数控车床上下料机械手设计开题报告

毕业设计(论文)开题报告

题目：数控车床上下料机械手设计

1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）

1.1题目背景、研究意义

机械手是近三十年发展起来的典型的、机电一体化的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术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，也是新技术革命的一个重要内容。机械手是能自动化定位控制并可编程序实现变动的多功能机器，有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境和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。其作业的准确性和各种环境下完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

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。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视[1]。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 国内外相关研究情况

在我国，机械手技术起步较晚，进入20世纪90年代后，我国机械手的研究步入正轨，在彩电，冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片，印刷电路等各种电子产品的装配流水线上得到广泛应用。

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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种

Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地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制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多[2]。

2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.1主要内容：

1）运动功能设计：即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各关节运动的性质以及排列顺序等。

2）传动功能设计：机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。

3）机械结构设计：满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。同时满足装卸方便，便于维修、调整。

4)基本参数：

抓重：30公斤升降行程：300mm 最大回转角度：90o

2.2研究方案、研究方法:

（1）坐标型式论证：坐标型式分为直角座标式a、圆柱座标式b、球座标式c和关节式d。如图

1）直角座标式手臂的运动系由三个直线运动组成。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小及灵活性差，限制了它的适用范围。

2）圆柱座标式运动系由两个直线运动和一个回转组成。与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围大，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手结构的关系，不能转到地面位置的物件。

3）球座标式运动系由一个直线运动和两个转运所组成。优点是动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。

4）关节式手臂的运动类似人的手臂可做几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节各关节均由铰连构成实现转动。它的特点是工作范围大，通用性强，能抓取靠近机座的物件并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件。但精度较差，其结构复杂。

本设计采用圆柱座标型式。

（2）本设计选择三个自由度的圆柱座标型式机械手，摆角度90度，拟定方案为摆角度为90度的3自由度机械手其结构简图如图

图1

圆柱座标型式机械手结构件图

该机械手由支座，支柱，手臂和手部组成。其中支座完成摆动回转运动，支柱完成升降直线运动，小臂完成伸缩直线运动，收不完成夹持工件运动。

整个机械手动作顺序依次为：启动蜘蛛下降，手部夹持，支柱上升，手臂右转，手臂伸出，支柱下降，手部松开，支柱上升，手臂缩回，手臂左转，原位卸荷

（3）驱动系统：液压驱动，气压驱动，电气驱动和机械驱动。其中液压和气压用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

1）液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动，液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止，缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

2）气压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或

链条、链轮等实现回转运动。气动驱动成本低，动作可靠，不发热，无污染。但推力偏小，不能实现精确的中间位置调节，通常是两个极限位置使用。

3）电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便，驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

4）机械驱动只用于固定的场合，一般用凸轮连杆机构实现规定的动作，它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。

通过所学的知识，综合考虑应该采用液压驱动。

3. 本课题研究的重点及难点

1.机械手的结构设计，主要参数确定

2.机械手传动方式的论证和选择

3.机械手各结构的计算设计

4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写)

第1～2周：调研、查阅资料；

第3～4周：总体方案分析论证、开题报告；

第5～6周：结构和运动学分析，参数确定；

第7～8周：按所给规格范围，性能进行分析，强度和运动学校核，中期报告；

第9 ～10周：各模块设计；

第11～12周：装配图草图；

第13～14周：整体结构设计；

第15～16周：绘制总图及零件图等；

第17～18周：撰写论文、答辩

指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）

指导教师：年月日所在系审查意见：

系主管领导：年月日

参考文献

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