搬运机械手设计解析

专业课程设计专业课程设计说明书课题名称搬运机械手及其运动仿真设计指导教师王潍学生学号20120421464学生姓名杨义学生班级机自1210班成 绩设计时间2015年11月2日2015年11月13日目 录第1章 课题规划11.1 课题背景分析11.2 设计任务书3第2章 功能分析42.1 设计任务功能分析42.1.1 总功能提炼42.1.2 功能分解42.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制42.2 本章小结5第3章 系统原理方案设计73.1 功能单元求解73.1.1 分功能求解73.1.2 系统原理方案综合求解73.1.3 方案优化及评价73.2 本章小结7第4章 总体设计94.1 系统总体结构草图94.2 本章小结14第5章 总结15参考文献1717 专业课程设计第1章 课题规划1.1 课题背景分析从1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。 伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。 作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。 早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。 5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。 6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。 总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.2 设计任务书设计任务书课题编号课题名称机械手搬运设计及其运动仿真起止时间2015.11.1-2015.11.13设 计 要 求1功能主要功能：辅助功能：2适应性作业对象：物料形状、尺寸、理化性质等工 况：负荷变化环 境：温度、湿度、振动、噪声、灰尘等3性能动 力：功率、力、转矩运 动：运动形式、速度、加速度结构尺寸：作业尺寸、体积、重量4生产能力生产率（理论的、额定的、实际的）5可 靠 性可靠度、维修度、有效度6使用寿命一次性使用寿命、多次性使用寿命（经过大修）7经济成本材料费用、设计费用、制造加工费用、管理费用8人机工程操作方便、省力、视野宽广、舒适、仪表显示清晰造型美观适度9安 全保证人身、设备安全10包装运输考虑产品运输方法，如起重防震、防腐、防锈等，各种标记第2章 功能分析2.1 设计任务功能分析2.1.1 总功能提炼利用机械手做一些机械性枯燥无限重复的劳动，以及一些中型需要花费大量人力来搬运的动作，减轻人在工作中的工作疲劳程度，还可以代替人们做一些危险性比较大的劳动，人只需在一旁操作，见情人的劳动量。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。 机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。2.1.2 功能分解能够快速、平稳准确地夹起物料并完成搬运动作是物料搬运机械手最基本的功能要求，这要求具备较高的精度、一定的承载能力、足够的运行空间，当然灵活的自由度和一定动作运行平稳性也是必不可少的。在对物料搬运机械手进行设计时，必须先根据机械手所要完成的动作，选择合适的机械手结构，确定各个工作的时间分配及动作顺序，拟定机械手的工序，明确所要搬运的物料重量和尺寸以及搬运所要求满足的精度等等，进而确定对机械手运行控制的要求，在兼顾通用性和专用性的同时，尽量选用己经定型的标准组件，以实现机械手的模块化。 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成1。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力，便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。 综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。2.2 本章小结 通过对机械手的学习，资料库的查询，学到了机械手分为液压传动，气压传动以及齿轮传动的机械手，功能能做到的也是很多的，比如很多的简单而又重复的机械性的动作就可以用机械手来代替，减轻人们的负担，丰富认得生活，机械手又能代替人类做一些人所不能及的动作，比如大型，重型的物件就需要机械手来代替人类做到这些，并且很多的危险性比较高的动作以及工作环境恶劣的工作，机械手也可以做到这些。第3章 系统原理方案设计3.1 功能单元求解3.1.1 分功能求解分功能求解就是寻求完成分功能的技术实体（功能载体）。3.1.2 系统原理方案综合求解直角坐标形 直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。圆柱坐标形式 圆柱坐标形式是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用空间小，而动作范伟较大等优点。球坐标形式 球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手1。3.1.3 方案优化及评价综合相关的资料可知，运用液压传动时，承载能力较大，动作冲击小，缓冲作用好，与机械传动、电气传动相比，液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置；重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）；可自动实现过载保护。一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。很容易实现直线运动。 很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。总起来是液压传动的效果在本设计的课题中是比较实用的。3.2 本章小结 通过功能解以及黑箱法跟功能结构图，充分认识到在为了实现一个功能可以有很多种方法，利用每种方法的同时有时会带来很多障碍与误区，功能解的个数越多，设计过程中遇到的问题就会越多，的确，设计的过程难免会遇上很多障碍，设计的过程就是遇到问题，想办法解决问题，同时再遇上新的问题，在解决新的问题的不断地循环，因此我们要充分利用功能解中最优解的办法，减少问题的同时引进很多新的功能，实现一个实物的最有设计。第4章 总体设计4.1 系统总体结构草图本课题是为生产线配套而设计的搬运机械手，可以模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作。本课题主要对机械手进行结构设计，设计一种较为灵活的重物搬运机械手，实现生产线上零件的搬运与放置。运用Solidedge技术对搬运机械手进行三维实体造型，并进行运动仿真。搬运机械手的运动速度是按满足生产率的要求来设定。要求对主要零部件进行运动仿真和结构有限元分析。要求与数据1、抓重:50Kg (夹持式手部)2、自由度数:4个自由度3、座标型式:圆柱座标4、最大工作半径:1500mm5、手臂最大中心高:1200mm6、手臂运动参数伸缩行程：1000mm伸缩速度：80mm/s升降行程：300mm升降速度：70mm/s回转范围: 1807、手腕运动参数回转范围: 1804.2 手部设计计算设计制造夹紧机构手抓时，首先要从机械手的坐标型式、运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则根据物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化。为扩大为扩大机械手的应用范围，还须备有多种抓取机构，以根据需要来更换手抓。为防止损坏被夹的物体，夹紧力要限制在一定的范围内，并有软质垫片弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电造成的被抓物体的落下，又需要有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和工作可靠。夹紧机构的基本形式 夹紧机构主要有机械式、吸盘式、电磁式、传感式1。本章主要对机械式的机械手进行探讨。机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。按手指的运动方式可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数可分为二指式、三指式、四指式；按动力源可分为弹簧式气动式、液压式等。4.3 腕部的设计计算手腕是连接手指和手臂的机构他适手指能从不同的角度夹紧和松开工件，以增加机械手的灵活性。手腕的运动和特点是手腕可以作回转、上下弯曲和左右摆动三个动作，即可以具有三个自由度。本毕业设计只具有回转一个自由度。腕部的基本要求（1） 力求结构紧凑、重量轻（2）结构考虑，合理布局（3） 必须考虑工作条件2本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。4.4 手臂的设计4.4.1 手臂结构的选择因为此机械手手臂最大工作半径为1500mm，伸缩行程为1000mm，伸缩行程较大，工作半径相对较小，所以采用单级液压缸不能满足要求，初步选用二级液压缸。4.4.2 手臂的防转此设计因为要抓取的工件比较重，所以考虑到对手臂抗弯曲强度的要求，手臂的直径应较大，为了使手臂尽量较细，所以使用内导杆防转结构。可以设置内部液压缸的内杠导轨，使其不会发生相对转动。机械臂全部使用液压系统，液压缸在传动中起到定位的作用，其内部的活塞杆上有多出的部分，会在液压缸的导轨沿着导轨移动，不会发生偏转的现象。4.5 立柱的设计机械手的立柱是用以支撑手臂并带动它升降、摆动和移动的机构，手臂的俯仰也是由连接在立柱上的油缸驱动，立柱与基座相连，可固定在地面上、机床设备上、或悬挂在衡量滑道上，也可以固定在能行走的基座上。 立柱没有固定得形式，其结构根据动作要求来设计。机座是支撑机械手全部重量的构件，对其结构要求是占地面积小、刚性好、操作方便、和造型美观。机座结构从形式上可以分为落地式和悬挂式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作是机座应该予以固定。可移动式机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手来讲，传动部分通常布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。集中布置的优点是结构紧凑，管路短、占地面积小，移动、操作都比较方便。分散布置则可以将传动和控制部分分开，以免受震动的影响，并尽可能远离高温、粉尘和腐蚀性的环境，以延长机械手的使用寿命2。4.6 机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂180的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。手臂部件与回转缸的转轴连接，回转缸的后端盖与立柱伸缩缸的活塞通过键连接。伸缩液压缸通过设置内部导向杆来防转。4.7 机械手的三维建模整体装配设计 底座的设计 直动液压缸设计4.8 本章小节在当前，将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。第5章 总结通过此次毕业设计，使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手的结构设计作了系统的设计，掌握了一定的机械设计方面的基础，也学会了使用SolidWorks软件创建三维模型，并对机械手进行简单的运动仿真。1、 本次毕业设计对搬运机械手的结构和驱动做了系统的设计，设计中没有涉及到机械手的控制问题。2、 本次设计的是专用搬运机械手，动作固定，结构简单，同时成本低廉。3、 采用液压传动能搬运50公斤以下的物料。4、 该机械手选择配置二指直进式手指，抓取一般方料。必要时可以更换手抓，抓取棒料等。5、 本次设计应用到了理论力学，材料力学，液压，互换性，机械设计，工程图学等学科的知识，对本科阶段所学的知识做了系统的总结。 并且通过这次的课程设计，让我知道现在自己的知识层面只听立足在皮毛阶段，只有继续补充专业知识才能做到对机械的专业化，在这次课程设计中，遇到了很多问题，同时也解决了很多问题，最主要的问题是机械手臂的动力原件，既液压元件的选择，首先要根据收载的大小，以及受载的方向，载荷的大小以及形式作出详细的判断，然后选合适的液压元件，并且确定相应的元件尺寸，在其次是根据受灾的方向确定响应的液压元件的类型，实现相应的部分功能，比如在控制机械手臂以及机械腕部的相应的伸缩的时候就需要直动式液压缸，完成在直线上的运动，选择旋转液压刚来实现沿着某根轴的自由转动，从而实现另一个自由度，在一个就是机械手的支撑问题，在夹紧重物并且移动重物的时候，收到很大的扭矩，该扭矩是的液压元件以及各个支撑是否能够包容下，这边是一个问题，需要用有限元分析来实现。在一个就是在本论文的工作中，自始自终得到了济南大学机械工程学院王潍老师的精心指导和亲切关怀。导师严谨的治学态度、严于律己宽以待人的做人风范是作者终身学习的榜样。另外导师们的课题组活跃的学术风气、学术观点与为人上的坦诚也深深的感染了作者，使作者获得了太多的启发，在此特表深深谢意！在课题研究的整个过程中，王潍老师一直给予了悉心的指导与帮助。在同他的合作中取得了很大的进步，同时他丰富的理论知识及实际工作经验、对待学术问题的科学态度令作者钦佩。在此表示由衷的感谢！ 在进行机械手机械结构设计过程当中，和我一起研究探讨的同组同学给了我很大的帮助。也对这四年来给予了我各方面极大支持及鼓励机械学院老师表示感谢。最后向其他关心我支持我的老师、朋友、同班同学一并表示感谢。参考文献1 王雄耀.机械手理论及应用M.北京：机械工业出版社1999:8-72 .2 鲁军.轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真D.陕西:西安工业大学,2001(2):22-36.3 罗良武,王嫦娟.工程图学及计算机绘图M.北京:机械工业出版社,2003:233-257.4陆祥生,杨绣莲.机械手M.中国铁道出版社,1985:196-201.5吴宗泽,罗胜国.机械设计课程设计手册M.高等教育出版社,2006:3-102.6韩进宏.互换性与技术测量M.北京：机械工业出版社，2004:22-104.7蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略M.机械人技术,2001:54-66.8 王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用M.液压气动与密封,1999:75-81.9 濮良贵,纪名刚.机械设计第九版M.北京:高等教育出版社,2012:184-234.