搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設計
49頁 19000字數(shù)+論文說明書+任務書+9張CAD圖紙【詳情如下】
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搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設計
1 緒論 3
1.1前言 3
1.2 工業(yè)機械手的簡史 3
1.3工業(yè)機械手在生產中的應用 3
1.3.1 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 3
1.3.2 在實現(xiàn)單機自動化方面 3
1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 3
1.4 機械手的組成 4
1.4.1 執(zhí)行機構 4
1.4.2 驅動機構 4
1.4.3 控制系統(tǒng)分類 5
1.5工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 5
1.6 本文主要研究內容 6
1.7 本章小結 6
2 機械手的總體設計方案 7
2.1 機械手基本形式的選擇 7
2.2機械手的主要部件及運動 8
2.3驅動機構的選擇 9
2.4 機械手的技術參數(shù)列表 9
2.5 本章小結 9
3 機械手手部的設計計算 9
3.1 手部設計基本要求 9
3.2 典型的手部結構 9
3.3機械手手抓的設計計算 9
3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 9
3.3.2 手抓的力學分析 10
3.3.3 夾緊力及驅動力的計算 11
3.3.4 手抓夾持范圍計算 12
3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算 13
3.5彈簧的設計計算 14
3.6 本章小結 16
4 腕部的設計計算 17
4.1 腕部設計的基本要求 17
4.2 腕部的結構以及選擇 17
4.2.1典型的腕部結構 17
4.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇 18
4.3 腕部的設計計算 18
4.3.1 腕部設計考慮的參數(shù) 18
4.3.2 腕部的驅動力矩計算 18
4.3.3 腕部驅動力的計算 19
4.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?span id="pnihktg" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 20
4.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘 21
4.4 本章小結 22
5 臂部的設計及有關計算 23
5.1 臂部設計的基本要求 23
5.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 24
5.2.1 手臂的典型運動機構 24
5.2.2 手臂運動機構的選擇 24
5.3 手臂直線運動的驅動力計算 24
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 24
5.3.2 手臂慣性力的計算 26
5.3.3 密封裝置的摩擦阻力 26
5.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 26
5.5 本章小結 28
6 機身的設計計算 29
6.1 機身的整體設計 29
6.2 機身回轉機構的設計計算 30
6.3 機身升降機構的計算 34
6.3.1 手臂偏重力矩的計算 34
6.3.2 升降不自鎖條件分析計算 35
6.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算 36
6.4 軸承的選擇分析 36
6.5 本章小結 37
7 ADAMS 模型的建立與仿真 38
7.1虛擬樣機技術 38
7.2 ADAMS軟件 38
7.3 手部模型的建立 40
7.4 本章小結 44
1 緒論
1.1前言
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術裝置稱為 。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為 。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。
機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。
1.2 工業(yè)機械手的簡史
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。
7.4 本章小結
通過本章，對機械手的手部進行了建模，并對結果以曲線的形式輸出仿真結果。對于ADAMS建模，在ADAMS/View提供有零件庫，可以創(chuàng)建各種基本的物體。對于復雜形狀的物體，可以使用ADAMS/Exchange模塊從其它CAD軟件（如：Pro/e）中輸入零件模型。
致 謝
本次畢業(yè)設計，是老師考慮到學生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓練，提高了自己的動手能力、設計能力和編程水平，為學生日后順利進入機器人這一深邃的科研領域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設計，學生收獲頗多，這與于老師的悉心指導是分不開的。老師公務繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設計進度，就畢業(yè)設計過程中遇到的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行，實在令學生欽佩感動不已！特此，學生鄭重向于老師表示感謝！
另外，學生還要感謝師兄，他們在學生畢業(yè)設計的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！
參考文獻
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四 川 理 工 學 院 畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）題目： 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的 設計 學院： 專業(yè)： 班級： 學號： 學生： 指導教師： 接受任務時間 教研室主任 （簽名） 院長 （簽名） 1．畢業(yè)設計（論文）的主要內容及基本要求 如圖所示為某自動化生產車間中的自動搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由汽缸驅動，汽缸由電磁閥控制。對于上升 /下降、左移 /右移，其運動由雙線圈三位五通電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。對于夾緊 /放松，其運動由單線圈二位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。 圖 1 機械手搬運工件示意圖 將機械手的原點（即原始位置）定為左位、上位、放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，當左工作臺上有工件時，機械手下降到下位，夾緊工件，上升到上位，右移到右位，在右工作臺無工件時，機械手下降到下位，放松，然后上升到上位，左移回工件 原位。該系統(tǒng)有三種工作模式，分別為：步進、單周期、循環(huán)。 本設計的執(zhí)行器件的技術參數(shù)如表所示。 表 1 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行器件技術參數(shù) 輸出 輸出結果 名稱 技術參數(shù) 上升電磁鐵 電，機械手上升 下降電磁鐵 電，機械手下降 左行電磁鐵 電，機械手左行 右行電磁鐵 電，機械手右行 夾緊 /放松電磁鐵 電機械手夾緊，失電機械手放松 2．指定查閱的主要參考文獻及說明 3．進度安排 設計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 2 3 4 5 （論文）開題報告 設計（論文）名稱 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設計 設計（論文）類型 指導教師 學生 姓名 學號 機械工程學院 、 機械制造及其自動化 、 機電 073 一、選題依據(jù)：（簡述研究現(xiàn)狀或生產需求情況，說明該設計（論文）目的意義。） 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大。殼體是閥類控制器上使用的通用型零件，該零件結構復雜，加工精度高，工藝過程長，殼體質量一直是影響控制器精度的主要指標之一。由于原有殼體的加工設備陳舊，工藝落后等原因，嚴重影響了控制器的發(fā)展。為了改變落后的生產 狀態(tài)，緩解日趨緊張的供求關系，我們研究開發(fā)了多工步搬運機械手。在設備的整體構思，總體布局，機構功能，驅動和控制系統(tǒng)等方面，對原有設備進行了徹底改造，投入運行以來，產品質量穩(wěn)定，生產率高，工藝成本降低，深受廠家歡迎。 機械手的驅動系統(tǒng)采用液壓方式，它具有在同等輸出功率下傳動裝置體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、動態(tài)性能好等特點， 13 個機械手的左右橫移，上升和下降及夾緊和松開等動作及 4個自動轉位夾具的回轉運動，分別采用由方向閥和節(jié)流閥控制的 18 個液壓缸驅動，全部執(zhí)行元件由一個 4 6 級電動機帶動一個流量為 24 l/單級葉片泵供油，使驅動系統(tǒng)的造價大幅度降低。 在搬運機械手的控制系統(tǒng)中，我們采用了 術，選用霍爾傳感器作為主令檢測信號，使用日本立石公司生產的 為控制器主體，常用 形圖邏輯設計方法較多，設計中我們采用流程圖法，按照零件加工過程設計出控制系統(tǒng)流程圖，一般控制系統(tǒng)都是由若干個穩(wěn)定工作狀態(tài)組成，每個工作狀態(tài) 是由于接受了某個切換主令信號而建立的。各個工作狀態(tài)用一個輔助繼電器進行區(qū)分，輔助繼電器的狀態(tài)由切換主令信號來控制，這些切換主令信號分別來自按鈕、傳感器、定時器和計數(shù)器。輔助繼電器同時又是執(zhí)行元件的輸入變量。當控制系統(tǒng)的輸入主令信號和執(zhí)行元件確定以后，將主令信號與各自工作狀態(tài)的約束條件，分別代入相應的輔助繼電器邏輯方程和執(zhí)行元件的邏輯方程，即可完成自動工作循環(huán)的邏輯控制。最后再考慮手動控制系統(tǒng)及自動循環(huán)與手動控制之間的互鎖要求，即完成了全部控制系統(tǒng)的邏輯設計。 二、設計（論文研究）思路及工作方法 搬運機械手控制系統(tǒng)的要求 ,然后進行了可編程控制器 I/O 點的分配、編寫了 制程序、繪制了原理圖 ;同時 ,實現(xiàn)了 上位計算機組態(tài)王軟件的通訊、設備的連接與配置、數(shù)據(jù)庫的構造、圖形界面的設計和動畫連接的建立等 ;最后運行系統(tǒng)并調試成功。本設計利用工控組態(tài)軟件實現(xiàn)對搬運機械手的運行過程進行監(jiān)控和管理 ,這對提高生產過程的自動化控制水平有著重大的意義。 三、設計（論文研究）任務完成的階段內容及時間安排 。 1． 2011 年 2 月 28 日 — 2011 年 3 月 13 日，查閱資料，完成文 獻綜述和開題報告； 2． 2011 年 3 月 14 日 — 4 月 20 日，檢查 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設計 存在的問題，進行維修；完成電器元件及 制模塊設計。 3． 2011 年 4 月 21 日 — 5 月 22 日，利用 搬運機械手 ，進行實驗，并記下實驗數(shù)據(jù)。 4． 2011 年 5 月 23 日 — 5 月 29 日，使用說明書及畢業(yè)設計說明書的撰寫。 5． 2011 年 5 月 30 日 — 6 月 10 日， 畢業(yè)設計的修改，答辯的準備。 指導教師意見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室畢業(yè)設計（論文）工作組審核意見 難度 分量 綜合訓練程度 教研室主任： 年 月 日 設計（論文）類型： A— 理論研究； B— 應用研究； C— 軟件設計； 1 搬運機械手監(jiān)控系統(tǒng)的設計 1 緒論 .............................................................................................................................................. 3 言 ...................................................................................................................................... 3 業(yè)機械手的簡史 ............................................................................................................. 3 業(yè)機械手在生產中的應用 ............................................................................................. 3 造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 .................................................... 3 實現(xiàn)單機自動化方面 ......................................................................................... 3 、鍛、焊熱處理等熱加工方面 ......................................................................... 3 械手的組成 ..................................................................................................................... 4 行機構 .................................................................................................................. 4 動機構 .................................................................................................................. 4 制系統(tǒng)分類 .......................................................................................................... 5 業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 ..................................................................................................... 5 文主要研究內容 ............................................................................................................. 6 章小結 ............................................................................................................................. 6 2 機械手的總體設計方案 ................................................................................................................ 7 械手基本形式的 選擇 .................................................................................................... 7 械手的主要部件及運動 ................................................................................................. 8 動機構的選擇 .................................................................................................................. 9 械手的技術參數(shù)列表 .................................................................................................... 9 章小結 ............................................................................................................................. 9 3 機械手手部的設計計算 .............................................................................................................. 9 部設計基本要求 ............................................................................................................. 9 型的手部結構 ................................................................................................................. 9 械手手抓的設計計算 ..................................................................................................... 9 擇手抓的類型及夾緊裝置 .................................................................................. 9 抓的力學分析 ................................................................................................... 10 緊力及驅動力的計算 ....................................................................................... 手抓夾持范圍 計算 ............................................................................................... 12 械手手抓夾持精度的分析計算 .................................................................................. 13 簧的設計計算 ................................................................................................................ 14 章小結 ........................................................................................................................... 16 4 腕部的設 計計算 ........................................................................................................................ 17 部設計的基本要求 ...................................................................................................... 17 部的結構以及選擇 ...................................................................................................... 17 2 型的腕部結構 .................................................................................................... 17 部 結構和驅動機構的選擇 ............................................................................... 18 部的設計計算 ............................................................................................................... 18 部設計考慮的參數(shù) ........................................................................................... 18 部的驅動力矩計算 ........................................................................................... 18 部驅動力的計算 ............................................................................................... 19 壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? ........................................................................................... 20 片和輸出軸間的連接螺釘 ................................................................................ 21 章小結 ........................................................................................................................... 22 5 臂部的設計及有關計算 ............................................................................................................ 23 部設計的基本要求 ...................................................................................................... 23 臂的典型機構以及結構的選擇 .................................................................................. 24 臂的典型運動機構 ........................................................................................... 24 臂運動機構的選擇 ........................................................................................... 24 臂直線運動的驅動力計算 .......................................................................................... 24 臂摩擦力的分析與計算 ................................................................................... 24 臂慣性力的計算 ............................................................................................... 26 封裝置的摩擦阻力 ........................................................................................... 26 壓缸工作壓力和結構的確定 ...................................................................................... 26 章小結 ........................................................................................................................... 28 6 機身的設計計算 ........................................................................................................................ 29 身的整體設計 ............................................................................................................... 29 身回轉機構的設計計算 .............................................................................................. 30 身升降機構的計算 ...................................................................................................... 34 臂偏重力矩的 計算 ........................................................................................... 34 降不自鎖條件分析計算 ................................................................................... 35 臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算 .......................................................... 36 承的選擇分析 ............................................................................................................... 36 章小結 ........................................................................................................................... 37 7 型的建立與仿真 ...................................................................................................... 38 擬樣機技術 .................................................................................................................... 38 件 .................................................................................................................... 38 部模型的建立 ............................................................................................................... 40 章小結 ........................................................................................................................... 44 3 1 緒論 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術裝置稱為 ? ?1機 械 手 。 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為 ? ?2工 業(yè) 機 械 手 。 工業(yè)機械手是近代自動控制領 域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科 —— 機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領域有著廣泛的 發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的 ? ?3重 視 。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20世紀 50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主 從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化 ? ?4產 品 。 機械手首先是從美國開始研制的。 1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 2 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 萬能自動 )。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基 礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（ ,專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978 年美國 司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小 于± 1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到± 德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國 司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士 用示教方法編制程序 。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道， 1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達 50多個。 1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。1979年日本機械手的產值達 443億日元，產量為 14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222億日元，是 1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為 67億日元，比 1978年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978年的 6倍。截止 1979年，機械手累計產量達 56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到 1990年將有 55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為 柔性制造系統(tǒng) 柔性制造單元 (重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 3 機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛 ? ?5廣 泛 。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生 產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并 將制品傳誦到下一個生產工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的 4 號和 5 號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋 加工自動線轉位機械手 。 實現(xiàn)單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的 海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼 沖壓生產線機械手（生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是 160t 以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關廠 200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的 1200 、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其 所配的轉底爐，用兩只機 4 械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經(jīng)驗。 械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成 ? ?6組 成 。 行機構 （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈 巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和 各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （ 4） 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 5 制系統(tǒng)分類 在機械手的控 制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91年的 7年的 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 ;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 于標準化、網(wǎng)絡化 ;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構 :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真 、預演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從 94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技 攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 ;其中有 130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30條自動噴漆生產線 (站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產品 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比 有差距 ;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約 200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè) 6 化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人， 6000果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行 列之 ? ? ? ?7 10中 。 文主 要研究內容 本文研究了國內外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎上，確定了搬運機械手的基本系統(tǒng)結構，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅動部分）的設計工作。進而運用 握了機械仿真的一般過程。 章小結 本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構、驅動機構以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發(fā)展趨勢 ，簡要的敘述了本文研究的內容。 2機械手的總體設計方案 7 2 機械手的總體設計方案 本課題是輕型平動搬運機械手的設計及運動仿真。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，以及 本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務，然后通過 械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài) ,按坐標形式大致可以分為以下 4種 : (1)直角坐標型機械手 ;(2)圓柱坐標型機械手 ; ( 3)球坐標 (極坐標 )型機械手 ; (4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標 ? ?11型 。 圖 機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶 。 圖 械手基本形式示意 如圖所示為某自動化生產車間中的自動搬運機械手，用于將左工作臺上的工件搬運到右工作臺上。機械手的全部動作由汽缸驅動，汽缸由電磁閥控制。對于上升 /下降、左移 /右移，其運動由雙線 圈三位五通電磁閥控制，即上升電磁閥得電時機械手上升，下降電磁閥得電時機械手下降。對于夾緊 /放松，其運動由單線圈二位電磁閥控制，線圈得電時機械手夾緊，斷電時機械手放松。 2機械手的總體設計方案 8 圖 械手搬運工件示意圖 將機械手的原點（即原始位置）定為左位、上位、放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，當左工作臺上有工件時，機械手下降到下位，夾緊工件，上升到上位，右移到右位，在右工作臺無工件時，機械手下降到下位，放松，然后上升到上位，左移回原位。該系統(tǒng)有三種工作模式，分別為：步進、單周期 、循環(huán)。 在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有 5個自由度既：手抓張合；手部回轉；手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降 5個主要運動。 本設計機械手主要由 4個大部件和 5個液壓缸組成：（ 1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現(xiàn)手抓的張合。（ 2） 腕部，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)手部回轉 0180工件 9 （ 3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動 （ 4）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn) 手臂升降和回轉。 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分 , 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅動方案選擇液壓驅動。 械手的技術參數(shù)列表 一、用途：搬運 :用于車間搬運 二、設計技術參數(shù) : 1、抓重 :60夾持式手部 ) 2、自由度數(shù) :5個自由度 3、座標型式 :圓柱座標 4、最大工 作半徑 :1600、手臂最大中心高 :1248、手臂運動參數(shù) 伸縮行程： 1200縮速度： 83mm/s 升降行程： 300降速度： 67mm/s 回轉范圍 : 00 180 7、手腕運動參數(shù) 回轉范圍 : 00 180 章小結 本章對機械手的整體部分進行了總體設計，選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設計采用液壓驅動，給出了設計中機械手的一些技術參數(shù)。下面的設計計算將以次進行。 3 機械手手部的設計計算 9 3 機械手手部的設計計算 部設計基本要求 （ 1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 （ 2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度） ? ? ，以便于抓取工件。 （ 3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 （ 4） 應保證手抓的夾持精度。 型的手部結構 （ 1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （ 2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 （ 3）平面平移型。 本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角?? = 060 ，夾取重量為 60常用的工業(yè)機械手手部 ,按握持工件的原理 ,分為夾持和吸附兩大類。吸附式 常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指 ,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移 型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結構簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。 若 采用典型的平移型手指 , 驅動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。 顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械 手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 10 抓的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖 a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。 αααα αα(a) (b) 圖 槽杠桿式手部結構、受力分析 1—— 手指 2—— 銷軸 3—— 杠桿 在杠桿 3的作用下，銷軸 2向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 手指 1的滑槽對銷軸的反作用力為 2， 其力的方向 垂直于滑槽的中心線 1 2指向 o 點，交 1F 和2F 的延長線于 。 由 =0 得 12FF?=0 得 1 2 ?'11由 01M? ? ?F =0 得 '1 h 11 ?F= 2a ?（ 式中 a—— 手指的回轉支點到對稱中心的距離（ . ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力 F 一定時， ? 角增大，則握力 隨之增大，但 ? 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好 ? = 030 040 。 緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設 計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 1 2 3 K K G?（ 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常 2k —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦? 1 bK a??其中 a，重力方向的最大上升加速度；t?響— 運載時工件最大上升速度 — 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取 K —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G—— 被抓取工件所受重力（ N）。 表 3壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 于 5000 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 5000 10000 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 50000以上 計算：設 a=100mm,b=50010
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