搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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機(jī)械手手臂聯(lián)結(jié)座.dwg

機(jī)械手支座.dwg

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腰部結(jié)構(gòu)圖.dwg

搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1  緒論 3

1.1前言 3

1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史 3

1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 3

1.3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動(dòng)線 3

1.3.2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 3

1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 3

1.4 機(jī)械手的組成 4

1.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4

1.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4

1.4.3 控制系統(tǒng)分類 5

1.5工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 5

1.6 本文主要研究內(nèi)容 6

1.7 本章小結(jié) 6

2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 7

2.1 機(jī)械手基本形式的選擇 7

2.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 8

2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 9

2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 9

2.5 本章小結(jié) 9

3  機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 9

3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求 9

3.2 典型的手部結(jié)構(gòu) 9

3.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)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(xué)分析 10

3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 11

3.3.4 手抓夾持范圍計(jì)算 12

3.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 13

3.5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 14

3.6 本章小結(jié) 16

4  腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 17

4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 17

4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 17

4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu) 17

4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 18

4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 18

4.3.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 18

4.3.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 18

4.3.3 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 19

4.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 20

4.3.5動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 21

4.4 本章小結(jié) 22

5  臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 23

5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 23

5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 24

5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 24

5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 24

5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24

5.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 24

5.3.2 手臂慣性力的計(jì)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(jié)構(gòu)的確定 26

5.5 本章小結(jié) 28

6  機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 29

6.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 29

6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 30

6.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 34

6.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算 34

6.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算 35

6.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 36

6.4 軸承的選擇分析 36

6.5 本章小結(jié) 37

7 ADAMS 模型的建立與仿真 38

7.1虛擬樣機(jī)技術(shù) 38

7.2 ADAMS軟件 38

7.3 手部模型的建立 40

7.4 本章小結(jié) 44

1  緒論

1.1前言

用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為 。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為 。

工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。

機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)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(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)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(yīng)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(chǎng)合，應(yīng)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(jī)械工業(yè)的 。  

機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。

 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。

1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡史

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化 。

機(jī)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(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。

1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)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(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。

1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。

1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。

德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。

瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。

瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。

日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。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(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。

 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(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，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。

第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地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(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。

7.4 本章小結(jié)

通過本章，對(duì)機(jī)械手的手部進(jìn)行了建模，并對(duì)結(jié)果以曲線的形式輸出仿真結(jié)果。對(duì)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(duì)于復(fù)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(shè)計(jì)，是老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進(jìn)入機(jī)器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生收獲頗多，這與于老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。老師公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行，實(shí)在令學(xué)生欽佩感動(dòng)不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！

    另外，學(xué)生還要感謝師兄，他們?cè)趯W(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！

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[10] 羅建軍 崔舒寧 楊琦.  大學(xué)Visual C++程序設(shè)計(jì)案例教程.  北京：高等教育出版社，2004

（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）名稱 搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）類型 指導(dǎo)教師 學(xué)生 姓名 學(xué)號(hào) 機(jī)械工程學(xué)院 、 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 、 機(jī)電 073 一、選題依據(jù)：（簡述研究現(xiàn)狀或生產(chǎn)需求情況，說明該設(shè)計(jì)（論文）目的意義。） 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。殼體是閥類控制器上使用的通用型零件，該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，工藝過程長，殼體質(zhì)量一直是影響控制器精度的主要指標(biāo)之一。由于原有殼體的加工設(shè)備陳舊，工藝落后等原因，嚴(yán)重影響了控制器的發(fā)展。為了改變落后的生產(chǎn) 狀態(tài)，緩解日趨緊張的供求關(guān)系，我們研究開發(fā)了多工步搬運(yùn)機(jī)械手。在設(shè)備的整體構(gòu)思，總體布局，機(jī)構(gòu)功能，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)等方面，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了徹底改造，投入運(yùn)行以來，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，工藝成本降低，深受廠家歡迎。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓方式，它具有在同等輸出功率下傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)， 13 個(gè)機(jī)械手的左右橫移，上升和下降及夾緊和松開等動(dòng)作及 4個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)位夾具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別采用由方向閥和節(jié)流閥控制的 18 個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，全部執(zhí)行元件由一個(gè) 4 6 級(jí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)流量為 24 l/單級(jí)葉片泵供油，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的造價(jià)大幅度降低。 在搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)中，我們采用了 術(shù)，選用霍爾傳感器作為主令檢測(cè)信號(hào)，使用日本立石公司生產(chǎn)的 為控制器主體，常用 形圖邏輯設(shè)計(jì)方法較多，設(shè)計(jì)中我們采用流程圖法，按照零件加工過程設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)流程圖，一般控制系統(tǒng)都是由若干個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)組成，每個(gè)工作狀態(tài) 是由于接受了某個(gè)切換主令信號(hào)而建立的。各個(gè)工作狀態(tài)用一個(gè)輔助繼電器進(jìn)行區(qū)分，輔助繼電器的狀態(tài)由切換主令信號(hào)來控制，這些切換主令信號(hào)分別來自按鈕、傳感器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。輔助繼電器同時(shí)又是執(zhí)行元件的輸入變量。當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入主令信號(hào)和執(zhí)行元件確定以后，將主令信號(hào)與各自工作狀態(tài)的約束條件，分別代入相應(yīng)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(dòng)工作循環(huán)的邏輯控制。最后再考慮手動(dòng)控制系統(tǒng)及自動(dòng)循環(huán)與手動(dòng)控制之間的互鎖要求，即完成了全部控制系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。 二、設(shè)計(jì)（論文研究）思路及工作方法 搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的要求 ,然后進(jìn)行了可編程控制器 I/O 點(diǎn)的分配、編寫了 制程序、繪制了原理圖 ;同時(shí) ,實(shí)現(xiàn)了 上位計(jì)算機(jī)組態(tài)王軟件的通訊、設(shè)備的連接與配置、數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造、圖形界面的設(shè)計(jì)和動(dòng)畫連接的建立等 ;最后運(yùn)行系統(tǒng)并調(diào)試成功。本設(shè)計(jì)利用工控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控和管理 ,這對(duì)提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制水平有著重大的意義。 三、設(shè)計(jì)（論文研究）任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排 。 1． 2011 年 2 月 28 日 — 2011 年 3 月 13 日，查閱資料，完成文 獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告； 2． 2011 年 3 月 14 日 — 4 月 20 日，檢查 搬運(yùn)機(jī)械手監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 存在的問題，進(jìn)行維修；完成電器元件及 制模塊設(shè)計(jì)。 3． 2011 年 4 月 21 日 — 5 月 22 日，利用 搬運(yùn)機(jī)械手 ，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記下實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)說明書的撰寫。 5． 2011 年 5 月 30 日 — 6 月 10 日， 畢業(yè)設(shè)計(jì)的修改，答辯的準(zhǔn)備。 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作組審核意見 難度 分量 綜合訓(xùn)練程度 教研室主任： 年 月 日 設(shè)計(jì)（論文）類型： A— 理論研究； B— 應(yīng)用研究； C— 軟件設(shè)計(jì)；