铸造搬运机械手夹持结构设计开题报告

1、毕业设计（论文）开题报告题目：铸造搬运机械手夹持结构设计系 别专 业班 级姓 名学 号导 师1 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1机械手的概述机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和求实现自动抓取、搬运和操 作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用 机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量， 实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、有毒气体和放射性等恶为的环 境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、 焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业

2、、交通运输业等方面得到越来越广泛的引 用。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动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生 产设备。特别适合于多品种，变批量的柔性生产。机器人技术是综合了计算机，控制论, 机构学，信息和传感技术，人工智能，仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究 十分活跃，应用fi益广泛的领域。机器人应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标 志。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 种拟人的电子机械装置，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

3、、准确度高、抗恶劣环境的能力高，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设备，也是先进制造技术领域不可或 缺的自动化设备。1.2机械手在国内外的发展及现状机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。 它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是 示教形的。（机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。）1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名 为unimate （即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液 压驱动

4、；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展 起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫vewrsatran机械手。该机械手的中 央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代 初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国unimate公司和斯坦福大 学，麻省理工学院联合研制一种unimate-vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进 行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国knka公司还生产一种点焊机 械手，采用关节式结构和程序控制。应用案例如下：1）徳国ast机器人公司安装的180台机械手

5、，其中约60%装在铸造厂2）y815型主从控制关节式机械手适用于工作直径近10m、高3.2m的球面空间范围。此台机械手在第二汽车制造厂铸造三厂使用。3) 英国铸铁研究协会的液压关节式机械手，起重力为3000kn,液压抓勾回路中装 有液压蓄能器，在主回路压力波动时能维持抓力。4) pm500型机械手第二汽车制造厂铸造一厂该机械手是徳国k l e 1n公司制造 的，安装在一车间二次落砂鳞板处，从鳞板上将缸机械盖、刹车毅等铸件抓起 放于斗子里，将缸休抓起挂在悬链上。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了 3个阶段: 70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在

6、未来儿年，传感技术，激光 技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更 为高效，高质，运行成本低。今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救 灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。目前国内已基本掌握 了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硕件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技 术，生产了部分机器人关键元器件，开发岀喷漆、弧焊、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条自动喷漆生产线上获得规模应用, 弧焊机器人以应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其 工程应用的水平和国外比述

7、有一定的差距，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程 起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。以上原因主要是没有形成机 器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规模多、批量小、零部件通 用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量可靠性也不稳定。因此迫切需要解决 产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积 极推进产业化进程。冏“1. 3机械手的发展趋势及前景 机械手发展近几年有如下几个趋势：511.3.1重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装 置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同

8、样位置的精确程度。重复精度 比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差 是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机课差的范围， 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械 手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等1. 3. 2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼 装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安 装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由

9、于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用 范围，是机械手的一个重要的发展方向。1. 3. 3无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不 加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石 墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污 染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。1.3.4机电一体化由“可编程序控制器-传感器-液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技 术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控 制”进入到高精度的“反馈控制”；省

10、配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元 件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而 plc的输出功率在增大，由plc直接控制线圈变得越来越可能。 随着科学与技术的发 展，机械手的应用领域也不断扩大目前，机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金， 石油，化学，船舶等领域，同时也已开始扩大到核能，航空，航天，医药，生化等高科技领域 以及家庭清洁，医疗康复等服务业领域中.如，水下机器人，抛光机器人，打毛刺机器人， 擦玻璃机器人，高压线作业机器人，服装裁剪机器人，制衣机器人，管道机器人等特种机 器人以及扫雷机器人，作战机器人，侦察机器人，哨兵机器人，排雷机器人，布雷

11、机器人等 军用机器人都是机械手应用的典型。机械手广泛应用于各行各业而且，随着人类生活水 平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将 不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺102主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施2. 1主要设计内容：1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各 运动的性质以及排列顺序等。2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件组成的多自由度空间机构，传动 功能中驱动器安排和机构要合理。3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量 轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调

12、整。基本参数：抓重：300公斤，夹持范围：1100 （长）x 1500 （宽）x700 （高）mm2. 2研究方案本次设计的机械手是搬运机械手，适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序 的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣、动强度大和操作单调频繁的生产场合。2. 2. 1坐标形式的确定表2. 1各坐标系比较表坐标形式工作原理优点缺点直角坐标直角坐标机器人的 空间运动是用三个 相互垂直的直线运 动来实现的。由于直线运动易于实 现.全闭环的位置控制， 所以，直角坐标机器人 有可能达到很高的位置 精度（um级）。这种直角坐标机器人的 运动空间相对机器人的 结构尺寸来讲，是比较小 的。因此，

13、为了实现一定 的运动空间，直角坐标机 器人的结构尺寸要比其 他类型的机器人的结构 尺寸大得多。圆柱坐标圆柱坐标机器人的 空间运动是用一个 回转运动及两个直 线运动来实现的。这种机器人构造比 较简单，承载能力高， 常用于搬运作业。其工 作空间是一个圆柱状的 空间。精度较低球坐标球坐标机器人的空 间运动是由两个回 转运动和一个直线 运动来实现的。这种机器人结构简 单、成本较低，主要应 用于搬运作业。其工作 空间是一个类球形的空 间。精度相比之下较低承载能力低关节型关节型机器人的空 间运动是由三个回 转运动实现的关节型机器人动作灵 活，结构紧凑，占地面 积小。相对机器人本体 尺寸，其工作空间比较 大

14、。此种机器人在工业 中应用十分广泛，如焊 接、喷漆、搬运、装配 等关节型最大工作半径3m,不适合大距离空间 工作，或放置到直线运 动单元上。承载能力低， 有几种规格520kg其简图如图2. 1：图2. 1各种坐标形式的运动简图a.直角坐标式b.圆柱坐标式c.球坐标式d.关节式由于本机械手在工作时手臂具有升降、收缩及回转运动，要求承载力高，而圆柱坐 标具有占地面积小、动作范围大，承载力高等特点，这就刚好满足工件的整个搬运要求 下，综合各种因素，因此采用圆柱坐标形式。机械手示意图如图12所示：方案一1.大臂2升降液压机3大梁4.自重式抓手5工件移动副移动动匚末嬌执行件移动剛方案二图2.2机械手传动

15、示意图按照抓取工件的要求，本机械手有三个自由度，即手臂的仲缩、左右回转和升降运 动。以上俩方案都可以完成本设计要求的动作，但作比较，方案二的设计更为灵活，更 为优势。2. 2. 2机械手的驱动方式的选择他工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这 三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。表二驱动比较表驱动形式优点缺点液压驱动系统液压技术是一种比较成熟 的技术，它具有动力大、力（或 力矩）与惯量比大、快速响应高、 易于实现直接驱动等特点。适合 于在承载能力大，惯量大以及在 防火防爆的环境中工作的机器 人。液压系统需要进行能量转 换（电能

16、转换成液压能）， 速度控制多数情况下采用 节流调速，效率比电动驱 动系统低，液压系统的液 体泄露会对环境产生污 染，工作噪音也较高。【山气动驱动系统具有速度快，系统结构简 单，维修方便、价格低等特点。因难于实现伺服控制，多 用于程序控制的机器人适用于中、小负荷的机器人中采 用。屮0抓重力低电动驱动系统低惯量、大转矩的交、直流伺服 电机及其配套的伺服驱动器（交 流变频器、直流脉冲宽度调制 器）的广泛采用，这类驱动系统 在机器人中被大量釆用。这类驱 动系统不需要能量转换，使用方 便，噪声较低，控制灵活。由于大多数电机后而需安 装精密的传动机构。直流 有刷电机不能直接用于要 求防爆的工作环境中，成

17、本上也较其他两种驱动系 统高根据整个机械手的工作过程来看，由于抓取的重量较大（300公斤），而且生产节 拍较长。针对液压驱动的主要特点：1. 抓重可达到几百公斤以上2. 传动平稳3. 结构紧凑4. 动作灵敏根据设计的要求，结合各驱动特点，故采用抓重力大、传动平稳的液压传动。2. 2. 3执行机构1）抓手本设计的抓手采用齿轮齿条式手部，这种手部结构适用于抓取垂直上升或水平移动 的重型工件，根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支 点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成v型，其结构如附图所示。 示意图如图2. 3：q %图2.3手部结构图2）大梁大梁是支承被抓

18、物件、手部的重要部件。大梁的作用是带动抓手去抓取物件，并按 预定要求将其搬运到指定的位置。它的升降和水平的伸缩运动都为直线运动。考虑到机 械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，手臂的调节采用手动螺栓调节3）大臂大臂是支承大梁的部件，大臂也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动 均与大臂有密切的联系。机械手的大臂通常为固定不动的，即采用固定式。（向 3重点及难点，前期已开展工作重点：保证各个结构之间的相互合理配合，使之能连续工作，有节奏，安全地成产。难点：机械手大臂的设计与计算，机械手抓手的设计与计算，机械手传动和驱动的 设计计算，以及各个过程参数的确定，绘制图形。已经展开的工作：读书馆借

19、书，网上查询有关书籍和资料，了解设计的大致方向， 了解上料机械手的大体结构和工作原理。4.工作方案及进度计划12周：调研，查阅相关资料，着手开题报告；34周：总体设计以及方案论证，深化方案具体实施步骤，完成开题报告；56周：分析机械手工况，确定机械手的载荷，并根据工况确定计算准则；78周：机械手的具体方案设计；910周：机械手的参数总体计算以及校核，准备中期检查；12周：机械手的结构设计以及分析；1314周：完成装配图设计，验证校核；1516周：撰写毕业论文以及外文资料的翻译；1718周：修改毕业论文及准备毕业答辩；5指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师：年 月 日6所在系

20、审查意见:系主管领导：年 月 日参考文献1 李允文.工业机械手设计m.北京：机械工业岀版社.19962 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略j.北京：机械人技术.2001.43 王承义.机械手及其应用m.北京：机械工业出版社.19814 金茂青.国外工业机械人发展的态势分析j.北京：中国铁道出版社2001.25 张建民.工业机器人m北京：北京工业大学出版社.19886 唐保宁高学满.机械设计与制造简明手册m.上海：同济大学出版社.19937 费仁元.张慧慧.机器人机械设计和分析m.北京：北京工业出版社.19988 周宏.气动工程手册m北京：国防工业出版社.19959 周洪.陆鑫盛.自动化系统的优化设计d.上海：上海科学技术文献出版社e10柳洪义.宋伟刚