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1、专业课程设计说明书课题名称搬运机械手及其运动仿真设计指导教师王潍学生学号学生义学生班级机自1210班成绩设计时间2015年11月2日2015年11月13日目录第 1 章 课题规划 11.1 课题背景分析 11.2 设计任务书 3第 2 章 功能分析 42.1 设计任务功能分析 42.1.1 总功能提炼 42.1.2 功能分解 42.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 42.2 本章小结 5第 3 章 系统原理方案设计 73.1 功能单元求解 73.1.1 分功能求解 73.1.2 系统原理方案综合求解 73.1.3 方案优化及评价 73.2 本章小结 7第 4 章 总体设计 94.1 系统总
2、体结构草图 94.2 本章小结 14第 5 章 总结 15参考文献 17第1章 课题规划1.1 课题背景分析从1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机 械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序， 则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感 器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。 对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在 其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。 我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始
3、的，然后经历了60 年代的数控机械手，在 1978 年时机械手才真正开始得到研究和应用，到现在工 业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划 及科技发展计划之中。 伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步， 人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外 的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要 了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类 无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的围延伸，这就要 求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还
4、 有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现 结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社 会发展的必然。 作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛， 交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问 题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越 来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这 对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应 用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、
5、食品、医药等领域的生产流水线 或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其 他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 本机械手的机械结构主 要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动 作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车 的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行 程开关(SQ1-SQ9)产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC部程序输出不 同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机 械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进
6、、快进、慢进、延 时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、 单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。国外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： 1.热加工方 面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要现自动化。为了 提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不 能胜任的作业就更需要采用机械手操作。 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机 械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和 刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部 分。最近更在加工生产线、自动
7、线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要 于段。 3.拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一， 促进了机械手的发展。目前国铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通 阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度， 提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车喷漆通用机械手，可用以对客车 部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率。 近些年，随着计 算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已 经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由 于通用机械手
8、的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的 知识容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技 术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此 它是一项综合性较强的新技术。目前国外对发展这一新技术都很重视，几十年来， 这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加， 应用领域也在不断地扩大。 早在 40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模 拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手 和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(U nimate) 机械手即属于这种类
9、型。 6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点 焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 90 年代机械手在特殊用 途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文 娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90年代以后，随着计算 机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化 发展。 总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工 进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提 高精度；第二代机械手设有电子计算
10、机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听 想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能； 第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联 系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单 元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.2 设计任务书设计任务书课题编号课题名称机械手搬运设计及其运动仿真起止时间2015.11.1-2015.11.13设计要求1功能主要功能辅助功能2适应性作业对象工况环境物料形状、尺寸、理化性质等负荷变化温度、湿度、振动、噪
11、声、灰尘等3性能动力运动结构尺寸功率、力、转矩运动形式、速度、加速度作业尺寸、体积、重量4生产能力生产率(理论的、额定的、实际的)5可靠性可靠度、维修度、有效度6使用寿命一次性使用寿命、多次性使用寿命(经过大修)7经济成本材料费用、设计费用、制造加工费用、管理费用8人机工程操作方便、省力、视野宽广、舒适、仪表显示清晰造型美观适度9安全保证人身、设备安全10包装运输考虑产品运输方法，如起重防震、防腐、防锈等，各种标记第2章 功能分析2.1 设计任务功能分析2.1.1 总功能提炼利用机械手做一些机械性枯燥无限重复的劳动，以及一些中型需要花费大量 人力来搬运的动作，减轻人在工作中的工作疲劳程度，还可
12、以代替人们做一些危 险性比较大的劳动，人只需在一旁操作，见情人的劳动量。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工 具的自动操作装置。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 件的位置和姿势。运动机构的升
13、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。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
14、的主从式操作手也常称为 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。2.1.2 功能分解能够快速、平稳准确地夹起物料并完成搬运动作是物料搬运机械手最基本的 功能要求，这要求具备较高的精度、一定的承载能力、足够的运行空间，当然灵 活的自由度和一定动作运行平稳性也是必不可少的。在对物料搬运机械手进行设 计时，必须先根据机械手所要完成的动作，选择合适的机械手结构，确定各个工 作的时间分配及动作顺序，拟定机械手的工序，明确所要搬运的物料重量和尺寸 以及搬运所要求满足的精度等等，进而确定对机械手运行控制的要求，在兼顾通用性和专用性的同时，尽量选用己经定型的标准
15、组件，以实现机械手的模块化。功能解解法一解法二解法三Y轴移动液压传动齿轮传动电力传动Y轴转动液圧传动齿轮传动电力传动Z轴移动掖丿土传功齿轮传动电力传动2轴转动魁压1专动齿轮传动电力传动手部装夹齿轮传动电力传动2.1.3功能结构分析及功能结构图绘制工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。执行机构使用 液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。 基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能 够精确的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如 今的执行机构的设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力 矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等， 而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳。1可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、 工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生 产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。2.可以改善 劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、
