致謝III某自動(dòng)上下料裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u17184某自動(dòng)上下料裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析 1255261.1引言 114541.2自動(dòng)上下料裝置結(jié)構(gòu)分析及方案提出 1231811.1.1自動(dòng)上下料裝置加工流程描述 166061.1.2自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)要求 261121.1.3自動(dòng)上下料裝置整體設(shè)計(jì)方案 3189091.3上下料工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析 5205391.3.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 6177441.3.2自動(dòng)上下料裝置整體結(jié)構(gòu) 71.1引言機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)組成，特定的加工流程可以有好多種機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)成影響到整體加工流程，機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)相關(guān)的控制流程和實(shí)際加工過程直接影響到加工效果的好壞。本章節(jié)通過對(duì)在實(shí)際加工流程和零件加工要求相結(jié)合，以機(jī)械設(shè)計(jì)基本理論作為依據(jù)，在不違背機(jī)械設(shè)計(jì)理論和不出現(xiàn)干涉等問題的情況下，得出整體機(jī)械結(jié)構(gòu)。1.2自動(dòng)上下料裝置結(jié)構(gòu)分析及方案提出1.1.1自動(dòng)上下料裝置加工流程描述表殼零件由CNC數(shù)控車床進(jìn)行加工生產(chǎn)，本課題需要將數(shù)臺(tái)CNC車床成一條直線排列。如今的表殼加工上下料過程是人工實(shí)現(xiàn)的，加工工人需要從配料盤上將未加工的零件取下手工安裝到CNC車床的加工中心上，待CNC車床將零件處理完畢后再將零件取下，對(duì)CNC車床加工中心進(jìn)行清洗處理掉加工廢料。該加工工藝流程動(dòng)作枯燥，并且對(duì)勞動(dòng)力的消耗較大，清洗加工廢料的過程對(duì)加工工人的身體有較大危害。自動(dòng)上下料流程圖如圖2-1。圖2-1自動(dòng)上下料流程圖Fig.2-1flowchartofautomaticloadingandunloading1.1.2自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)要求在實(shí)際加工中，工業(yè)機(jī)器人首先需要結(jié)合工業(yè)攝像機(jī)和視覺處理系統(tǒng)識(shí)別表殼零件并將其從配料盤中抓取出來，工業(yè)機(jī)器人按照提前設(shè)計(jì)好的路線配合自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)移動(dòng)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，工業(yè)機(jī)器人首先需要水平方向移動(dòng)縮短零件與加工中心的橫線距離，再進(jìn)行豎直方向的運(yùn)動(dòng)將零件移動(dòng)到加工刀具的水平方向上，再通過末端執(zhí)行器的短距離移動(dòng)將表殼零件安裝在車床的相應(yīng)夾具上。待車床將零件加工完成后將零件取下放回配料盤。整個(gè)加工過程中需要工業(yè)機(jī)器人的定位精度較高，可以將尺寸較小的表殼零件精準(zhǔn)的放置在CNC車床的加工夾具上。同時(shí)在與視覺系統(tǒng)配合時(shí)需要有較快的反應(yīng)速度，工業(yè)機(jī)器人要準(zhǔn)確的識(shí)別加工零件，并快速抓取零件。并且由于CNC車床的加工空間較小，所以工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器的加工空間要較小防止出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。除此還需要較高的穩(wěn)定性和較快的問題反饋機(jī)制。表殼加工零件和加工中心夾具實(shí)物圖和相應(yīng)尺寸如圖2-2和圖2-3。自動(dòng)上下料裝置需要滿足的其他條件：（1）對(duì)內(nèi)徑32mm和外徑為40mm的表殼零件進(jìn)行識(shí)別、抓取、放置和存放等加工流程；（2）與視覺處理系統(tǒng)相互配合，可以使工業(yè)機(jī)器人快速識(shí)別表殼零件并在安裝零件的過程中保持速度的平穩(wěn)性；（3）確保加工夾具與代加工零件的位置精確匹配；（4）提高零件的加工效率，將從零件到成品的加工時(shí)間縮短；（5）機(jī)器人的加工空間較小，不與CNC車床的加工箱體發(fā)生碰撞；（6）控制系統(tǒng)保持平穩(wěn)，速度和加速度不出現(xiàn)突變現(xiàn)象；（7）自動(dòng)上下料裝置的可靠性和安全性較高。圖2-2表殼加工零件圖2-3加工中心夾具Fig.2-2watchcaseprocessingpartsFig.2-3fixtureofmachiningcenter1.1.3自動(dòng)上下料裝置整體設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)方案要求對(duì)移動(dòng)速度、移動(dòng)空間、末端執(zhí)行器的移動(dòng)軌跡和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)。整個(gè)加工過程中需要有工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)零件的抓取和輸送，配合相應(yīng)的傳感器模塊對(duì)上下料加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過速度傳感器和位置傳感器的反饋配合自適應(yīng)控制器對(duì)移動(dòng)裝置的速度和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，進(jìn)而保證加工精度。工業(yè)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)并且末端執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)路徑的識(shí)別和保證抓取力度的穩(wěn)定性。需要保證至少三個(gè)加工機(jī)器在同一條直線上進(jìn)行加工，可以盡最大的可能提高加工效率。為滿足加工空間的要求需要對(duì)CNC車床的加工空間和加工環(huán)境進(jìn)行測量，并根據(jù)已知數(shù)據(jù)對(duì)加工環(huán)境和CNC車床的擺放情況進(jìn)行總體規(guī)劃，為下文的工業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)空間規(guī)劃打下基礎(chǔ)。并根據(jù)CNC車床的加工空間與工業(yè)機(jī)器人的加工空間進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證是否工業(yè)機(jī)器人和CNC車床的箱體是否出現(xiàn)碰撞等情況。CNC車床的加工現(xiàn)場環(huán)境和加工空間如圖2-4和圖2-5所示。圖2-4CNC車床加工現(xiàn)場環(huán)境圖圖2-5CNC車床加工空間圖Fig.2-4environmentofCNClatheprocessingsiteFig.2-5machiningspaceofCNClathe并根據(jù)相應(yīng)的加工環(huán)境和最高加工效率為約束條件對(duì)CNC車床的擺放方式進(jìn)行選型。零件抓取方案設(shè)計(jì)加工的初始狀態(tài)是將代加工的零件從配料盤中識(shí)別并抓取出來，本文利用工業(yè)攝像機(jī)與工業(yè)機(jī)器人的控制模塊相連接，以工業(yè)攝像機(jī)對(duì)零件位置進(jìn)行識(shí)別實(shí)現(xiàn)零件的識(shí)別過程，配合控制模塊對(duì)零件進(jìn)行抓取。表殼零件的上料過程設(shè)計(jì)抓取后的上料過程是結(jié)合工業(yè)機(jī)器人完成的，結(jié)合上文中的加工要求將工業(yè)機(jī)器人分為三個(gè)平動(dòng)關(guān)節(jié)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，所以該工業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)一些翻轉(zhuǎn)和短距離伸縮等空間運(yùn)動(dòng)。利用matlab模擬的工業(yè)機(jī)器人仿真圖如圖2-6所示。圖2-6工業(yè)機(jī)器人仿真圖Fig.2-6simulationdiagramofindustrialrobot該工業(yè)機(jī)器人的前兩個(gè)加工關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)豎直和水平方向上的平移運(yùn)動(dòng)而后面四、五關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，最后一個(gè)關(guān)節(jié)是一個(gè)短距離的移動(dòng)關(guān)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)零件安裝在夾具上的平動(dòng)過程。下料過程設(shè)計(jì)下料過程需要配合末端加持裝置實(shí)現(xiàn)，選用氣缸驅(qū)動(dòng)的兩側(cè)加持的末端執(zhí)行器裝置，夾爪與表殼零件的外表殼契合，可以加大加持力并且使加持過程更加穩(wěn)定，并且氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有快速穩(wěn)定的反應(yīng)速度。取下加工完成的零件放進(jìn)零件盤內(nèi)。重復(fù)上面的加工流程完成對(duì)新零件的加工。整個(gè)加工過程由工業(yè)機(jī)器人和傳感器相互配合大大提高了加工過程的機(jī)械化水平，并且“無人化”的加工過程減少了勞動(dòng)力的投入，提高了加工過程的安全水平，自動(dòng)化的加工過程使得產(chǎn)品質(zhì)量和完成生產(chǎn)的效率都有了較高的提升，完全符合未來的發(fā)展趨勢(shì)。1.3上下料工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析本課題選用六自由度的工業(yè)機(jī)器人作為研究目標(biāo)，并根據(jù)具體加工要求對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出的研究結(jié)果對(duì)下文中的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析做出鋪墊。工業(yè)機(jī)器人的相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖Fig.2-7structurediagramofindustrialrobot1.3.1末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器直接與零件相接觸，是直接執(zhí)行加工的重要機(jī)構(gòu)。末端夾持器有很多種根據(jù)工作類型可以分為：抓取型、焊弧型、搬運(yùn)型和點(diǎn)焊型等。并且要根據(jù)所加工零件對(duì)執(zhí)行器的形狀和功能進(jìn)行選型，本文中的末端執(zhí)行器主要起到抓取和安裝的過程，所以選擇抓取型手爪。夾持類型包括吸附和夾持兩種，由于吸附類末端執(zhí)行器需要具有較為平滑的零件表面，但表殼零件的表面較小并且為復(fù)雜曲面所以選用夾持型。夾持型根據(jù)夾持手爪的個(gè)數(shù)分為雙指型和多指型等，并且要考慮抓取的表殼的外徑或者內(nèi)徑。表殼抓取末端執(zhí)行器如圖2-8所示。圖2-8末端執(zhí)行器實(shí)物圖Fig.2-8physicaldiagramofendeffector（1）夾持力要求并且末端夾持手爪需要滿足一定的加工要求，夾持裝置需要具有一定的夾持力，否則在抓取的過程中可能會(huì)出現(xiàn)零件掉落的情況。（2）夾持裝置識(shí)別和反應(yīng)要求夾持裝置需要與工業(yè)攝像機(jī)配合對(duì)零件進(jìn)行識(shí)別和快速反應(yīng)，夾持裝置需要具有快速的識(shí)別零件能力，并且能夠及時(shí)做出反應(yīng)將表殼零件從配料盤中抓取下來，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以快速停止抓取過程，配料盤如圖2-9所示。圖2-9配料盤實(shí)物圖Fig.2-9physicaldrawingofbatchingtray（3）夾持不同內(nèi)外徑零件實(shí)際加工中我們需要加工的表殼零件內(nèi)外徑大小不同，所以CNC車床需要將表殼零件在不同的時(shí)間段加工不同尺寸的零件。所以末端夾持器的手爪需要在一定尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮。1.3.2自動(dòng)上下料裝置整體結(jié)構(gòu)本文研究的自動(dòng)上下料裝置由四部分組成，分別為上下料機(jī)械臂、工業(yè)攝像機(jī)、配料盤和末端執(zhí)行器，如圖2-10所示。圖2-10機(jī)械手布置方案圖Fig.2-10Manipulatorlayoutplan該上下料裝置如圖2-10所示，由機(jī)械臂、末端機(jī)械手、工業(yè)攝像頭和兩個(gè)配料盤組成?；竟ぷ髁?/p>