毕业设计（论文）-齿轮搬运液压机械手及控制系统设计.docx

齿轮搬运液压机械手及控制系统设计摘要随着工业自动化的发展，对齿轮搬运机械手的精准度和专业化有了越来越高的要求，因此针对单个生产步骤的齿轮搬运机械手进行专门化的设计也成为重要的研究方向之一。为提高齿轮搬运机械手的自动化程度和工作效率，本文针对齿轮搬运机械手的结构、驱动方式和控制系统进行了研究。首先，阐述了课题的研究背景，介绍了齿轮搬运机械手在结构方面和驱动方式的研究现状，分析了生产中齿轮搬运机械手的发展趋势，简述了本文的设计对象和设计要求。其次，通过对整体机构的分析，选取适合的手部、腕部、臂部和机身结构，并对手部、腕部、臂部及机身进行受力分析，设计和计算其具体尺寸，使用Solidworks软件建立三维模型。然后，对各个油缸的尺寸进行设计，选取合适的型号，并根据油缸的设计参数计算油缸工况，根据工况对液压元件进行选择和计算，设计整体液压系统图，利用CAD绘图软件绘制完整的液压系统图，并制定液压系统工艺循环动作顺序，使机械臂可以精准的对工件完成指定的动作流程。最后，基于三菱FX2N-48MR控制器设计完成了PLC控制系统图，根据机械臂的指定动作设计完整的动作顺序，利用CAD绘图软件完成各器件和PLC的连线图以及各部分梯形图。关键词：机械手；齿轮搬运；液压系统；PLC控制ABSTRACTWiththedevelopmentofindustrialautomation,theprecisionandspecializationofgearhandlingmanipulatorsareincreasinglyrequired.Therefore,thespecializeddesignofgearhandlingmanipulatorsforasingleproductionstephasbecomeoneoftheimportantresearchdirections.Inordertoimprovetheautomationdegreeandworkingefficiencyofthegearhandlingmanipulator,thestructure,drivingmodeandcontrolsystemofthegearhandlingmanipulatorarestudiedinthispaper.Firstly,theresearchbackgroundofthesubjectisdescribed,theresearchstatusofgearhandlingmanipulatorinstructureanddrivingmodeisintroduced,thedevelopmenttrendofgearhandlingmanipulatorinproductionisanalyzed,andthedesignobjectanddesignrequirementsofthisarticlearebrieflydescribed.Secondly,throughtheanalysisofthewholemechanism,theappropriatehand,wrist,armandfuselagestructuresareselected,andtheforceonthehand,wrist,armandfuselageisanalyzed,thespecificdimensionsaredesignedandcalculated,andthethree-dimensionalmodelisestablishedbySolidworkssoftware.Then,thesizeofeachcylinderisdesigned,theappropriatemodelisselected,theworkingconditionofthecylinderiscalculatedaccordingtothedesignparametersofthecylinder,thehydrauliccomponentsareselectedandcalculatedaccordingtotheworkingcondition,theoverallhydraulicsystemdiagramisdesigned,thecompletehydraulicsystemdiagramisdrawnbyusingCADdrawingsoftware,andtheprocesscycleactionsequenceofthehydraulicsystemisformulated,sothatthemechanicalarmcanaccuratelycompletethespecifiedactionflowfortheworkpiece.Finally,basedonMitsubishiFX2N-48MRcontroller,thePLCcontrolsystemdiagramisdesigned,thecompleteactionsequenceisdesignedaccordingtothedesignatedactionofthemechanicalarm,andCADdrawingsoftwareisusedtocompletetheconnectiondiagramofeachdeviceandPLCandladderdiagramofeachpart.Keywords:Manipulator；Geartransport;Hydraulicdrive;PLCcontrol第I章绪论1 齿轮搬运机械手的研究背景及意义1 齿轮搬运机械手的研究现状2 齿轮搬运机械手结构的研究现状2 齿轮搬运机械手驱动方式的研究现状4 齿轮搬运机械手的发展趋势5 课题研究及内容6 本章小结7第2章机械手的结构设计95.1 手部结构的设计9 手部结构的选取9 手部结构的受力计算105.2 腕部结构的设计12 腕部结构的选取12 腕部回转力矩计算125.3 臂部结构的设计155.4 机身结构的设计16 机身升降结构设计16 机身回转结构设计185.5底座及整体平衡性设计195.6本章小结21第3章液压传动系统设计234.1 液压系统油缸设计23(1) 伸缩油缸的设计与计算23(2) 做升降运动的油缸驱动力25(3) 回转油缸内径D的计算25(4) 2液压系统油缸工况计算304.3液压系统的设计334.4液压元件的选择和计算354. 5本章小结38第4章电气控制系统设计394.3 PLC的组成和分析394.4 PLC的选型404.5 PLC控制系统设计404.6 6本章小结46第5章总结与展望475. 1总结475. 2展望47参考文献49致谢51附录53第1章绪论齿轮搬运机械手的研究背景及意义近年来，随着工业化的快速发展，机械手的应用也越来越广泛。机械手结合了机械电子技术、自动化控制技术、信息感应技术，近年来人工智能的高速发展，也为机械手领域的进步提供更大的空间。机械手不仅是现今工业生产中重要的现代化设备，更是机械领域一直以来热门的研究课题。齿轮搬运机械手的需求也日益增加，大型机械上的齿轮安装、车间的齿轮工件搬运以及一些机密仪器上的齿轮的精准安装，由于重量大、安装精度要求高、易损坏等特点，需要在工作时用到辅助机械手或者全自动机械手进行装配，由于齿轮工件大多尺寸固定并且产品单一，在装配时大多采用专用机械手，针对单一或者一定尺寸范围的齿轮工件。随着越来越快的工业化进程，对于齿轮搬运机械手的精准性和专业性也有着更高的要求，则对控制系统以及驱动系统的要求也越来越高。由于工业化的高速发展，工作的劳动强度与产品的质量要求越来越高，随之也产生了以下的一些问题：(1)工作环境较差，加工时产生的噪音较大，可吸入颗粒物较多，对人体的伤害大，在某些特定环境中容易出现危险威胁人身安全，例如矿洞作业会出现塌方，爆破巨石时容易出现误伤；(2)工件体积大以及重量大，人工搬运无法实现；(3)在工厂生产线中，机床加工的危险性较大，车间安全隐患较多，工人安全难以保证；(4)工件的艺要求越来越高，纯手动或半自动的设备无法保证工件要求的平整度以及批量生产的工件稳定性。以上问题都表明研究更高的自动化程度的机械手时非常必要的，所以加强驱动系统的精准控制程度以及机械手控制的自动化程度是非常重要的研究方向，为了提高机械手的专业化程度，可以针对单一工件的某一个操作动作专门设计特定作用的机械手，多个机械手组合完成整条流水线的装配工作。基于以上情况，本课题针对齿轮工件的装配中的装配环节设计了专业型的机械手，设计配套的驱动系统，结合电气控制系统设计PLC控制程序，精准的完成齿轮搬运的完整动作。此方法也适用于其他抓取型的齿轮搬运机械手的设计完善。齿轮搬运机械手的研究现状我国现在的搬运机械手研究方向主要为人工智能化机械手的研发、模块化以及可重构性、基于PC机的开放型控制器研究、多传感器信息融合与配置技术。国外的机械手研发比较领先，实力雄厚，欧美国家以及日本的机械手产品水平也被全球作为一种标准。现今国外的机械手研究方向主要为利用有限元分析、模态分析以及仿真对机械手进行优化；将并联机构与机械手进行结合，实现高精度控制和加工处理，日本FANUC公司以及法国COMAU公司已经完成了相关技术的产品开发；利用多传感器检测位置信息完成机械手的装配工作，提高工作精度和工作效率，瑞典ABB公司和德国REIS公司也已推出相关产品；完成控制系统和计算机网络化的配套连接，研发标准化机械设备；应用微电子技术和和集成电路提高稳定性与运作速度。回齿轮搬运机械手结构的研究现状在结构方面，主要以手部以及机身主体的结构形状为主要研究方向。手部结构安装于机械手的手臂末端，是直接作用于工件的装置，手部结构在对整体的机械手运动学性能以及尺寸设计又有着关键作用。询现在的机械手手部结构大致分为三类:机械手部、特殊手部、通用手部。机械手部为利用开闭式的机械结构，来对工件进行抓取。这种结构多为按齿轮抓取部位形状形成凹陷或V型槽，如图1-1所示，或者类似于三爪卡盘的结构，以及使用连杆使手指两端进行相对运动完成对工件的夹取的结构。此类结构的优点是结构简单、工作效率高、对于工件的抓取稳定性较好，缺点是作用对象较为单一具有局限性。回华侨大学的黄诗展、葛文鹏设计的机械手手爪采用了用V型块对工件进行抓取定位的结构。日本FUJI公司则设计了一款连杆带动手指开闭的机械手手部进行对工件的码放抓取。特殊手部常见的有两种：气吸式、磁吸式，气吸式即为在手部形成真空或者负压状态再进行对工件的抓取吸附，优点是吸附可靠、吸附力较大、结构简单、成本较低。磁吸式手部结构即利用电磁吸盘的磁性对工件进行抓取，优点为不需要制造真空环境，缺点在于只能作用于有磁性的工件。23图17机械手部通用手部为近似人体手部形状的结构，一般有2-5个手指，利用手指间的协调性，实现多自由度的抓取运动，可完成较高难度的动作要求。优点是抓取性能好、运动性能高，其缺点是对手部设计中结构的力学关系、控制系统、稳定关系等要求较高。如美国波士顿公司研发的AtlaS机器人，手部有跟人体一致的结构，可完成抓取杯子，提取重物的动作。本课题是针对单一齿轮工件的抓取研究，所以选择机械手部结构进行设计研究。在机身主体结构方面可从坐标形式进行分类，可分为直角坐标形式、圆柱坐标形式、球面坐标形式，关节坐标形式。直角坐标形式即这类机器人的手部的空间位置变化通过三个互相垂直的轴线移动完成，优点为结构简单、编程难度低、