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1、毕业设计（论文）开题报告题 目 装配机械手机构设计 姓 名 冯斌海 学 号 3070612115 专业班级 07 机械电子 04 班 指导教师 张智焕 分 院 机电与能源工程分院 日 期 2011 年 3 月 5 日 摘要机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，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，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。本文就气动机械手的应用现状和发展前景作了简单概述。扩展我们的知识面和专业面，可以加强对自己的思维训练和能力培养，还可以填补空白，提高生产
2、效率，很大的现实意义。关键词：气动机械手；研究方向；发展趋势1.机械手国内外发展现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。工业机械手是在第二
3、次世界大战期间发展起来的，始于 40 年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；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。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫 Versatran
4、机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm 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。联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业：联邦德国 Kuka 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机
5、器人发展最快，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床
6、研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM 等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手
7、，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。2.机械手构成与分类机 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
8、 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 2 3 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
9、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
10、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 。 3. 气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的
11、生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。 在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平
12、稳加速的 SIN 气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。4. 发展前景及方向4.1 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
13、术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动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。4.2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动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气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不
14、同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型 CP 阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。4.3 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。4.4 机电气一体化由“可编程序
15、控制器 -传感器- 气动元件”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气动元件，使气动技术从“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。气动机械手、气动控制越来越离不开 PLC，而阀岛技术的发展，又使 PLC 在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。5.课 题 研 究 的 目 的 、 意 义 ：在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括
16、如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 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 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 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 他 毒性 污 染 以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 场 合 中 ， 用 人 手 直 接 操 作 是 有 危 险 或 根 本 不 可能 的 ， 而
