毕业设计方案1

一、选题背景与意义1.重物提升机械手的国内外研究现状早在一九五八年大跃进年代，我国在加工滚动轴承内外圈零件机床上就采用了专用上下料机械手，实现了单机自动化。六十年代，一些工厂企业在专用机床、组合机床和锻造、热处理作业也采用了专用机械手。一九七二年，上海拖拉机齿轮厂试制成功我国第一台液压极坐标式通用机械手（JS—1型）。此后，在我国机械工业企业技术改造中，出现了大量采用机械手的新动向[1]。根据我国机械手的应用状况和需要，今后的发展趋势大致是：（1）搬运机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而且单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机；国外已有模块化装配搬运机械手产品问世。（3）搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器。（5）虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。工业机械手的研制是美国首先开始的，美国机械铸造公司于一九六二年首先试制成功第一台多用搬运机械人，用于海洋探险，同年，美国联合控制公司制成了“龙尼曼特”机械人采用计算机控制，能完成比较复杂的搬运工作。日本欧洲和北美几个国家，大约从1967年才开始由美国引进工业机械手技术，自此之后，美国着重“智能”机械人的研究。日本发展速度很快，远远超过美国发展的速度[1]。根据国外资料的介绍，国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运机械手、柔性制造单元、柔性制造系统相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。2.选题的目的及意义机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一[3]。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动毕业设计方案济南大学-1-强度非常大，有时还会出现失误及伤害，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故[4]。搬运作业是指用一种设备握持工件，从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机械手是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术、单片机技术和计算机技术等学科领域，它的优点是可以通过编程完成各种预期任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。搬运机械手是典型的机电一体化数字式装备，技术附加值高，应用范围广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。工业机械手的使用特点是：(1)适用于人难以接近的工作环境。在高温、低温、高压、高空、海底和危险作业，放射性和其他毒性污染的场合，以及在一些有粉尘、噪音等恶劣劳动条件下，机械手（人）可以代替人的或部分代替人的工作。(2)在一些单调、重复的操作中，由于机械手的动作速度快，每次运动的重复精度高，可以在缩短生命周期和提高产品质量方面起到一定作用，还可以避免操作者疲劳、疏忽而造成人机事故。(3)有利于实现搬运和上下料的自动化，提高设备的生产能力。如加拿大特库姆塞金属制品公司，在生产汽车冲压件的压力机上采用小型自动定位机械手对比人工装卸工作，压力机的生产能力提高近一倍，从每小时加工350件，提高到650件[1]。(4)经济性高。机械手可以连续工作600小时，故障占全部工作时间1~2%。机械手折旧期约10年，工作寿命约4000小时。机械手工作1~2年就可以偿还其设备投资费用[1]。(5)机械手（人）动作精确可以保证均衡生产，便于管理。(6)可以提高产品质量。对重物提升机械手进行结构设计，能提高生产效率，节约成本，保护人身安全。机械手系统工作可靠，还具有较强的通用性，机械手结构系统的研制无论对改进机械手的教学和还是传统机械手系统的改造，都具有很重要的现实意义。二、设计内容设计内容研究：设计一种较为灵活的重物搬运机械手，实现零件的搬运与放置。本课题主要完成机械手的结构设计。机械手应能抓取生产线上的零件，转过一定角度(90°)后将零件放下。要求抓取零件的重量可达到7公斤，手爪的开合尺寸可达到100毫米。另，并通过设计不同形式的手爪结构形式能适应不同零件结构及尺寸的需求。通过对结构的拓展，机械手能实现其他的作业的要求，比如焊接等。机械手的结构尽量简洁。毕业设计方案济南大学-2-机械手通常分为四种形式，查阅资料[1]得到结论:1）直角坐标式的机械手的臂部可以做前后，左右、升降三个移动。这种坐标形式直观性好，结构简单，但惯性较大，占用空间多，一般安装在架空的梁上。2）圆柱坐标式的机械手有二个移动（伸缩和升降）和一个转动。这种坐标形式直观性较好，结构简单，所占空间较小，动作范围比较大，是应用最多的一种。3）球坐标式的机械手有一个移动（手臂伸缩）和二个转动（左右回转和上下摆动）。这种坐标形式结构较复杂，但惯性不大，本体所占的空间较小，动作范围比圆柱坐标式更大，在通用机械手中应用较多。4）多关节式机械手有三个转动（左右旋转、两个关节旋转）。这种坐标形式运动件的惯性较小，本体占空间不大，而动作范围很大，并且可以绕过障碍抓取工件，但是结构复杂，位置精度难以控制，故应用比较少。常用机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统、行程位置检测系统以及辅助装置几部分构成[2]，如图1所示。1、在本次设计中主要完成以下几个部分的研究：（1）执行机构。通常包括如下部分：1）手部：即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多位回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指），根据需要分为外抓式或内抓式两种，也可用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。2）腕部：是连接手部和手臂的部件，并可以用来调整被抓物体的方位（即姿态）。3）臂部：手臂是支承被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按照要求将其搬运到给定位置。（2）驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。各种驱动形式优缺点比较如下：气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可以用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用型更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合[5]。（3）控制系统有点动控制和连续控制两种形式。大多数采用插销板进行点位程序控制，也可采用PLC控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置。（4）辅助装置1）机身：又称立柱，是支撑臂部的部件，用以扩大臂部活动和作业范围。2）机座：是支撑整个机器人的基础件，用以确定和改变机器人的位置。毕业设计方案济南大学-3-（5）行程位置监测装置行程位置监测装置的主要作用是控制机械手的每个动作的运动位置，或将运动反馈给控制系统，再由控制系统进行调节，使机械手实现位置精度的要求。2、预期成果：根据设计任务的要求，为完成机械手结构设计，并使其达到所需要的强度、刚度的要求，需要综合考虑执行机构、控制系统、驱动系统、检测系统等各方面的问题来确定总体方案。设计过程需要完成动力参数的计算及主要零部件的强度、刚度的校验。三、设计方案根据以上对各种坐标形式的利弊比较以及设计要求，本次设计总体采用圆柱坐标式。结构设计简图如下图所示。（1）转动模块（2）垂直位移模块（立柱）（3）手臂水平位移和转动模块（4）手腕摆动模块（5）夹持装置模块图1重物提升机械手结构设计简图1、机械手运动过程：本机械手结构主要完成动作：1）立柱升降:气压缸控制立柱升降运动2）横向手臂回转:由旋转机构实现旋转角度毕业设计方案济南大学-4-3）横向手臂伸缩：气压缸控制手臂起作用4）手爪上下回转：由气压控制的机械手手爪实现达到90°的要求5）手爪张合：可采用气动控制的机械手手爪的外形模式;此连接处可以采用螺栓连接，用以安装不同形状的手爪，从而实现不同零件的抓取如图1所示，在圆柱坐标系中工作的机械手有三个定位和两个定向运动。定位运动包括：X——手臂水平位移；Z——手臂垂直位移；C——立柱相对于垂直轴的回转，被传送零件方向的变化是由手腕绕自身轴线转动A并在其垂直平面内摆动B来实现。此外，手爪有夹紧与松开的动作W。2、工作原理（1）定位原理：电机驱动控制底盘转动，转动的底盘使得立柱跟臂部一起做旋转运动。机械手由PLC作为控制系统，按下复位按钮后，电机、气压缸控制使机械手运行到初始位置，其中转盘上带有光电传感器，感应到设定位置时电机停转，同时立柱升降气压缸控制横轴伸缩以及沿竖轴升降，当横轴和竖轴上的光电感应器感应到预定位置时，电机停转。（2）夹持原理：机械夹持式手爪由气压控制，主要完成相对物料的夹紧、松开，伸出、缩回等运动使抓取和松开的动作准确定位。（3）搬运过程：工作原理基本同步骤（1）主要靠立柱、臂部的伸缩完成。（4）复位过程：PLC控制机械手复位。3、机械手的技术参数列表（1）抓重7Kg（2）旋转角度：大于90°（3）手爪的开合尺寸:110mm（4）座标型式:圆柱座标（5）最大工作半径:700mm（6）手臂伸缩行程：500mm（7）手臂伸缩速度：250mm/s[5]（8）立柱升降行程：500mm（9）立柱升降速度：200mm/s[5]4、设计方案的特点（1）本课题采用模块化设计，可以根据不同的工作环境对搬运机械手进行适应性的改装，适应能力更强，应用更加广泛。（2）气动式速度快，结构简单，定位精度高，并且用气压作动力，绿色环保，成本低，更加有利于重物提升机械手的广泛应用。四、参考文献毕业设计方案济南大学-5-[1]工业机械手.重庆市科技局第一机械工业部第三设计院编,1977年[2]工业机械手.沈阳市机床工业公司七·二一大学编著,1979年02月第1版[3]赵喜荣，任德志.PJ66-1型液压喷射机械手[J].液压与气动[4]机械手理论及应用.陆祥生,杨秀莲.1985年03月第1版.中国铁道出版社[5]李允文主编.工业机械手设计广东机械学院1996年05月第1版机械工业出版社[6]工业机械手(上册）机械结构.《工业机械手》编写组.1978年12月.上海科学技术出版社[7]工业机械手设计基础.天津大学《工业机械手设计基础》编写组编.1980年08月.天津科学技术出版社[8]工业机械手图册.《工业机械手图册》编写组编.1978年09月.机械工业出版社[9]机构和机械手分析.（美）J.达菲著,廖启征,刘新升等译.1990年07月.北京邮电学院出版社[10]王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999，5[11]机械手.（苏联）А.П.别洛夫Д.А.库利达著,闻清译.1982年03月第1版.原子能出版社[12]机械手及其应用.王承义编.1981年06月第1版.机械工业出版社[13]PerformanceAnalysisofRoboticArmManipulatorsControlSystemunderMul