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上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化（数控） 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2015 年 3月 11日小型柔性生产系统龙门机械手机械设计1 所选题目的及其意义 本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）2.1国内机械手领域的现状和发展目前国内机械于主要用于机床加工、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，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，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。 2.2 国外机械手领域发展趋势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。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。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，量新产品达到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，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。市场上的龙门机械手结构示意图:3 研究内容3.1 课题的技术要求工件形状：5050mm的铝制圆柱体或5050mm的塑料圆柱体;托价为200145mm方形有机玻璃，2公斤。定位精度：1mm；运动速度：2m/min；工作行程：X：1000mm，Z：200mm；设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，Z轴引动器则完成对工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。3.2方案设计 1.机械手的设计。2.X.Y两个方向的运动传动设计。3.总体方案设计。3.3结构设计1.机械手的结构设计。2.X.Y.两个方向的传动结构设计。 3.总体方案结构设计。 4.零部件设计。4 研究方案4.1机械手抓紧方案设计4.1.1手部结构 机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类： 1）夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 2）吸附式：包括气吸式与磁吸式等。 4.1.2手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。4.1.3设计时考虑的几个问题 1)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。2)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持物体的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻。 3) 由3.1课题的技术要求可知。该机械手工作需要夹取的是方形托盘，托着的工件为5050mm的铝制圆柱体；或5050mm的塑料圆柱体。以铝的密度计算，工件的最大质量为0.264KG。加上2KG的托架，总共2.264KG。属于轻载。所以最终决定选用气压传动的通用机械手。作结构简图如下:图1：机械手结构示意图由驱动杆上的圆柱销套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时，即可拨动两个手指个绕其支点作相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。4.2 龙门机架的方案设计 4.2.1现有的机械传动方式的简述通常来说，用于步进、伺服电机驱动的机械传动机构，一般有以下几类：1.丝杠：是将旋转运动转换成线性运动，或将直线运动化为回转运动的元件。普通梯形丝杠可以自锁，但是传动效率较低不适合高速往返运动。滚珠丝杠传动效率高、精度高、噪音低，适合高速往返运动。但传动跨度不可太大。2.齿条和小齿轮：承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度高。但噪音较大，较易磨损。3.传送带（同步带）：可以高速传动，噪声低。缺点是不可长距离传动，否则皮带的变形会影响定位与控制。4.齿轮组：是传动效率最高的传动元件。但是由于齿轮本身形状的限制，无法应用于长距离传动。5.链条驱动：载荷高，传动效率高。但链条的磨损会导致传动精度下降。6.主轴驱动：可调速范围大，传动效率高。4.2.2 X方向传动方式及结构设计由X轴方向工作范围为1000mm，要求在水平方向上精确定位，工作速度大于2m/min。故选用同步带传动。由步进电机带动主动轮转动，与水平方向上的从动轮联动，带动滑块做X方向的水平运动。滑块与同步带通过齿轮传动。左右两端安装两个限位装置，限制位移。为保证传动的稳定性，在上下两侧设计装配了两条平行导轨。作结构简图如下：图2：X方向结构示意图滑块背面示意图：图3：滑块背面示意图4.2.3 Z方向传动方式及结构设计由Z轴方向工作范围为200mm，Z轴引动器完成对工件提起或放下操作。其末端为抓取释放工件的机械手，需精确定位。且在工作中需多次完成高速往返运动。故选用丝杠螺母副作为传动机构。设计螺母副固定，丝杠由顶端步进电机通过联轴器带动做上下往复运动。为保证传动的稳定，在两侧设计装配了两条导轨。作结构简图如下：图4：Z方向运动结构示意图4.3总体方案综合上面的结构设计方案，现提出以下设计方案，龙门机架的同步带机构装配在机架中间，由步进电机驱动。丝杠螺母机构安装到一块固定板上，再装配到同步带机构驱动的滑板上。气动通用机械手装配在丝杠螺母机构的末端。作总装配的结构简图如下：图 5：总体方案结构示意图设计机械手的动作流程如下：图 6：设计流程图5 进度计划2014.12 调研、查找相关资料2014.01 开题、拟定总体设计方案2015.02 完善开题报告，完成文献翻译2015.032015.04 设计计算、初步完成总装配图、部件图、零件图的绘制2015.052015.06 完善图纸、撰写设计说明书，准备答辩。6 参考文献1 蔡自兴.机器人学M.北京.清华大学出版社,2000.2 王革华.新能源概论M.北京:化学工业出版社,2006.3John Nofsinger. 美国物料搬运和物流管理的市场及发展趋势J.机电信息,2001(12).584 吴治坚.新能源和可再生能源的利用M.北京:机械工业出版社,2006.5 丁树模.机械工程学M.北京:机械工业出版社,2000.6 李昌辉. 自动上料机器人系统开发D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.6 7 尹自荣,熊晓红,骆际焕,王建坤. 数控上下料机械手的研究及应用D.武汉：华中理工大学，2010.5 8陈佩云，金茂菁，曲忠萍.我国工业机器人发展现状J.机器人技术与应用，2001年第1期9康立新，马建华.工业机械手的设计J.工程技术 10芮延年. 机器人技术及应用M. 北京:化学工业出版社, 2008 11宗光华. 新版机器人技术手册M. 北京: 科学出版社, 2007 12陈心昭. 现代实用机床设计手册M. 北京: 机械工业出版社, 2006.13于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计J.武汉：武汉化工学院机械工程学院，2003.1014金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ，2005 15孙树栋.工业机器人技术基础M.西安：西北工业大学出版社，2006 16严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003 17谢存禧，张铁.机器人技术及其应用M.北京：机械工业出版社，200818朱世强，王宣银.机器人技术及其
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