机械手设计_开题报告

沈阳工程学院

毕业设计（论文）开题报告

课程名称：机械手设计

专业：机械制造与自动化

班级：机制专101

学号： XX

学生姓名：XXX

1、课题来源

目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往流水线上的作业工作还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。而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。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。

近年来，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。为此，我们把设计制作输送线上助力搬运机械手作为我们研究的课题。

2、研究的目的、意义

2.1 课题研究的目的

现代汽车制造工厂的生产流水线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:

(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。

(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。

(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。

鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的问题.

(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。

传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

2.2 课题研究的意义

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，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的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

3、国内外研究现状和发展趋势

3.1 国内的研究现状

工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。

工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。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。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

3.2 国外研究现状

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。

3.3 发展趋势

目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，良新产品可以达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

4. 发展前景及方向

4.1 重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如

核工业和军事工业等。

4.2 模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。

4.3 无给油化

为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

4.4 机电气一体化

由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。

5、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案

5.1目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化方向发展。

主要研究内容集中在以下几个方面：

1）工业机械手的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负

载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2）机械手控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机械手控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3）多传感器系统：为进一步提高机械手的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器信息融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。

4）机械手的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5）机械手遥控及监控技术，半自助和自主技术，多个机械手和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围的机械手遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6）虚拟机械手技术，基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机械手的虚拟遥操作和人机交互。

7）多智能体调节控制技术：这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信和磋商机制，感知与学习方法，建模与规划、群体行为控制等方面进行研究。

8）软机械手技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场所。传统机械手设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或者硬性材料，软机械手技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机械手意外的与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

9）仿人与仿生技术这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。

4.2拟采取的技术路线、实验方案：

1、收集相关资料，并对现有的资料进行研究，进而分析自己完成本课题还存那方面的困难，除了现有的知识外还应该具备哪些新的知识。

2、选定自己适合和熟悉的制图软件，对选定的工具进行深入学习以及具体的实践。

3、对驱动油路进行仔细的研究，了解液压驱动的原理。

4、机械结构的分析，根据要求设计出合理轻便的机械手。

5、在相关的软件中模拟机械手的工作状态。

6、在模拟调试后对整个机械手进行完善。

6、研究基础

6.1 课题研究的必要性

机械工业是国民的装备部，是为了国民经济提高装备和为人民生活提供耐用消费平的产业。机械工业的规模与技术是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一（，2002）。生产水平极其科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已经成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产过程是不连续的。单单靠人力要将这一些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度很大，有时还会出现失误与伤害。显然，严重影响制约了整个生产过程的效率与自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然食物，也能够有效的避免人身事故（杨永清等，2008）。

6.2 已经具备的条件和尚需解决的问题

已具备机械结构的和液压原理设计能力，但对于机械结构的材料选用还需要继续学习相关的资料，已经安装AutoCAD等的相关联的。还需要去了解液压驱动元件的规格参数以及其在实际环境中的使用。然后还需要对于机械手在于实际工作中需要做的那些日常维护进行了解。

7、预期达到的目标及进度安排

7.1 目标：

工业机械手是一种模仿人体上肢部分功能，按照预定的要求输送工件或者握持工具进行操作的自动化技术设备，它的结构简单，可以代替收的繁重劳动，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。机械手效率高，噪声低，安全可靠、操作以及维护比较方便，因而有着广阔的前途。本课题通过对于机械手进行结构和液压传动原理的设计计算，实现自动取料、将工件收料盘等运动。

7.2 进度安排：

机械手设计开题报告