工業(yè)機械手設計及運動結構分析【六自由度機械手】,六自由度機械手,工業(yè)機械手設計及運動結構分析【六自由度機械手】,工業(yè),機械手,設計,運動,結構,分析,自由度 開題報告 題 目：專用機械手設計與工程分析 系 別 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 2010年 11 月 28 日 開題報告填寫要求 1．開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成。 2．開題報告內容必須按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應及時交給指導教師審閱。 3．開題報告字數(shù)應在1500字以上，參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應標出文獻序號，“參考文獻”應按附件中《參考文獻“注釋格式”》的要求書寫。 4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯數(shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。 撰寫內容要求（可加頁，小四號宋體，行距22磅）： 1. 綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況） 題目背景： 機械手是模仿人手的部分動作，按照給定的程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或者操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣和放射性等惡劣環(huán)境中，它可以代替人進行正常的工作，意義更為重大。通過機械設計的設計，綜合訓練學生四年所學設計、分析和制造方面的綜合知識。 機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動和復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。 研究意義： 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？墒菣C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在加工機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序自動化而產(chǎn)生的。 國內外情況： 目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序;機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆注行業(yè)中用于提取高溫爐液等。 目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 國外也出現(xiàn)了第三代機械手，它能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算 機和電視設備保持聯(lián)系。 2. 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 主要內容： 題目內容主要包括三個方面，專用機械手設計，建模和工程分析： A. 在設計方面要求依據(jù)設計參數(shù)，設計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結構。 B.在建模方面要求建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。 C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析機械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。 D. 運動分析方面要求提取六自由度機械手手指的速度，加速度，特性。并輸出運動規(guī)律曲線 。 E. 整個機械臂安裝在一個回轉支座上，回轉角度范圍為360度；大臂可做升降運動；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。 研究方案： 1. 驅動系統(tǒng)的選擇。工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動使各部件動作的機構，對工業(yè)機器人的性能和功能影響很大。它為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動作。工業(yè)機器人驅動方式主要有機械、液壓、電動、氣動四種。這四種方式各自都有自己不同的特點。在實際應用中，工業(yè)機器人還有可能用到組合的驅動方式，或者在一個機器人的不同關節(jié)部位，可采用不同的驅動方式。不過總的來說，到底選用那種驅動主要取決于機器人的工作情況。 2. 機械手的設計方案。a.手爪的開合方式：滑槽杠桿式回轉型、雙支點連桿杠桿式、齒輪齒條杠桿式、手爪平行開閉式;b.手爪開合的驅動方式:氣壓驅動、液壓驅動、電機驅動;c.手臂的擺動:利用步進電機驅動和直齒輪傳動來實現(xiàn)手臂的擺動;e機械手臂的轉動:利用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動。 研究方法或措施： 1. 驅動系統(tǒng)的選擇。四種驅動方式的對比： 機械傳動 電機驅動 氣壓傳動 液壓傳動 內容 異步電機，直流電機 步進或伺服電機 輸 力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力 矩小，如需輸出力矩較大，結構尺寸過大 液體壓力高，可以獲得較大的輸出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機構控制，定位精度高，可與主機嚴格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜 可高速，氣體壓縮性大，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當自由度多時，機構復雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復雜 維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小 維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火 應用范圍 適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專用機械手 可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手 中小型專用通用機械手都有 中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用 成本 結構簡單，成本低 成本低 成本較高 結構簡單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復雜 由上表可知，氣壓傳動雖然輸出力矩較小，但同時他具有控制簡單和成本低的突出優(yōu)點。結合以上三種原理方案的特點進行綜合比較，決定采用第3種方案進行本次設計。根據(jù)所要設計機器人的特點，夾取工件的重量較小。對于手爪的開合，采用氣壓驅動，機械手臂的轉動采用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)，手臂的擺動采用步進電機驅動和直齒輪傳動來實現(xiàn)，這樣可以使機器人的占地面積較小，還可以得到較高的回轉精度。 2.機械手的設計方案。 方案1：采用齒輪齒條杠桿式手部，手爪開合采用液壓驅動；手臂的擺動采用異步電機（大臂和小臂）；機械手臂的轉動采用電機驅動，傳動機構采用齒輪機構。 該方案的特點是：布置結構較大，質量較重，不過腰部和臂部電機驅動輸出力，得到比較大的直線運動力和回轉運動力。 方案2：采用滑槽杠桿式手部，手爪開合采用氣壓驅動；手臂的擺動采用液壓驅動；手臂的轉動采用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。 該方案的特點是：整體選用氣壓驅動結構，節(jié)省成本，對環(huán)境無污染。步進電機驅動可以得到精確的回轉角度。但是考慮到工作場合是在高溫條件下不適合采用油控裝置。 方案3：采用平行開閉式機械手，氣壓驅動；手臂擺動選用齒輪傳動，電機驅動。手臂的轉動也采用步進電機驅動與錐齒輪傳動。 該方案的特點是：在整體中采用了兩各種不同的驅動，本著發(fā)揮每種驅動的優(yōu)點去設計。但是該方案要求的控制系統(tǒng)比較精確復，能夠達到機器手的運動要求，整體質量也較為輕，機構簡單。 3. 本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 課題重點： 為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需要六個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。 課題難點： 機械手的定位方式。機械擋塊的定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。 機械手的轉動功能。本課題的機械手轉動功能的實現(xiàn)是由步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。 前期已開展工作： 調研和收集資料，熟悉Mastercam等機械手設計的相關軟件，學習運用Mastercam 進行模具設計；調查有關的機械手的設計，學習別人的設計思路，為自己設計的展開做好準備。 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫） 第1周：收集資料，借閱參考書，下載相關英文文獻。 第2～8周：要求依據(jù)設計參數(shù)，設計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結構。選擇驅動電機。 第8～14周：建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。 第14～16周：要求合理確定約束條件，分析機械手在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。 第16～18周：分析結論撰寫論文。 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 注：1. 正文：宋體小四號字，行距22磅。 2. 開題報告由各系集中歸檔保存。 參考文獻 [1] 徐灝主.《機械設計手冊3》 機械工業(yè)出版社，2004 [2] 徐灝主.《機械設計手冊4》 機械工業(yè)出版社，2004 [3] 徐灝主.《機械設計手冊5》 機械工業(yè)出版社，2004 [4] 張建民.《工業(yè)機器人》 北京理工大學出版社，1988 [5] 《工業(yè)機械手》編寫組.《工業(yè)機器人手-機械結構上》 上?？茖W技術出版社 [6] 丁樹模.《液壓傳動》 機械工業(yè)出版社 ，2006 [7] 孫桓,陳作模,葛文杰.《機械原理》 高等教育出版社, [8] 濮良貴 紀名剛.《機械設計（第八版）》 高等教育出版社，2006 [9] 馬香峰.《工業(yè)機器人的操作機設計》 冶金工業(yè)出版社，1996 [10] M·索羅門采夫（俄 ）.《工業(yè)機器人圖冊》 機械工業(yè)出版社，1993 [11] 殷際英 何廣平.《關節(jié)型機器人》 化學工業(yè)出版社，2003 [12] 劉中偉.《液壓與氣壓傳動》 化學工業(yè)出版社， [13] 向敬忠.《機械設計課程圖冊》 化學工業(yè)出版社，2009 [14] Franklin S Malick, Monroneville.Portable robot with automatic Pa． Patent No:4887016,Dec．12,1989 [15] Fredilk Persson, Subject to any disclaimerHakan Hvittfeld,Jan Larsson． Patent No:7188544B2 Mar．13,2007 [16] YE Ping, SUN Han-xu, JIA Qing-xuan.Research on Fault-Tolerant Control System for SpaceModular Manipulator System Patent No: 1000-9361, August 2006