自动上下料机械手设计报告

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1、黑龙江工程学院大学生科技创新基金项目申 请 书项 目 名 称： 自动上下料机械手设计 项 目 负 责 人： 刘 帅 所在班级 ：机械 09-09 指 导 教 师： 刘财勇 所在院（系）：机电工程学 院起 止 日 期： 2011.10.12012.10.1 电 话： 13836010786 黑龙江工程学院黑龙江工程学院2011 年年 10 月月 10 日日一、简表一、简表项目名称自动上下料机械手设计类 别 科技发明制作 社会调查报告开发性研究 创新基础、应用研究项目申请起止时间2011.10-2012.10申请经费3200 元姓名刘 帅性别男出生年月1990.01.05项目负责人所学专业机械设计

2、制造及其自动化所在班级09-09 班特长绘画、唱歌姓名刘财勇性别男技术职称讲师指导教师所学专业机械制造及其自动化研究方向机械制造及其自动化所在部门机电工程学院姓名性别年龄所学专业所在班级项目分工课题组成员二、立论依据二、立论依据1 1、项目的研究意义、项目的研究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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成

3、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。目前，关节式机械手已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，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。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用

4、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。工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从 80 年代“七五“科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五“,“八五“科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有 130 多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线

5、（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，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距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占 28.9%） ，电器制造业第二位（占 16.4%） ，化工第三位（占11.7%） 。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为 23.4%53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本 88.0 台，德国 64.0 台，法国 32.

6、2 台，英国 26.9 台，美国 33.8 台，意大利 48.0 台。2 2、国内外研究现状分析、国内外研究现状分析目前，在国内外各种机器人和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：A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应

7、用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，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器人，主要采用性

8、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。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在 新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机 器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在 不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工 智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完 善。三、研究内容三、研究内容1 1、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标：研究目标：完成一个特定功能

9、、特殊要求的关节式自动上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。研究内容：研究内容：1、机械手手爪结构设计：手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据 操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种 夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、 铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相

10、应的加工作业；测量用手爪是装 有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。2、驱动方式设计：一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。3、手腕结构的设计：由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多， 腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使 腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数， 应根据实际作业要求来确定。 为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪

11、 进行连接。 为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。 要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。 手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。4、手臂结构的设计: 机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身 具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的 关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和 刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。 应尽可

12、能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一 点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。 机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关 节回转轴应尽可能在重量上平衡。拟解决关键问题：拟解决关键问题：1、关于机械手稳定性的问题 考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。解决问题的关键。2、机械手控制系统原理由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机

13、械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。2 2、本项目研究的技术路线、本项目研究的技术路线、本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。、机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC 有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，

14、只要对 I/O 点的接线稍作修改，或对 I/O 重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。3 3、本项目的特色和创新之处、本项目的特色和创新之处1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连

15、续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。4 4、预期的研究进展及经费预算、预期的研究进展及经费预算预期研究进展预期研究进展 （1）2011 年 10 月 1 日2011 年 12 月 1 日搜集整理设计所需资料（2）2011 年 12 月 2 日2012 年 5 月 1 日设计软硬件（3）2012 年 5 月 2 日-2012 年 7 月 1 日安装调试阶段(4) 2012 年 7 月 2 日-2012 年 10 月 15 日功能实现阶段经费预算经费预算 （1）小车硬件费 2800 元（2）资料费 200 元（3）其他 200 元总计：3200 元 5 5、预期的研究成果形式、预期的研究成果形式（1）实物（样品）（2）设计说明书（3）图片（4）视频（5）程序源代码四、审查意见四、审查意见院（系）学术委员会意见院（系）学术委员会意见签章： 年 月 日学校审批意见学校审批意见（公章） 主管领导签章： 年 月 日