1、 I （ 20_ _届） 本科毕业设计 家俱方材开榫机器人的设计 II 摘 要 开榫加工是方材净料加工的主要工序。开榫加工质量的好坏直接影响到家俱的接合强度和使用寿命。传统实木开榫机对产品的结构要求较高，较适合于加工形状结构简单的产品，不宜加工复杂异形榫，因此灵活性差。从经济角度来看，传统的开榫基本都是手工开榫，导致加工精度不高，对木材利用率低，原材料浪费较大。随着家俱特性的发展，往往都是单件生产，每开一个榫，所消耗的设备投资很大。 本文主要运用模块化直角坐标系构建成方材开榫机器人。方材开榫机 器人由三根直线导轨搭接形成，具有较高的互换性，便于维护。自动加工系统的建立保证了较高的加工精度和生产
2、效率。方材开榫机器人的低成本体现了它的经济性，可以带给家俱制造厂家更多的利益。 关键词： 开榫，机器人，直角坐标系 III Abstract The process of tenoning is the main process of net rectangle material. The quality of tenoning directly affects the joint strength and service life of furniture. Traditional wood mortising machine has higher requirements on struc
3、ture of the product, and suitable for processing simple structure of the product, dont process complex tenon shape else, so inflexibly. From an economic point of view, traditional tenoning is basically hand mortising, resulting in low processing precision, low utilization rate of timber, wasting mor
4、e raw materials. With the development of furniture, features are single production. Open a mortise, the consumption of investment in equipment is large. This paper applies for modular Cartesian coordinate system to construct rectangle material tenoning robot. Rectangle material tenoning robot laps b
5、y the formation of three linear guides with high interchangeability, easy to maintain. The establishment of automated processing system ensures high processing precision and efficiency. Rectangle material tenoning robot shows its low-cost economy, can bring more benefits to furniture manufacturers.
6、Keywords: Tenoning， Robot, Cartesian coordinate system IV 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1课题的意义 . 1 1.2模块化直角坐标机器人国内外发展现状 . 2 1.2.1 国外的研究现状 . 2 1.2.2 国内的研究现状 . 2 1.3课题研究的主要内容 . 3 2模块化直角坐标机器人 方案设计与总体设计 . 4 2.1模块化直角坐标机器人 的方案设计 . 4 2.1.1 直线定位系统研究方案 . 4 2.1.2 电机驱动系统研究方案 . 4 2.1.3 控制系统研究方案 . 5 2.1.4
7、操作工具模块 . 5 2.2模块化直角坐标机器人 的总体设计 . 5 3选型、设计计算和校核 . 7 3.1直线定位系统的选型、计算和校核 . 7 3.1.1 直线导轨的选型、计算与校核 . 7 3.1.2 滚珠丝杠的选型、计算与校核 . 12 3.2 轴承的选型 . 24 3.2.1 Y、 Z 轴轴承的选型 . 24 3.2.2 X 轴轴承的选型 . 25 3.3 步进电机的选型、计算与校核 . 25 3.4 连接板的校核 . 29 3.4.1 Z 轴与操作部件的连接板 . 29 3.4.2 Y 轴与 Z 轴的连接板 . 30 3.4.3 X 轴与 Y 轴的连接板 . 30 3.5部分螺钉的
8、校核 . 30 3.6操作工具的选择 . 31 3.7总装图 . 32 3.8 PLC设计 . 34 4 结论 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 42 V 附录 . 43 附录图 1 直线导轨 . 43 附录表 1 直线导轨外形尺寸 . 43 附录表 2 直线导轨性能参数 . 43 附录图 2 滚珠丝杠 . 44 附录表 3 滚珠丝杠参数 . 44 附录图 3 丝杠固定侧 . 45 附录表 4 丝杠固定侧参数 . 45 附录图 4 丝杠支撑侧 . 45 附录表 5 丝杠支撑侧参数 . 45 附录图 5 联轴器 . 46 附录表 6 联轴器参数 . 46 附录表 7 联轴器性能参数 . 4
9、6 附录图 6 带扁尾莫氏锥度 . 47 附录表 8 带扁尾莫氏锥度尺寸表 . 47 家俱方材开榫机器人的设计 1 1 绪论 1.1 课题的意义 在木制品构件中，经常要用木榫作为连接方式，如常见的直榫、燕尾榫、圆榫等等。在对这些木榫进行加工时，对它们的形状和加工的走向都有一定的要求。特别是欧式木窗的加工，对机床提出了更高的要求。 目前传统实木开榫机的种类很多，例如：单端开榫机、自动双端开榫机、单头双台 椭圆榫眼机、水平垂直万能单轴钻床、万能双轴钻床等。它们对产品的结构要求较高 ,较适合于加工形状结构简单的产品 ,不宜加工复杂异形榫形 ,因此灵活性差。从经济角度考虑 ,传统的开榫机基本都是手工开
10、榫、机械开榫和仿形开榫，需要作大量的模具、夹具和相应设备的配置。随着家俱特性的发展，往往都是小批量甚至单个生产，每开一个榫，所消耗的设备投资很大。传统实木开榫机的价格高，加工精度不高，对木材利用率不高，原材料浪费较大。 目前我国大量的小型家俱制造厂家由于传统实木开榫机的性价比低，他们的家俱开榫工艺水平还处于人工开榫阶段，面临 着许多加工方面的问题。比如：榫眼、榫头加工时定位精度不能得到保证，在装配时未能进行很好的接合，降低了家俱的使用寿命，甚至使得零件报废，严重浪费原材料，大大提高生产成本。 随着科学技术的发展，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑
11、战。在当今世界全球化下，生产制造企业的生产已经转变为多系列和中小批量模式，随着微电子技术、计算机技术、机械、控制技术以及信息技术的发展，制造业自动化已经进入了柔性化的时代。由于不同应用领域的需求，机器人正向着多品种、多规格、小批量、复杂化等 方向发展。若仍采用传统的“一个用户需求、一次重新设计”的设计方法，就很难满足这些要求。而模块化设计方法是以产品的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定模块，然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求 2。它不仅可以通过选择适当模块迅速构建客户所需机器人，而且还能很好解决机器人品种、规格与设计制造的周期、成本之
12、间的矛盾。 模块化机器人的发展为家俱制造业带来了无限商机。利用模块化机器人构建家俱开榫机器人，能够解决传统开榫机的大多数弊端。模块化机器人的加工精度高， 减少了原材料的浪费，提高了木材利用率。模块化机器人自带的自动化控制系统降低了对产品结构的要求，明显降低了模具的使用数量。模块化机器人的灵活性高，能够对复杂异形榫形进行加工。高度柔性化使家俱制造厂家更好的适应中小批生产模式。 2 1.2 模块化直角坐标机器人国内外发展现状 1.2.1 国外的研究现状 国际上对工业机器人的开发、研制和应用已近 50年的历程。目前，以日、美、德、法、韩等为代表的许多国家的机器人产业日趋成熟和完善，所生产的工业机器人
13、已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。工业机器人的主要应用领域有弧焊、点焊 、装配、搬运、切割、喷漆、检测、码垛、研磨、抛光、上下料、激光加工等复杂或单调的作业。 德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国，德国智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前，国际上具有影响力的、著名的工业机器人供应商有美国的 Adept Technologe、 American Robot、 Emerson Industrial Automation 等公司。还有日系中的安川、 OTC、松下、 FANUC、二越、川崎等公司；欧洲中的德国 KUKA、 CLOOS、瑞曲 ABB、意大利的 COMAU及奥
14、地利的 IGM 公司。 AWD-Robot直角坐标机器人在码垛机上的使用越来越多，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到几吨 ;运行速度快，且速度可调整 ;动作灵活，可以完成复杂的码垛任务 ;可靠性高，维护简单。 ROBOSTAR公司所研制的直角坐标机器人已形成系列 ,成为模块化产品。这个直角坐标机器人可以根据客户要求自行进行组装，实现多自由度运动，并且每个运动自由度之间的空间夹角为直角，拥有可重复编程功能，提高了它的灵活性。 1.2.2 国内的研究现状 我国的直角坐标机器人与国外产品相比，在相同的精度下其制造成本比国外要高，并 未形成模块化、标准化。通常是以针对性的工作对象来进行研究、生产，导
15、致大量重复低水平的研制。 根据我国的实际情况，工业机器人技术开发的思路应从以下几个方面进行考虑： (1)实用性。应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和全面先进性，先进并不等于实用。 (2)快速性。能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造，快速投放市场和发往用户。 (3)高质量。能够生产出品质优良的机器人产品，机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品，只有质量好的机器 人产品才能赢得用户。 (4)低价格。价格往往是用户购置机器人时考虑的首要因素。机器人开发应家俱方材开榫机器人的设计 3 尽可能选用标准件、通用件，减少自制件，
16、控制成本，能够向市场提供价格低廉的机器人产品。 (5)模块化。采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、 具有实际动作功能的智能化系统”。 机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方 向发展。 1.3 课题研究的主要内容 本文主要运用模块化直角坐标系设计家俱方材 开榫机器人，主要工作有：机器人系统设计、机器人机械模块结构设计、 整机构型的分析、重要零部件的计算校核和建模。具体工作如下： (1)根据机
17、器人的工作条件，结合已有的设计思想和机械设计的相关知识，选用已有的零部件产品，对机械模块的结构组成进行设计，达到符合条件的机器人。 (2)将设计好的机械模块进行三维造型，分析相应构型的功能参数指标，针对主要零件的性能进行校核。 (3)利用 PLC技术实现模块化直角坐标机器人自动化功能。 4 2 模块化直 角坐标机器人方案设计与模块设计 2.1 模块化直角坐标机器人的方案设计 模块化直角坐标机器人主要由直线定位模块、电机驱动模块、控制系统模块、操作工具模块组成。工业机器人组合式模块化设计系统集成框图如图 2-1所示。 图 2.1 工业机器人组合式模块化设计系统集成框图 2.1.1 直线定位系统研
18、究方案 直线定位系统的定位体型材采用 45 钢底板，具有高的直线度和平面度。传动元件采用滚珠丝杠。对于 45 钢底板，要进行截面形状设计，以满足其强度、挠度变形和扭转形变要求，尤 其是对于悬臂梁。在计算挠度形变时，不仅要考虑梁的自重产生的变形，实际应用中，因为机器人一直处于运动状态，必须计算加速力产生的形变，形变直接影响机器人的运行精度。当一根梁的一端固定，另一端施加一个绕轴扭矩后，将产生扭曲变形。实际应用中产生该形变的原因一般是负载偏心或有绕轴加速旋转的物体存在，因此要进行扭转形变计算。 2.1.2 电机驱动系统研究方案 每一个驱动系统都由电机和驱动器两部分组成。驱动器的作用是将弱电信号放大
19、，将其加载在驱动电机的强电上，驱动电机。电机则是将电信号转化成精确的速度及角位移。高动态，高速 运行状态、大功率驱动场合采用交流伺服电机驱动；低动态，低速运行状态、小功率驱动场合采用步进电机驱动。需要进行以下计算：电机功率、电机扭矩、电机转速、减速机减速比、电机惯量 /负载惯量的匹配关系等。 触 摸 屏 X 轴伺 服驱动器 Z 轴伺服驱动器 Y 轴伺服驱动器 机械手驱动器 伺服电机 普通电机 伺服电机 伺服电机 机器人 P L C 家俱方材开榫机器人的设计 5 2.1.3 控制系统研究方案 采用触摸屏人机界面和 PLC 控制方式。 2.1.4 操作工具模块 安装市场现有的铣刀，进行铣削。 2.
20、2 模块化直角坐标机器人的总体设计 (1)总体设计的内容 总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设计的依据。总体设计对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大的影响 。 总体设计的主要内容有： 1) 总体布置设计； 三根直线导轨搭接成悬臂式，安装在工作台上。 2) 确定总体主要参数； 三根直线导轨的工作长度分别为 2000mm、 1000mm、 300mm。工作负载为 10Kgf，偏置 100mm 3) 绘制总体设计图样； 图 2.2 总体结构图 4) 编写总体设计报告书及技术说明书等。 (2)总体布置设计 总体布置的基本要求主要有： 1) 保证工艺过程的连续和流畅；
