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畢業(yè)設計 論文 任務書 機械設計制造及其自動化專業(yè) 1102 班 學生 許文蘭 畢業(yè)設計 論文 題目 搬運機械手結構設計 畢業(yè)設計 論文 內容 1 設計說明書一份 2 CAD 圖紙一套 包括總裝圖 零件圖 3 文獻綜述 不少于 3000 字 畢業(yè)設計 論文 專題部分 搬運機械手結構 起止時間 2015 年 3 月 6 日至 2015 年 6 月 5 日 指導教師 簽字 2015 年 3 月 6 日 沈陽化工大學科亞學院畢業(yè)論文文獻綜述 搬運機械手結構設計文獻綜述 姓名 許文蘭 班級 機制 1102 班 指導老師 趙艷春 摘要 機械工業(yè)是國民的裝備部 是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用 消費品的產業(yè) 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水 平的重要標志 因此 世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重 點之一 生產水平及科學技術的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā) 展 現(xiàn)代工業(yè)中 生產過程的機械機械化 自動化已成為突出的主題 然而在 機械工業(yè)中 加工 裝配等生產是不連續(xù)的 單靠人力將這些不連續(xù)的生產工 序接起來 不僅費時而且效率不高 同時人的勞動強度非常大 有時還會出現(xiàn) 失誤及傷害 顯然 這嚴重影響制約了整個生產過程的效率和自動化程度 機 械手的應用很好的解決了這一情況 它不存在重復的偶然失誤 也能有效地避 免了人身事故 關鍵詞 PLC 控制技術 機械手 應用與發(fā)展 1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構 驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成 其組成及相 互關系如下圖 1 1 執(zhí)行機構 1 手部 手部安裝在手臂的前端 通過手臂前端的氣動機構帶動 手指 運動 已 達到對產品的抓取與放置 機械手手部的機構系模仿人的手指 分為無關節(jié) 固定關節(jié)和自由關節(jié)三 種 手指的數(shù)量又可以分為二指 三指等 其中以二指用的最多 可以根據(jù)夾 持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭 以適應操作需要 2 手臂 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分 本課題所做的機械手采用無關節(jié)機械手 臂 其主要作用是引導機械手部準確的抓住工件 并運送到所需要的位置上 為了使機械手能夠正確的工作 手臂的三個自由度都需要精確的定位 總述 機械手的運動離不開直線移動和轉動兩種 因此 它采用的執(zhí)行機 構主要是齒輪 齒條 步進電動機 氣缸等 軀干是安裝手臂 動力源和執(zhí)行 機構的支架 1 2 驅動機構 驅動機構主要有四種 液壓驅動 氣壓驅動 電氣驅動和機械驅動 其中 以液壓氣壓傳動用的占 90 以上 而電動 機械確定用的較少 1 液壓驅動主要是通過油缸 閥 油泵和油箱等實現(xiàn)傳動 它利用油缸 馬達加上齒輪 齒條實現(xiàn)直線運動 利用擺動油缸 馬達與減速器 油缸與齒 條 齒輪或鏈條 鏈輪等實現(xiàn)回轉運動 液壓驅動的優(yōu)點是壓力高 體積小 出力大 運動平緩 可無極變速 自鎖方便 并能在中間位置停止 缺點是需 要配備壓力源 系統(tǒng)復雜成本較高 2 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸 氣壓馬達 氣閥等 一般采用 4 6 個 大氣壓 個別的達到 8 10 個大氣壓 它的優(yōu)點是氣源方便 維護簡單 成本低 缺點是出力小 體積大 由于空氣的可壓縮性大 很難實現(xiàn)中間位置的停止 只能用于點位控制 而且潤滑性較差 氣壓系統(tǒng)容易生銹 3 電氣驅動采用的不多 現(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力 用大減速比 減速器來驅動執(zhí)行機構 直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構 有的采用直 線電動機 通用機械手則考慮用步進電機 直流或交流的伺服電機 變速箱等 電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單 維護 使用方便 驅動機構和控制系統(tǒng)可以采 用統(tǒng)一形式的動力 出力比較大 缺點是控制響應速度比較慢 4 機械驅動只用于固定的場合 一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的工作 它 的優(yōu)點是動作確實可靠 速度高 成本低 缺點是不易調整 1 3 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素主要包括工作順序 到達位置 動作時間和運動速 度等 控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求 設計采用數(shù)字順序控制 它首先要標志程序 加以存儲 然后再根據(jù)規(guī)定的程序 控制機械手進行工作 隨著科學技術的發(fā) 展 PLC 控制技術在機械手控制方面也越來越多地被應用 2 在機械工業(yè)中 機械手的應用具有以下意義 2 1 可以提高生產過程的自動化程度 應用機械手有利于提高原材料的傳送 工件的裝卸 刀具的更換以及機器裝 配等的自動化程度 從而可以提高勞動生產率 降低生產成本 加快實現(xiàn)工業(yè) 生產機械化和自動化的步伐 2 2 可以改善勞動條件 避免人身事故 在高溫 高壓 低溫 低壓 有灰塵 噪聲 臭味 以及有放射性或有其 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或根本不可 能完成的 而應用機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 了工人的勞動條件 同時 在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中 以機械手 代替人手進行工作 可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故 2 3 可以減少人力 便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人手進行工作 這是直接減少人力的一個側面 同時由于 應用機械手可以連續(xù)地工作 這是減少人力的另一個側面 因此 在自動化機 床和綜合加工自動生產線上目前幾乎都設有機械手 以減少人力和更準確地控 制生產的節(jié)拍 便于有節(jié)奏地進行生產 3 國內外研究概況 水平和發(fā)展趨勢 應用前景 目前國內機械手主要用于機床加工 鑄造 熱處理等方面 數(shù)量 品種 性 能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要 所以 在國內主要是逐步擴大應用范 圍 重點發(fā)展鑄造 熱處理方面的機械手 以減輕勞動強度 改善作業(yè)條件 在應用專用機械手的同時 相應的發(fā)展通用機械手 有條件的還要研制示教式 機械手 計算機控制機械手和組合機械手等 同時要提高速度 減少沖擊 正 確定位 以便更好地發(fā)揮機械手的作用 此外還應大力研究伺服型 記憶再現(xiàn) 型 以及具有觸覺 視覺等性能的機械手 并考慮與計算機連用 逐步成為整 個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多 發(fā)展也很快 目前主要用于機床 橫鍛壓力機的上下料 以及點焊 噴漆等作業(yè) 它可按照事先指定的作業(yè)程序 來完成規(guī)定的操作 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手 使它具有一定的傳感能力 能反饋外界條件的變化 作相應的變更 如位置發(fā) 生稍許偏差時 即能更正并自行檢測 重點是研究視覺功能和觸覺功能 目前 已經取得一定成績 目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化 高速化 多軸化 輕量化的發(fā)展趨 勢 定位精度可以滿足微米及亞微米級要求 運行速度可以達到 3m s 量新產 品達到 6 軸 負載 2KG 的產品系統(tǒng)總重已突破 100KG 更重要的是將機械手 柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合 從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工 操作狀態(tài) 同時 隨著機械手的小型化和微型化 其應用領域將會突破傳統(tǒng)的 機械領域 而向著電子信息 生物技術 生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展 4 研究內容 目前國際機械人界都在加大科研力度 進行機械手共性技術的研究 并朝 著智能化和多樣化方向發(fā)展 主要研究內容集中在以下幾個方面 1 工業(yè)機械手的優(yōu)化設計技術 探索新的高強度輕質材料 進一步提高負 載 自重比 同時機構向著模塊化 可重構方向發(fā)展 2 機械手控制技術 重點研發(fā)開放式 模塊化控制系統(tǒng) 人機界面更加友 好 語言 圖形編程界面正在研制之中 機械手控制器的標準化和網(wǎng)絡化 以及基 于 PC 機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點 編程技術除進一步提高在線編程的可操 作性之外 離線編程的實用化將成為研究重點 3 多傳感器系統(tǒng) 為進一步提高機械手的智能和適應性 多種傳感器的使 用是其問題解決的關鍵 其研究熱點在于有效可行的多傳感器信息融合算法 特別是在非線性及非平穩(wěn) 非正態(tài)分布的情形下的多傳感器信息融合算法 另 一個問題就是傳感系統(tǒng)的實用化 4 機械手的結構靈巧 控制系統(tǒng)愈來愈小 二者正朝著一體化方向發(fā)展 5 機械手遙控及監(jiān)控技術 辦自主和自主技術 多個機械手和操作者之間 的協(xié)調控制 通過網(wǎng)絡建立大范圍內的機械手遙控系統(tǒng) 在有時延的情況下 建立預先顯示進行遙控等 6 虛擬機械手技術 基于多傳感器 多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術 實現(xiàn)機械手的虛擬遙控操作和人機交互 7 多智能體調節(jié)控制技術 這是目前機械手研究的一個嶄新領域 主要對 多智能體的群體體系結構 相互間的通信與磋商機理 感知與學習方法 建模 和規(guī)劃 群體行為控制等方面進行研究 8 軟機械手技術 主要用于醫(yī)療 護理 休閑和娛樂場所 傳統(tǒng)機械手設 計未考慮與人緊密共處 因此其結構材料多為金屬或硬性材料 軟機械手技術 要求其結構 控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機械手意外地與環(huán)境或人碰撞時是安 全的 機器人對人是友好的 9 仿人和仿生技術 這是機械手技術發(fā)展的最高境界 目前僅在某些方面 進行一些基礎研究 5 總結 我國機械手的研發(fā)和應用還處在一個發(fā)展的階段 跟美國日本等發(fā)達國家 相比還有很大的差距 很多產品還需進口 特別是高靈活 高精度的機械手 要使我國機械工業(yè)更進一步再發(fā)展壯大 就必須提高其自動化程度和生產效率 將人手操作變?yōu)闄C械手操作 同時 國家應加大對機械手及機器人的研發(fā)投入 積極開發(fā)出擁有自主知識產權的產品 從根本上解決對國外產品的進口需求 6 參考文獻 1 楊黎明 機械零件設計手冊 第一版 國防工業(yè)出版社 1986 12 2 李允文 工業(yè)機械設計手冊 北京 機械工業(yè)出版社 1994 8 3 侯析 劉濤 裝卸機械手設計研究 機械工業(yè)出版社 2004 7 4 盧頌峰 機械設計課程設計手冊 第一版 機械工業(yè)出版社 1998 4 5 陳新元 張安龍 裝配線機械手電氣混合控制 液壓與氣動 2007 3 6 徐國華 譚民 移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢 J 機器人技術與應用 2001 3 7 14 7 張明路 劉興榮 機器人立體視覺研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J 信息與控制 2002 31 7 715 720 8 戈新良 張明路 多傳感器信息融合技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 J 河北 工業(yè)大學學報 2003 32 2 30 35 9 王建中 齊偉偉等 基于一種新誤差模型的移動機器人模糊控制 J 北 京理工大學學報 2006 3 10 楊欣欣 何克忠 郭木河 張拔 基于神經網(wǎng)絡的室外移動機器人前輪轉 向模型 J 自動化學報 2000 2 11 孫煒 王榷南 模糊 B 樣條基神經網(wǎng)絡及其在機器人軌跡跟蹤中的應用 J 動力學與控制學報 2005 1 12 李允文 工業(yè)機械手設計 M 機械工業(yè)出版社 1996 4 6 13 張軍 封志輝 多工步搬運機械手的設計 M 機械設計 2004 4 21 30 14 王承義編 機械手及其應用 M 機械工業(yè)出版社 1981 6 15 楊黎明 黃凱 李恩至 陳仕賢編 機械零件設計手冊 國防工業(yè)出版社 1993 6 16 天津大學 工業(yè)機械手設計基礎 編寫組編 工業(yè)機械手設計基礎 M 天 津科學技術出版社 1980 8 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 1 摘要 用于再現(xiàn)人手的功能的技術裝置稱為機械手 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 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 捉 奸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 氣液壓技術 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 隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要 機械手在工業(yè)應用中越來越重要 文 章主要敘述了機械手的設計計算過程 首先 本文介紹了機械手的作用 機械手的組成和分類 說明了自 由度和機械手整體坐標的形式 同時 本文給出了這臺機械手的主要性 能規(guī)格參量 其次 文章中全面詳盡地搬運機械手的手部 腕部 手臂以及機身 等主要部件的結構設計 關鍵詞 機械手 自由度 手部 腕部 Abstract 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 2 Used to reproduce the functions of staff of the technological device called a mechanical hand Robot is to imitate some of the staff action according to the reproduce and requirements for automatic trajectory crawling handing or operation of the automatic mechanical devices Industrial robot is in the field of modern automatic control of a new technology and machinery has become a modern production system an important component of this new technology has developed rapidly becoming an emerging discipline mechanical hand project Manipulator involves mechanics mechanics electrical hydraulic technology such as science is an interdisciplinary technology The applying of the manipulators are more and more important in the industry with the development of industrial automation The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator The first the paper introduces the function composing and classification of the manipulator tells out the free degree and the form of coordinate At the same time the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator In this article the comprehensive exhaustive discussion has transported manipulator s hand the wrist the arm the fuselage and so on which the major structural design computation Key words Manipulator Freedom Hand Wrist 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 3 目 錄 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 4 第一章引 言 1 第二章手部結構設計 3 2 1 手抓的結構選定 3 2 2 液壓缸的選定 4 2 2 1 液壓缸內徑的確定 4 2 2 2 液壓缸外徑的確定 4 2 2 3 缸筒壁厚校核 5 2 2 4 液壓缸活塞桿的確定及校核 6 2 2 5 活塞的最大行程 6 2 2 6 缸筒底部厚度的確定 7 2 2 7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?7 2 2 8 缸筒頭部法蘭厚度的確定 8 2 2 9 液壓缸其它元件的確定 9 第三章擺動缸的選定 11 3 1 聯(lián)接部分的設計 11 3 2 聯(lián)接部分材料的選定與聯(lián)接方法 11 第四章手臂的結構設計 12 4 1 手臂的結構初定 12 4 2 小臂受力分析 12 4 3 小臂液壓缸的確定 13 4 3 1 小臂液壓缸的受力分析 13 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 5 4 3 2 液壓缸內徑的確定 13 4 3 3 液壓缸外徑的確定 14 4 3 4 缸筒壁厚校核 15 4 3 5 液壓缸活塞桿的確定及校核 15 4 3 6 活塞的最大行程 16 4 3 7 缸筒底部厚度的確定 16 4 3 8 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?17 4 3 9 缸筒頭部法蘭厚度的確定 18 4 3 10 液壓缸其它元件的確定 19 4 4 小臂套筒的設計 19 4 4 1 材料的選定 19 4 4 2 內套的設計 20 4 4 3 外套的設計 20 第五章支小臂液壓缸的確定 21 5 1 支小臂液壓缸的擺動角度確定 21 5 2 支小臂缸的受力分析 21 5 3 液壓缸的確定 22 5 3 1 液壓缸內徑的確定 22 5 3 2 液壓缸外徑及壁厚的確定 22 5 3 3 缸筒壁厚的校核 23 5 3 4 液壓缸活塞桿的確定及校核 24 5 3 5 活塞桿的最大允許行程 24 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 6 5 3 6 缸筒底部厚度的確定 25 5 3 7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?25 5 3 8 缸蓋頭部法蘭厚度的確定 27 5 3 9 缸筒與端部焊接 27 5 3 10 液壓缸的其他元件的確定 28 第六章大臂的結構設計 29 6 1 大臂材料的選定 29 6 2 大臂受力分析 29 6 3 支大臂液壓缸的確定 30 6 3 1 液壓缸內徑的確定 30 6 3 2 液壓缸外徑及壁厚的確定 31 6 3 3 缸筒壁厚的校核 32 6 3 4 液壓缸活塞桿的確定及校核 32 6 3 5 活塞桿的最大允許行程 33 6 3 6 缸筒底部厚度的確定 33 6 3 7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?34 6 3 8 缸蓋頭部法蘭厚度的確定 35 6 3 9 缸筒與端部焊接 36 6 3 10 液壓缸的其他元件的確定 36 第七章大臂回轉缸的設計 38 7 1 回轉缸的確定 38 7 1 1 回轉缸的受力分析及內徑的確定 38 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 7 7 1 2 液壓缸外徑的確定 38 7 1 3 缸筒壁厚校核 39 7 1 4 液壓缸活塞桿的確定及校核 40 7 1 5 活塞的最大行程 40 7 1 6 缸筒底部厚度的確定 41 7 1 7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?41 7 1 8 缸筒頭部法蘭厚度的確定 42 7 1 9 液壓缸其它元件的確定 43 第八章底座的設計 44 8 1 底座材料及尺寸的選定 44 8 2 底板螺栓的確定 44 8 2 1 受翻轉力矩的螺栓組連接 45 8 2 2 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?45 第九章液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 47 9 1 各液壓缸的換向回路 47 9 2 調速方案 47 第十章計算和選擇液壓元件 48 10 1 閥的種類和功用 48 10 2 擬定液壓系統(tǒng) 49 10 3 油泵的選擇 49 10 4 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 50 第十一章液壓系統(tǒng)原理圖 52 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻 8 結 論 54 致 謝 55 參考文獻 56