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1、 專業(yè)課程設(shè)計(jì) 專業(yè)課程設(shè)計(jì)說明書 課題名稱 搬運(yùn)機(jī)械手及其運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 王濰 學(xué)生學(xué)號(hào) 20120421464 學(xué)生姓名 楊義 學(xué)生班級(jí) 機(jī)自1210班 成 績 設(shè)計(jì)時(shí)間 2015年11月2日～2015年11月13日 目 錄 第1章 課題規(guī)劃 1 1.1 課題背景分析 1 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)書 3 第2章 功能分析 4 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)功能分析 4 2.1.1 總功能提煉 4 2.1.2 功能分解 4 2.1.3 功能結(jié)構(gòu)分析及功能結(jié)構(gòu)圖繪制 4 2.2 本章小結(jié) 5 第3章 系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì) 7 3.1 功能單元求解

2、 7 3.1.1 分功能求解 7 3.1.2 系統(tǒng)原理方案綜合求解 7 3.1.3 方案優(yōu)化及評(píng)價(jià) 7 3.2 本章小結(jié) 7 第4章 總體設(shè)計(jì) 9 4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)草圖 9 4.2 本章小結(jié) 14 第5章 總結(jié) 15 參考文獻(xiàn) 17 17 專業(yè)課程設(shè)計(jì) 第1章 課題規(guī)劃 1.1 課題背景分析 從1954年美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)械手至今，機(jī)械手已經(jīng)發(fā)展了三代。通過引導(dǎo)或其它方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入

3、工作程序，則會(huì)自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行作業(yè)的示教再現(xiàn)型機(jī)械手被稱為第一代機(jī)械手，而能利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手被稱為第二代機(jī)械手。而第三代機(jī)械手就是智能機(jī)器人。對(duì)于智能機(jī)器人，盡管歐美和日本等許多國家都投入了大量人力和物力，但現(xiàn)在其仍然處于發(fā)展階段。目前對(duì)我國而言發(fā)展第一、第二代機(jī)器人更具有實(shí)際意義。我國機(jī)械手的發(fā)展是從20世紀(jì)50年代的固定動(dòng)作機(jī)械手開始的，然后經(jīng)歷了60年代的數(shù)控機(jī)械手，在1978年時(shí)機(jī)械手才‘真正開始得到研究和應(yīng)用，到現(xiàn)在工業(yè)機(jī)械手與智能機(jī)器人愈來愈受到各屆的的關(guān)注，并已經(jīng)納入了我國高科技規(guī)劃及科技發(fā)展計(jì)劃之中。 伴隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對(duì)資源的依賴

4、也越來越大，最終將不可避免的要向陸地以外甚至是地球以外的地方擴(kuò)展，而在這些對(duì)人類來說惡劣的環(huán)境里，機(jī)械手的發(fā)展就顯得尤為重要了。作為新生產(chǎn)力代表的勞動(dòng)工具，機(jī)械手能代替人類在惡劣的環(huán)境中完成人類無法完成又不得不做的工作。由于機(jī)械手的應(yīng)用不得不向更廣的范圍延伸，這就要求機(jī)械手有更好的通用性，更高的適應(yīng)能力，更加專業(yè)化，當(dāng)然在這個(gè)基礎(chǔ)上還有考慮到機(jī)械手的經(jīng)濟(jì)性要求。所以發(fā)展在能滿足基本功能要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊化、方便修改設(shè)計(jì)、通用性強(qiáng)并且可靠性高的的機(jī)械手是市場所需，社會(huì)發(fā)展的必然。 作為一門發(fā)展迅速的前沿學(xué)科，機(jī)械手一方面涉及的領(lǐng)域廣泛，交叉著多門學(xué)科;另一方面其自身的發(fā)展也相當(dāng)迅速，不

5、斷出現(xiàn)需要研究的新問題。在自動(dòng)化程度要求越來越高的現(xiàn)代世界經(jīng)濟(jì)中，機(jī)械手的應(yīng)用也因此變得越來越廣泛；已經(jīng)由科學(xué)和技術(shù)的研究領(lǐng)域擴(kuò)展到了人們?nèi)粘Ｉ畹拿裼妙I(lǐng)域。這對(duì)機(jī)械手性能和功能的進(jìn)一步改善和提高提出了更高的要求。 隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機(jī)械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運(yùn), 可以更好地節(jié)約能源和提高運(yùn)輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運(yùn)方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。 本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括由兩個(gè)電磁閥控制的液壓鋼來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升下降運(yùn)動(dòng)及夾緊工件的動(dòng)作，兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同的電動(dòng)機(jī)分別

6、通過兩線圈控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的快進(jìn)、慢進(jìn)、快退、慢退的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；其動(dòng)作轉(zhuǎn)換靠設(shè)置在各個(gè)不同部位的行程開關(guān)(SQ1---SQ9)產(chǎn)生的通斷信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，通過PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)外部線圈來控制電動(dòng)機(jī)或電磁閥產(chǎn)生不同的動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確定位；其動(dòng)作過程包括：下降、夾緊、上升、慢進(jìn)、快進(jìn)、慢進(jìn)、延時(shí)、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手動(dòng)、單步、單周期、連續(xù)；來滿足生產(chǎn)中的各種操作要求。 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面： 1.熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

7、化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。 2.冷加工方面的應(yīng)用 冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。 3.拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率

8、。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。 近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)

9、技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。 早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。 50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。 60～70年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。 80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。 90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療

10、、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)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，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FM

11、C(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)任務(wù)書 課題編號(hào) 課題名稱 機(jī)械手搬運(yùn)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真 起止時(shí)間 2015.11.1-2015.11.13 設(shè) 計(jì) 要 求 1 功能 主要功能： 輔助功能： 2 適應(yīng)性 作業(yè)對(duì)象：物料形狀、尺寸、理化性質(zhì)等 工 況：負(fù)荷變化 環(huán) 境：溫度、濕度、振動(dòng)、噪聲、灰塵等 3 性能 動(dòng) 力：功率、力、轉(zhuǎn)矩 運(yùn) 動(dòng)：運(yùn)動(dòng)形式、速度、加速度 結(jié)構(gòu)尺寸：作業(yè)尺寸、體積、重量 4 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)率（理論的、額定的、實(shí)際的）

12、5 可 靠 性 可靠度、維修度、有效度 6 使用壽命 一次性使用壽命、多次性使用壽命（經(jīng)過大修） 7 經(jīng)濟(jì)成本 材料費(fèi)用、設(shè)計(jì)費(fèi)用、制造加工費(fèi)用、管理費(fèi)用 8 人機(jī)工程 操作方便、省力、視野寬廣、舒適、儀表顯示清晰造型美觀適度 9 安 全 保證人身、設(shè)備安全 10 包裝運(yùn)輸 考慮產(chǎn)品運(yùn)輸方法，如起重防震、防腐、防銹等，各種標(biāo)記 第2章 功能分析 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)功能分析 2.1.1 總功能提煉 利用機(jī)械手做一些機(jī)械性枯燥無限重復(fù)的勞動(dòng)，以及一些中型需要花費(fèi)大量人力來搬運(yùn)的動(dòng)作，減輕人在工作中的工作疲勞程度，還可以代替人們做一些危險(xiǎn)性比較大的勞動(dòng)，

13、人只需在一旁操作，見情人的勞動(dòng)量。 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由

14、度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的

15、應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。 2.1.2 功能分解 能夠快速、平穩(wěn)準(zhǔn)確地夾起物料并完成搬運(yùn)動(dòng)作是物料搬運(yùn)機(jī)械手最基本的功能要求，這要求具備較高的精度、一定的承載能力、足夠的運(yùn)行空間，當(dāng)然靈活的自由度和一定動(dòng)作運(yùn)行平穩(wěn)性也是必不可少的。在對(duì)物料搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須先根據(jù)機(jī)械手所要完成的動(dòng)作，選擇合適的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，確定各個(gè)工作的時(shí)間分配及動(dòng)作順序，擬定機(jī)械手的工序，明確所要搬運(yùn)的物料重量和尺寸以及搬運(yùn)所要求滿足的精度等等，進(jìn)而確定對(duì)機(jī)械手運(yùn)行控制的要求，在兼顧通用性和專用性的同時(shí)，盡量選用己經(jīng)定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的模塊化。 2.1.3

16、功能結(jié)構(gòu)分析及功能結(jié)構(gòu)圖繪制 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成[1]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用?；镜膱?zhí)行機(jī)構(gòu)用于把閥門驅(qū)動(dòng)至全開或全關(guān)的位置。用與控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠精確的使閥門走到任何位置。盡管大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是用于開關(guān)閥門，但是如今的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單的開關(guān)功能，它們包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝置全部安裝在一個(gè)緊湊的外殼內(nèi)。 1.可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的

17、裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 2.可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一

18、個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 2.2 本章小結(jié) 通過對(duì)機(jī)械手的學(xué)習(xí)，資料庫的查詢，學(xué)到了機(jī)械手分為液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的機(jī)械手，功能能做到的也是很多的，比如很多的簡單而又重復(fù)的機(jī)械性的動(dòng)作就可以用機(jī)械手來代替，減輕人們的負(fù)擔(dān)，豐富認(rèn)得生活，機(jī)械手又能代替人類做一些人所不能及的動(dòng)作，比如大型，重型的物件就需要機(jī)械手來代替人類做到這些，并且很多的危險(xiǎn)性比較高的動(dòng)作以及工作環(huán)境惡劣的工作，機(jī)械手也可以做到這些。 第3章

19、 系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì) 3.1 功能單元求解 3.1.1 分功能求解 分功能求解就是尋求完成分功能的技術(shù)實(shí)體（功能載體）。 3.1.2 系統(tǒng)原理方案綜合求解 直角坐標(biāo)形 直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。 圓柱坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo)形式是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運(yùn)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用空間小，而動(dòng)作范偉較大等優(yōu)點(diǎn)。 球坐標(biāo)形式 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手[1]。 3.1.3 方案優(yōu)化及評(píng)價(jià) 綜合相關(guān)的資料可知，運(yùn)用液壓傳動(dòng)時(shí)，承載能力較大，動(dòng)作沖擊小，緩沖作用好，與機(jī)械傳動(dòng)、

20、電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的各種元件，可以根據(jù)需要方便、靈活地來布置；重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快；操縱控制方便，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍達(dá)2000：1）；可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。一般采用礦物油作為工作介質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面可自行潤滑，使用壽命長。很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。 很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制過程，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。 總起來是液壓傳動(dòng)的效果在本設(shè)計(jì)的課題中是比較實(shí)用的。 3.2 本章小結(jié) 通過功能解以及黑箱法跟功能結(jié)構(gòu)圖，充分認(rèn)識(shí)到在為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能可以有很多種方法，利用每種方法的同時(shí)有時(shí)會(huì)帶來很多障礙與誤區(qū)，功能解的個(gè)數(shù)越多

21、，設(shè)計(jì)過程中遇到的問題就會(huì)越多，的確，設(shè)計(jì)的過程難免會(huì)遇上很多障礙，設(shè)計(jì)的過程就是遇到問題，想辦法解決問題，同時(shí)再遇上新的問題，在解決新的問題的不斷地循環(huán)，因此我們要充分利用功能解中最優(yōu)解的辦法，減少問題的同時(shí)引進(jìn)很多新的功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)物的最有設(shè)計(jì)。 第4章 總體設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)草圖 本課題是為生產(chǎn)線配套而設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手，可以模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作。本課題主要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種較為靈活的重物搬運(yùn)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上零件的搬運(yùn)與放置。運(yùn)用Solidedge技術(shù)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體造型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速

22、度是按滿足生產(chǎn)率的要求來設(shè)定。要求對(duì)主要零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)有限元分析。 要求與數(shù)據(jù) 1、抓重:50Kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù):4個(gè)自由度 3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑:1500mm 5、手臂最大中心高:1200mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程：1000mm 伸縮速度：80mm/s 升降行程：300mm 升降速度：70mm/s 回轉(zhuǎn)范圍: ±180° 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: ±180° 4.2 手部設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)制造夾緊機(jī)構(gòu)——手抓時(shí)，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)型式、運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則根據(jù)物體的重量、慣性和沖擊

23、力的大小來計(jì)算。同時(shí)考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化。為擴(kuò)大為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還須備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手抓。為防止損壞被夾的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并有軟質(zhì)墊片彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體的落下，又需要有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動(dòng)作靈活和工作可靠。 夾緊機(jī)構(gòu)的基本形式 夾緊機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械式、吸盤式、電磁式、傳感式[1]。 本章主要對(duì)機(jī)械式的機(jī)械手進(jìn)行探討。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。按手指的運(yùn)動(dòng)方式可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式、外撐式和自鎖式；按手指數(shù)可

24、分為二指式、三指式、四指式；按動(dòng)力源可分為彈簧式氣動(dòng)式、液壓式等。 4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 手腕是連接手指和手臂的機(jī)構(gòu)他適手指能從不同的角度夾緊和松開工件，以增加機(jī)械手的靈活性。 手腕的運(yùn)動(dòng)和特點(diǎn)是手腕可以作回轉(zhuǎn)、上下彎曲和左右擺動(dòng)三個(gè)動(dòng)作，即可以具有三個(gè)自由度。本畢業(yè)設(shè)計(jì)只具有回轉(zhuǎn)一個(gè)自由度。 腕部的基本要求 （1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 （2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 （3） 必須考慮工作條件[2] 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。 4.4 手臂的設(shè)計(jì) 4.4.1

25、 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 因?yàn)榇藱C(jī)械手手臂最大工作半徑為1500mm，伸縮行程為1000mm，伸縮行程較大，工作半徑相對(duì)較小，所以采用單級(jí)液壓缸不能滿足要求，初步選用二級(jí)液壓缸。 4.4.2 手臂的防轉(zhuǎn) 此設(shè)計(jì)因?yàn)橐ト〉墓ぜ容^重，所以考慮到對(duì)手臂抗彎曲強(qiáng)度的要求，手臂的直徑應(yīng)較大，為了使手臂盡量較細(xì)，所以使用內(nèi)導(dǎo)桿防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)?？梢栽O(shè)置內(nèi)部液壓缸的內(nèi)杠導(dǎo)軌，使其不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 機(jī)械臂全部使用液壓系統(tǒng)，液壓缸在傳動(dòng)中起到定位的作用，其內(nèi)部的活塞桿上有多出的部分，會(huì)在液壓缸的導(dǎo)軌沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 4.5 立柱的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的立柱是用以支撐手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)

26、，手臂的俯仰也是由連接在立柱上的油缸驅(qū)動(dòng)，立柱與基座相連，可固定在地面上、機(jī)床設(shè)備上、或懸掛在衡量滑道上，也可以固定在能行走的基座上。 立柱沒有固定得形式，其結(jié)構(gòu)根據(jù)動(dòng)作要求來設(shè)計(jì)。 機(jī)座是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件，對(duì)其結(jié)構(gòu)要求是占地面積小、剛性好、操作方便、和造型美觀。 機(jī)座結(jié)構(gòu)從形式上可以分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動(dòng)式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作是機(jī)座應(yīng)該予以固定。可移動(dòng)式機(jī)座在停置時(shí)能夠剎車定位，以保證機(jī)械手工作時(shí)的位置精度。 機(jī)座的結(jié)構(gòu)與機(jī)械手的總體布置有關(guān)，對(duì)專用機(jī)械手而言，傳動(dòng)和控制部分通常是單獨(dú)布置，故機(jī)座比較簡單或不設(shè)機(jī)座。對(duì)通用機(jī)械手來講，

27、傳動(dòng)部分通常布置在機(jī)架內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機(jī)座的后上方或單獨(dú)布置一個(gè)控制箱。 集中布置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，管路短、占地面積小，移動(dòng)、操作都比較方便。 分散布置則可以將傳動(dòng)和控制部分分開，以免受震動(dòng)的影響，并盡可能遠(yuǎn)離高溫、粉塵和腐蝕性的環(huán)境，以延長機(jī)械手的使用壽命[2]。 4.6 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂180°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降

28、。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸連接，回轉(zhuǎn)缸的后端蓋與立柱伸縮缸的活塞通過鍵連接。伸縮液壓缸通過設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)向桿來防轉(zhuǎn)。 4.7 機(jī)械手的三維建模 整體裝配設(shè)計(jì) 底座的設(shè)計(jì) 直動(dòng)液壓缸設(shè)計(jì) 4.8 本章小節(jié) 在當(dāng)前，將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)

29、揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 第5章 總結(jié) 通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我也了解了當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過程，通過對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，也學(xué)會(huì)了使用SolidWorks軟件創(chuàng)建三維模型，并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行簡單的運(yùn)動(dòng)仿真。 1、 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中沒有涉及到機(jī)械手的控制問題。 2、 本次設(shè)計(jì)的是專用搬運(yùn)機(jī)械手，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)成本低廉。

30、 3、 采用液壓傳動(dòng)能搬運(yùn)50公斤以下的物料。 4、 該機(jī)械手選擇配置二指直進(jìn)式手指，抓取一般方料。必要時(shí)可以更換手抓，抓取棒料等。 5、 本次設(shè)計(jì)應(yīng)用到了理論力學(xué)，材料力學(xué)，液壓，互換性，機(jī)械設(shè)計(jì)，工程圖學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，對(duì)本科階段所學(xué)的知識(shí)做了系統(tǒng)的總結(jié)。 并且通過這次的課程設(shè)計(jì)，讓我知道現(xiàn)在自己的知識(shí)層面只聽立足在皮毛階段，只有繼續(xù)補(bǔ)充專業(yè)知識(shí)才能做到對(duì)機(jī)械的專業(yè)化，在這次課程設(shè)計(jì)中，遇到了很多問題，同時(shí)也解決了很多問題，最主要的問題是機(jī)械手臂的動(dòng)力原件，既液壓元件的選擇，首先要根據(jù)收載的大小，以及受載的方向，載荷的大小以及形式作出詳細(xì)的判斷，然后選合適的液壓元件，并且確定相應(yīng)的元

31、件尺寸，在其次是根據(jù)受災(zāi)的方向確定響應(yīng)的液壓元件的類型，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的部分功能，比如在控制機(jī)械手臂以及機(jī)械腕部的相應(yīng)的伸縮的時(shí)候就需要直動(dòng)式液壓缸，完成在直線上的運(yùn)動(dòng)，選擇旋轉(zhuǎn)液壓剛來實(shí)現(xiàn)沿著某根軸的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)另一個(gè)自由度，在一個(gè)就是機(jī)械手的支撐問題，在夾緊重物并且移動(dòng)重物的時(shí)候，收到很大的扭矩，該扭矩是的液壓元件以及各個(gè)支撐是否能夠包容下，這邊是一個(gè)問題，需要用有限元分析來實(shí)現(xiàn)。 在一個(gè)就是在本論文的工作中，自始自終得到了濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院王濰老師的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、嚴(yán)于律己寬以待人的做人風(fēng)范是作者終身學(xué)習(xí)的榜樣。另外導(dǎo)師們的課題組活躍的學(xué)術(shù)風(fēng)氣、學(xué)術(shù)觀點(diǎn)與為人

32、上的坦誠也深深的感染了作者，使作者獲得了太多的啟發(fā)，在此特表深深謝意！ 在課題研究的整個(gè)過程中，王濰老師一直給予了悉心的指導(dǎo)與幫助。在同他的合作中取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)他豐富的理論知識(shí)及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、對(duì)待學(xué)術(shù)問題的科學(xué)態(tài)度令作者欽佩。在此表示由衷的感謝！ 在進(jìn)行機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，和我一起研究探討的同組同學(xué)給了我很大的幫助。也對(duì)這四年來給予了我各方面極大支持及鼓勵(lì)機(jī)械學(xué)院老師表示感謝。最后向其他關(guān)心我支持我的老師、朋友、同班同學(xué)一并表示感謝。 參考文獻(xiàn) [1] 王雄耀.機(jī)械手理論及應(yīng)用[M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社1999:8-72 . [2] 魯軍.輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的

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