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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1摘摘 要要 折弯送料过程中，目前多采用手工送料，存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，手工送料被自动送料机构取代，可以进一步满足生产自动化，大幅度提高生产效率、生产质量等的要求。课题的主要任务是完成折弯送料机械手的方案规划及传动、执行系统的机构设计，并且通过虚拟样机技术对结构进行优化。 本文研究的主要内容有: 根据起重机 U 型臂的折弯工艺特点,分析送料机械手的位姿、动作及受力情况,从而确定了机械手的整体方案。在此基础上,对机械手进行传动、执行系统的结构设计,利用 PRO/E 构造机械
2、手模型，使用 ANSYS Workbench 对机械手整体刚度进行分析，分析结果表明机械手的刚度满足使用要求。 在机械手模型的基础上,将其简化为机构形式,采用D-H法建立机械手的数学模型,并据此得出机械手的运动学方程,分析了机械手的速度加速度,计算出该机械手的雅克比矩阵,再运用拉格朗日算法得出机械手的动力学方程。 使用 ADAMS 进行运动学和动力学的数值模拟，仿真出机械手的运动形式，输出运动动画， 分析运动过程中各关节的受力情况， 得出机械手运动所需要的驱动力矩，并利用模拟结果验证机械手的设计，指导机械手的结构优化。 本课题规划设计的机械手方案解决了折弯工艺中传统人工送料诸多不利因素，满足自
3、动送料的要求，不仅减轻了人工的劳动强度，也极大的提高了经济效益。 关键字关键字 ：折弯; 送料机构; 机械手; ADAMS 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2Abstract The manual feeding is used mostly in the process of bending feeding presently. However, there are a series of problems, such as efficiency, speed, accuracy, safety and other aspect
4、s. The automatic feeding mechanism will replace the manual feeding to meet the production automation, improve production rhythms and production quality substantially. The objectives of the project are to planning conceptual and design drive system 、operating system of the bending feeding manipulator
5、 , thereby optimizate the structure by the technology of Virtual Prototype. The main contents of this thesis are: Based on the bend processing features of the U-shaped arm, to analyze the position, motion and loading of the feeding manipulator,and confirm the conceptual. Then, design the drive syste
6、m 、operating system structure of the manipulator and model the manipulator with PRO/E. Check whether the manipulator meet the requirements of stiffness with ANSYS Workbench . Simplifying the manipulator model to the mechanism and establish the mathematic model with D-H method in the mechanism; then,
7、 analyze the kinematic parameters, velocity and acceleration; work out the Jacobian matrix of the manipulator, and analyze the dynamic performance of the manipulator using Lagrange equation further. To simulate the process of kinematics and dynamics with the application ADAMS to get the motion form
8、of the manipulator and put out the animation; work out the drive moment of the manipulator motion by analyzing the loading status in the process. The simulation results are used to optimize the manipulator design. The feeding manipulator in the project solves the problem of the traditional manual fe
9、eding in the bend processing. The project also improves the automatic feeding programme, which not only relieves the workers labour, but also increases the economic efficiency greatly. Key Words: Bending; Feeding bodies; Manipulator; ADAMS 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经
10、标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。
11、(请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 引言引言 随着工业的发展，对生产自动化提出越来越高的要求，工业中特别是机械制造行业中， 送料机构是一项关键组成， 其发展直接影响着生产的总体发展水平。 目前，我国的工业水平飞速发展，传统的手工送料已不能满足生产发展的需求，正逐渐被自动送料机构所取代。设计与制造合乎要求的送料机械手，成为改进送料方法的一个重要目标。 1.2 国内外机械手发展概况国内外机械手发展概况 1.2.1
12、 机械手的基本概念机械手的基本概念 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一。自 60 年代初问世以来，经历40 多年的发展已取得长足的进步。 在国家标准中，工业机器人被定义为： “一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。 ”工业机器人的组成，通常有执行系统、传动系统、控制系统组成1。 国内外对于工业机器人的定义有所不同2： （1）工业机器人：多数是指程序可变的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作工业机器人或通用机械手） ； （2）机械手：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械
13、手或专用机械手） ； （3）操作机：一般是由工人操纵的半自动搬运、抓取、操作装置。 机器人的基本功能，归根结蒂在于按预定位置和姿态驱动手部运动，从而完成各种作业要求的工艺动作。可见，一般机器人设计重在路径的规划。最大负荷大于30kg 的机器人即为大型机器人。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2本文中所研究的送料机械手属于第二种类型的专用机械手。在本文所研究的板料折弯成形送料时，送进的钢板最大重量可达 1.4 吨，需承受很大的外力，在设计时，需偏重于机械手的承载能力。 1.2.2 机械手研究概况机械手研究概况 现代自动控制技术的进步
14、为科学研究和探测工作开辟了新的可能性，开拓了靠人力不能胜任的新科学事业。早期，为提高工业生产的机械化、自动化水平，在生产中采用了一些程序固定的装卸工件或工具的装置。从六十年代开始在一些先进工业国家中电子工业和工业自动化技术发展很快，采用了生产自动线、数控机床、电子计算机、群控等先进技术。七十年代，又开始出现工业企业管理自动化的生产系统（系统工程） 。 为适应工业高度自动化的需要，国外迅速发展出一种新的程序控制自动化装置工业机械手，它具有独立的机体及控制装置，具有可自由改变程序的多个自由度的运动，装备有手爪或工具，可代替人作一些搬运、上下料以及喷漆、热处理、焊接等工作。工业机械手的灵活性、通用性
15、强。由于生产和科技发展的需要，要求扩大人的能力。 工业机械手在工作准确性，工作速度、负荷能力、耐久性，前后一致性等技术方面提高和扩大了人的能力；在社会经济方面，工业机械手可代替人在危险及恶劣环境中完成人的体力所难以完成的工作，例如，随着原子能的利用和空间科学技术的发展，在一些场合，人们常常需要在对人体有危险的条件下工作（如宇宙空间，放射性区域、高温、高压等） ，这些工作只有应用机械手才能完成。工业机械手可以部分地代替人进行某些笨重及重复性工作，把工人从重复，单调的工作中解放出来，对改善劳动强度，保障工人安全、提高产品质量和生产效率有显著效果。在机械加工工业中，物料的运输、传送，储存所占时间比重
16、很大3。 据统计，机床上下料、工序间搬运占总工时四分之一左右，这些薄弱环节的自动化必然会大大提高生产率。工业机械手的采用可使昂贵、复杂、高效的设备（数控机床、生产系统）得到最大限度的利用，充分发挥其作用，在系统工程中必须采华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3用机械手才能与系统中的高度自动化装置及电子计算机相配合，总之，生产和科技的发展迫切需要采用工业机械手。目前生产和科技的发展水平也为工业机械手的发展提供了必要的条件。工业机械手是中小批量生产实现生产自动化的一个重要手段，它的应用必将迅速提高生产自动化的技术水平，极大地提高劳动生产率4。 机械手可以按一定时间、位置、程序完成规定的动作，以传送、装卸或加工工件并满足规定的设计及工艺要求，从而能部分取代人工体力劳动。 机械手首先是从美国开始研制的。 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
