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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(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用 消費品的產(chǎn)業(yè) 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)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(jīng)濟的戰(zhàn)略重 點之一 生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)是不連續(xù)的 單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 加快實現(xiàn)工業(yè) 生產(chǎn)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(chǎn) 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(chǎn)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(chǎn)的節(jié)拍 便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn) 3 國內(nèi)外研究概況 水平和發(fā)展趨勢 應用前景 目前國內(nèi)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(chǎn)發(fā)展的需要 所以 在國內(nèi)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(jīng)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(chǎn) 品達到 6 軸 負載 2KG 的產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)權的產(chǎn)品 從根本上解決對國外產(chǎn)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(jīng)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(jīng)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