自动上下料机械手设计

自拟

工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、驱动控制系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。

而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

 

 

 

 

 

 

 

 

工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的。

我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。

目前，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。

世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

本次设计的机械手为机床上下料机械手，圆柱体工件约30千克，要求下料之后马上上料,一次完成上下料两步骤。

机械手动作顺序：加工工位等候--机械手臂下降--手爪收拢夹紧已加工好的工件--手臂上升--手臂回转至卸料工位--手臂下降--（手腕回转）手爪松开工件--手臂上升--回转至加工工位--手臂下降--手爪松开工件--手臂上升至等待工位等候。

一、机械手驱动系统的选择：

设计机械手时,选择哪一类驱动系统,要根据机械手的用途,作业要求,机械手的性能规范,控制功能,维护的复杂程度,运行的功耗,性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑.在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性,可行性,经济性以及可靠性后进行最终的选择。按动力源的不同机器人又分为:电气驱动、液压驱动、气动驱动三种。液压驱动的特点是功率大，气动驱动存在冲击力大，精度难以控制等缺点，而电气驱动具有控制方便、J性能好等优点。（综合考虑本机械手采用液压驱动）

二、机械手结构设计：

机械结构是物料抓取机械手最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。

机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型和关节型。

直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有耦合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单;缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。

球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。

关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大;缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。

针对该上下料机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型。

三、手部的结构设计：

手部就是与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当被夹持工件是圆柱刀柄时，使用夹持式手部;当该机械手做其他用途，被夹持工件是板料时，可使用气流负压式吸盘。（本课题工件为圆柱体工件，所以手部采用夹持式）

 

 

 

 

 

 

1、机械手结构设计及主要参数的确定

2、机械手传动方式的选择和设计

3、机械手控制系统的选择和设计

 

 

 

 

 

 

因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。

 

 

 

 

 

第一阶段：时间：17年6月24日——17年7月15日

内容：文献资料检索，完成任务书和开题报告。

第二阶段：时间：17年7月16日——17年7月30日

内容：修改开题报告，拟定总体方案。

第三阶段：时间：17年7月31日——17年8月26日

内容：总体方案及主要部件设计。

第四阶段：时间：17年8月27日——17年10月28日

内容：撰写论文，完成设计。

第五阶段：时间：17年10月29日——17年11月12日

内容：完成论文，准备答辩。

 

 

 

（指能够支持“课题背景”、“课题研究现状及发展趋势”所论述内容的主要文献资料）

 

[1]唐增宝、常建蛾.机械设计课程设计.华中科技大学出版社，2006.

[2]王为、汪建晓.机械设计.华中科技大学出版社，2007

[3]邓星钟.机电传动控制.华中科技大学出版社，2001

[4]杨叔子、杨克聪.机械工程控制基础，华中科技大学出版社，2002

[5]左建民.液压与气压传动.机械工业出版社，2006

[6]胡学林.可编程控制器(基础篇).北京: 电子工业出版社,2003

[7]胡学林.可编程控制器(实训篇).北京: 电子工业出版社,2004

[8]孙兵、赵斌、施永康.物料搬运机械手的研制.机电一体化.2005，11：43-45

[9]李建勇.机电一体化技术.北京: 科学出版社, 2004

[10]沈兴全、吴秀玲.液压传动与控制.北京:国防工业出版社,2005

[11]邓星钟. 机电传动控制(第三版).武汉: 华中科技大学出版社,2001

[12]张波、李卫民、尚锐.多功能上下料用机械手液压系统.2002，8：31-32

[13]Solomatine,D.Object-orientationin hydraulic modeling architectures.Journal of computing in civil engineering,1996(4)

[14]Gregory D Hager, Wen-Chung Chang, AS Morse. Robot Hand-Eye Coordination Based on Stereo Vision . IEEE Control Systems Magazine, 1995; 15(1):30~39

 

 

 

 

 

进行了课题调研，已明确课题任务，同意进入下阶段毕业设计工作。

 

系（教研室）审查意见：