杭州電子科技大學 畢 業 設 計 （ 論 文 ） 開 題 報 告 題 目 天花機裝箱機械手設計 學 院 機械工程學院 專 業 機械設計制造及其自動化 姓 名 白祥雨 班 級 10010114 學 號 10011402 指導教師 孫魯涌 一綜述本課題國內外研究動態 1.1 機械手的發展歷程 工業機械手的發展歷史并不算很長，首先是美國開始研究的， 1954 年美國英格伯特和德沃爾制造出世界上第一臺樣機，機械手的歷史才正式開始 . 1963 年美國機械鑄 造公司也實驗成功一種叫 Versa 機械手該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統示教再現，是國外工業機械手發展的基礎 1。 德國機器制造業是從 1971 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業 。 日本是工業機械手發展最快、應用最多的國家，自從 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力開始了機械手的研究，使用機械手最多的是現代化生產成都很高的汽車工業，也為后來日本汽車工業的發展做出了巨大的貢獻 2 。 前蘇聯上世紀 60 年代開始發展 研究機械手，到 80 年代后期應用的機械手近半都是國產的，多數用于自動化程度低、工作環境惡劣的工作。 國內機械手的發展始于上世紀 70 年代初期，當時，工人在車間沖壓作業時生產節拍過快，又缺乏保護措施，手指經常被切斷，工廠的技術人員就自發地研發機械手，比如天津鍛壓機械廠研制的鍛件上下料機械手是我國最早的第一批工業機械手 3。 80 年代中期，我國機械手的研發單位已有 200 多家，由于研究的水平較低，全國尚無一臺機械手產品問世，直到上世紀 80 年代中期，“工業機器人”被列為國家“七五”科技攻關計劃研究重點 ，目標放在搬運機械手、噴涂機械手和焊接機械手的開發研究等方面。 41990 年，工業噴涂機械手 PJ-1 完成，這是我國第一臺噴涂機械手，其性能達到 80 年代中期國外同類產品水平。 現在已經掌握了機械手操作機的運動學和軌跡規劃技術、控制系統的軟硬件設計技術。但總體來看，國內機械手的研究水平與國外還有一定的差距，可靠性和精度都比國外的差。 近幾年，沈陽新松機器人有線公司自主研發的工業機械手，其產品覆蓋國家 863計劃項目 165 公斤點焊機械手和 6 公斤弧焊機械手等多種型號。第一代機械手，結構和控制都比較簡 單，主要采用開環控制。隨著科技的不斷進步，第二代機械手設有微型電子計算機閉環控制系統，例如各部位安裝有各種觸覺傳感器的觸覺機械手，使機械手具有與人一樣的感覺技能，還有安裝了 CCD 系統的視覺機械手，具有自動識別功能。 1.2 機械手的廣泛應用 在現代工業中，各行各業的生產需要的高科技越來越多，對運動靈活的現代化機械手的需求也越來越多，逐步取代人工完成高難度和復雜的工作。目前在中國機械手常用于自動噴涂作業和排爆等惡劣或者具有核輻射的地方。 工業機械手，因集自動化和靈活性特點與一身，所以轎車生產企業 近年來大規模的使用了機械手。在焊接方面，主要使用的是弧焊機械手，汽車生產企業非常重視焊接的自動化，如長春一汽引進的車身焊裝車間生產線的自動化達到了 80%以上，各條生產線都有計算機控制，自動完成工件的傳送和焊接。焊接有 R30 型極坐標式機械手和 G60 肘節式機械手進行，驅動有微機控制，動作采用點到點的序步軌跡，具有很高的焊接自動化水平，即改善了工作條件，又提高了產品的質量和生產率。 我國現在已是全球最大制造業國家，有世界工廠的稱號，但是很大程度都是國內制造業當中大量的勞動密集型產業供獻出來的。 5對于我 們而言，如今要想保持制造業主要國家地位，就必須開啟產業升級模式，推動自動化發展。這里就將進一步帶動機器人行業市場發展。 用自從 20 世紀 60 年代初人類創造了第一臺工業機器人以后， AGV 搬運機器人就顯示出它極大的生命力，經過四十多年的發展， AGV 搬運工業機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業中，尤其是在汽車產業中， AGV 搬運工業機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造 (沖壓、壓鑄、鍛造等 )、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業中，機器人都已逐步取代了人工作業。 還有 些模仿生物的機器人，腿式機器人受到生物學上的啟發，所以檢驗一下生物學上成功的有腿系統是有益的。許多不同的腿的構造已經在各種各樣的生物體中成功地存在。大型動物，如哺乳動物和爬行動物有 4 條腿，而昆蟲有 6 條腿或更多。有些哺乳動物，僅靠 2 條腿行走的能力已經很完美。尤其是人類，平衡的能力已經進展到可以用單腿跳躍的水平。這種異常的機動性是以很高的代價得來的：保持平衡的更復雜的主動控制。 6 1.3 機械手的發展趨勢 機械機械手主要由運動機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。 （ 1） .運動機構主要由手部和臂部組成，臂部 的作用是引導手抓住工件，使手部完成各種轉動、移動或復合運動，改變物件的位姿，將工件放到準確的位置。 （ 2） .驅動機構主要由 4 種：液壓驅動、氣動驅動、電氣和機械驅動。采用液壓驅動機械手動力大、自鎖方便。利用伸縮油缸實現直線運動，利用擺動馬達實現回轉運動，在機械手中應用最為廣泛。 （ 3） .控制系統一般包含在一個控制柜中，包括主控板、顯示器等幾部分。機械手采用教再現控制，動作復雜的采用數字控制系統。 7 機械手的發展趨勢離不開上述三種結構，所以未來發展方向也是圍繞這三部分展開的。基于運動機構方面：由于當 前工業機械手的生產獨身訂做的，品種數量少，通用程度低。而且只注重結構設計忽略了結構設計本身的優化設計，導致穩定性低下。發展方向是設計成通用機構，擴大應用范圍，同時，進行結構的優化設計，提高運動精度。基于驅動機構方面：近年來伺服驅動因其相應速度快、運動平穩、靈敏度高、體積小等優點應用越來越廣泛。基于控制方面：具有觸覺和視覺反饋的多傳感器智能控制機械手是研究的熱點，在機械手上安裝觸覺和視覺反饋控制裝置，它能夠辨別物體的形狀，自動選取需要的工件，自動控制抓力的大小，精確定位等等，以后將會向遠程遙控方向延伸。 從機 械手的發展趨勢看，機械手不斷向智能化方向發展，完全實現生產系統中各個機械手的群體協調和集成控制，從而達到更高的工作效率和可靠安全性。 8 1.4 機器人（械手）動力學研究現狀 機器人動力學是一門交叉學科，由多體系統動力學和機器人學組成，它的理論直接為機器人工程實踐服務，這幾年，由于機器人學、航天器控制、車輛設計等領域的迫切需求，機器人動力學發展相當迅速，并向深度和廣度開拓。 機器人動力學要解決的問題主要有兩個方面。一是，解決與實時控制系統相關的的動力學計算問題，這除了需要建立一個合適的算法外，而且還特別要 求計算速度要快。二是，解決機構設計的最優化和自動化問題，如運動系統的尺寸、質量、慣量等各種參數，以及驅動元件的選擇等。第二個問題只是這幾年才提出來的，而且它引起了人們的廣泛注意。 9目前，在機器人機構的設計中，如運動系統各種參數以及執行驅動元件的選擇常常是基于經驗，而缺乏系統的設計方法。 因此，對于實際應用的機器人機構，很多參數的選擇及電機功率的確定往往是過大的，這從能量耗損及操作速度的觀點看來不是最優的。因此，研究對與機器人機構最優的準則也是十分重要的。 目前，研究機器人剛體動力學的主要方法是 使用計算機輔助方法建立和求解機器人機構的動力學模型，亦即求解一組運動微分方程，把這樣的模型作為研究力學和模擬運動的有效工具 10。根據執行系統的特點，機器人機構在機構學上是一個多驅動的復雜的空間機構，也是一個多參數耦合、多變量的非線性系統，描述其運動學及動力學的方程組勢必很復雜。要做很多的努力來推導這樣的方程組，而且產生錯誤的可能性比較高，減少錯誤的方法是把工作交由計算機完成。此外，這些機構想要驅動元件以及控制系統工作在一起，用來保證機構可以朝目標方向運動或進行某一操作作業，這也需要用計算機建立的數學模型 來模擬研究可控運動和控制規律。 二 說明選題的依據和意義 1.天花機搬運機機械手有利于實現材料的傳送，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。改善勞動條件，保護人身安全。 2.用天花機搬運機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業，使勞動條件得到改善。 3.可以減輕人力，便于有節奏高效的生產。 4.通過運用兩年來所學的機械 電氣 氣動 PLC.計算機等有關知識，學會根據實際問題需要確定設計方案，構思機械結構，完成程序設計及調試。 5.通過本次畢業設計，將使我掌握寫論文的 一般步驟及方法。同時也鍛煉了我在遇到困難時冷靜分析。獨立思考及解決問題的能力，而且培養了我和同學相互討論，相互學習的習慣。 三研究的基本內容，擬解決的主要問題 完成天花機搬運機械手整體機構的參數化設計與分析，利用三維建模軟件SolidWorks 建立模型，對機械手抓取并搬運天花機進行運動分析及運動仿真，作出整體完善的最佳方案。 天花機室內機，尺寸 830mmx830mmx300mm，重量 40 公斤，四側帶安裝耳朵，可用于搬運，來料約 109 臺 /小時；紙底板，包裝時放在最底層，來料堆疊； 紙底托，兩片一起用于放置室內機，來料堆疊； 以上運動實現機械手放置：輸送帶上放紙底板，紙底板上對稱放置紙底托，天花機到位后，將其搬運放置于紙底托上，以上均機械手完成。 四研究步驟、方法及措施 1.天花機搬運機械手升降結構的選擇和設計，和升降系統的動力源的選取（電機驅動或者液壓驅動 ) 2.天花機搬運機械手旋轉結構的設計和旋轉系統動力源的選取； 3.天花機搬運機械手整體結構的設計； 4.天花機搬運機械手抓頭的結構設計和動力源的選取； 5.各部分材料的選取； 6.按照設計尺寸用 Solidworks 對零件進行三維實體建模； 7.依據分析結果，提出優化方案，設計零件的二維圖紙。 五研究工作進度 序號 時間 內容 1 2.1-2.7 翻譯外文，查閱有關資料，討論方案 2 2.8-2.12 確定方案，寫開題報告 3 2.13-2.24 設計計算，繪制草圖 4 3.09-3.29 繪制 一半 裝配圖及零件圖 5 3.30-4.06 完成全部的圖紙 6 4.07-5.20 初步整理并檢查，撰寫論文 7 5.21-5.27 檢查論文 8 5.28-6.03 全面整理， 準備答辯 六 參考文獻： 1陸祥生，楊秀連 .機械手理論及應用 M.中國鐵道出版社， 1985 2胡琴琴 .起重機 U 型臂折彎送料機械手的設計及仿真 D.華中科技大學碩士學位論文， 2008.6.1. 3邢婷婷 .上下料機械手的運動學及動力學分析與仿真 D.青島科技大學碩士學位論文， 2012.4.19 4趙錫芳機器人動力學 M上海交通大學出版社 ,1992 5姜靖主編 .從機械手到服務 機器人 .今日科苑， 2009.11.8 6Roland Siegwart,IIIah R.Nourbakhsh, Introduction to Autonmous Mobile Robots, A Bradford book the MIT press Cambridge,Massachusetts London,England 2004. Page(s):17- 18 7王成一種切削加工機器人模塊化結構設計及加工軌跡仿真 D.山東理工大學碩士論文， 2005 8張欽國 .基于液壓驅動的四 自由度機械手的運動仿真與優化設計【 D】 .吉林大學碩士學位論文， 2011.5 9仲大偉專用焊接打磨機器人動力學及仿真 D蘭州理工大學碩士論文， 2004 10Chan Woo Moon,Beom Hce Lec and M.S.Kim , PLC Based Co