兼有之,另外还可能程度不等的具有某些环境感知功能(如视觉,力觉,触觉 等) 。以及语音功能及至逻辑思维,判断决策功能等。从而使其能在要求的环境中代替人进行作 业。 在工业机器人的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是 精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内 容和需求确定圆柱坐标型工业机器人,利用锥齿轮传动实现机器人的旋转,利用液压缸实现其 移动以及对零件的抓取。在步进电机的控制下,机器达到精确的回转运动。 1.2 工业机器人的发展工业机器人的发展 工业机器人的发展,由简单到复杂,由初级到高级逐步完善,它的发展过程可分为三代: 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人,它主要由手部、臂 部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单,应用在线编程,即通过示教存贮信息, 工作时读出这些信息,向执行机构发出指令,执行机构按指令再现示教的操作。 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 3 - 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制 方式较第一代工业机器人要复杂得多,这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段,不久即将普 及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外,还能够根据 人给出的指令认识自身和周围的环境,识别对象的有无及其状态,再根据这一识别自动选择程 序进行操作,完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化,具有适应工作环境的功能。这种 机器人还处于研制阶段,尚未大量投入工业应用。 第第 2 章章 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计 2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述工业机器人的组成及各部分关系概述 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。 A、 执行系统:执行系统是工业机器人完成抓取工件,实现各种运动所必需 的机械部件,它包括手部、腕部、机身等。 (1)手部:机器人为了进行作业而配置的操作机构,又称手爪或抓取机构,它直接抓取 工件或夹具。 (2)腕部:又称手腕,是连接手部和臂部的部件,其作用是调整或改变手部的工作方位。 (3)臂部:联接机座和手部的部分,是支承腕部的部件,作用是承受工件的管理管理荷 重,改变手部的空间位置,满足机器人的作业空间,将各种载荷传递到机座。 (4)机身:机器人的基础部分,起支撑作用,是支撑手臂的部件,其作用是带动臂部自 转、升降或俯仰运动。 B、驱动系统:为执行系统各部件提供动力,并驱动其动力的装置。常用的有 机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 C、控制系统:通过对驱动系统的控制,使执行系统按照规定的要求进行工作,当发生 错误或故障时发出报警信号。 D、 检测系统:作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况,根据需 要反馈给控制系统,与设定进行比较,以保证运动符合要求。 2.2 工业机器人的设计分析工业机器人的设计分析 2.2.1 设计要求 通过设计机械手,培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和 解决问题的能力。 有关数据:设计一机械手、将铝活塞铸造毛坯从模具中取出,并运送到离模具 2 米远 处的铝活塞毛坯箱里。(铝活塞的基本尺寸等技术要求参见顾崇衍编机械制造工艺学 P91P100。) 零件尺寸:外孔 101.6,高 106。 零件材料:铝。 2.2.2 总体方案拟定 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 4 - 在工业机器人的诸多功能中,抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基 础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根 据设计内容和需求确定工业机器人工作方式,利用步进电机驱动和锥齿轮传动来实现机器 人的旋转运动;利用一个液压缸,使手臂实现上下运动;考虑到本设计中的机器人工作范 围不大,故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动;末端夹持器则采用滑槽杠杆式回转型夹 持器,用小型液压缸驱动夹紧。 图 2-1 机器人外形图 2.2.3工业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下: A、 抓取重量: 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数,这是一项主要参数。这项参数 与机器人的运动速度有关,一般是指在正常速度下所抓取的重量。 B、抓取工件的极限尺寸: 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数,它是设计手部的基 础。 C、坐标形式和自由度: 说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。 D、 运动行程范围: 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围,即各运动自由度的运动量。根据 运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 E、运动速度: 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。 它与抓取重量、定位精度等参数密切有关,互相影响。目前,国内外机器人的最大直 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 5 - 线移动速度为 1000mm/s 左右,一般为 200400mm/s;回转速度最大为 180/s,一般 为 50/s。 F、定位精度和重复定位精度: 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标。 G、 编程方式和存储容量。 本设计中的三自由度圆柱坐标型工业机器人的有关技术参数见表 2-1。 表 2-1 机械手类型三自由度圆柱坐标型 抓取重量 2.38Kg 自由度3 个(1 个回转 2 个移动) 机座内部回转运动,回转角 0--180,步进电机驱动 腰部机构伸缩运动,升降范围 400mm,液压缸驱动 手臂机构伸缩运动,伸缩范围 70mm,液压缸驱动 末端执行器液压缸驱动 第第 3 3 章章 工业机器人的机械系统设计工业机器人的机械系统设计 3.1 工业机器人的运动系统分析工业机器人的运动系统分析 3.1.1 机器人的运动概述 工业机器人的运动,可从工业机器人的自由度,工作空间和机械结构类型等三方面来 讨论。 如图 2-1 所示,为工业机器人机构的简图。 图 3-1 机构简图 a工业机器人的运动自由度 所谓机器人的运动自由度是指确定一个机器人操作位置时所需要的独立运动参数的数目, 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 6 - 它是表示机器人动作灵活程度的参数。 本设计的工业机器人具有四转动副和移动副两种运动副,具有手臂伸降,旋转,前后往复 三自由度。 b机器人的工作空间和机械结构类型 (1)工作空间 工作空间是指机器人正常运行时,手部参考点能在空间活动的最大范围, 是机器人的主要技术参数,工作空间图如图 2-2。 图 3-2 工作空间图 (2)机械结构类型 圆柱坐标型为本设计所采用方案,这种运动形式是通过一个转动,两个移动,共三个自由 度组成的运动系统(代号 RPP) ,工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较,在相同的工作 条件下,机体占体积小,而运动范围大。 3.1.2 机器人的运动过程分析 工业机器人的运动过程中各动作如图 3-3 和表 3-1。 图 3-3 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 7 - 表 3-1 机器人开机,处于 A 点工步一 手臂上升工步二,工步七,工步十三 旋转至 B 点工步三 手臂伸出工步四, 工步十 手臂下降工步五,工步十一 夹紧工件工步六 手臂收缩工步八,工步十四 旋转至 C 点工步九 放松工件工步十二 实现运动过程中的各工步是由工业机器人的控制系统和各种检测原件来实现的,这里尤其 要强调的是机器人对工件的定位夹紧的准确性,这是本次设计成败之关键所在。 3.2 工业机器人的执行机构设计工业机器人的执行机构设计 3.2.1 末端执行机构设计 工业机器人的末端执行机构设计是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、 准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能,它是工业机械手的关键部件之一。 3.2.1.1 设计时要注意的问题: a. 末端执行机构应有足够的夹紧力,为使手指牢靠的夹紧工件,除考虑夹持工件的重力 外,还应考虑工件在传送过程中的动载荷。 b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关,而且应注意手部 接近工件的运动路线及其方位的影响。 c. 应能保证工件在末端执行机构内准确定位。 d. 结构尽量紧凑重量轻,以利于腕部和臂部的结构设计。 3.2.1.2 总体结构设计 采用滑槽杠杆式回转型夹持器,用小型液压缸驱动夹紧,它的结构形式如图 2-4。滑槽杠 杆式回转型夹持器,当驱动器推动杆 2 向上运动时,圆柱销 3 在两杆 4 的滑槽中移动,迫使 与支架 1 相铰接的两手指(钳爪)产生夹紧动作和夹紧力。当杆 2 向下运动时,手指松开。 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 8 - 图 3-4 末端执行器 3.2.1.3 液压油缸的选择和夹紧力的校验 a初选油缸型号 考虑到所要夹持的是比较小的零件,最大工作载荷很小,故初选液压缸型号为 Y-HG1- C40/2225LF2HL1Q,它的主要技术参数如表 2-2。 表 3-2 冶金设备标准液压油技术规格 活塞杆直径 /mm油口直径 速度比 缸 径 /mm 1.46 2 通径 /mm 联接螺纹 40222810M18x1.5 b夹紧力校验 1)零件的计算 2 2 3 9 3.14 50.8106 858940() 858940 27809.823.4() 10 VR h mm mv GmgvgN 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 9 - 图 3-5 零件实体图 其中 g 取 9.8 取 G=24(N) 2) 紧力的计算: 要夹持住零件必须满足条件: 2 N fFG f 为手指与工件的静摩擦系数,工件材料为铝,手指为钢材,查机械零件手册 表 2- 5 f=0.15,N 为作用在零件内壁上压紧力,G 为零件重力。 所以 24 80() 22 0.15 N G FN f 取=80(N) N F 由机械制造装备式 4-56 可知驱动力的计算公式为: 2 1 2cos N PlF b 图 3-6 滑槽杠杆式回转型夹持器 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 10 - 为斜面倾角,,为传动机构的效率,这里为平摩擦传动,49o 查机械零件手册表 2-2 这里取 0.8592 . 0 85 . 0 b=90.8mm,l=154.53mm。 所以 20 1 2 154.53 80 cos 49137.88 0.85 90.8 P 取 p=150(N) 按液压传动与气压传动公式 4-15 m P D F 4 2 D 为汽缸的内径(m),P 为工作压力(Pa),由液压传动与气压传动表 9-1 表 3-3 负载 F/N 50000 工作压力 p/MPa57 取 p=0.5MPa。由液压系统设计可查得:=0.90.95, m 所以 NP D F5659 . 0105 . 0 4 )1040(14 . 3 4 6 232 由以上计算可知液压缸能产生的推力 F=565N 大于夹紧工件所需的推力 P=150N。所以 该液压缸能够满足要求。 3.2.1.4 弹性爪的强度校验 当弹性手工作时,由于夹过程具有弹性,就可以避免易损零件被抓伤,变形和破损。 工件与弹簧片间的力: 由上节可知 F=80N。 则弹簧爪截面上的剪应力为=30MPa, =Q/A= 33 2 80 4 2 20 101 10 MPa 故弹性爪满足强度要求。 3.2.2 手臂机构的设计 3.2.2.1 手臂的设计要求 a、 手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求 b、 根据手臂所受载荷和结构的特点,合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 c、 尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩,以减小驱动装置的负 荷;减少运动的动载荷与冲击,提高手臂运动的响应速度。 d、 要设法减小机械间隙引起的运动误差,提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 11 - 位装置提高定位精度。 本设计手臂直接联接在底座升降液压缸上,结构简单,装拆方便,尾部设置导向杆, 以防止活塞杆转动,确保手臂随机座一起转动。它的结构如下图。 图 3-7 手臂结构图 手臂与末端执行器的联结结构如图 3-8 所示: 选用轴向脚架型液压缸,活塞杆末端为外螺纹结构,手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。 图 3-8 3.2.2.2 伸缩液压油缸的选择 选液压缸型号为 Y-HG1-C50/3640LF4HL1Q,它的主要技术参数如表 2-3。 表 3-4 冶金设备标准液压油技术规格 活塞杆直径 /mm油口直径 速度比 缸 径 /mm 1.46 2 通径 /mm 联接螺纹 50283610M18x1.5 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 12 - 3.2.2.3 活塞杆的强度校核 末端执行器的重量约为:12Kg。 工件重量为:2.38Kg。 由静力平衡方 MB=0 R1LAB QLBC=0 MA=0 R2LAB QLAC=0 求得支反力为: R1=292N R2=628.93N 以 A 点为坐标原点,得剪力图和弯矩图如下: 由表得活塞杆=140MPa, =240MPa. 则在 B 处横截面上的剪应力为: 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 13 - B= R2/A= 安全。 3 2 628.93 1.02 (28 10 ) 4 MPa 在 B 处的弯应力为: B= MB/A= 安全。 3 3 94.34 21.89 (28 10 ) 16 MPa 3.2.3 腰部和基座设计 3.2.3.1 结构设计 通过安装在支座上的步进电机和锥齿轮直接驱动转动机座转动,从而实现机器人 的旋转运动,通过安装在顶部的液压缸带动横梁转动实现手臂的上下移动。采用了导向 杆导向,确保手臂随机座一起转动。它的结构如装配图。 3.2.3.2 步进电机的选取 工业机器人的旋转和上下移动采用了步进电机驱动,下面就给出各种驱动方式的 比较,以作为选取步进电机作为驱动方式的依据。 表 3-5 各种驱动方式比较 驱动方式 电机 驱动 比较内 容机械传动 异步电机, 直流电机 步进或伺服 电机 气压传动液压传动 输出力 矩 输出力矩较大输出力可 较大 输出力矩较 小 气体压力小, 输出力矩小, 如需输出力矩 较大,结构尺 寸过大 液体压力高,可以 获得较大的输出力 控制性 能 速度可高,速度 和加速度均由机 构控制,定位精 度高,可与主机 严格同步 控制性能 较差,惯 性大,步 易精确定 位 控制性能好, 可精确定位, 但控制系统 复杂 可高速,气体 压缩性大,阻 力效果差,冲 击较严重,精 确定位较困难, 低速步易控制 油液压缩性小,压 力流量均容易控制, 可无级调速,反应 灵敏,可实现连续 轨迹控制 体积当自由度多时, 机构复杂,体积 液较大 要油减速 装置,体 积较大 体积较小体积较大在输出力相同的条 件下体积小 维修使 用 维修使用方便维修使用 方便 维修使用较 复杂 维修简单,能 在高温,粉尘 等恶劣环境种 使用,泄漏影 响小 维修方便,液体对 温度变化敏感,油 液泄漏易着火 应用范 围 适用于自由度少 的专用机械手, 高速低速均能适 适用于抓 取重量大 和速度低 可用于程序 复杂和运动 轨迹要求严 中小型专用通 用机械手都有 中小型专用通用机 械手都有,特别时 重型机械手多用 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 14 - 用的专用机 械手 格的小型通 用机械手 成本 结构简单,成本 低,一般工厂可 以自己制造 成本低 成本较高 结构简单,能 源方便,成本 低 液压元件成本较高, 油路也较复杂 由上表可知步进电机应用于驱动工业机器人有着许多无可替代的优点,如控制性能好, 可精确定位,体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等,下面就对 步进电机的型号进行选取。 初选电机为 BF 反应式步进电机,型号为:90BF001。它的有关技术参数如下表: 表 3-6 电机型 号 相数步距角 /() 电 压 /V 最大静转矩 /Nm(Kgfc m) 最高空 载启动 频 率 /HZ 运行 频率 /HZ 转子转动惯 量 10Kgm 5 2 分配 方 式 质量 /Kg 90BF0014 09 80 3.922000800017.64 四相 八拍 45 A、、传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的 各传动部件并不都与电机轴同轴线,还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。 最后,要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量,即传动系统等效转动惯量。 (1) 、电机转子转动惯量的折算 D J 由机电综合设计指导表 2-18 查出=1.764cm2 D J (2) 、联轴器转动惯量的折算 L J )/( 8 2 2 cmKg DM J c L 式中:为圆柱质量(Kg) ,D 为圆柱体直径(cm),L 为圆柱体长度。 c M 对于钢材,材料密度为,把数据代入上式得:)108 . 7 33 cmKg )(99 . 2 8 2 2 cmKg DM J c L (3) 、手臂转动惯量的折算 G J 工作台是移动部件,其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量可按下式进行计算: G J 见机电综合设计指导公式(2-6)P8M L JG 20 ) 2 ( 式中,为活塞工作长度(cm) ;为工作台质量(kg) 。 0 LM 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 15 - 所以: 2 2 20 15 . 1 71 14 . 3 2 8 . 0 ) 2 (cmkgM L JG (4)系统等效转动惯量计算 J 2 294 . 6 15 . 1 39 . 0 99 . 2 764 . 1 cmkgJJJJJ GSLD B、、验算矩频特性 步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩,从机电综合设计指导表 maxj M 2-21 中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩mM j 92 . 3 maxmq M 的关系为: maxj M 见机电综合设计指导公式(2-29)P32 maxjmq MM 查机电综合设计指导表 2-12 P35 得0.707。所以, mMmq77 . 2 92 . 3 707 . 0 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动 力矩可按下式计算: 见机电综合设计指导公式(2-30)P32 0 MMMM KfKaKq 式中:为空载启动力矩(Ncm) ;为空载启动时运动部件由静止升速到 Kq M ka M 最大快进速度,折算到电机轴上的加速力矩(Ncm) ;为空载时折算到电机轴上 Kf M 的摩擦力矩(Ncm) ; 有关的各项力矩值计算如下: Kq M (1)加速力矩 见机电综合设计指导公式(2-32)和(2-33) 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM P32 式中:为传动系统等效转动惯量;为电机最大角加速度;为与运动部件 J max n 最大快进速度对应的电机最大转速;t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的 时间,为运动部件最大快进速度;为初选步进电机的步距角;为脉冲当量。 max v b p min/1250 36001 . 0 9 . 05000 360 max max r v n p b 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 16 - cm t n JMKa 17.4110 2 . 060 125014 . 3 2 294 . 6 10 60 2 22max (2) 、空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式(2-34)P35 i LfG Mkf 2 0 式中:为运动部件的总重量;为导轨摩擦系数; 齿轮传动降速比;为传动G f i 系数总效率,取0.8;为活塞工作长度。 0 L cmMkf 55 . 0 18 . 014 . 3 2 8 . 0005 . 0 8 . 971 C、、启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电 机从静止状态开始逐渐升速,在零时刻,启动频率为零。在一段时间内,按一定的 升速 规律升速。启动结束时,步进电机达到了最高运行速度。 查看机电综合设计指导图 2-21 P36,从 90BF001 矩特性图中,可查得: 纵向:空载启动力矩对应的允许启动频率。 Kq Mcm148.43 Zyq Hf2100 查机电综合设计指导表 2-11 P34,步进电机 150BF002 启动频率 ,所以所选电机不会丢步。 yqZq fHf 2000 D、、运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率可按下式计算: KJ f 见机电综合设计指导公式(2-36)P36 P KZ v f 60 1000 max 式中:为运动部件最大快进速度。算得。 max v ZKZ Hf33.8333 快进力矩的计算公式: KJ M 见机电综合设计指导公式(2-37)P37 0 MMM KfKJ 式中: 为附加摩擦力矩, 为快进时,折算到电机轴上的摩擦力矩。 算 0 M Kf M 得: 。cmMMM KfKJ 1.9781.4280.55 0 查看机电综合设计指导图 2-22 P36,从 90BF001 运行矩频特性图中,可知: 快进力矩对应的允许快进频率; KJ Mmcm0.019781.978 KJyKJ ff 所以,所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。 综上所述,所选用的步进电机 90BF001 符合要求,可以使用。 3.2.3.3 轴承的选取 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 17 - A A、环形轴承 3 作为机座的支承原件,是为机器人研制的专用轴承,具有宽度小、直径 大、精度高、刚度大、承载能力高(可承受径向力、轴向力和倾覆力矩) 、装置方便等特点 价格高。 B B、止推轴承,型号为 30204, , 它的有关参数如下: 表 3-7 基本额定 极限转速 r/min 轴承代号 动载荷 Ca/KN静载荷 C0a/KN 脂润滑油润滑 30204, 28.230.5800010000 3.2.3.4 齿轮的选取 齿轮的参数如下表所示 表 3-8 名称代号小齿轮大齿轮 分度圆直径 d80152 齿数 z2038 大端模数 m4 节锥角27.759o62.241o 锥距 R85.882 齿宽 b26 齿距 p12.56 工作齿高h 6.8 齿高 h7.552 齿顶高 h 4.5282.272 齿跟高 f h 3.0245.28 顶隙 c0.725 齿跟角 f 2.017o3.518o 齿顶角 3.018o1.515o 顶圆锥角 30.777o63.756o 跟圆锥角 f 25.742o58.723o 齿顶圆直径 d 88.014154.116 冠顶距 k A 73.89137.989 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 18 - 大端分度圆弧齿厚 s7.5834.977 法向侧隙 n j 46 齿轮材料为 20Cr 且经渗碳淬火,接触材料系数:KHC=0.86 弯曲材料系数 KFC=0.97。 第四章第四章 工业机器人的计算机控制系统概述工业机器人的计算机控制系统概述 4.1 工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求工业机器人控制系统的特点及对控制功能的基本要求 工业机器人具有多个自由度,每个自由度一般包括一个伺服机构,它们必须协调起来,组 成一个多变量控制系统。这种多变量的控制系统,一般要用计算机来实现。因此,机器人控制 系统也是一个计算机控制系统。控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作以满足作业 的要求。在作业中机器人的工作任务是要求操作机的末端执行器按点位或轨迹运动,并保持设 定的姿态。在运动中或在规定的某点位执行作业规定的操作。对工业机器人的控制功能大致有 如下的基本要求和特点。 A、实现对位姿、速度、加速度等的控制功能 在机器人的各类作业中,运动和控制方式主要有两种。 1)点位控制方式(PTP 控制) 这种控制方式考虑到末端执行器在运动过程中只在某些规定 的点上进行操作,因此只要求末端执行器在目标点处保证准确的位姿以满足作业质量要求。而 对达到目标点的运动轨迹(包括移动的路径和运动的姿态)则不作任何规定,如图 4-1 a)图,这 种控制方式易于实现,但不易达到较高的定位精度,适用于上下料、搬运、点焊和在电路板上 安插元件等只要求在目标点保持末端执行器准确的位姿的作业中。 2)连续轨迹控制方式(CP 控制) 这种控制方式要求末端执行器严格按规定的轨迹和速度 在一定精度要求内运动,以完成作业要求,这种必须保证机器人各关节连续、同步地实现相应 的运动。如图 4-1b)图,这种连续轨迹运动,可看成是若干密集轨迹曲线。若设定的点足够密, 就能用点位控制的方法实现所需精度的连续轨迹运动。 B、存储和示教功能 要使机器人具有完成预定作业的功能,须先将要完成的作业示教给机器人,这个操作过程称 为示教,将示教内容记录下来,称为存储。使工业机器人按照存储的示教内容进行动作,称为 再现。所以工业机器人的动作是通过示教存储再现的过程实现的。 C、对外部环境的检测和感觉功能。 4.2 计算机控制系统的设计方案计算机控制系统的设计方案 控制系统采用二级计算机控制方式,选用 IBM-PC,80C51 系列 CPU。 第一级机担负管理,示教编程,控制再现,轨迹正逆运算,机器人语言的编辑和编译,通过串 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 19 - 行通讯方式传送给二级机做位置给定。第二级机负责位置伺服控制软件的计算,位置检测等工 作,根据插补算出的各关节位置增量做位置给定。 一级机与示教盒通讯采用串行 RS-232 接口,既接收示教盒信息,完成示教动作,又向示教 盒发送信息,显示示教情况。还可以连接软驱,CRT 终端。 二级机接口电路将计算机输出数字量转换成相应的模拟量,驱动伺服控制系统,选用速度 单元,伺服电机及光电编码盘等伺服调速系统。 4-1 机器人控制系统框图 4.3 硬件电路的组成硬件电路的组成 图 3-1 是采用 MCS-51 系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下: i.主从 CPU 都采用 8031 芯片; ii.主从 CPU 各扩展程序存储器 27256 一片,扩展数据存储器 62256 一片; iii.主 CPU 扩展可编程串行通信接口芯片 8251A 一片;可编程多功能接口芯片 8155 一片;电平转换芯片 MAX232 一片; iv.从 CPU 扩展可编程多功能接口芯片 8155 六片;D/A 转换器 DAC0832 六片; 运算放大器 A741 六片;PWM 功率放大器六片;光电编码器六片; v.地址锁存器、译码器各两片; vi.键盘电路,显示电路; vii.光电编码电路,功率放大电路; viii.报警电路,暂停、急停电路,复位电路; 运送铝活塞铸造毛坯机械手设计运送铝活塞铸造毛坯机械手设计 - 20 - 4.4 电路接口说明电路接口说明 A.A.主计算机主计算机 (1) CPU 采用 8031 芯片,由于片内无程序存储器,数据存储器也只有 128 字节,因此,扩 展外部程序存储器 27256 一片(16K),数据存储器 62256 一片(16K)。8031 的 I/O 口也不能满足 输入输出口的要求,本系统也扩展了一片 8155 可编程接口芯片。 (2) 采用 74LS138 三八译码器的输出作为片选信号。27256,62256,8251A,8155 的片选信 号分别接到译码器的。MCS-51 系列单片机,64K 字节外部 RAM 是由 16 根地址线0Y4Y (A0A15)决定的,它由 P0 口提供低 8 位,P2 口提供高 8 位。要想扩大 RAM 空间,可用增加地 址线的办法来解决。这里,利用 P1 口增加地址线。74LS138 的输入 A、B、C 口分别接 8031 的 P1.0、P1.1、P2.7。 (3) 由于 27256 和 62256 芯片都是 32KB,需要 15 根地址线。其 A0A7 低 8 位接 74LS373 芯片的输出端线,A8A14 接 8031 芯片的 P2.0P2.6,74LS373 地址锁存器在选通号 ALE 为高 电平时直接传送 8031P0 口低 8 位地址,当 ALE 在高电平变低电平的下降沿时,低 8 位地址被锁 存,此时,P0 口可用来向片外传送读写数据。 (4) 主机 8031 要和示教盒通信,因此扩展一片 8251A 增加一个
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