机械手设计开题报告.doc

1.课题来源目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。机械手在工业自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型机械手，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作，大大提高了生产效率。2.研究目的和意义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。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。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前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。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。现在机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一，它部分的代替人工操作。其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动强度，显著地提高了劳动生产率，加快实现了工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音、以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。我国在近几年也有较快的发展，并且取得了一定的效果，受到机械工业的重视。机械手的结构形式比较简单，专用性强。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。3.国内外研究现状和发展趋势机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”（mechanical hand）。早期的机械手的结构和功能都比较简单，专业性强，仅能配合某台主机完成辅助性工作，如抓取工件、上料下料、换夹刀具等。这种机械手称为专用机械手。随着工业技术的发展，出现了能够独立地按控制程序、自动重复操作的机械手，这种机械手具有能很快地改变程序功能，适应性强，在中小批量、多品种的工业生产中得到了广泛应用。这种机械手称为通用机械手，通用机械手又称为“工业机器人”，即第一代机器人。机器人在此基础上得到了进一步发展，出现了具有某些感觉功能（如视觉、触觉、听觉）的机器人，称为第二代机器人，以后又出现了具有某些思维和语言功能的智能机器人，称为第三代机器人。 机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。 机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，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。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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。机械手主要由执行机构、驱动-传动系统和控制系统三大部分组成。执行机构是用来抓持工件（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。对于现代智能机械手而言、还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，是它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。机械手的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单叠加在一起，而是构成一个整体。机械手各部分必然存在着相互关联、相互影响和相互制约的关系。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。 目前，在国内外对各种机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：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误差的范围, 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。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。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。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。总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机械手，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。4.本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案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自动化生产设备。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，应用日益广泛的领域。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、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，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、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。本毕业设计拟设计三自由度机械手，并对主要部件采用三维软件进行实体设计和造型，主要内容包括：（1）查阅相关资料，了解机械手的工作原理，在此基础上进行总体方案的论证与设计。撰写开题报告。（2）拟订出工作机构和系统运动方案。（3）画出机械手的运动简图。（4）对工作机构和传动系统进行设计计算，包括主要部件的设计计算、强度校核和运动分析。（5）设计绘制起升装置的总图和主要零件工作图。（6）利用三维CAD软件对主要零件进行实体设计和造型。（7）翻译指定外文技术资料。（8）编写设计说明书。5.研究基础在大学期间，我已经学习了机械设计、机械原理、液压与气压传动、单片机、电子技术、自动控制原理、机电一体化系统设计等理论知识。同时，为进行本课题的研究，我已经查阅了大量的相关资料，并进行了相关前期研究。通过图书资料查阅和网上查询获知本课题相关实例的总体设计思路，学习并借鉴了各大学者对本课题的研究理论和设计方法，加深了对本课题的了解，明确本课题相关的具体设计细节。在查询大量资料后，对各种理论进行研究整合，最终确定了本课题的设计方案。6.预期达到的目标及进度安排毕业设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1确定课题，查阅相关资料2013.11.52013.11.102总体方案的论证与设计2013.11.112013.12.153外文文献翻译2013.12.27前完成4撰写开题报告，开题2013.12.27前完成5工作机构和传动系统方案的拟订与分析2013.12.162014.2.206传动系统的设计计算2014.2.212014.3.17主要部件的实体造型2014.3.22014.3.208毕业设计中期检查2014.3.72014.3.149毕业实习（两周）2014.3.31前完成10总图或装配图的设计和绘制2014.3.212014.4.1011零件工作图的设计和绘制，实体的装配2014.4.162014.4.2812撰写毕业论文2014.4. 292014.5.1613设计总结及答辩准备2014.5.172014.5.2314答辩2014.5.24、2014.5.2515毕业设计资料整理并归档2014.5.30前完成7.阅读的主要文献、资料 1张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，20072蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，20033金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ， 20054王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，20045严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，20036机械设计师手册.北京:机械工业出版社，20067黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，20068成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社9郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，200710吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，200411徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社，200212傅祥志，机械原理（第二版），武汉：华中科技大学出版社，2000.1013吴昌林等，机械设计（第二版），武汉：华中科技大学出版社，2001.214徐钢涛等，机械设计基础，北京：高等教育出版社，2008.515强建国机械原理创新设计华中科技大学出版社, 200816黄继昌, 徐巧鱼, 张海贵. 实用机构图册. 机械工业出版社，200817李瑞琴. 机构系统创新设计. 国防工业出版社，200818李龙堂工程力学高等教育出版社，1989