机电系统课程设计绪论部分(模板)

目录

第1章绪论 (1)

1.1机械手概述 (1)

1.2机械手的设计目的 (3)

1.3机械手的设计内容 (4)

1.4机械手的分类及其在生产中的应用 (5)

1.5机械手的应用意义 (8)

1.6机械手的技术发展方向 (9)

致谢

参考文献

附录

第1章绪论

1.1机械手的概述

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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

机械手通常常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。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、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。

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生

产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

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内容，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。目前国内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。

50～60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(Unimate)机械手即属于这种类型。

60～70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。

工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：

（1）通过设计，把握有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，是这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。

（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化的整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动化机械设计打下良好的基础。

（3）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册及规范，熟悉有关国家标准和部分标准，以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必须具备的基本技能训练。

（4）由于机械手设计工作量比较大，为使学生在短时间内得到完整训练，同学以小组为单位，分工合作共同完成此次机械手设计任务，这样既节省了时间，有解决了量大，时间紧的矛盾，同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。

1.3.1机械手的方案论证

根据国内外同类产品现状，设计课题方案。

1.3.2机械手的总体设计

在方案论证的基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。

1.3.3驱动系统的设计

根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。

1.3.4控制系统的设计

确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。1.3.5传感与测试系统的设计

进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。

1.3.6机械本体设计

进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。

1.4机械手的分类及其在生产中的应用

1.4.1机械手的分类

（1）油田钻柱操作机械手

本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。上手的腰部回转角度为310 °，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30 m；②钻杆重量为：40 Kg/m，总重1200 Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重5400 Kg。

（2）硬臂式助力机械手

硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。

硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。

（3）软索式机械手

软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位

移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者。配合各种非标夹具，软索式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以固定地面或悬挂固定使用，不能使用导轨式。

（4）T型助力机械手

区别于硬臂式助力机械手的是T型助力机械手没有双关节机械臂，它的前后左右位移靠导轨来实现。由于T型助力机械手没有机械臂，因而它比硬臂式显得小巧，更适合于操作空间狭小的场合。

T型助力机械手的最大负载要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根据客户要求设计，而且搬运范围要比硬臂式大的多。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式为导轨移动。

1.4.2机械手在生产中的应用

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。国内外机械工业、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，很久以来就要求实现自动化。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。目前国内铁路工厂、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内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

(5)宇宙及海洋的开发。

(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。

1.5机械手的应用意义

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

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、有灰尘、噪声、臭味、

有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。

在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

3.可以减少人力，便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

1.6机械手的技术发展方向

目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年，全世界约有50%的汽车由机械手装配。现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。