工業(yè)機械手設計及運動結構分析【六自由度機械手】

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開題報告 題 目：專用機械手設計與工程分析 系 別 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 2010年 11 月 28 日 開題報告填寫要求 1．開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成。 2．開題報告內(nèi)容必須按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應及時交給指導教師審閱。 3．開題報告字數(shù)應在1500字以上，參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應標出文獻序號，“參考文獻”應按附件中《參考文獻“注釋格式”》的要求書寫。 4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯數(shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。 撰寫內(nèi)容要求（可加頁，小四號宋體，行距22磅）： 1. 綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關研究情況） 題目背景： 機械手是模仿人手的部分動作，按照給定的程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或者操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣和放射性等惡劣環(huán)境中，它可以代替人進行正常的工作，意義更為重大。通過機械設計的設計，綜合訓練學生四年所學設計、分析和制造方面的綜合知識。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動和復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 研究意義： 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)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(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可是機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在加工機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里看出，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)這些工序自動化而產(chǎn)生的。 國內(nèi)外情況： 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送到下一個生產(chǎn)工序;機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆注行業(yè)中用于提取高溫爐液等。 目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。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，能把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 國外也出現(xiàn)了第三代機械手，它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。 2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 主要內(nèi)容： 題目內(nèi)容主要包括三個方面，專用機械手設計，建模和工程分析： A. 在設計方面要求依據(jù)設計參數(shù)，設計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結構。 B.在建模方面要求建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。 C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析機械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。 D. 運動分析方面要求提取六自由度機械手手指的速度，加速度，特性。并輸出運動規(guī)律曲線 。 E. 整個機械臂安裝在一個回轉支座上，回轉角度范圍為360度；大臂可做升降運動；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。 研究方案： 1. 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是直接驅(qū)動使各部件動作的機構，對工業(yè)機器人的性能和功能影響很大。它為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動作。工業(yè)機器人驅(qū)動方式主要有機械、液壓、電動、氣動四種。這四種方式各自都有自己不同的特點。在實際應用中，工業(yè)機器人還有可能用到組合的驅(qū)動方式，或者在一個機器人的不同關節(jié)部位，可采用不同的驅(qū)動方式。不過總的來說，到底選用那種驅(qū)動主要取決于機器人的工作情況。 2. 機械手的設計方案。a.手爪的開合方式：滑槽杠桿式回轉型、雙支點連桿杠桿式、齒輪齒條杠桿式、手爪平行開閉式;b.手爪開合的驅(qū)動方式:氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動;c.手臂的擺動:利用步進電機驅(qū)動和直齒輪傳動來實現(xiàn)手臂的擺動;e機械手臂的轉動:利用步進電機驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動。 研究方法或措施： 1. 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇。四種驅(qū)動方式的對比： 機械傳動 電機驅(qū)動 氣壓傳動 液壓傳動 內(nèi)容 異步電機，直流電機 步進或伺服電機 輸 力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力 矩小，如需輸出力矩較大，結構尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜 可高速，氣體壓縮性大，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當自由度多時，機構復雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復雜 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應用范圍 適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 中小型專用通用機械手都有 中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用 成本 結構簡單，成本低 成本低 成本較高 結構簡單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復雜 由上表可知，氣壓傳動雖然輸出力矩較小，但同時他具有控制簡單和成本低的突出優(yōu)點。結合以上三種原理方案的特點進行綜合比較，決定采用第3種方案進行本次設計。根據(jù)所要設計機器人的特點，夾取工件的重量較小。對于手爪的開合，采用氣壓驅(qū)動，機械手臂的轉動采用步進電機驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)，手臂的擺動采用步進電機驅(qū)動和直齒輪傳動來實現(xiàn)，這樣可以使機器人的占地面積較小，還可以得到較高的回轉精度。 2.機械手的設計方案。 方案1：采用齒輪齒條杠桿式手部，手爪開合采用液壓驅(qū)動；手臂的擺動采用異步電機（大臂和小臂）；機械手臂的轉動采用電機驅(qū)動，傳動機構采用齒輪機構。 該方案的特點是：布置結構較大，質(zhì)量較重，不過腰部和臂部電機驅(qū)動輸出力，得到比較大的直線運動力和回轉運動力。 方案2：采用滑槽杠桿式手部，手爪開合采用氣壓驅(qū)動；手臂的擺動采用液壓驅(qū)動；手臂的轉動采用步進電機驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。 該方案的特點是：整體選用氣壓驅(qū)動結構，節(jié)省成本，對環(huán)境無污染。步進電機驅(qū)動可以得到精確的回轉角度。但是考慮到工作場合是在高溫條件下不適合采用油控裝置。 方案3：采用平行開閉式機械手，氣壓驅(qū)動；手臂擺動選用齒輪傳動，電機驅(qū)動。手臂的轉動也采用步進電機驅(qū)動與錐齒輪傳動。 該方案的特點是：在整體中采用了兩各種不同的驅(qū)動，本著發(fā)揮每種驅(qū)動的優(yōu)點去設計。但是該方案要求的控制系統(tǒng)比較精確復，能夠達到機器手的運動要求，整體質(zhì)量也較為輕，機構簡單。 3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 課題重點： 為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要六個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。 課題難點： 機械手的定位方式。機械擋塊的定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。 機械手的轉動功能。本課題的機械手轉動功能的實現(xiàn)是由步進電機驅(qū)動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。 前期已開展工作： 調(diào)研和收集資料，熟悉Mastercam等機械手設計的相關軟件，學習運用Mastercam 進行模具設計；調(diào)查有關的機械手的設計，學習別人的設計思路，為自己設計的展開做好準備。 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫） 第1周：收集資料，借閱參考書，下載相關英文文獻。 第2～8周：要求依據(jù)設計參數(shù)，設計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結構。選擇驅(qū)動電機。 第8～14周：建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。 第14～16周：要求合理確定約束條件，分析機械手在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。 第16～18周：分析結論撰寫論文。 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 注：1. 正文：宋體小四號字，行距22磅。 2. 開題報告由各系集中歸檔保存。 參考文獻 [1] 徐灝主.《機械設計手冊3》 機械工業(yè)出版社，2004 [2] 徐灝主.《機械設計手冊4》 機械工業(yè)出版社，2004 [3] 徐灝主.《機械設計手冊5》 機械工業(yè)出版社，2004 [4] 張建民.《工業(yè)機器人》 北京理工大學出版社，1988 [5] 《工業(yè)機械手》編寫組.《工業(yè)機器人手-機械結構上》 上?？茖W技術出版社 [6] 丁樹模.《液壓傳動》 機械工業(yè)出版社 ，2006 [7] 孫桓,陳作模,葛文杰.《機械原理》 高等教育出版社, [8] 濮良貴 紀名剛.《機械設計（第八版）》 高等教育出版社，2006 [9] 馬香峰.《工業(yè)機器人的操作機設計》 冶金工業(yè)出版社，1996 [10] 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