工业机械手设计和仿真分析指导书.doc

工业机械手设计及仿真分析指导书一、工业机械手设计的目的毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。工业机械手设计是机械制造、机械设计相机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重要的综合教学实践环节，是技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过工业机械手毕业设计这一重要环节要求达到：1)通过设计，把有关知识(机构分析与综合、机械原理、机械设计、机械制造、先进制造技术、计算机辅助技术、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等)中所学得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和实际生产密切地结合起来。因此，工业机械手设计及仿真分析是有关专业基础课和专业课以后的重要的综合性的毕业设计环节。培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。2)工业机械手设计及仿真分析是机械工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机系统的毕业设计。通过毕业设计环节，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为实际生产中各类机械产品设计打下良好的基础。培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。3)通过设计，培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力，培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。二、工业机械手设计的内容在规定时间内，要求学生在指导老师的指导下，独立完成要求的毕业设计全部内容。1)拟定整体方案，特别是传感、控制方式和机械结构的有机结合的设计方案。2)根据实际生产工艺需要，通过调查研究和毕业实习，搜集和查阅有关图纸、资料，设计工业机械手的运动自由度和相应技术参数，完成工业机械手的手部、腕部、臂部和机身等机械结构的综合设计。3)工业机械手的各零部件的设计计算与验证，正确的进行分析计算。4)工业机械手的各零部件和工作装配图的三维模型设计，绘制符合国家标准的工程图样。5)驱动系统的设计与绘制。6)控制方式和控制系统的设计。7)机械手计算机仿真分析与验证。8)编写毕业设计论文。9)参加毕业设计答辩。具体设计内容：1) 机械手各零部件三维造型设计2) 机械装置工作示意图（A0图纸）3) 机械手总装装配图（A0图纸）4) 机械手爪装配图手腕部装配体（A1图纸）5) 1张A4零件图6) 设计说明书（约50页,15000字）7) 相关课题的外文资料翻译（3000字左右）8) 机械手动作仿真(1个动画短片)三、工业机械手的设计要求l 功能性要求要求设计尽可能详细，明确，合理且具有一定的先进性。对条件中所给出的工作条件能够按照要求完成指定的工作任务。l 经济性要求设计的过程要将实际应用和经济性结合一起，综合考虑。l 人机工程学要求操作方便，调节省力有效，造型美观。l 安全保护要求避免移动过量，调节力过度，报警装置的要求l 制造工艺性要求符合制造工艺性的要求，在现有加工条件的基础上可以制造。工业机械手关键零部件的具体要求1、夹钳式手部设计1)应具有适当的夹紧力和驱动力：手指握力(夹紧力)大小要适宜，力量过大则动力功耗多，结构庞大，不经济，甚于会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，也可以考虑设计手部夹持机构的自锁或互锁机构设计，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。2)手指应具有一定的开闭范围：手指应具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合挠支点所转过的角度)或开闭距离(对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离)，以便于抓取或退出工件。3)应保证工件在于指内的夹持精度：应保证每个夹持持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、门轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机床上下料机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。4)要求结构紧凑、重量轻、效率高：在保证机械手本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载和运动过程中的惯性冲击。5)应考虑通用性和特殊要求：一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调控的办法。目前普遍采用更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受冲击力等。2、腕部设计1)力求结构紧凑、重量轻：碗部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力裁荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。2)综合考虑，合理布局：腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支承作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，脆部各个自由度的位置检测，管线位置，以及润滑、维修、调整等问题。3)必须考虑工作条件：对于高温作业和腐化介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部不良影响(如油膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料及电控元件的耐热性等)。3、臂部设计臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足下列各项基本要求。1)对于机身手臂部和机身的承载能力，通常取决于其刚度，对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。2)机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据生产节拍的要求来决定。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度(或角速度)。在一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动防间的加速度和终止前减速度不能太大，否则会引起较大的冲击和振动。减少机械手定位冲击的途径是：增加系统阻尼或减少转动惯量。减少转动惯量，应采取以下措施：a)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。b)减少手臂运动件的轮廓尺寸。c)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转(或先回转后伸)，尽可能在较小的前伸位置下进行旋转动作。d)驱动系统中设有缓冲装置或增加系统阻尼弹簧。3)手臂动作应灵活：为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置要合理，使手臂的过程尽可能平衡，以减少对机身升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生“卡死”的现象(自锁现象)。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。四、设计步骤1去现场了解工厂现有设备和仪器。2查阅资料，了解当今最先进的技术及发展方向。3原有学习知识储备的综合应用。4机械部分设计l 方案选择l 传动结构的设计l 机械手的手位分析l 机械手的运动速度和加速度分析l 工作台以及夹紧装置的设计l 调节及定位机构的设计l 绘制机械手各部件和整机装配图6驱动系统设计l 电机的选择l 变速电路或液压回路的设计l 绘制驱动系统图7编写说明书l 目录与前言：前言主要是对本设计进行简要的概述。l 设计简介：应扼要叙述设计内容和要求以及设计的原理和方法，要求文字精炼，字数以800字以内为宜。l 方案确定与设计。包括：总体方案的说明及其原理论述，以及方案的实体设计（如：结构示意图、表格、各部分的计算公式和数据、文献选择等）。l 参考文献：标明设计所参阅的资料名称、作者、出版单位等。l 目录XXX工业机械手设计及运动(有限元)仿真分析摘 要3ABSTRACT4第一章 工业机器人概述(8-10P)51.1概述51.2工业机器人的作用与意义51.3工业机器人的现状与发展趋势51.4本课题的设计与分析内容5第二章 工业机器人总体设计方案62.1工业机器人的组成与分类62.2工业机器人的工况分析62.3工业机器人的设计方案6第三章 工业机器人执行机构设计与校核73.1抓取机构设计73.1.1手部设计计算73.1.2腕部设计计算73.1.3臂伸缩机构设计73.2机身机座的结构设计73.2.1电机的选择73.2.2减速器的选择73.2.3螺柱的设计与校核73.3机械手的定位与平稳性73.3.1常用的定位方式73.3.2影响平稳性和定位精度的因素73.3.3机械手运动的缓冲装置7第四章 工业机器人驱动系统原理设计与分析84.1手部抓取缸工业84.2腕部摆动液压回路84.3小臂伸缩缸液压回路84.3总体系统图8第五章 工业机器人三维造型设计与运动仿真分析95.1计算机辅助设计与运动(有限元)仿真分析概述95.2执行机构计算机辅助设计95.3工业机器人运动(有限元)仿真分析95.4结果对比分析与理论验证9第六章 结论106.1设计结论106.2分析结论10总结与体会11谢辞12参考文献13附录14五、进度计划第12周：查阅资料第34周：参观或专题讲座