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一种轮式移动机械手的结构设计论文与建模_学位论文

一种轮式移动机械手的结构设计论文与建模_学位论文
一种轮式移动机械手的结构设计论文与建模_学位论文

目录

摘要......................................................................................I ABSTRACT............................................................................................II 第一章绪论. (1)

1.1机器人概述 (1)

1.2 机器人的历史、现状 (3)

1.3 机器人的发展趋势 (5)

1.4 课题的提出及主要研究内容 (6)

1.4.1 课题的提出 (6)

1.4.2 主要研究内容 (6)

第二章轮式移动机械手的总体设计方案 (7)

2.1 机械手总体设计 (7)

2.2 机械手的主要部件及选择 (8)

2.2.1 执行机构 (8)

2.2.2 驱动机构 (8)

2.2.3 走行机构 (9)

2.2.4 控制系统 (10)

2.2.5 位置检测装置 (10)

2.3 搭载平台的选择 (10)

2.4 机械手主要参数 (10)

第三章机械手机构设计 (11)

3.1 机械手手部结构设计 (11)

2.2.1 手部的设计 (11)

2.2.1设计机械手应考虑的问题 (12)

3.2 机械手腕部结构设计 (12)

2.2.1 回转机构设计 (13)

2.2.1 腕部设计的基本要求 (13)

3.3 机械手臂部结构设计 (13)

2.2.1 机械臂机构设计 (14)

2.2.1 手臂设计基本要求 (14)

第四章移动机械手机构计算与选择 (15)

4.1 电机的选择与驱动力的计算 (15)

4.2 齿轮的设计 (16)

4.2.1 材料选择 (16)

4.2.2 按接触疲劳强度设计 (16)

4.2.3 主要尺寸计算 (16)

4.3 轴的设计 (17)

4.4 键的选择 (19)

4.5 联轴器的选择 (19)

4.6 车载平台 (19)

4.7 控制单元 (20)

第五章机械手机构计算与选择 (22)

5.1 移动机械手 (22)

5.2 移动机械手运动学 (24)

5.3 移动机械手动力学 (25)

结论 (27)

参考文献 (28)

致谢 (29)

第一章绪论

1.1 机器人概述

用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿人手的部分动作,按照预先给定程序、轨迹和要求,来实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手是工业机器人最重要的组成部分。

工业机械人是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机器人技术是机器人的设计、制造和应用的技术。它是电子技术、机械技术、光电技术、声学、传感器技术、电子计算机技术、自动控制技术等相关技术相互渗透、相互结合的综合性技术。

一、发展机器人技术可以提高综合国力。

二、发展机器人技术可以提高国防实力。

三、机器人可以形成一个巨大的产业。

四、发展机器人可以提高国家的国际地位。

由于工业的发展,人力的缺乏,迫切需要一种机器人来进行大批量的制造,提高生产效率降低人的劳动强度,这是社会发展本身的一个需求,另一方面它也是生产力发展需求的必然结果,还是人类自身发展的必然结果。

现在,国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般认为:机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

“工业机器人”(Industrial Robot):多数是指可编程序的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置。一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化操作装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势,但功能较少,适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人,而把工业机械人称为通用机器人。

工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是:机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是:驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。

机器人大体上可分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的,称为操作机(Manipulator)。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人,主要附属于自动机床或自动生产线上,用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动。除少数外,工作程序一般是固定的,因此他又是专用的。

机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型,其中关节型机器人以其结构紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。

要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构;像肌肉一样使手臂运动的驱动-传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言,机器人通常就是由执行机构、驱动-传动系统和控制系统这三部分组成,如图1-1所示。

图1.1 机器人的一般组成

对于现代智能机器人而言,应该还具有智能系统,主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等各类检测装置。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”,使它能识别物体和躲避障碍物,以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独

立的,或者说并不是简单的叠加在一起,从而构成一个完整的机器人。要实现机器人所期望实现的功能,机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。

图1.2 机器人各组成部分之间的关系

机器人的机械系统主要由执行机构和驱动-传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体,通常由连杆和关节组成,由驱动-传动系统提供动力,按控制系统的要求完成工作任务。驱动-传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力,传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又称作操作机(Manipulator),相当于本文中的执行机构部分。

1.2 机器人的历史、现状

1927年,美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”,并在纽约举行的世界博览会上展出,它是一个电动机器人,装有无线电发报机,可以回答一些问题,但该机器人不能走动。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是在机器的机体上安装回转长臂,端部装有电磁铁的抓放机构,控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控制方式则为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息进行反馈,使机器

人具有感觉机能。

第三代机器人(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。

美国工业机器人技术的发展,大致经历了以下几个阶段:

(1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年,万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年,该公司生产的工业机器人定型为1900型。

(2)1968-1970年为实际应用阶段。这一时期,工业机器人在美国进入应用阶段,例如,美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人;1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人,并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如,美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。

(3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年,工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计,美国大约200台工业机器人,工作时间共达60万小时以上,与此同时,出现了所谓了高级机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如,万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。

其他国家,如日本、苏联、西欧,大多是从1967,1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说,1967年,日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”,并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人,技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后,从1980年开始进入广泛的普及时代。

目前,工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的,主要是在危险作业(广义的)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而,目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器,一般采用专用计算机作为上层主控计算机,使用专用机器人语言作为离线编程工具,采用专用微处理器,并将控制算法固化在EPROM中,这种专用系统很难(或不可

能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的,如果不进行重新设计,多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

1.3 机器人发展趋势

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从上个世纪90年代的10.3万美元降至本世纪初的6.5万美元。(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机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于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,控制柜日见小巧,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)机器人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,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等各类传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前,已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机

器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.4 课题的提出及主要研究内容

1.4.1 课题的提出

随着工业自动化程度的提高,人口老龄化的加大,工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场所不适宜人体本身的接触,这些必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。例如,目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中,往往冲压成型这一工序还需要人工上下料,既费时费力,又影响效率,因此就需要大量使用机器人机械手来帮助人们来完成工作。

目前,在工业领域内大多采用液压传动来实现机械手的运作,但是随着社会发展的进步,液压传动和气压传动却存在着诸多的缺点,例如:

(1)液压传动和气压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)液压传动易泄漏,不仅污染工作场地,限制其应用范围,可能引起失火事故,而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。气压传动的气体有着较高的压缩比不易实现,

(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时,液体粘度变化,引起运动特性变化。

(3)因液压脉动和液体中混入空气,易产生噪声。气压传动在排气的时候有较大噪音。

(4)为了减少泄漏,液压元件和气压元件的制造工艺水平要求较高,故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。

鉴于以上存在的诸多缺点,本次设计采用电机传动来实现工作要求。

1.4.2主要研究内容

移动机械手由移动平台及安装于平台多关节机械手组成,通过合理选择移动平台的驱动方式、关节驱动方式,设计移动机械手实验平台,通过运动学、动力学分析,建立轮式移动机械手的数学模型,通过软件对移动机械手的运动过程仿真,实现对移动机械手运动过程及结构进行优化。通过对本课题的完成,训练学生对机械设计、运动仿真、计算机等知识的综合运用能力,学生将初步掌握机器人、机构设计与仿真方面的知识和方法,提高结构设计、优化等方面能力。

第二章轮式移动机械手的总体设计方案

本课题是轮式移动机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构以及传动方面设计和对机械手的驱动机构等进行了确定

图2.1 轮式移动机械手方案设计总图

2.1 机械手的总体设计

对电机驱动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计电机驱动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是多工位冲床专用机械手,是一种适合于成批或中、小批生产的和操作单调频繁的生产场合。

图2.2 机械手方案设计原理图

2.2 机械手的主要运动部件及选择

机械手主要由执行机构、驱动机构、走行机构、控制系统以及反馈装置等所组成。

2.2.1执行机构

(1)手部既直接与工件接触的那一部分,一般是回转型或平动型两种(多为回转型,因其结构简单)。手部多为两指(也有多指);根据需要分为外抓式和内抓式两种;也可以用负压式或真空式的空气吸盘(主要光滑表面的零件或薄板零件)和电磁吸盘。

传递力矩的机构形式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

(2)腕部是连接手部和臂部的部件,并可用来调节被抓物体的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变的更灵巧,适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求,有些动作较为简单的专用机械手,为了简化结构,可以不设腕部,而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

(3)臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工作或夹具),并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现。因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。

2.2.2 驱动机构

(1)液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对

机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高。

(2)气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

(3)机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是传动比一定,运动准确可靠,用于工作主机的上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变,对工作机器有冲击。

(4)电机传动机械手

有特殊结构的感应电动机、伺服电机,直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。

由于电机传动系统的动作迅速,反应灵敏,阻力损失小和没有泄漏,成本低廉,因此本机械手采用电机传动方式。通常对机器人的驱动系统的要求有:

(1)驱动系统的质量尽可能要轻,单位质量的输出功率要高,效率也要高;

(2)反应速度要快,即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大,能够进行频繁地起、制动,正、反转切换;

(3)驱动尽可能灵活,位移偏差和速度偏差要小;

(4)安全可靠;

(5)操作和维护方便;

(6)对环境无污染,噪声要小;

(7)经济上合理,尤其要尽量减少占地面积。

基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求,本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。

2.2.3 走行机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,就需要加装一些行走装置来帮助机器人到达预定目标。走形系统有分为:

(1)履带式

(2)轮胎式

(3)步行式

(4)导轨式

本次设计的机械手要具有轻便,灵活移动应采用轮胎式走行机构。

2.2.4 控制系统

对于控制方式的选择有点位控制和连续轨迹控制。

(1)点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

(2)连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

本次设计的机械手为非完整约束的方式,应该采用连续轨迹控制。利用计算机的辅助来实现复杂的过程控制。

2.2.5 位置检测装置

随着工业技术的提高,人们对工业生产的精度有着越来越高的要求,必须在这些上产环节之中加入一些检测装置,来提高上产精度。有光电传感器,温度传感器,触觉传感器等检测装置。

2.3搭载平台的选择

本次设计轮式移动机械手的主要的运动部件都是搭载在移动小车上,对于机械手的工作位置有着特殊的效果,对于小车平台的设计有着至关重要的作用。轮式移动机械手要有移动功能就必须要有底座来支撑整个机械手的重量,达到保持平衡和移动的能力。

2.4 机械手的主要参数

移动机械手结构设计参数要求:

(1)移动平台尺寸为800×600×350mm,整体框架焊接结构。

(2)机械手臂为两关节,长度分别为400mm和300mm。

(3)手臂末端带有末端执行器,执行器抓取范围50~100mm。

(4)移动平台承载重量20Kg。

(5)末端执行器抓取物体质量最大1Kg。

(6)移动平台的最大移动速度60m/min。

第三章机械手结构设计

3.1机械手手部结构设计

机器人的手又称为末端执行器,是整个机械的执行机构,它具有模仿人手动作的功能,也可以是不具备手指的手;可以是类人的手爪,也可以是进行专业作业的工具,它使机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件。

目前,大多数的机械手抓取物品部分都用夹持式手部结构,夹持式手部机构手指(或手爪)和传力机构所组成。其传递力的方式结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

图3.1 机械手手部结构图

3.1.1手部的设计

手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件,是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指,通过传动机构向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。一般手指的形状与被抓取的物件的外观形状一样。

机械手抓取物件时由直流电机提供驱动力,带动滚珠丝杠的旋转,手指的后端连接在丝杠螺母上,通过滚珠丝杠的旋转转化为螺母的前后移动,使手指张开和闭合。

执行器抓取范围50~100mm。末端执行器抓取物体质量最大1Kg。因此,设计的手抓不宜过大,根据已知参数选取手抓的大小。

3.1.2 设计机械手应考虑的问题

(1)应具有适当的夹紧力和驱动力;

根据被抓取的物件的大小调整合适的夹紧力,确保有足够的夹紧力,防止物件掉落。选取合适的电机来提供相应的驱动力。

(2)手指应具有一定的开闭范围;

根据物件的外形大小来设计手指所能张开的最大夹角。

(3)应保证工件在手指内的夹持精度;

在设计时要保证工件在手抓内被完全禁锢,防止有滑动,影响抓取的准确度。(4)要求结构紧凑,重量轻,效率高;

(5)应考虑通用性和特殊要求。

设计时应该考虑机械手的件维修和更换方便。

3.2 机械手腕部结构设计

工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件,起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态,手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动,即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。

腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下,腕部具有两个自由度:翻转和俯仰或翻转和偏转。本次设计的机械手腕部就是具有单自由度。

图3.2 机械手腕部结构运动简图

考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求,因此,手腕设计成回转结构。手腕部分由齿轮传动机构,轴,轴承紧固螺钉等部件组成。

3.2.1回转机构设计

一般手腕要有灵活的实现转动,就必须设计一些转动装置,本次设计的转动部分机构是机械机构传动来实现的,由锥齿轮传动来实现机械手的上下翻转,因为锥齿轮啮合时轴线是互成90o ,由电机带动锥齿轮转动来实现机械手手腕的上下回转,可以迅速的调整手抓的工作位置。

3.2.2 腕部设计的基本要求

(1)力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的中间部位,它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然,腕部的结构、重量和动力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑,重量轻。

(2)结构考虑,合理布局

腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求外,要有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局,解决好腕部与臂部和手部的连接。

(3)必须考虑工作条件

对于本设计,机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的工件,因此不太受环境影响,没有处在高温和腐蚀性的工作介质中,所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

3.3 机械手臂部结构设计

手臂是机器人执行机构中重要的部件, 它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。因而,一般机器人手臂有3个自由度, 即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。

搬运机械手设计说明书

机械与装备工程学院 课程设计说明书(2016/2017学年第 1学期) 课程名称:机械设计课程设计 题目:搬运机械手的设计 专业班级:机械设计制造及其自动化学生: 学号: 130200216 指导教师: 设计周数: 2周 设计成绩: 2016年 12月 31日

第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)

机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备,它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用,随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点,气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动,气动缸由相应的电磁阀来控制,电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成,能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计,它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握,从而避免编写各种复杂的运算程序,提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数,得出了机械手的运动过程的演示动画,发现设计结构能有机地结合在一起,工作平稳,并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估,可以降低设计成本,缩短开发周期,而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手,气动,优化设计,仿真

【原创】全自动上管机械手的设计毕业论文设计

第1章绪论 1.1工业机械手的定义 工业机械手诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机械手技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机械手的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、弓I进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用,取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机械手技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机械手是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中,工业机械手既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中,也有效地用于辅助操作中。工业机械手与传统自动化手段不同之处,首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中,工业机械手广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上,以完成传送装备和其它操作。工业机械手和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机械手技术综合体一柔性生产系统基本结构模块。 机械手是先进制造技术和自动化装备的典型代表,是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域,是多种高新技术发展成果的综合集成,因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面,机械手在制造业应用的范围越来越广阔,其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强,并向着成套技术和装备的方向发展;另一方面,机械手向着非制造业应用发展以及微小型方向发展,并将服务于人类活动的各个领域。 在理论上,随着世界经济和技术发展,人类活动领域的不断扩大,机械手应有正迅

搬运机械手的设计文档

毕业设计(论文) 标题:搬运机械手的设计 学生姓名:蔡蔺 系部:自动控制系 专业:机电 班级:机电1084 指导教师:沈涛

主要符号表 N F 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm 1D 弹簧内径 mm 2D 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 N m ? ρ 偏重力臂 mm M 偏 偏重力矩 N m ? t 螺钉间距 mm 0Q F 螺钉承受的拉力 N Q F 工作载荷 N ' s Q F 预紧力 N φ启 转动缸起动角 度 ω 转动缸转动角速度 rad s

1 绪论 1.1前言格式错误重新排版 机械手。机械手是模仿着人手的部分动作,用于再现人手的的功能的技术装置称为[]1 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用工业机械手。 的机械手被称为[]2 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定 重视。 的效果,受到机械工业的[]3 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器,他有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初,是基于示教再现和主从控制方式、能适应 产品。 产品种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化[]4 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是:机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。

基于PLC控制的机械手设计(毕业论文)第一章绪论

第一章绪论 1. 1 PLC简介 可编程控制器简称PLC(Progrsmmable Logic Controller, PLC),它是以微处理器为基础服务夫人通用工业控制装置。国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中,对PLC作了如下定义:“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输出和输入,控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备,都应按易于工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它的程序是可以控制不同的对象。具有更大的灵活性,再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善,适应性强,安装接线简单等众多优点,它可以方便地应用在各种场合,PLC釆用了典型的计算机结构,主要是山微处理器(CPU)、存储器(RAM/R0M)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行。 PLC的主要特点,可靠性高、抗干扰能力强功能完善、应用领域广编程简单,易学易用系统安装简单、体积小、价格低可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛,主要有以下儿个方面的控制,开关量的逻辑、控制模拟量控制、运动控制过程控制、数据处理通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高,网络通讯技术的不断发展,它也将和其他的工业控制计算

搬运机械手设计

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第1章课题规划?错误!未定义书签。 1、1 课题背景分析 ......................................................... 错误!未定义书签。 1、2设计任务书?错误!未定义书签。 第2章功能分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2、1 设计任务功能分析 ................................................. 错误!未定义书签。 2、1、1 总功能提炼 ............................................... 错误!未定义书签。 2、1、2 功能分解?错误!未定义书签。 2、1、3功能结构分析及功能结构图绘制?错误!未定义书签。 2、2 本章小结?错误!未定义书签。 第3章系统原理方案设计 ..................................................... 错误!未定义书签。 3、1功能单元求解?错误!未定义书签。 3、1、1分功能求解 ............................................. 错误!未定义书签。 3、1、2 系统原理方案综合求解?错误!未定义书签。 3、1、3方案优化及评价 ............................... 错误!未定义书签。 3、2本章小结?错误!未定义书签。 第4章总体设计 ................................................................... 错误!未定义书签。 4、1 系统总体结构草图 ................................................. 错误!未定义书签。 4、2 本章小结?错误!未定义书签。 第5章总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。

搬运机械手设计解析

专业课程设计说明书

目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)

第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今,机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式,先教会机器人动作,输入工作程序,则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手,而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人,尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力,但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的,然后经历了60年代的数控机械手,在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用,到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注,并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展,科学和技术的不断进步,人类对资源的依赖也越来越大,最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展,而在这些对人类来说恶劣的环境里,机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具,机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸,这就要求机械手有更好的通用性,更高的适应能力,更加专业化,当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上,实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需,社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科,机械手一方面涉及的领域广泛,交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速,不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中,机械手的应用也因此变得越来越广泛;已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大,搬运机械手的应用也逐渐普及,主要在汽车,电子,机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率,以降低其他搬运方式的限制和不足,满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作,两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转,从而实现小车

机械手的设计毕业设计论文

天津机电职业技术学院毕业综合实践报告 专业电气自动化 班级电气自动化三班

目录 1 机械手的基本介绍 (1) 1.1 机械手的基本结构组成 (1) 1.1.1 气动手爪 (1) 1.1.2 伸缩气缸 (1) 1.1.3 回转气缸及垫板 (2) 1.1.4 提升气缸 (2) 1.2 直线运动传动组件 (2) 1.3 气动控制回路 (3) 2 传感器部分 (5) 2.1 传感器简介 (5) 2.2 磁性开关 (5) 2.3 光电传感器和光纤传感器 (5) 3 伺服电机应用 (7) 3.1 伺服系统 (7) 3.2 交流伺服系统的位置控制模式 (8) 3.3 接线 (10) 3.4 伺服驱动器的参数设置与调整 (10) 3.4.1 参数设置方式操作说明 (11) 3.4.2 面板操作说明: (11) 3.4.3 部分参数说明 (11) 3.5 最大速度(MAX_SPEED)和启动/停止速度(SS_SPEED)12 3.6 移动包络 (13) 4 PLC程序编写 (15) 4.1 PLC的选型和I/O接线 (15) 4.2 伺服电机驱动器参数设置 (15) 4.3 编写和调试PLC控制程序 (16) 4.4 初态检查复位子程序和回原点子程序 (19) 4.5 急停处理子程序 (20) 个人收获 (23) 参考文献 (24) 附录 (25) 致谢 (28)

1 机械手的基本介绍 1.1 机械手的基本结构组成 1.1.1 气动手爪 用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。见图 1-1 图 1-1 气动手爪 1.1.2 伸缩气缸 用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。见图 1-2 图 1-2 伸缩气缸

曲轴加工搬运机械手毕业设计(圆柱坐标)

第1章绪论 1.1工业机械手概况 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机,这种操作机具有几个轴,能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。 而机械手臂的研究,开发和设计是从二十世纪中叶开始的。我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”,“八五”科技攻关,目前已经基本掌握了机械手的设计制造技术,控制系统硬件及软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆,弧焊,点焊,装配,搬运等机器人.其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用,弧焊机器人已经应用在汽车制造企业的焊装生产线上。但总的来看,我国的工业机械手技术及其工程应用水平和国外比还有一定得距离,如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件,硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业,其中汽车工业占第一位(占28.8%),电器制造业第二位(占16.4%),化工第三位(占11.7%)。发达国家汽车行业机械手应用占保有量百分比为23.4%-53%,年产每万量汽车所拥有的机械手数为(包括整车和零部件):日本88.0台,德国64.0台,法国32.2台,英国26.9台,美国33.8台,意大利48.0台。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件,根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构,使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作,改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多,机械手的灵活性越大,通用性越广,其结构也越复杂。一般专用机械手有2~3个自由度

搬运机械手运动控制系统设计范本

搬运机械手运动控制系统设计

搬运机械手运动控制系统设计 第一部分:题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构,如图1所示,机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例,要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作,具体操作顺序:逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升,机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松

设计参数: (1)抓重:10Kg (2)最大工作半径:1500mm (3)运动参数: 伸缩行程:0-1200mm; 伸缩速度:80mm/s; 升降行程:0-500mm; 升降速度:50mm/s 回转范围:0-1800 控制器要求: (1)在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一; (2)具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 (1)驱动及传动方案的设计及部件的选择; (2)二指夹持机构的设计及计算; (3)总体控制方案及控制流程的设计; (4)设计说明书一份。 四、设计内容及说明 (1)机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计,需设计出具体的驱动及传动方案,画出方案原理框图。 (2)末端夹持机构设计,该结构需保证抓取精度高,重复定

位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力,完成夹持机构设计图。 (3)控制系统设计,包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分:设计过程 搬运机械手运动控制系统设计

机械手的设计毕业论文资料

中国石油大学(华东)现代远程教育 毕业设计(论文) 题目:机械手的设计 学习中心:山东莱阳学习中心 年级专业: 姓名:孙照源学号: 指导教师:职称: 导师单位:莱阳市职业中等专业学校 中国石油大学(华东)远程与继续教育学院论文完成时间: 2011年 08月 30 日

目录 摘要 (3) 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成.......................................4 1.2.2机械手的分类.......................................6 第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度.............................. 8 2.2机械手的手部结构方案设计.............................. 8 2.3机械手的手腕结构方案设计.............................. 9 2.4机械手的手臂结构方案设计...............................9 2.5机械手的驱动方案设计...................................9 2.6机械手的控制方案设计...................................9 2.7机械手的主要参数.......................................9 2.8机械手的技术参数列表...................................9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构.........................................11 3.1.1手指的形状和分类.................................11 3.1.2设计时考虑的几个问题.............................11 3.1.3手部夹紧气缸的设计...............................11 第四章手腕结构设计 4.1手腕的自由度.......................................... 15 4.2手腕的驱动力矩的计算.................................. 15 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩........................ 15 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算...........................15 第五章手臂伸缩,升降,回转气缸的设计与校核 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核.............................19 5.1.1尺寸设计.........................................19 5.1.2尺寸校核.........................................19 5 .1 .3导向装置.......................................19 5 .1 .4平衡装置.......................................20 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核.............................20 5.2.1尺寸设计.........................................20 5.2.2尺寸校核.........................................20 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核.............................21 5.3.1尺寸设计.........................................21 5.3.2尺寸校核.........................................21

搬运机械手的设计论文(完整版)

摘要 随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大,搬运机械手的应用也逐渐普及,主要在汽车,电子,机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率,以降低其他搬运方式的限制和不足,满足现代经济发展的要求。 搬运机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,在本设计中,通过对机械手手部结构的设计,臂部结构的设计,以及液压系统的设计,实现四自由度的运动,完成了搬运机械手的系统结构设计。 关键词:搬运机械手;结构设计;液压系统;四自由度

ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, In this design, through the mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, to achieve four degrees of freedom movement,completed the manipulator system structure design. Key words:manipulator;structure design ;hydraulic system ;four degrees of freedom movement

搬运机械手的结构和控制系统设计

机电工程学院 机电一体化系统设计 课程设计 设计题目: 专业: 学号: 姓名: 指导老师:

毕业论文(设计)任务书 一、题目:搬运机械手的结构和控制系统设计 二、研究容与目标: 本设计主要的研究容是 1. 用proe绘制搬运机械手三维立体图 2. 用proe转配搬运机械手及制作仿真动画并生成仿真视频制作 3. 利用PLC实现控制系统设计 4. 设计说明书(1份) 目标:让搬运机械手能搬运物品,掌握机械手的设计原理和控制过程三、研究方法:通过不断地查找资料,研究工业机械手的作用,并不断分析最后制作出工业上需要的机械手。 四、主要参考文献:(5篇以上) [1]明保,吕春红等主编.机械手的组成机构及技术指标的确定.高等专科学 校学报,2004.120-134 [2]超主编.气动通用上下料机械手的研究与开发.科技大学,2003.103-121 [3]陆祥生,绣莲主编.机械手.中国铁道,1985.56-58 [4]建编.工业机械人.:理工大学,1992.76-79 [5]允文主编.工业机械手设计.机械工业,1996. [6]蔡自兴主编.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.12-15 [7]金茂青,曲忠萍,桂华等主编.国外工业机械人发展的态势分析.机械人 技术与应用,2001.23-24 [8]王雄耀主编.近代气动机械人(机械手)的发展及应用.液压气动与密 封,1999.31-32 [9]明主编.单臂回转机械手设计.制造技术与机床,2004. 64-66 [10]军,封志辉主编.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.27-28

目录 第一章绪论 (2) 1.1工业机器人的简介 (2) 1.2机械手概述 (3) 1.3工业机械手的发展趋势 (4) 1.4 国外研究现状和趋势 (5) 1.6 液压系统传动原理 (7) 第二章电机驱动和液压驱动混合式搬运机械手方案设计 (8) 2.1电动驱动和液压驱动式搬运机械手的组成及各部分关系概述 (8) 2.2液压式搬运机械手方案设计 (8) 2.3机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.4机械手手臂的结构设计 (13) 第三章尺寸设计与校核 (18) 3.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 (18) 3.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 (19) 3.3 腰部传动负载作回转运动的设计与校核 (20) 第四章机械手的PLC控制系统设计 (22) 4.1 PLC的工作原理 (22) 4.2 可编程序控制器的选择及工作过程 (23) 4.3 可编程序控制器的使用步骤 (24) 4.4 机械手可编程序控制器控制方案 (25) 第五章四自由度机械手运动仿真 (27) 5.1运动学仿真过程及定义分析 (27) 结论 (30) 致 (30)

机械手毕业设计开题报告

理工学院毕业设计(论文)开题报告 题目:铣床自动上下料点位控制机械手的设计 学生姓名:韩抟彬学号: 10L0551370 专业:机械设计制造及其自动化 指导教师:陈继荣 2014年3月31日

毕业设计开题报告 摘要; 在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。 PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器,作为一种通用的工业控制器,其可靠性高、抗干扰能力强;PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性,此外,PLC带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息;PLC采用光电隔离和滤波技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响,此外PLC还可在强、通用性好;开发周期短,功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。 1.课题研究的目的和意义 1.1本课题的意义 机械手又名工业机器人,是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代科技的一个重要组成部分。在机械行业中,机械手越来越广泛的得到应用,它可用于零部件的组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前,机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。 机械手的积极作用正日益为人们所认识,其一,它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此,受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合,应用得更为广泛。在我国,近代几年来也有较快的发展,并取得一定的

自动搬运机械手总体机构设计 毕业设计

自动搬运机械手总体机构设计毕业设计

摘要 本文对自动搬运机械手进行了总体机构设计,能够完成机械手整体的旋转,机械手手臂的升降和伸缩,根据机械手的技术参数分别设计了机械手的夹持式手部结构计算出了夹持物料时手抓气缸缩需要的驱动力,设计了手臂伸缩、升降用的气缸的所需驱动力和机械手回转时电机的功率选择。设计出了机械手的气动系统,绘制了机械手气压系统工作原理图。利用PLC对机械手进行控制,选取了合适的PLC的型号,根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案,画出了机械手的工作时序图和梯形图,并编制了可编程序控制器的控制程序。 关键词:机身回转机构,机身升降机构,手臂伸缩机构,气动,可编程序控制器(PLC)

ABSTRACT This article conducted the overall institution design of mandrel handling robot, the robot is able to complete the robot overall rotation, the robotic arm can move and stretch, according to the manipulator specifications, I designed the manipulator gripping type hand structure ,and calculated out of the driving force when the clutch cylinder shrink clamping mandrel material, also designed a telescopic arm, the required driving force of the lift cylinder and the manipulator rotation when the motor power options. I designed the robot's pneumatic system, draw the working schematic of the pressure system of the https://www.wendangku.net/doc/db12468802.html,ing PLC to control the robot, select the PLC model, developed a control program of the programmable logic controller according to the workflow of the robot, to draw the robot work timing diagram and ladder, and prepared a program to control device control program. KEY WORDS:body rotation institutions, body lifting mechanism, featuresair, pressure drive, the Telescopic mechanism of the arm, Programmable Logic Controller

搬运机械手结构设计与运动仿真毕业设计说明

搬运机械手结构设计及运动仿真毕业设计 1.1课题背景 当前国内机械的应用主要是机床加工,锻造,热处理等方面,不能满足一些产品发展的需要。国外机械制造过程中,工业机械手应用很广泛,能够帮助人们完成很多产品的上下料过程。在这种国内外的发展机械手的背景下,我国要加大机械手的研究和应用。机械手是一种新型的工业自动装置,主要是在机械化、自动化生产过程中发展起来,并且在以后能够有个很好的发展状况。在现代自动化、机械化生产过程中,机械手是广泛运用于自动生产线中,机械手的研究开发和生产已成为创新科技领域中,快速发展并且长期发展的一个新兴的创新技术。机械手这个技术的发展,能够使机械手能更好地把机械化、自动化充分的结合起来。机械手也是有缺点的,不能像手一样的灵活,但它能够模仿人的动作,不间歇的进行长期工作,不用像人工一样考虑一些问题,能够快速工作,提高生产效率。 通过机械手能很大程度上提高劳动生产率,并能够很好的降低成本。伴随着我国工业化的生产速度加快,机械的自动化要求程度款速提高,实现工件的装卸、转向、输送或者操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化,已经引起人们的重视[1]。机械手从结构还有结构形式上看简单,专用性和实用性强,简单的说就是机械的上下料装置,是通过该机床的专用机械手[2]。工业技术的不断发展,造就了可以通过程序进行控制的机械手,它能够按照程序编写要求,很好的完成显示工作中的重复操作,而且它的使用范围也是相当广泛的,我们也可以称它普通机械手。因为普通机械手的价格便宜,可操作性比较高,可以运用的方面比较广。普通机械手如图1-1,图1-2 图1-1 工业机械手

搬运机械手设计

[科技创新] 2013年2期(上) 081 搬运机械手设计 陈梦雨 (宁波大学阳明学院自然科学类4班 浙江 宁波 315211) 摘 要:本文讨论了在实际应用中经常使用到的几种搬运机械手,并对它们的结构和设计进行了相关探讨,总结了机械手设计中常见的一些问题和解决方案,并由此引申出相关的讨论,进行了一些总结性的陈述。 关键词:机械手;搬运机械手;机械手设计 1 引言 在通常的工业机器人系统中,机械手是起到关键作用的传统的任务执行部件,也是机器人的重要部件之一。在物理结构上,机械手包含了滑竿。滚珠丝杆等器件构成;电气方面,包含了直流和交流电机、变频及传感器等部件组成。这个装置是机电一体化的典型代表之一,全方面地覆盖了多种技术。本文中提及的机械手,是通过传感器感应设备工作状态,并经过PLC 输出控制信号,分别控制机械手在水平和垂直方向的位移,并在适当的时机夹持和放下,具体的控制时机由传感器进行感应和传递,从而实现在一定范围内的物料移动。本文中涉及的搬运机械手,可以做出灵活多变的动作,实现在一定的空间范围内移动和搬运物体,并且根据物料的变化和操作流程的改动随时更新自身参数,实现多种用途。 2 搬运机械手的结构 搬运机械手的作用通常是将物料从一个点搬运到另一个点,根据实际生产的需要,这个搬运过程可能会涉及到水平以及垂直的位移,某些时候还需要机械手可以进行转动,因此在不同的生产过程中,对机械手灵活性的要求并不相同。除了都会涉及到的夹持或者吸附操作之外,其他的操作也可能会有变化。一般来说,搬运机械手是通过螺旋机构和机械手夹持器来工作的。 2.1 螺旋机构 螺旋机构的主要作用,是将电机或者内燃机的转动转变成直线上的运动,同时传递动力。依照其性质,可以将其分类为滚动螺旋和滑动螺旋两种常见的类型。依照其用途,可以分为调整、传导和传力这三种基本类型。无论是什么样的螺旋机构,都是由螺杆、螺母和机架组成。 螺旋机构的优点在于结构足够简单,制造和维护都非常容易,传动平稳,噪音低而且容易自锁。 2.2 滑动螺旋机构 通过滑动摩擦,保持正常工作状态的螺旋机构,就是滑动螺旋机构。这样的螺旋机构通常采用传动性能比较好而且效率高的螺纹,常见的有矩形、梯形和锯齿形螺纹。 滑动螺旋机构有两个主要部件:螺杆和螺母,依据该螺旋机构的构成以及运作方式,可以将其分为两种。 A.仅仅由螺母和螺杆组成的机构,在这样的情况下,螺母会与机架固定在一起,螺杆是转动并且移动的部件。这样的机构,主要作用是传递动力,因此也被称为是传力机构。一般来说这样的机构多半用在工时不长而且运作在较低速度下的场合,通过小转矩产生较大的轴向力。 主要是螺母移动的机构,这样的机构中,螺杆转动会引发螺母的位移,主要用于传递运动,因此也被称为是传导机构。同时,这也是本文中所涉及的机械手采用的一种螺旋机构。对于机械手而言,采用这样的传动形式有很大的好处,其刚性比较大,而且传动的结构形式紧凑,因此带来了更高的传动精度和传动效率。 2.3 滚动螺旋机构 滚动螺旋机构的特点是,在螺旋副内是滚动摩擦,通常是通过滚珠来实现,也可以被称为是滚珠丝杠。这个机构的特征在于,螺杆和螺母之间增添了封闭的循环滚道,其中放置钢球。当转动的时候,钢球会沿着滚道运动并且带动螺母进行运动,由于这个过程中,滚动摩擦力小于滑动摩擦力,因此可以带来更少的损耗和更高的效率。依照滚珠循环的不同方式,可以分为内循环和外循环两种。 内循环是指在整个循环过程中,滚珠始终与螺杆接触。而其中有一部分时间滚珠脱离螺杆的,则被称为外循环。对于外循环螺母,需要设置一个反相器,让滚珠能够返回滚道的另一端完成循环。 本文中,机械手的横向运动采用了滚动螺旋进行传动,这样的滚动螺旋由于有更小的摩擦阻力,从而实现了更高的灵敏度要求,同时其传动效率也做到了90%以上,在实际使用中,通过宜兴的调整还可以消除间隙,进一步提升传动精度。 3 机械手夹持器和机座的结构 3.1 机械手夹持器 一般而言,机械手的夹持器多为双指手抓式,依照夹持器的运动方式,可以分为平移型和回转型。其中后者又可以分为单支点和双支点两种类型,而依照夹持方式,又可以分为外夹式和内撑式。此外,不同的夹持器其驱动方式也不一样,依照驱动方式可以分为电动、液压和气动三种。 回转型夹持器是一种结构比较简单的夹持器,但是通常只用来夹持固定不变的工件。当所 夹持的工件尺寸和重心发生改变的时候,工件的轴心很容易发生偏移。而平移型夹持器则不会受到这种问题的影响,可是相对而言,其机械结构就过于复杂,而且需要更大的体积,对制造工艺的要求也比较高。因此,在设计夹持器的时候,根据工件的具体要求,应当尽可能低采用结构更加简单的回转型夹持器。 本文中所设计的机械手,采用的就是一种回转型夹持器。通过滚动螺旋机构进行连接,当电机带动连杆前行,手抓时间就会产生夹持动作。而当后退的时候,由于弹簧的拉力将手指松开,完成工件的放落动作。这样的设计可以将摩擦力控制在较小的范围内,活动更加灵活而且结构也非常简单。 3.2 机座 对于机械手而言,机座是重要而且唯一的支撑部分,这一部分应当可以承受机械手自身的全部重量,还要额外负担工作载荷。因此,机座在设计的过程中应当注意到给予足够的冗余强度和刚度,提供足够的承载能力,此外,机座还要求比较大的安装基面,这样才能保证机械手的平稳工作。本文中,采用了普通轴承作为机座的支撑原件,设计了机座的支撑机构,这种设计,制造简单而且成本低廉,安装和调试都非常方便。 4 整体设计方案 本文中所探讨的主要是轻型的搬运机械手,并非占地面积很大的大型工程或是重工业用途的机械手,主要的目标是完成机械手的结构以及液压系统的简单设计,因此在机械手的执行和驱动机构是本次的主要目标。 常见的工业机械手,按照手臂的动作形态,大致可以分为四种:①直角坐标型;②圆柱坐标型;③球坐标型;④多关节型。第二种也就是圆柱坐标型的占地面积较小,结构简单紧凑而且很容易实现更高的定位精度,因此本设计中选用了圆柱坐标型作为设计目标。 选定这个设计目标后,设计要求中需要机械手具有四个自由度:手臂升降、回转、手臂伸缩、腕部转动。设计思路是围绕这样的需求,通过液压或者滚动螺旋机构,进行四个自由度的动作,从而实现机械手功能。 5 各部件设计及整合 5.1 手部结构

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