WJ038-袋装化肥搬运机械手的设计【原创设计】
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本科毕业设计 外文文献及译文 院 （部）： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 1 外文文献 : 2011) 16:86 89 011 . H. Y. K. . of a is he a a s 25 it an to A is of of a is a To of of we an of is a is to in In an we in up a at we in on on 2 of a we a no or on of a a 1). a of is or of is on on of As 2, is on on is by a DC a of a is an of of s of an to We in on 2 on he of is of in of a in a is a of a is of of a 5 5, 2011 S. *) 271. K. . o. . in at 67 29, 2011 87 of a of is of of be by be it up an 2a, of = 0.3 m = m, is is of of as 3. is m, if it is .1 is a is a is to a is by a I A a is By nd rd is 文文献及译文 3 in nd rd is a AN a of an to of a rd 3 to rd st to nd to on rd to a a of m. of is of a To of of by a 3-D by a 3-D 1. 2. 3rd of a b of is by C on 9 of of of 3. 3D fi of a on a a b 8 to s of by .2 m/.2 m/s m of 4, 5, . of of of to .2 m/s. a of .5 s to a 3D” by a 3D by on 5, we of in D () () ( ( ) ( We fi in of by m of of 文文献及译文 4 of an by on on of a 9 of in to be as of at ni is of of i. be in We of on in by 9 on is on on o it be on an be by of of a a to of on on a BS a of by a .2 m/s2 .2 m/s m of of 7, of (2b). in of of is a in on in in no of to a of n to rd a An by a DC a 24-V at a m/s. of m. 4. 5. 6. of 7. in a b c d 8. he is 8. In 文文献及译文 5 a m, 4 he of a on on an a rd a of on an on rd a a we to in a to . , et 2009) of 009, 1. , et 2006) of of to of of 006 . , et 2006) of on of 267 1268 4. , , , et 2006) of of 006 . , , , et 2005) on a of of 005 . , , , et 2008) of of 008, 60 163 8. , , , et 2010) of a of 010, 55 463 9. , , , et 2010) of a of 文文献及译文 6 中文译文 : 人工生命的机器人（ 2011） 16:8689011 . H. Y. K. . 个新的修剪机器人的实验研究进展 在 日本只有一个商业产品。 这台 机螺旋 地 爬上一棵树使用电锯 修剪树枝 。然而，机器的重量（ 25 公斤）和 缓 慢 的 速度阻碍它 成为解决森林危机的 最佳解决方案。一个轻量级的平台是必需的，因为在日本，大部分山脉有陡峭的山坡，一个修剪机器人运输是一项艰巨的任务。以提前修剪机器人的艺术状态，我们 提出 一 个创新的修剪机器人 对于外面大多数的树都能高效工作 。 它的 轮 系 机构的设计 是为了适应于 混合爬山，即，机器人能够开关之间的直线和螺旋 爬 升。该方法保证了 机器人的 轻量化和高爬的速度特征在早期的出版物，我们介绍了基本的设计概念和描述的原型实验机器人了。此外，混合爬山法已经证明，该修剪机器人可以 高速的 爬上 爬 下 大 树。在这里，我们报告我们开发机器人的进展，专注于直爬， 善于 不平坦的表面上的 工作 ，和修剪。 2 先进的 修剪机器人随着建设轻修剪的终极目标机器人，我们已经开发了一种新型的爬山法，采用无压或抓机制，而是依靠机器人本身的重量，像 日本传统的伐木工不会爬树的时候（图 1）。该用的一套杆和绳子，这是所谓的 不握不住或抓住树 干 ，而他的质量中心位于树。是的，该可以用自己的重量停留在树上。基于这一新的林业产业的设计概念和要求，修剪机器人 有了很大的发展 。如图 2 所示，该机器人配备了四主动轮。轮 1 和 2 位于上侧 ， 轮 3 和 4 位于下侧。每个轮由直流伺服电机、蜗轮驱动 。 摘要 本文介绍了一个伐木工的发展 像修剪机器人。攀登主要是模仿在日本的登方法。机器人的主要功能包括 对 外面的树 进行修剪工作 ，和一个创新的爬山策略融合 直线和螺旋式攀升 的方式 。这种新颖的设计带来了轻量化和高爬升速度特征的修剪机器人。我们报告我们在发展机器人进展，针对直爬，不平坦的表面上的 工作、 修剪。 关键词 修剪机器人 爬壁机器人 1 引言 日本木材工业已经进入下降的原因 ， 木材价格下降和林业工人老龄化迅速。这导致了森林的破 坏 ，导致在暴雨和山体滑坡的 破坏 山村 地区 。然而，在一个适当的配平状态修剪树 是 值得在上面投资的， 因为其 形成 一个美丽的表面形成年轮。 一个修剪机器人的发展 对 可持续森林管理的创新是很重要的。研究开发 的 修剪机器人 15已经很少见了 。 2011 年 2 月 25 日 机械工程系，丰田民族院校丰田 471知县，日本 电子邮件： 崎 . K. 人与信息系统工程系，岐阜大学，岐阜县，日本 限公司，日本 外文文献及译文 7 雪蛤 业有限公司，岐阜县，日本 这部分工作是在第十六届国际研讨会在人工生命与机器人 项目展现的 ，日本，一月 27日 29日 ， 2011 年。 87 电池 ， 质量中心位于一个错误 的边缘 ，由于摩擦系数不明确、质量中心的位置可能被干扰。 例如，机 器人会倾斜，当它爬上一个不均匀的表面。在图 2a，质心定位参数 H = 和W = ，其中 H 为上轮和下侧面之间的距离轮，和 W 的表面之间的距离躯干和质量中心，如图 3 所示。分析表明机器人当 D 为 ，即使它倾斜约 德。控制器使用一个 构成 ， 配备了无线局域网。该控制器能够通信数据 /命令与个人电脑通过无线局域网。每一轮由速度 制。通过一个高通滤波器的速度反馈输入附加。通过与第二个原型比较，第三原型重量轻，除控制器和电池。同时，控制器和电源分布在外部的第二个原型。第三原型也配备一个无 线局域网和电锯。虽然的电锯细节在这里省略了，实验表明一个分支使用第三切削原型。 3 实验 三实验进行评估的第三个原型。第一个实验是对其基本性能。第二个实验是评价其在不平坦的表面 的 性 能。 第三实验表明机器人是否可以修剪树枝。所有的实验使用替代树在室内进行。替代树直径的是 的摩擦系数 有效的替代树大约是 是小于这一自然的树。收集实验数据 包括 ，该电机电流，机器人的位置和方向，机器人的测定 ， 测量电机电流 。 使用分流电阻。测定位置 的 一个三维位置测量装置（ 数字）。用三维定位测量定位传感 器（ 外文文献及译文 8 图 1。爬树方法使用 图 2。第三修剪机器人原型。照片图像。 B 像 还原机制具有非回驾驶性能。每个车轮的转向角度也由直流驱动 ,伺服电机和蜗轮减速机构。 在分析的基础上， 79 质量中心位于外树与控制器的重量 。 图 3。对一棵树的修剪机器人三维图。侧视图 。 俯视图 本性能 直爬实验进行评估 ， 机器人的基本性能。这四个预期的速度轮子是由梯形的简介。加速度 / 速度为 /秒 ， 车轮半径 ， 。 实验结 果显示在图。 4， 5，和 6。图 4 显示了机器人的速度。各自的速度从旋转编码器的值计算出轮。机器人能爬在 /秒。虽然有一个约 于控制法启动延迟，这是一个问题。图 5 显示移动的距离。 它 的 实现 是由一个三维位置测量设备，和移动的距离每轮计算 从价值上的旋转编码器。在图 5 中，我们发现三种类型的错误：在距离误差的感动每一轮的三维位置测量之间装置（ 间的误差；轮 1（或 3）和 2（或轮 4）（ 轮 1 和轮3 之间的误差（误差之间的 2 和 4 轮轮）（ 我们考虑了两这些错误的可能原因。第一个是差异在每一轮的变形。移 动的距离按 的半径为每个车轮 的每一圈 。车轮是由聚氨酯 合成的 管 ， 它是作用在它变形的力。 它的 变形量的大小取决于力。从理论上分析， 79级在第三原型的力量往往是如下。的正常力近质心变得大于在对面的力。因此，填充扶手椅外文文献及译文 9 形 = 认为是，在法国是正常的力的大小第一轮（ （ 以这样解释。我们认为原因是滑移（ 干上的车轮。图 6 显示了电流在轮毂电机，这是由并联测量电阻。理论分析也表明，在下侧切向力大于上面。图 6 倾向于理论分析 ， 不平坦的表面上安全使用的机器人 正常工作 ，它 必须在不平的树是强大的树干。总是会有由增长引起的颠簸一个修剪枝的遗迹。因此，直爬坡实验进行评估颠簸在树干修剪机器人的性 能 。这个实验在一个替代的凹凸进行。采用 料，和大于天然凹凸。在四轮所需的速度是由一个梯形了简介。加速度为 / 速度为 /秒，每 半径的车轮。 实验结果如图 7 所示，其中显示角度 1 的轨迹和 2（参见图 2B）。 2 角旋转对所有病例加方向，指示这个控制箱上升。这意味着，大众走向树中心。质量中心也走向了树当 1 角方向旋转正方向。这意味着减少摩擦力使机器人在树上。然而，在 2 个 轮子的电流和 4 均大于在实验中连续电流。因此，有没有危险的机器人跌倒。此外，这些角度回到原来的方向，即使角度 1 和 2 发生了当一轮了凹凸。这些结果显示了良好 的 性 能。 剪试验 进行实验，发现无论是第三原型可以修剪树枝。一个附加的电锯是由一个 24V 蓄电池直流电机驱动。机器人爬上螺旋的速度在 /秒的直径的树该目标分为 。 图 7。在每一种情况下滚角和俯仰角。一轮 1 过去的凹凸， B 轮 2 通过凹凸， C 轮 3 通过凹凸， D 轮 4 通过凹凸图 8。机器人与修剪修剪试验 ， 实验的场景如图 8 所示。在这个实验中， 树枝被切 断，只留下一个短暂的残这是小于 ，与树干没有受伤。 4 结论 一个伐木工像修剪的发育进程 ， 机器人已经被描述，针对直爬，其在不平坦的表面行为，修剪树枝。的实验表明，直爬第三原型给了一个很好的基本性能。攀爬的结果在不平坦的路面上试验中表现出良好的鲁棒性颠簸，因为真正的树最凸起的小比实验碰撞。此外，修剪试验 还表明第三的原型可以修剪树枝从一棵树。在今后的工作中，我们希望在实际环境中的机器人测试，试着做一些进一步的改进。 外文文献及译文 10 工具书类 1。张军军， 等人 2009 年开发 行道树爬壁机器人 木本 。 2009 促进了 程序， 107 的发展。 2。 ， 等人 2006 年发展了 结构测量 抓树 力 修剪 树，攀爬修剪机器人 木本 （日本）。2006 年开展 程序 与 机器人与机电一体化 会议。 3。 ， 等人 2006 年开发 攀树和修剪机器人木本。执行器布置在臂端 为了 旋转运动（日本）。 促进了 268 4。 , , ， 等人 （ 2006）评 估了 树枝修剪机器人地图构建系统 的绩效 （日本 ） 。 在 2006 年 开展了 程序和机器人机电一体化 会议。 5。 , , ， et 2005） 研究用于机器人的 修剪系统： 发展了 机器人样机 单元 （日本）。 开展了 机器人 2005 日本机械学会与机电一体化 会议。 6。圣隶 工 业。 。 2011 年 5 月可以访问 7。 , , ， 等人 （ 2008）分析与实验新型爬山法。 开展了 2008， 60163 的 议 。 8。 , , ， 等人 （ 2010） 开发 一个用其自身的重量 的 修剪机器人。 促进 455010， 63 行业的发展 9。 , , ，等人（ 2010）开发的一个 利用 自身的重量 的 修剪机器人（日本）。 促进着 古屋 的发展。 附表 1工农医类用） 山东英才学院 毕业设计 (论文 )任务书 题 目 袋装化肥搬运机械手的设计 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 栗继斌 班级学号 201201010786 指导教师签字 王全景 指导教师职称 副教授 指导单位 山东英才学院 学院领导签字 日 期 题 目 袋装化肥搬运机械手的设计 选题性质 工程设计类 理论研究类 应用研究类 程序软件开发类 设计内容与技术要求 、 成 果形式 一、毕业设计内容 1、根据题目和原始数据查看相关资料写综述和开题报告。 2、查看产品的技术要求，分析 袋装化肥搬运机械手的机械结构 。 3、根据任务书中的内容设计 袋装化肥搬运机械手机械结构 ，并绘出 袋装化肥搬运机械手 的总装配图、零件图。其中 图 1 张，绘制 袋装化肥搬运机械手 的总装配图；其余根据零件尺寸设计图纸大小； 制 图 1 张，总图纸折合 图 2 张。 4、撰写 字的毕业论文，并将题目、摘要和关键词翻译成英文。 5、翻译 3000 字以上汉字的英文资料。 6、将答辩内容用 作成幻灯片。 7、毕业答辩。 二、毕业设计技术要求 现在化肥厂生产的化肥大多都是袋装的，都是工人搬运装车，由于工人的工作量大，工人劳动强度高，一些有毒物质对人体造成伤害，为了改善这种情况，本题目将设计一种 袋装化肥搬运机械手，要搬运的袋装化肥重量为 40克，每次搬运一袋，工作循环为 30 秒，工作范围为 3000 设计原始参数： 搬运的袋装化肥重量为 40 每次搬运一袋，工作循环为 30s； 工作范围为 3000 设计中要遵循用最简洁的方法，实现高度自动化的原则。 三、毕业设计工作期间基本要求 1、参加毕业设计的学生应高度重视毕业设计工作，严格要求自己，自觉遵守毕业设计规定的纪律和各项学校的规章制度，期间要注意个人人身、财产以及学校财物和设施的安全。 2、在教师的指导下，独立完成毕业设计任务书中所规定的内容，不得套用和抄袭他人成果者。对设计不认真、不努力、敷衍了事、回避指导、抄袭他人成果、未完成各阶段任务及严重违纪者，指导教 师有权不推荐其参加毕业答辩。 3、毕业设计中，要尊敬老师，团结互助，虚心学习，勤于思考，敢于实践，勇于创新，按指导教师的要求，保质保量的按时完成毕业设计任务。 4、毕业设计期间，实行考勤制度，按学校规定工作和休息，一般不准请假，确因特殊情况需要请假时，与指导教师协商后，按学校有关规定办理。毕业设计期间学生缺勤（包括病、事假）累积超过毕业设计时间 1/3 以上者，取消答辩资格，不予评定成绩，须重新补做。 5、必须按规定的时间和设计进度进行设计。 6、答辩后，将毕业设计内容、资料经指导教师审查通过后，按指定的顺序装入档案袋。 7、装入档案袋的材料有毕业设计任务书、开题报告、论文（设计）书、外文及翻译、指导教师评语、评阅老师评语、答辩记录和成绩、指导记录等。 四、成果形式： 1、毕业论文一份。 2、图纸折合 2 张，其中包括装配图 1 张。 设计进度 第 1 2 周： 熟悉设计任务及要求，查阅并分析 毕业设计 有关文献资料，制定设计方案， 撰写开题报告； 第 3 4 周：毕业实习、绘制任务书中规定的设计产品图，翻译外文资料； 第 5 6 周： 细化设计方案，学习相关标准， 根据技术要求确定 袋装化肥搬运机械手机械结构 ； 第 7 8 周：绘制 袋装化肥搬运机械手的 总装图和相关零件图； 第 9 10 周：整理、总结设计结果，撰写毕业论文，并将题目、摘要和关键词翻译成英文； 第 11 12 周：修改毕业论文， 装订毕业设计 论文； 第 13 周：将答辩内容 制作 加毕业答辩。 参考资料 1郭洪武 J. 中国西部科技 ,2012 (10) 2张伟 J. 中国新技术新产品 ,2015(18) 3袁贵栋 ,李翠英 . 柔性自动生产线多功能抓取及传送机械手系统 J. 制造技术与机床 , 2012(09) 4程远 由度机械手动力学分析与仿真 J. 科技通报 , 2012(08) 5王建军 J. 机械设计与制造 ,2012(09) 6姜倩倩 . 板簧搬运机械手控制系统及轨迹规划研究 D. 山东理工大学 ， 2012 7檀杰 D. 武汉 理工大学 ， 2011 8秦颖 ,李涛 ,张智勇 ,邹敢 . 中南大学学报 (自然科学版 ),2013(9张郭 ,韩亚军 动搬运机器人的设计与研究 2015(10) 山东英才学院毕业设计 (论文 )开题报告 题 目 袋装化肥搬运机械手的设计 学生姓名 栗继斌 班级学号 2012级机制本科 3班 201201010786 专业 机械设计制造及其自动化 一、 研究 目的和意义 毕业设计是大学四年来对我们所掌握知识的一个综合考虑，所以选择一个合适的毕业课题是很重要的。而一个既要有硬件设计，又要涉及到软件编程的毕业设计课题是再好不过的。 它可以检验我们在大学时期的学习情况以及综合应用能力，通过实物的制作，可以很好的锻炼我们的动手能力。 伴随着机电一体化 在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。例如现在搬运袋装化肥，成袋化肥重达百斤，如果只靠人工去搬运的话，这个劳动强度可想而知，还有在搬运过程中有可能有擦伤，摩擦等意外伤害的产生，因此机械手就这样诞生了。机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机器手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识，它能部分地代替人工操作；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；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。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。它可在空间抓、放、搬运物体等，动作灵活多样，广泛应用在工业生产和其他领域内。应用 制机械手能实现各种规定的工序动作，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。 二、 已了解的 国内外 研究 现状 目前国内工业机械手主要用于机床加工，铸锻，热处理等方面，数量，品种，性能方面都不能满足生产发展的需要，因此，国内主要扩大机械手运用范围，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。在运用专业机械手的同时，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。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，设计在不断的修改，品种在不断的增加，运用领域也在不断的扩大。所以我们今天就以袋装化肥 搬运机械手为研究对象，制造出既节省人力，又节约时间的搬运机械手，有很大的现实意义。 在国外机械制造业中，工业机械手运用较多，发展较快。目前主要用于机床，模锻压机的上下料，以及点焊，喷漆等作业中，它可按照事先指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，就将引起零部件机械手本身的损害。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，使其具有一定的传感能力，能反馈外界的条件的变化，做出相应的变更。 三、设计内容 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设 定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。 机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现快进、慢进、快退、慢退的运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关（ 生的通断信号传输到 制器，通过 部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快 进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续，来满足生产中的各种操作要求。其运动过程正好符合化肥搬运的动作要求，所以我们就以其为研究内容来展开。 四、研究方法及技术路线 采用可编程序控制器对机械手实现自动控制。控制系统硬件由开关、按钮、行程开关、可编程控制器和输入输出继电器构成。软件采用模块式结构，回原位、手动、单步、单周期、连续，用选择开关来选择动作种类。可实现机械手的下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退动作， 以实现袋装化肥的正常搬运。 本题目将设计一种袋装化肥搬运机械手，要搬运的袋装化肥重量为 40克，每次搬运一袋，工作循环为 30 秒，工作范围为 3000 设计原始参数： 搬运的袋装化肥重量为 40 每次搬运一袋，工作循环为 30s； 工作范围为 3000 设计中要遵循用最简洁的方法，实现高度自动化的 五、时间安排 第 1 2 周： 熟悉设计任务及要求，查阅并分析 毕业设计 有关文献资料，制定设计方案， 撰写开题报告； 第 3 4 周：毕业实习、绘制任务书中规定的设计产 品图，翻译外文资料； 第 5 6 周： 细化设计方案，学习相关标准， 根据技术要求确定袋装化肥搬运机械手机械结构； 第 7 8 周：绘制袋装化肥搬运机械手的总装图和相关零件图； 第 9 10 周：整理、总结设计结果，撰写毕业论文，并将题目、摘要和关键词翻译成英文； 第 11 12 周：修改毕业论文， 装订毕业设计 论文； 第 13 周：将答辩内容 制作 加毕业答辩。 六 、预期成果 1、毕业论文一份。 2、图纸折合 2 张，其中包括装配图 1 张。 七、参考文献 1郭洪武 J. 中国西部科技 ,2012 (10) 2张伟 料机械手设计的流程 J. 中国新技术新产品 ,2015(18) 3袁贵栋 ,李翠英 . 柔性自动生产线多功能抓取及传送机械手系统 J. 制造技术与机床 , 2012(09) 4程远 由度机械手动力学分析与仿真 J. 科技通报 , 2012(08) 5王建军 J. 机械设计与制造 ,2012(09) 6姜倩倩 . 板簧搬运机械手控制系统及轨迹规划研究 D. 山东理工大学， 2012 7檀杰 D. 武汉理工大学， 2011 8秦颖 ,李涛 ,张智勇 ,邹敢 J. 中南大学学报 (自然科学版 ),2013(9张郭 ,韩亚军 动搬运机器人的设计与研究 2015(10) 指导教师批阅意见 指导教师 (签名 )： 年 月 日 宁学 毕业设计 (论文 ) 袋装化肥搬运机械手的设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 2016 年 月 日 摘 要 本课题主要根据目前化肥厂生产的化肥大多都是袋装的，都是工人搬运装车，由于工人的工作量大，工人劳动强度高，一些有毒物质对人体造成伤害，为了改善这种情况，本题目将设计一种 袋装化肥搬运机械手，要搬运的袋装化肥重量为 40次搬运一袋，工作循环为 30秒，工作范围为 3000 本课题研究的袋装化肥搬运机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力 ,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、检测技术等。本课题拟开发的物料袋装化肥搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数 ,可代替人工在高温危险区进行作业。 关键词： 机械手 , 袋装化肥搬运机械手 ，抓取，提升 on to of to in to be to a to 0kg a a 0 000to to be in on in at in 目 录 第 1 章 绪论 . 1 械手发展简史 . 1 械手的定义 . 2 装化肥搬运机械手的组成 . 2 装化肥搬运机械手的应用 . 2 题背景及目的 . 2 第 2 章 袋装化肥搬运机械手设计要求与方案 . 1 装化肥搬运机械手设计要求 . 1 本设计思路 . 1 统分析 . 1 体设计框图 . 2 装化肥搬运机械手的基本参数 . 2 装化肥搬运机械手结构设计 . 3 械手材料的选择 . 3 械臂的运动方式 . 3 装化肥搬运机械手 驱动方式的选择 . 4 作要求分析 . 4 装化肥搬运机械手结构及驱动系统选型 . 5 第 3 章 系统各主要组成部分设计 . 6 持器结构设计与校核 . 6 持器种类 . 6 持器设计计算 . 7 持器校核 . 8 降方向设计计算 . 9 步确系统压力 . 9 降油缸计算 . 9 塞杆的计算校核 . 11 压缸工作行程的确定 . 13 活塞的设计 . 13 向套的设计与计算 . 13 盖和缸底的计算校核 . 14 体长度的确定 . 15 冲装置的设计 . 15 缸的选型 . 15 平 方向设计计算 . 17 平方向计算 . 17 缸的选型 . 18 座回转机构设计计算 . 19 转部位负载计算校核 . 19 马达的选型 . 21 身结构的设计校核 . 22 马达 的选择 . 23 柱的设计与校核 . 23 座的机械结构 . 25 装化肥搬运机械手的定位及平稳性确定 . 25 用的定位方式 . 25 响平稳性和定位精度的因素 . 26 装化肥搬运机械手运动的缓冲装置 . 27 总结与展望 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 1 第 1章 绪论 械手发展简史 机械手是在机械自动化的生产过程中发展起来的一种新设备。它是给汤机学的一个 重要组成部分。可通过编程成功的完成各种任务是其最重要的特点，它将任何机器的优点集于一身，及其突出的展示了人的智能性、适应性。在现代生产中，机械手被大量的 运用到自动化生产中，虽然机械手现阶段还不如人手灵活，但它能做不断重复的劳动和工作，不用考虑危险性和疲劳，抓举比人手更有力等等优点，因此，机 械手越来越受到人们的重视，应用范围也越发广泛。最先研制机械手的国家是美国。在 1958 年的时候，美国的联合控制公司研制出来了第一台机械手。这种机械手的结构很简单：一个旋转臂装在机器本体上，带有电磁块的物品抓放机构安装在顶部，控制系统是示教再现的。 1962 年，该公司在此基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。取名为 照坦克炮塔的运动系统，臂可以俯仰、伸缩、回转等等，动力源为液压系统；用磁鼓作为控制系统的存储装置。它是球坐标通用机械手发展起来的基础。几乎同时，美国的另外一家设备公司也试制了 一种名为 机械手。这种机械手的中简立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也为示教再现型。出现在六十年代初的这两种机械手，成为后来国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国斯坦福大学、 司和麻省理工学院联合研制了一种 机械手，采用小型电子计算机作为控制的主体，主要用于装配工作，定位误差小于 1邦德国的 产了一种机械手，主要用于焊接，它采用的是关节型结构，用程序来控制。 目前，大部分的机械手还处在第一代的阶段，大部分依靠 人工来进行控制；改进的方向主要是提高工作精度，降低生产成本。第二代的机械手正在研制中。整个系统使用微机来进行控制，具有视觉以及触觉能力，甚至具有听和想的能力。它的机身上装各种传感设备，把接收到的信息反馈出去，使机械手拥有了感觉的功能。 我国给汤机技术起步比较晚，大概始于 20 世纪 70 年代末。机械手领域也是这个 期开始涉及的。近年来，我国在这一方面发展迅速，在许多前沿领域内与世界先进水平之间的差距都在逐渐缩短。压铸在工作时，定模与动模的挤压撞击力极大，熔炉中金属液体温度很高，另外噪声巨大，工人在如此恶劣 的环境下长时间工作是极其危险的。机 2 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力大的特点。因此，将机械手应用于该领域，可以降低工人的劳动强度，减少危险， 也可以提高设备的生产效率和自动化水平，具有很强的现实意义。 械手的定义 目前，工业机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机械手协会给工业机械手下的定义：工业机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材 料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机械手作如下定义： 装化肥搬运机械手的组成 执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。 袋装化肥搬运机械手主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。 手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具 的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。 时间、速度和加速度等参数。 袋装化肥搬运机械手与主机及其它有关装置之间的联系 3。 装化肥搬运机械手的应用 按袋装化肥搬运机械手布局形式分可分为：架空式袋装 化肥搬运机械手、附机式袋装化肥搬运机械手、落地式袋装化肥搬运机械手三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的袋装化肥搬运机械手，他们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。 袋装化肥搬运机械手通常用作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 3。 题背景及目的 毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践 性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过 3 毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的： （ 1）综合运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。 （ 2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。 （ 3）检验综合素质与实践能力。 1 第 2 章 袋装化肥搬运机械手设计要求与方案 装化肥搬运机械手设计要求 现在化肥厂生产的化肥大多都是袋装的，都是工人搬运装车，由于工人的工作量大，工人劳动强度高，一些有毒物质对人体造成伤害，为了改善这种情况， 本题目将设计一种 袋装化肥搬运机械手，要搬运的袋装化肥重量为 40克，每次搬运一袋，工作循环为 30 秒，工作范围为 3000 设计原始参数： 搬运的袋装化肥重量为 40 每次搬运一袋，工作循环为 30s； 工作范围为 3000 设计中要遵循用最简洁的方法，实现高度自动化的原则。 本设计思路 统分析 机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作： (1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。 (2) 分析机械手所在的系统工作环境。 (3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度 、抓取重量等。进一步根据抓取、液压物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。 对此，我进行如下分析： (1) 本设计课题为物料袋装化肥搬运机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料袋装化肥搬运机械手。 (2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料袋装化肥搬运机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一 定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。 2 体设计框图 人 机 交 互 系 统( 系 统 软 件 、 编程 语 言 系 统 )控 制 器 及控 制 算 法控 制 系 统驱 动 系统 ( 各 驱动 器 )机 械 系 统 ( 机身 、 臂 部 、手 腕 、 手 爪 )作 业 对 象内 部 传 感 器 信 息 反 馈工 作 对 象 及 环 境 信 息 反 馈感 知 系 统图 2 总体设计框图 如图 2为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 选择， (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 装化肥搬运机械手的基本参数 1. 机械手 的最大液压物料的重量是它的主参数。本论文物料袋装化肥搬运机械手所液压的物料质量可设定为 1吨。 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料袋装化肥搬运机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。 （ 1） 抓量： 1吨以上 ， （ 2）能够实现 360度的旋转。 （ 3）机械 手能够抓取重物高度 1米以上。 （ 4）可以前进一米 械手精度太低，就完成不了功能，精度 3 太高又意味着成本的增加。综合考虑，士 1间。物料袋装化肥搬运机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料袋装化肥搬运机械手各关节的行程和时间分配来决定。 装化肥搬运机械手结构设计 根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 械手材料的选择 机械手手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机械手的设计和制作要求。从设计的思想出发，机械手手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机械手手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机械手手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构 性、质量等性质一起考虑。 总之，选择机械手手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机械手手臂常用的材料： (l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢 :这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了 45 倍、弹性模量 E 大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料 ; (2)铝、铝合金及其它轻合金材料 :其共同特点是重量轻、弹性模量 E 不大，但是材料密度小，则 E/p 之比仍可与钢材相比 ; (3) 陶瓷 :陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊 设计。然而，日本己试制了在小型高速机械手上使用的陶瓷机械手手臂的样品 ; 从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件。 械臂的运动方式 常见的机械手的运动形式有五种 : 、直角坐标型极坐标型、关节型和圆柱坐标型。根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。位置具体选 用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、以及液压前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 这类机械手一般由 2 个肩关节和 1 个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。 4 肘关节平行于第二个肩关节轴线，考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密 封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难 ;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。 图3 常见的运动方式 装化肥搬运机械手 驱动方式的选择 机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、液压驱动和油马达驱动四种基本形式。 但与液压驱动相比，功率较小，液压驱动的能源、结构都比较简单速度不易控制，精度不高。 油马达传动能源简单，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，机构速度变化范围大，效率高，控制灵活。 液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较 高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。 起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用液压或者液压传动，就必须带有旋转液压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。 故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用传动的驱动方式，通过油马达带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用液压驱动方式。 作要求分析 动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 5 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图 装化肥搬运机械手动作简易图 装化肥搬运机械手结构及驱动系统选型 本课题所设计的袋装化肥搬运机械手为通用型的袋装化肥搬运机械手，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用油马达驱动和液压驱动， 油马达 驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，液压驱动用于手臂的伸缩和袋装化肥搬运机械手的夹取和翻转 3。 6 第 3 章 系统各主要组成部分设计 持器结构设计与校核 持器种类 这种手爪在活塞的推力下，连杆和 杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平 行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为 50设计。 a有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b有足够的开闭范围 工作时， 一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 7 c 力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个袋装化肥搬运机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d 手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧袋装化肥搬运机械手，根据 工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。 持器设计计算 手爪要能抓起工件必须满足： 21 （ 3 式中， N 1k 常取 ； 2k 要考虑惯性力的影响可按 12 估算， a 为机械手在搬运工件过程的加速度 2/ 2/8.9 ， g 为重力加速度； 3表选取 13 k； 8 G 40 带入数据，计算得： 2000 ； 理论驱动力的计算： 12 3 式中， p b R N 处选为 其他同上。带入数据，计算得 7700 计算驱动力计算公式为： 1（ 3 式中， 1k 处选 4k 处选 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （ 3 式中， P A 选取缸内径为 50 夹持器校核 活塞杆直径 查液压传动与控制手册 根据杆径比 d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取 d/D=活塞杆受压时，一般选取 d/D=设计选择 d/D=d=35 = 2262 )1035(410104x =961625N 37700N 计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。 经计算，所需的油压约为： (后续章节进行介绍 ) 9 降方向设计计算 步确系统压力 表 3负载选择工作压力 1 负载 / 0 工作压力/满足最低速度的要求。 度计算： 490 （ 4 式中 许用应力； M P b （ 的抗拉强度为375 400位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中） 3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适 当的活塞杆端部结构。 活塞杆的密封形式有 6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/取。方便设计和维护，本方案选择 13 压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4压缸活塞行程参数优先次序按表 4a、 b、 表 4a）液压缸行程系列（ 3496 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表 4b） 液压缸行程系列（ 3496 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表 4c） 液压缸形成系列（ 3496 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表 3选取液压缸的工作行程为 1050 塞的设计 由于活塞在液压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间 隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用 向套的设计与计算 的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度 1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最小导向长度。根据经验 ,当液压缸最大行程为 L,缸筒直径为 最小导向长度为 : 220 （ 4 14 一般导向套滑动面的长度 A，在缸径小于 80=(，当缸径大于 80=(.0)d.。活塞宽度 B 取 B=(。若导向长度 H 不够时 ,可在活塞杆上增加一个导向套 K(见图 4增加 套 21 （。 图 4压缸最小导向长度 1 因此 :最小导向长度 ，取 H=9 导向套滑动面长度 A= 活塞宽度 B= 8 .1 m 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。 盖和缸底的计算校核 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。 端盖厚 )h 1 式中 螺钉孔分布直径， 15 P 液压力， 2 密封环形端面平均直径， 材料的许用应力， 2 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。 体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于 活塞的行程
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