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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
課題名稱 小型柔性生產(chǎn)系統(tǒng)
龍門(mén)機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（數(shù)控）
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師
定稿日期： 2015 年 3月 11日
小型柔性生產(chǎn)系統(tǒng)
龍門(mén)機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)
1 所選題目的及其意義
本課題來(lái)源于亞龍YL-221型自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目，該機(jī)械加工自主創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械加工的不同階段設(shè)置了多個(gè)工作站：自動(dòng)存取型高架倉(cāng)庫(kù)、搬運(yùn)機(jī)械手站、直線輸送機(jī)站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機(jī)站、綜合機(jī)械加工站、裝配站、工件碼堆站。
本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)龍門(mén)機(jī)械手，將用于工作人員出入，使斷開(kāi)輸送帶上的零件通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)輸，需完成對(duì)工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。通過(guò)本課題的研究，學(xué)生不僅可以了解自動(dòng)生產(chǎn)線的工作過(guò)程，還可以深入了解其組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
希望學(xué)生通過(guò)本課題設(shè)計(jì)，能充分運(yùn)用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機(jī)械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中，選用合理的動(dòng)力元件，計(jì)算設(shè)計(jì)零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)思路，綜合應(yīng)用機(jī)械原理和設(shè)計(jì)、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。
2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
2.1國(guó)內(nèi)機(jī)械手領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展
目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)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(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
2.2 國(guó)外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，量新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械 手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
市場(chǎng)上的龍門(mén)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖:
3 研究?jī)?nèi)容
3.1 課題的技術(shù)要求
工件形狀：φ50×50mm的鋁制圓柱體或φ50×50mm的塑料圓柱體;托價(jià)為200×145mm方形有機(jī)玻璃，2公斤。
定位精度：±1mm；運(yùn)動(dòng)速度：＞2m/min；
工作行程：X：1000mm，Z：200mm；
設(shè)計(jì)空間：橫梁與地面高度需有1800mm，便于工作人員通過(guò)。已知工作臺(tái)高度為1000mm，托架離工作臺(tái)200mm。
工作要求：X軸引動(dòng)器用于機(jī)械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動(dòng)器則完成對(duì)工件托架提起或放下操作，機(jī)械手爪則完成對(duì)工件托架安全抓緊或釋放操作。
3.2方案設(shè)計(jì)
1.機(jī)械手的設(shè)計(jì)。
2.X.Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)。
3.總體方案設(shè)計(jì)。
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.X.Y.兩個(gè)方向的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.零部件設(shè)計(jì)。
4 研究方案
4.1機(jī)械手抓緊方案設(shè)計(jì)
4.1.1手部結(jié)構(gòu)
機(jī)器人的手部是機(jī)器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機(jī)器人的手部和類人機(jī)器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機(jī)器人的手部夾持器（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門(mén)設(shè)計(jì)的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：
1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。
2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。
4.1.2手指的形狀和分類
夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。
4.1.3設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
1)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
2)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持物體的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。
3) 由3.1課題的技術(shù)要求可知。該機(jī)械手工作需要夾取的是方形托盤(pán)，托著的工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體；或φ50×50mm的塑料圓柱體。以鋁的密度計(jì)算，工件的最大質(zhì)量為0.264KG。加上2KG的托架，總共2.264KG。屬于輕載。所以最終決定選用氣壓傳動(dòng)的通用機(jī)械手。
作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下:
圖1：機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
由驅(qū)動(dòng)桿上的圓柱銷套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指?jìng)€(gè)繞其支點(diǎn)作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。
4.2 龍門(mén)機(jī)架的方案設(shè)計(jì)
4.2.1現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)方式的簡(jiǎn)述
通常來(lái)說(shuō)，用于步進(jìn)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般有以下幾類：
1.絲杠：是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的元件。普通梯形絲杠可以自鎖，但是傳動(dòng)效率較低不適合高速往返運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)效率高、精度高、噪音低，適合高速往返運(yùn)動(dòng)。但傳動(dòng)跨度不可太大。
2.齒條和小齒輪：承載力大，傳動(dòng)精度較高，可達(dá)0.1mm，可無(wú)限長(zhǎng)度對(duì)接延續(xù)，傳動(dòng)速度高。但噪音較大，較易磨損。
3.傳送帶（同步帶）：可以高速傳動(dòng)，噪聲低。缺點(diǎn)是不可長(zhǎng)距離傳動(dòng)，否則皮帶的變形會(huì)影響定位與控制。
4.齒輪組：是傳動(dòng)效率最高的傳動(dòng)元件。但是由于齒輪本身形狀的限制，無(wú)法應(yīng)用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)。
5.鏈條驅(qū)動(dòng)：載荷高，傳動(dòng)效率高。但鏈條的磨損會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)精度下降。
6.主軸驅(qū)動(dòng)：可調(diào)速范圍大，傳動(dòng)效率高。
4.2.2 X方向傳動(dòng)方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由X軸方向工作范圍為1000mm，要求在水平方向上精確定位，工作速度大于2m/min。故選用同步帶傳動(dòng)。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與水平方向上的從動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊做X方向的水平運(yùn)動(dòng)?；瑝K與同步帶通過(guò)齒輪傳動(dòng)。左右兩端安裝兩個(gè)限位裝置，限制位移。為保證傳動(dòng)的穩(wěn)定性，在上下兩側(cè)設(shè)計(jì)裝配了兩條平行導(dǎo)軌。
作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖2：X方向結(jié)構(gòu)示意圖
滑塊背面示意圖：
圖3：滑塊背面示意圖
4.2.3 Z方向傳動(dòng)方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由Z軸方向工作范圍為200mm，Z軸引動(dòng)器完成對(duì)工件提起或放下操作。其末端為抓取釋放工件的機(jī)械手，需精確定位。且在工作中需多次完成高速往返運(yùn)動(dòng)。故選用絲杠螺母副作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)螺母副固定，絲杠由頂端步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為保證傳動(dòng)的穩(wěn)定，在兩側(cè)設(shè)計(jì)裝配了兩條導(dǎo)軌。
作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖4：Z方向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
4.3總體方案
綜合上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)提出以下設(shè)計(jì)方案，龍門(mén)機(jī)架的同步帶機(jī)構(gòu)裝配在機(jī)架中間，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。絲杠螺母機(jī)構(gòu)安裝到一塊固定板上，再裝配到同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的滑板上。氣動(dòng)通用機(jī)械手裝配在絲杠螺母機(jī)構(gòu)的末端。
作總裝配的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖 5：總體方案結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計(jì)機(jī)械手的動(dòng)作流程如下：
圖 6：設(shè)計(jì)流程圖
5 進(jìn)度計(jì)劃
2014.12 調(diào)研、查找相關(guān)資料
2014.01 開(kāi)題、擬定總體設(shè)計(jì)方案
2015.02 完善開(kāi)題報(bào)告，完成文獻(xiàn)翻譯
2015.03~2015.04 設(shè)計(jì)計(jì)算、初步完成總裝配圖、部件圖、零件圖的繪制
2015.05~2015.06 完善圖紙、撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)
指導(dǎo)教師簽名：
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