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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1第一章 绪论机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。全套图纸，加1.1 研究目的及意义工业
2、机械手具有许多人类无法比拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下：1.能代替人从事危险、有害的操作。只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，应推广工业机械手或机器人。2.能长时间工作，不怕疲劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2延伸人的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单
3、调重复劳动。3.动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。4.机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。5.机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视工业机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。1.2 机械手的国内外发展状况世界工业机器人继续保持快速增长态势。据国际机器人联盟（IFR）2006 年
4、5 月发布的“2006 世界机器人调查”显示，2005 年世界新安装工业机器人台，比 2004 年的97000 台增长 25%。这是继 2003 年工业机器人安装数量重回增长态势后的重大突破，2005 年也成为近 15 年来世界工业机器人新安装台数最多的年份，比上一个峰值2000 年的 99000 台增长 22000 台。图 1： 1991-2005 年各年世界新安装工业机器人台数据国际机器人联盟统计局预测，截至 2005 年底，全世界在运行中的工业机器人共有台，比 2004 年增加 8%。其中，有 50%来源于亚洲地区；欧洲和美洲分别占 1/3 和 16%；内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业
5、论文）3而澳大利亚和非洲地区大概占 1%的比例。图 2：2005 年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例分布图资料来源：World Robotics 20061954 年，美国的 D.C 戴沃尔(George C.Devol)提出一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为专利。1960 年推出了工业机器人的实验样机。1961 年定名为 Unimate的第一台工业机器人，用于模铸生产。与此同时，美国 AMF 公司也推出了一台数控自动通用机电装置，商品名为”VersaEran，并以“Industrial Robot为商品广告投入市场。随后，工业机器人开始在美国工业生产中得到了大力发展和广泛应用。
6、厄恩斯特 1962 年介绍了带有传感器的计算机控制机械手的研究情况，麦卡锡于 1958年和他在人工智能实验室的同事报告了有手、眼和耳(即机械手、电视摄像机和拟音器)的机器人开发情况。皮泊也在 1968 年研究了计算机控制的机械手的运动问题。这时，其它国家(特别是日本)也开始认识到工业机器人的潜力。日本是机器人发展最快、应用最多的国家，日本的丰田、川崎、安川以及 FUNAC 等公司自 1967 年起，开始引进或自主开发工业机器人技术。到 80 年代，工业机器人在日本工业中被厂泛应用。据报到，到 1984 年底，安川公司的 MOTOMAN 系列机器人的累计台数到 1993 年已处于世界首位。日本已
7、拥有工业机器人六万七千台，数量占世界首位。苏联从六、七十年代开始开发应用机器人，1963 年成功的研究出第一台焊接机器人，1972 年研制成功监控式具有传感器的机器人，并用于海洋考察。到 1975 年，苏联己初步打下了设计和制造机器人的基础。此外好多国家都有活跃的研究机构，进行了大量的研究，取得了很大的成果。诸如瑞典、德国、意大利等，也都在大力发展工业机器人的研究开发和生产技术，并己拥有了各自的名牌产品。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4国内的机器人研究开发工作始于 70 年代初，到现在已经历了 20 多年的历程。前10 年处于基层的自发状态，发展比较缓慢。后 10 年国家有关部门开始
8、重视，发展比较快。特别“七五”期间国家纪委在工业机器人方面安排两件重大举措示范工程中心，后来斥资 5800 万元在沈阳建立机器人“机器人技术国家工程研究中心”和“智能机器人中心”;其二是组织了有高校、机械工业部及科学院参加的关于工业机器人的科技攻关，才取得了明显的进步。在机器人技术方面:诸如机器人机构学、动力学分析与综合的研究、机器人的控制算法及机器人汇编语言的研究、机器人内、外部传感器的研究开发、具有多传感器控制系统的研究、离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得了一些可喜的成果，并获得了一些应用。在机器人的单元技术和基础元部件的开发方面:诸如直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码
9、器、液压、气动元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品，但这些元部件距批量使用还有一段距离。在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双 CPU、多 LPU 和分级分层控制的机器人控制装置多台，主计算机的档次也逐渐生级。机器人手己开发出点焊、弧焊、喷涂、搬运、装配等多种型号。此外还开发了一些特种机器人，如 AGV 移动机器人、水下机器人、移动遥控机器人、主从机器人等，多数己达到实用化水平。有关机器人的周边设备，如与机器人配用的焊机、焊钳及焊接控制器、走丝机构、喷涂设备以及其他执行机构等，有的已形成产品，有的根据作业任务的需要而单
10、独设计应用。机器人的应用工程方面:目前国内己建立了多条弧焊机器人生产线、装配机器人生产线、喷涂生产线和焊装生产线，这些基本上为摩托车或汽车制造业而建立的。 在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的 0.4。产生以上差距，有关专家认为主要是我国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， “一客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较多，而且质量、可靠性不稳定。近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，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
11、国外比有差距。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。机器人倒水 处理危险品1.3 工业机械手的技术发展方向国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视角”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工件。为防止
12、握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法：一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物件的滑动位移，来修正握力。因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：1、能准确地抓住方位变化的物体2、能判断对象的重量3、能自动避开障碍物4、抓空或抓力不足时能检测出来这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）6具有发展前途的。现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业
13、部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。其原因之一是，工业机械手的性能还不满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外，经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。1.4 本课题研究内容要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化
14、的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力装置）和微点自控制部分（包括信息处理）是最基本的、必不可少的要素化。本设计要求完成以下工作：1、 拟定整体方案，特别是控制方式与机械本体的有机结合的设计方案。2、 根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部和臂部的结构。3、 各部件的设计计算。4、 机械手工作装配图的设计与绘制。5、 液压系统图的设计与绘制。6、 编写设计计算说明书。内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）7第二章 机械手的总体设计2.1 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的，各部关系如图2.1所示。图
15、2.1 机械手的组成2.1.1 执行机构1.手部 即直接与工件接触的部分，由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）8径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。吸附式手部分为空气负压吸盘和电磁吸盘两种。空气负压吸盘对所吸附的工件的材质不限，但要求工件表面较平整。空气负压吸盘按形成负压的方法分为挤气式，气流负
16、压喷嘴式，真空泵式。电磁吸盘结构简单，但仅适用吸附磁性工件，并应注意被吸附的工件有剩余磁性的问题。电磁吸盘按结构形式分为固定式和转动式。由于被夹持工件是圆柱形，故把机械手的手部结构使用夹持式手部。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。除此之外，也还可用负压式或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传动机构一般是回转型或平移型(为回转型，因其结构简单）。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。其传力结构形式比较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、丝杠螺母式、重力式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。2.腕部 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态），以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。它可以有上下摆动，左右摆动和绕
