关 键 词：

文本

资源描述：

搬运机械手夹吸一体的末端机构设计含开题及12张CAD图,文本

内容简介：

附件1（设计）选题申报表论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计 学院专业年级指导教师职称指指导教师填写选题依据课题以搬运机器人的运动控制系统及结构的设计作为研究方向,该部分的设计是搬运机器人重要的组成,也是该课题研究的重中之重。运动控制系统直接关系到整个系统的多项性能能否正常运行,及是否达到各项性能指标。与此同时,搬运机器人运动控制系统被广泛应用于生产车间的货物码垛,且货物搬运的效果具有很大的实际意义和应用价值。因此,本课题研究的意义重大。是否社会实践型选题是否“四协同”选题“四协同”类型（请在相应栏目打“”）校校协同校企协同专业协同学生协同是 否 是 否 审审核人填写系（教研室）审查意见 系（教研室）主任签名： 年 月 日学 院审核意见 学院院长签名：年 月 日 （设计）任务书附件2论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计学院专业年级学生姓名指导教师学号职称一、毕业论文（设计）应完成的内容及要求（一）主要内容首先就是简单介搬运机器人，引出自己搬运机器人自动化系统设计的主题，给出自己设计的搬运机器夹吸一体末端结构总图，并做出具体原型。其次就是对搬运机器的末端的各种硬件进行选型和设计，给出合理化的方案。对夹爪的关键零部件进行运动分析，以及夹爪的开闭速度，和吸盘压力以及工作状况的确定。最后对关键零部件进行有限元分析，得出机构可行。（二）主要任务要求1.资料收集：到图书馆进行相应资料的查询，并进行文献资料收集，文献综述，数据采用图表表示，在分析调研资料的基础上确定本项目的研究重点，拟定研究计划。2.设计思路要清晰，要求结构合理，计算过程正确，图纸符合国标。基本技术手段选择要正确，完成的功能要丰富，方法可行，系统具有功能可拓展性。3.参考文献：查阅参考文献以及精选参考文献。且文献要求近5年内文献（至少3篇近3年文献）。文献含著作、网络文献、论文等，含3-5篇外文文献。结合自我理解提出创新观点，并完成符合要求的开题报告。4.论文整体内容要协调，前后观点要一致，主次分明。摘要和内容、目录与内容要一致；格式要符合学校相关文件要求。5.最终完成毕业设计和论文定稿，论文按学校本科毕业论文规范要求撰写，含中英文摘要、关键词、目录、正文、参考文献、致谢、附录（可选），正文字数800010000字。6.毕设和论文完成后应严格按照学校统一要求进行装订，答辩后按照要求提交论文全套资料。二、毕业论文（设计）应完成的成果形式（包括各种毕业设计、图纸等）完成开题报告，基于夹吸机自动控制系统设计的设计说明书。 三、毕业论文（设计）的进度安排序号起止日期工作内容备 注12019.11.52019.11.22选题申报22019.11.232019.11.29确定选题，下达任务书选题32019.11.302019.12.13查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告开题42019.12.142020.3.8独立设计，完成论文初稿， 初稿52020.3.92020.3.14中期检查中期检查62020.3.152020.4.10修改初稿并形成定稿定稿72020.4.112020.4.17论文验收与评审验收与评审82020.4.182020.5.10毕业论文（设计）答辩论文答辩2020.5.112020.5.30论文档案材料整理存档论文总结和归档四、毕业论文（设计）应查阅的重要资料及参考文献来源1 毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师，2018.2 张玲玲，姜凯.FANUC工业机器人仿真与离线编程，20193 战强.机器人机构学、运动学、动力学及运动规划，2019. 4 刘云帆,刘广发,程若楠,陈照奇.PLC技术在电气工程及其自动化控制中的运用J/OL.电子技术与软件工程,2019(06):1122019-04-28.5 梅江平.高速包装机器人技术与应用J.机器人技术与应用，2017(5)：18-20. 6 钟健，鲍清岩.KEBA机器人控制系统基础操作与编程应用，2019.7 邵拓.仿真技术应用在反应堆控制系统调试J/OL.电子技术与软件工程,2019(08):142+2512019-04-28.8 唐聪,陈松,王佳伟.基于广数码垛机器人的特点与搬运实例J.智能机器人,2018(06):70-72.9 汪洪青，曲晓绪.工业机器人操作与编程，2019.10 陈伟卓.KUKA工业机器人操作与编程，2019.11 李琦.工业机器人操作与编程，2019.12 彭书华，黄异斌，曾庆军.工业机器人实训手册，2019.13 Dora-Luz Almanza-Ojeda, Perla-Lizeth Garza-Barron, Carl. Design and Implementation of a Demonstrative Palletizer Robot with Navigation for Educational PurposesM.IntechOpen:2018-09-2614 Javier Sarria,Hector Montes,Manuel Prieto,Manuel Armada. High Speed Fragile Object ManipulationM.Springer International Publishing:2017-06-15.15 MAHALIK Nitaigour P.Processing and Packaging Automation Systems:a ReviewJ.Sensing and Instrumentation for Food Quality and Safety，2016(1)：12-25: 指导教师签名： 年 月 日系（教研室）审查意见 系（教研室）主任签名： 年 月 日学院审查意见 学院院长签名： 年 月 日（设计）开题报告附件3论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计学院专业年级学生姓名指导教师学号职称一、选题的目的和意义在新时代的大发展下，搬运机器人的设计种类众多，功能和适用场合也不断丰富；本设计就搬运机器人处于夹取过程中，物品滑落的状况而设计。在对大多数搬运机器人的了解以及调查过程中发现，物品滑落状况时有发生，而且还是普遍情况，因此解决这种情况迫在眉睫，在经过一系列查阅和灵感，发现吸盘加入完全能解决这种情况，而且不会增加过多的设计和制造成本，因为电气在机器人上基本是必备装置，综合各种情况夹吸一体是一个完美的设计。夹吸一体搬运机器人是传统搬运机器人的升级版。它将取代传统搬运机器人，适用场合更多，完成效率更高，完成质量更高，加速生产的同时减少不必要的损失，是今后机器人发展的重要条件之一。从市场上看，市场对于产品更新迭代充满期盼，更新的产品不仅更加完善，而且功能更加全面，生产效率更高，可靠性更强，为企业社会提供更强大的生产力，为社会发展提供更高的更纯净更节能的动力。二、相关文献综述苏海新，韩宝玲，罗庆生等在论文基于 PMAC的工业码垛机器人控制特性研究中表示，以工业码垛机器人控制系统及其控制特性为研究对象,设计了一种基于工业控制计算机(IPC)+多轴运动控制卡(PMAC)的模块化分布式控制系统,探讨了工业码垛机器人控制系统的理论建构和工程实现问题,并通过工程样机长时间、多样式的码垛作业实验,证实该工业码垛机器人控制系统能可靠实现伺服控制、路径规划、状态监控和人机界面操作。黄成义自动包装码垛生产线监测系统的研究中介绍，自动码垛机监测系统的硬件应用平台采用台湾研化工业控制计算机,其性能优良、工业现场应用可靠性高.系统软件工作平台为NT4.0中文操作系统.系统工具软件一发环境为VISUAL BASIC高级程序语言.该文着重从工业流程画面的实现,数据通讯技术和数据库应用三方面的论述了自动参政垛机监测系统软件设计的内容和功能,并对软件设计中遇到的一些关键性技术作了系统的阐述和分析.自动参政垛机监测系统软件全部实现模块化、系列化,形成了一套实用性较强的设计手段和方法.李成伟，朱秀丽，贠超在论文码垛机器人机构设计与控制系统研究中重点分析了，重点分析了码垛机器人的运动学研究,推导了运动学正反解公式及最大工作空间的判断且规划了运动路径,进行了图形仿真,验证了运动轨迹的正确性,利用分布式二级控制结构实现系统的监控和作业管理,协调各关节的运动,准确地跟踪轨迹规划并自主开发码垛机器人控制软件。通过盒控制方式,实验结果表明,所设计的机器人已可满足在物流自动化的目标要求。邵拓在仿真技术应用在反应堆控制系统调试说明了仿真技术在核电厂反应堆控制系统调试中的应用,并通过搭建虚拟仪控测试平台,利用结合热工水利模型为基础的反应堆工艺仿真系统测试,获得并严重控制系统最佳调节控制参数,并在实际DCS设备上对参数进行复核验证,尽可能地使由于无法进行实际被控设备联调而带来的设计或调试问题得到识别,降低风险缩短调试周期。万英和,吴连松,武冰昕,陈芳,杨金鹏在基于振动特性的码垛机器人结构优化中指出了码垛机器人进行模态分析,分析机器人振动形式以及振动最薄弱的部位。针对振动最薄弱的部分提出了一种基于码垛机器人末端振动特性,对其构件结构尺寸参数进行优化的方法。以大臂为例,通过截面尺寸优化,在不增加重量的前提下,使其末端振动的最大振幅得到了一定的改善。该研究为码垛机器人动态特性分析以及基于机器人末端振动特性的结构优化提供了理论基础与依据。众多前辈对进行了研究，使课题有了很多可以参考的内容，而此次所设计的搬运机器人夹吸一体机是针对于其末端机构设计满足本次研究的理论要求。三、研究内容要求设计出来的搬运机器人夹吸一体的末端机构设计满足研究基本要求。1. 引论1.1研究目的及意义1.2国内外研究现状1.3技术路线1.4主要研究内容2. 总体结构设计2.1执行机构坐标形式选择2.2执行机构的选择2.3执行机构各部分的分析与选择2.4 执行机构的工作原理2.5执行机构的简图2.6其他连接和执行部分3. 校核3.1 夹爪行程校核3.2 拉力杆的校核3.3 吸盘校核4. 仿真4.1 夹爪仿真4.2 关键零件应力分析4.3吸盘吸附有限元分析4.4夹吸一体受力分析5. 结语 5.1 结论 5.2 展望四、研究方法、步骤及措施等四、研究方法、步骤及措施等研究方法：文献研究法：阅读和参考相关的搬运机器人类设计文献，来合理设计本研究的基本框架、研究内容和基本方法。实验法：根据搬运机器人夹吸一体参数和性能要求设计符合所需要的末端机构设计。研究步骤：(1) 前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，了解搬运机器人夹吸一体的末端机构设计的各种基础参数。议定论文提纲。(2) 撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，向指导老师咨询相关意见。(3) 论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合老师以及前人的研究成果进行论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。完成以下内容：（4）论文评审及答辩将论文定稿提交指导老师、评阅教师评审，并准备答辩。研究措施：（1）完成对夹吸一体机控制系统的运行过程分析及控制系统功能，系统硬件分析控制参数选择及电控系统的需求，PLC的选型，确定此系统的布置形式。（2）分析电路系统等供电设计，PLC控制系统设计及方案论证。五、进度安排序号起止日期工作内容12019.11.232019.11.29确定选题，下达任务书。学生与教师沟通，选择研究课题，查阅相关文献，设计研究实施方案，学生进行调研和数据收集。经过院（系）、学校选题审查后学生确定毕设论文选题，教师下达任务书。22019.11.302019.12.13查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告。32019.12.142020.3.8独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文。 42020.3.92020.3.14中期检查。52020.3.152020.4.10设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿。62020.4.112020.4.17设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在30%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩。72020.4.182020.5.10毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩。82020.5.112020.5.30论文档案材料整理存档六、主要参考文献1 毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师，2018(7)：5-7.2 黄成义.自动包装码垛生产线监测系统的研究J.哈尔滨工业大学硕士论文.2016，(1)：13 李成伟，朱秀丽，贠超.码垛机器人机构设计与控制系统研究J.机电工程，2018(12)：81-99. 4 刘云帆,刘广发,程若楠,陈照奇.PLC技术在电气工程及其自动化控制中的运用J/OL.电子技术与软件工程,2019(06):1122019-04-28.5 梅江平.高速包装机器人技术与应用J.机器人技术与应用，2017(5)：18-20. 6 苏海新，韩宝玲，罗庆生等.基于 PMAC的工业码垛机器人控制特性研究J. 机械与电子，2017(9)：57-60.7 邵拓.仿真技术应用在反应堆控制系统调试J/OL.电子技术与软件工程,2019(08):142+2512019-04-28.8 唐聪,陈松,王佳伟.基于广数码垛机器人的特点与搬运实例J.智能机器人,2018(06):70-72.9 万英和,吴连松,武冰昕,陈芳,杨金鹏.基于振动特性的码垛机器人结构优化J.制造业自动化,2018,40(12):51-55.10 王贵宇.三菱PLC在温室控制系统中的运用J.山东工业技术,2019(12):170.11 赵臣. 我国工业机器人产业发展的现状调研报告J.机器人技术与应用，2018(2)：9-13. 12 张千朋,洪腾飞,陈龙.电气工程自动化控制中PLC技术的应用J.电子技术与软件工程,2019(07):130.13 张俊峰.基于PLC的自动化电气控制措施分析J.山东工业技术,2019(11):149.14 Dora-Luz Almanza-Ojeda, Perla-Lizeth Garza-Barron, Carl. Design and Implementation of a Demonstrative Palletizer Robot with Navigation for Educational PurposesM.IntechOpen:2018-09-2615 Javier Sarria,Hector Montes,Manuel Prieto,Manuel Armada. High Speed Fragile Object ManipulationM.Springer International Publishing:2017-06-15.16 MAHALIK Nitaigour P.Processing and Packaging Automation Systems:a ReviewJ.Sensing and Instrumentation for Food Quality and Safety，2016(1)：12-25.七、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日八、系（教研室）审查意见（请在相应栏目打“”） 1.同意开题 2.不同意开题 系（教研室）主任签名： 年 月 日九、学院审核意见（请在相应栏目打“”）1.同意开题 2.不同意开题 学院院长签名：年 月 日附件4（设计）指导记录表论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计学院专业年级学生姓名指导教师学号职称指导记录1夹吸一体运用的场合，以及夹爪机构的确定。指导教师签名： 2020年 3 月 5 日 指导记录2夹爪机构的选型，以及夹爪机构的校核。指导教师签名： 2020年 3月 15日指导记录3吸盘的选择，以及吸盘位置确定。指导教师签名： 2020年 3月 20日指导记录4夹吸一体机构的总体结构确定。指导教师签名： 2020年 4月 1日指导记录5机构的运动仿真。指导教师签名： 2020年 4月 10日指导记录6论文总体结构的审核。指导教师签名： 2020 年 4月 15 日说明：指导老师填写次数不得少于5次，且能够对选题、开题报告、初稿、定稿和答辩等环节提出实质性指导意见。（设计）中期自查表附件5论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计学院专业年级学生姓名指导教师学号职称学生毕业论文（设计）完成情况1.是否完成文献查阅与资料综述：是 ；否 。2.是否完成开题报告书写与评阅：是 ；否 。3.毕业论文（设计）是否按原定计划进程执行：是 ；否 。教师答疑情况1.对学生进行指导或讨论的次数：8次，形式线上和当面指导 。2.指导记录次数： 6次。存在的主要问题和拟解决办法1、 夹爪机构选择，存在机构的问题，有老师提出更换机构。2、 吸盘的选型，根据老师提供资料进行修改。3、 夹吸一体机构的设计，根据工厂实际情况改动。4、 夹吸一体机构的校核。5、 夹吸一体机构的运动仿真以及有限元分析。指导教师签名： 年 月 日附件8（设计）答辩记录论文（设计）题目：搬运机器人夹吸一体的末端机构设计学院专业年级学生姓名指导教师学号职称答辩记录：（答辩中提出的主要问题，回答的要点）1、连杆机构的夹持力是根据什么确定的？答：本设计机构是针对自重为1000g的酸奶，夹爪的作用是夹取物体，将物体夹到吸盘下方，然后吸盘吸住酸奶盒上表面，提供吸取酸奶的吸力，因此主要克服重力做工的吸力由吸盘提供，而夹爪的作用是将酸奶盒平移至吸盘下方，所以夹爪主要提供水平方向的力，克服酸奶盒与传送带的滑动摩擦力做功，因此夹爪的夹持力等于酸奶盒与传送带之间的滑动摩擦力。2、夹爪、连杆、拉杆的长度如何确定？答：根据酸奶盒的宽度确定夹爪的开和范围，通过论文可知酸奶盒最小的宽度为105mm，因此夹爪最小的闭合范围应小于105mm，才能夹住酸奶盒；酸奶盒的最大宽度为125mm，因此夹爪的最大开口应大于125mm，通过对最小最大开合范围的确定，从而对夹爪、连杆、拉杆的长度进行确定。3、应力仿真的结论与目的是什么？答：目的：通过对机构设定工作状态下的条件，了解机构的应力、应变、位移能否达到机构正常运行的结果。结论：通过Simulation应力仿真分析，了解到机构在满足工作条件的情况下，不会出现开裂、翘曲、变形、产品尺寸上的变化。4、针对拉杆的应力云图表达的内容是什么？答：通过对拉杆应力分析得出,拉杆最小应力为7.827e-01 N/m2，拉杆的最大应力为1.032e+04 N/m2，表示拉杆在这个应力范围内，不会导致拉杆发生物力形变，不会对拉杆的结构产生影响，且在本文的工作条件下，工作应力在这个应力范围内，因此通过应力分析得出机构在实际中的可行性。 答辩小组组长签名： 年 月 日 搬运机械手夹吸一体的末端机构设计摘要搬运机器人作为一种典型的工业机器人，广泛应用与各行各业，在技术不断地发展、创新过程中，向其他领域不断延伸。且伴随着自动化水平的不断提高，以及社会对其关注度不断提升，对其柔性、作业能力、专一性以及智能性等都提出了更高的要求。因此本文主要针对搬运机器人专一性进行创新研究，使得搬运机器人适合更加复杂环境，以及更加可靠。一般的搬运机器人主要工作段是类似爪子形状，在搬运环境复杂的情况下容易导致货物滑落，造成不必要的损失以及降低工作效率，提高生产成本，针对这种情况在原有的情况下对搬运机器工作末端的机械手进行创新改进，改变搬运机器人搬运货物过程中造成的不必要损失，提高效率、在一定程度上降低成本。本设计采用夹吸一体化设计，相对于对一般机器夹爪，提高搬运机器人机器的可靠性， 提高搬运机器人在运行中的效率。本文根据现场的搬运情况及出现的问题,，针对性解决现场对机器人的细节要求设计了搬运方案,经过分析夹吸一体搬运机器人在工作中更加高效、可靠、节省成本。关键词：搬运；机器人；夹爪；吸盘；设计AbstractAs a typical industrial robot, carrying robot is widely used in all walks of life. In the process of continuous development and innovation of technology, it is constantly extended to other fields. With the continuous improvement of automation level and the increasing attention from the society, higher requirements have been put forward for its flexibility, operational capability, specificity and intelligence. Therefore, this paper mainly focuses on the carrying robot specificity for innovative research, so as to make the carrying robot suitable for a more complex environment, as well as more reliable.General handling robot main segment is similar to claw shape, in handling complex environment is easy to cause the goods under the condition of slide, cause unnecessary losses and reduce work efficiency, increase the production cost, for this kind of situation in the original case for handling the machine work at the end of the manipulator for innovation improvement, change the handling robot unnecessary loss caused in the process of handling the goods, increase efficiency, to a certain extent, reduce the cost.This design adopts the integrated design of clamping and suction, which improves the reliability of the handling robot machine and the efficiency of the handling robot in operation, compared with the clamping claw of the general machine. In this paper, according to the handling situation and problems on the spot, a handling scheme is designed to solve the detailed requirements of the robot on the spot. After analysis, the grip-and-suction integrated handling robot is more efficient, reliable and cost saving in the work.Key words:Handling; Robot; Grip; Suction cup;Design目录1 引论11.1 研究背景与意义11.2 国内外研究进展11.3 技术路线21.4 主要研究内容32 总体结构设计42.1 执行机构坐标形式选择42.2 执行机构的组成52.3 执行机构各部分的分析与选择52.4 执行机构的工作原理72.5 执行机构简图72.6 其他连接和执行部分83 校核143.1 夹爪行程校核143.2 拉杆力的校核163.3 吸盘校核174 仿真194.1 夹爪仿真194.2 关键零件应力分析214.3 吸盘吸附有限元分析254.4 夹吸一体受力分析265 结语275.1 结论275.2 展望27参考文献28致谢29 1 引论本章节主要研究探讨国内外机器人的发展现状，通过查阅相关的资料得出机器人现在发展趋势较好，且市场环境较有利于发展机器人。1.1 研究背景与意义机械手作为科技进步的象征，高科技时代的产物，将人类从重复的、单调往复、机械式的工作模式中解放出来，既可以提高生产效率，也可以将人从繁重、单调、枯燥的、低效的工作环境中解放。它在先进制造行业起着至关重要重要的作用，可实现自动化生产提高产能和质量，能在恶劣环境下完成人不能完成的工作，由于科技技术发达，机器人的能力不断加强，因此机器人被应用于各行各业。 工业机器人以其高质量、高效率不断改变着人类的生活方式，加速着人类社会的发展，在近几年来机器人得到更多的社会认可和信赖，机器人技术也得到了快速的更新迭代。其中搬运机器人以可靠的机械构造，广泛的使用范围，多自由度的机械结构，以及可靠的性能，受到市场和制造工业的一致好评和喜爱， 因此广泛应用于各行各业，涉及衣、食、住、行、教育、医疗等众多制造高科技行业。基于目前搬运机器人在现阶段大环境中深受市场青睐，故对搬运机器人进行改进和创新，使现阶段机器人的工作状况和效率大大提升，因此本文主要研究搬运机器人末端执行机构的设计研究。机械手最早用于汽车制造行业，起初只用于完成固定的工作，经常用于搬运油漆、上下料和焊接机器人的仿生手脚功能，代替人从事不同温度下的工作，以及恶劣环境、对人体有害的环境，以不停机、负载大、效率高、质量高等优点取代人的工作，主要用于制造业，特别是塑料加工、汽车、电器制造、通用机械制造和金属加工业。1.2 国内外研究进展上世纪五十年代初期，乔治德沃尔利用可编程技术设计了一台工业机器人，相隔近十年发表了该项专利。同时期美国、日本、欧洲等国家相继进入机器人研究阶段并投入使用。然而由于中国在强调机器人的发展不够，没有重视机器人技术的发展，因此，中国机器人技术相对而言比较落后于发达国家。日本机器人发展的摇篮经历了六十年代，于 2000 年推出第一台应用于码垛的机器人， 名叫 M410iww，该机器适用于各种包装箱搬运及码垛，可同时为几台不同的供料、搬运以及码垛工作，它额定负载 400Kg，有效工作范围 1600mm，每小时循环作业高达 730 次， 最大可搬运 700Kg，最大工作半径 3143mm，工作循环周期达到 1500 回/小时。2007 年研发了当时世界最强的机器人KR1000Titam 搬运机器人，是一款适用于抓取、搬运、码垛等多种应用的大型机器人，最大负载能达到 1000kg，附加负载达 500kg，最大竖直位移距离 5000mm，最大工作半径 3200mm，能承受 60000Nm 的静态力矩，采用九个伺服电机驱动，由于它的竖直位移高达 5000mm，因此它能整层码垛，大大提高了工作效29率。ABB 机器人世界领先的供应厂商，在处理托盘工作,拥有全套先进的机器人解决方案。1974 年开发的世界上第一个完整的电子控制式工业机器人，做为材料搬运和处理。在 1998年开发了堆垛机器人双轴驱动,实现箱子和袋子搬运，循环效率高达每分钟 70 次，间隔一年在 1999 年开发了一个 160 公斤负载能力，每小时 1200 次搬运码垛机器人。工业机器人在 1970 年中国的应用研究进展缓慢，和当时国内经济状况不佳以及中国的平民区的影响发展缓慢研究和应用水平有关。1980 年代引进的一台搬运码垛机器人，应用在大型石油化工装置上。随着改革开放已来，中国愈加重视机器人的研究和开发，同时也具有一定的水平，从而使得搬运机器人在国内也得到了进一步发展。在我们国家,操纵市场占有比例的大部分海外进口设备使得国内机器人企业现在面临巨大的压力和挑战，使我国加快转变,从制造大国转向制造强国,在传统制造业为首的中国，应积极参与国际制造分工的巨大的挑战，提高我国制造业自动化的发展迫在眉睫，国家将出台政策和资金来刺激企业的自动化。在今后的发展中，各种技术将会广泛运用到机械手上，因此机械手在以后的发展中会愈加高效、高质量的完成各行各业的任务，切更低的运行成本使得企业更加热衷机械手来完成企业制造任务。1.3 技术路线首先对夹吸一体机构进行分析，研究机构的大致组成，以及夹吸一体化的实际、理论意义，然后对总体结构进行设计，同时设计出相应的三维结构图，然后对机构进行模拟分析，运动仿真以及应力应变分析，最后特殊零件进行工艺分析，最后得出本文结论，夹吸一体化的可行性。1.4 主要研究内容本文主要研究搬运机器人夹吸一体化末端机构设计，对现有的夹爪进行优化改进，采用夹吸一体化的结构设计，设计过程均采用 Solid works 软件建模设计，同时完成相关图纸的绘制，完成本课题相关的内容和要求。本课题通过对夹吸一体化机构设计，了解夹吸一体化设计的目的与意义，对其发展方向和趋势进行理解，根据实际情况，对机构进行仿真分析，以及关键零部件的加工工艺分析。针对上述方案本文分析有以下内容：第一部分是：引论。引论这部分主要讲述研究背景与意义，以及国内外发展趋势。 第二部分是：总体结构设计。这部分主要是结构的坐标选择，夹爪手臂部分的选择，以及执行部分相关参数的确定。第三部分是：关键零部件加工工艺分。主要针对不完全齿轮连杆的加工分析。第四部分是：仿真。主要针对执行零部件的运动和有限元分析。第五部分是：结语。对本文的一个总结。2 总体结构设计本章节主要对总体的机械结构的确定，选择执行机构的坐标形式，机构的组成，以及执行机构的分析与选择。2.1 执行机构坐标形式选择针对现有的机械手形式，对以下几种形式作对比，从而确定适合本设计的机构，主要有圆柱坐标式、直角坐标式、球坐标式、关节式，对这几种形式做以下对比：2.1.1 圆柱坐标式圆柱坐标机械手是市面使用最广的一种机械手形式，具有直观、结构简单、占地少、运动范围大等优点，深受市场喜爱，适合搬运和测量。2.1.2 直角坐标式直角坐标式机械手，它类似于数控铣床的坐标 X，Y，Z 三个方向，适合成行排列或配合传送带的生产环境，其扩展手臂上下和左右移动，根据 X，Y，Z 三个方向直线运动工作范围分为一个线性运动或两个线性运动或三个线性运动，如果 X，Y，Z 三个方向都有一个旋转运动，那么它就有六个自由度。优点有以下几点：（1） 可实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用；（2） 定位精度高，不会因载重变化而影响工作精度；（3） 易与生产线工作机械配合；（4） 适用于装箱、多工序复杂的工作，定位容易调整；（5） 节奏快、产能大，能高速运行。直角坐标式机械手其缺点是工作范围小。2.1.3 球坐标式球面坐标机械手自由度多，使用广泛，其活动范围是：一个圆周运动，两个直线运动， 两个圆周运动加上一个直线运动，因此机构更加复杂。由于球坐标机械手相对与其他的机械手体积较小、能上下摆动，因此手臂活动范围较大，且能自行选择合理的工作路线，自动化程度较高。2.1.4 关节式关节机械手类似于人体的肘关节，适用于接近物体操作的驱动方式，具有灵活的运动方式和多个自由度，空间比较狭窄的地方工作。关节机械手早在 20 世纪 40 年代就应用于核工业，之后应用在海洋资源发展上，具有一定的发展前景。因为关节式机械手类似人的手臂，故机械结构比较复杂，需要特制的机械结构因此需要大量的研制时间和研究经费，以及在设计的过程中的控制等诸多问题。综上所述，从机械手的难易程度，经济情况，时间精力等诸多因素。以及本文最重要的运动情况等方面考虑。本文中主要应用机械手手臂的左右移动动作、旋转动作、升降移动动作。故选择圆柱坐标式机械手，让整体更加经济、实惠、高效。2.2 执行机构的组成执行系统组成部分有：底座、支撑柱、手臂部、手爪部。2.3 执行机构各部分的分析与选择2.3.1 手部选择用来装工件或工具的部件叫做手部。因为了适应不同体积，表面，形状的物体。手部的常用机构有以下两类：（1） 夹持式夹持式类似于一个人的手掌，广泛应用于工业主要由传动机构传动和手指组成根据其工作模式分为：内部和外部的爪型和外部爪型,区别在于夹紧工件不同位置及其手爪的运动形式。手部设计时有以下几点需要注意：A、适用性和可换性；B、手指能够有一定的张开范围； C、手指需要要有一定的夹紧力； D、结构简单、高效、结构轻； E、保证夹工件的定位精度；（2） 气吸式。气吸式既吸盘式，采用真空吸盘，利用压差原理，将工件抓取，在工业机械手中十分常见，用排气系统使得吸盘内产生真空或者负压，从而达到抓取目的。优点是：轻、结构简单、保护工件、使用简单、可靠等特点，其缺点是：对工件表面有要求，需要工件表面清洁不透气。主要适用于板材、陶瓷制品、玻璃制品、薄壁零件、塑料以及纸张等表面光滑的工件。通过对以上两种方式的分析，夹持式结构简单、效率高、重量轻、通用性和可换性强， 气吸式简单的结构、轻巧的机构、操作方便、不损工件等优点，故将夹持式和气吸式相互结合。如图 2.3 所示：2.3.2 手臂选择图 2.3 装配体手臂顾名思义起着支撑手爪的主要作用，类似人手手臂有多个关节，实现多个自由度的运动一般有旋转运动、伸降、伸缩运动，手臂能承受重量的同时还需将物体移动到所需要的位置。1、手臂的作用：（1） 起着连接和承受外力的作用；（2） 提供动力；（3） 定位、导向作用。2、手臂设计要求（1） 适用性强；（2） 定位精度高；（3） 动作要灵活；（4） 负载能力大、自重较轻、结构强度大；（5） 手臂的运动速度不易过快、惯性要小。3、手臂的结构手臂运动基本是由驱动机构和导向装置做直线运动，往复直线运动主要有以下几种： 丝杆螺母机构：该机构特点易与自锁，例如滚珠丝杆，传动效率较低、因丝杆一般比较长，故制造起来比较困难。双作用双活塞杆油（气）缸：行程短，自生条件限制。由于本机械手不需要很大的行程，且只是比较简单地直线运动，考虑到结构的简单性和经济性，故选用双作用单活塞杆气缸。4、定位装置为了防止机械手臂在运动的过程中，不影响到机械手工作精度，就必须加上定位装置， 根据定位装置的结构、负荷来确定，常用的有单导向和双导向杆，在本设计中选用双导向杆运用在伸缩运动中。2.3.3 机座结构的选择机座就是机械手的基础，作为一切承重的机构，应该有较强的城中能力，而且驱动和执行等机构的安装机座，因此需要刚性好的结构，为了适应工作环境需要占地面积少，操作方便，维修简单等适用性的特点。机座结构主要分三种，固定、行走、移动，其中只有固定式的工作精度较高，为了保证夹取工件的精度，故选择固定式机座。2.4 执行机构的工作原理由手臂完成一系列动作，动作顺序为：起始位置-向右旋转-伸缩-下降-夹吸物料-上升- 收缩-向左旋转-下降-放下物料-回到起始位置2.5 执行机构简图根据前面机械手各部分的设计，机械手简图如下图 2.5 所示：图 2.5 执行机构简图2.6 其他连接和执行部分2.6.1 、连杆连杆主要连接夹爪、拉杆，如图 2.6 所示：2.6.2 、夹爪图 2.6 连杆夹爪夹取物体，由拉杆驱动，连杆连接固定在拉杆上，如图 2.7 所示：图 2.7 夹爪2.6.3 、销轴分为短销轴和长销轴，作用是连接固定连杆、拉杆、夹爪。如图 2.8、2.9 所示：图 2.8 长销轴图 2.9 短销轴2.6.4 、拉杆拉杆作用连接连杆以及活塞缸连杆提供动力，如图 3.1 所示：图 3.1 拉杆2.6.5 、吸盘以及吸盘座吸盘如图 3.2 所示：图 3.2 吸盘吸盘底座如图 3.3 所示：2.6.6 、滑块及导轨图 3.4 吸盘底座导轨、滑块机构连接长轴，如图 3.5 所示：图 3.5 导轨2.6.7 、盖板和箱体图 3.6 滑块箱体作为导轨的安装和固定，盖板将机构封住，如图 3.7、3.8 所示：图 3.7 盖板2.6.8 、卡簧图 3.8 箱体卡簧负责对夹爪、连杆、拉杆进行固定，如图 3.9 所示：图 3.9 卡簧3 校核本章节主要对机构进行校核，通过对机构的计算，来验证机构是否能达到设计目的， 以及机构的设计参数，使零件达到工作要求。3.1 夹爪行程校核夹爪行程主要是针对所夹取物体大小来确定的，本文机构的设计的夹取物体为盒装酸奶，夹爪行程必须满足最小行程小于酸奶盒宽度，最大行程满足大于酸奶喝宽度。如图 4.1 所示：图 4.1通过对夹爪的夹取位置确定夹爪做功的距离为 105mm，通过对夹爪的工作情况，分析夹爪的行程是否达到要求，如图 4.2 所示：图 4.2夹爪的工作行程及酸奶喝宽度：X=105mm夹爪的实际行程及夹爪面宽度加上夹爪宽度的一半及：X 总 = X + X1 + X 2 = 105 +10 +10 = 125mm（式 3.1）通过特殊角度计算机构最小行程，已知连杆中心距离为 80mm，取连杆与夹爪夹角为 30，通过三角函数计算夹爪行程如图 4.3 机构简图所示：图 4.3当夹角为 30时，夹爪最小行程为：X min = cos60 80 2 = 80mm（式 3.2）通过计算夹爪与连杆夹角为 30时，夹爪行程为 80mm，小于酸奶盒宽度，满足夹紧物体的要求。当夹爪与连杆垂直时是夹爪的最大行程，如图 4.4 所示：图 4.4通过简图计算夹爪的最大行程等于连杆长度加上拉杆宽度减去夹爪突出部分：X max =（80 + 20 - 20） 2 = 160mm（式 3.3）通过对夹爪最大距离和最小距离，行程满足要求：X min 105mm X max（式 3.4）3.2 拉杆力的校核本设计机构夹爪主要起到夹持住物体起到一定的定位保护作用，因此作用在夹爪上的力不需要太大，克服酸奶盒的摩擦力，使得酸奶盒能在水平面上移动即可。酸奶总重 1000 克，重力为：10N。根据表 3.1 决定动摩擦因数为 0.26：表 3.1 塑料材料摩擦系数试样塑料名称上试样（钢）上试样（塑料）静滑动摩擦系数动滑动摩擦系数静滑动摩擦系数动滑动摩擦系数聚四氟乙烯0.10.050.040.04聚全氟乙丙烯0.250.18聚乙烯低密度0.270.260.330.33高密度0.180.01聚甲醇0.140.13聚偏二氟乙烯0.330.25聚碳酸脂0.600.53聚苯二甲酸乙二纯脂0.290.280.270.20聚酰胺（尼龙 66）0.370.340.420.35聚三氟氯乙烯0.450.330.430.32聚氯乙烯0.450.400.50.4聚偏二氯乙烯0.680.450.90.52由公式 3.5 得：f = u Fn = 0.26 10 = 2.6N（式 3.5）受力分析简图如图 3.2.1 所示：拉杆拉力由公式 3.6 得：3.3 吸盘校核图 4.5F拉 = cosa f = 2.6cosa（式 3.6）吸盘通过真空泵将吸盘内的空气抽走，产生负压，利用大气压将物体吸住，从而达到搬运物体的效果，本文由吸盘提供提起物体的力，因此吸盘产生的吸力得大于物体的重量， 才能将物体吸起来，本结构一共四个吸盘，针对其中一个进行受力分析如图 3.3.1 所示：图 4.6根据真空吸盘吸力计算公式 3.7 所示：W = pc 10.13101W：吸力（N） P：真空度（-kPa）C：吸盘面积（ cm2 ）已知酸奶盒总重 10N，吸盘直径 15mm，根据公式得单个吸盘吸力得：P=14.1（-kPa）由于实际运用过程工况复杂，故选用真空泵真空度应大于理论数值。（式 3.7）4 仿真本章通过 motion 的分析，研究夹爪机构的运动情况，以及通过 simulation 有限元分析了解关进零部件的工作极限。4.1 夹爪仿真在本机构中主要夹爪有位移、速度和力变化，因此用 Solid Works 对其工作状况进行数据分析，如下图拉杆速度与时间关系 4.7 所示：图 4.7 拉杆 v-t 图由图 4.7 可知，拉杆在 3 秒内没有位移，这段时间里，主要是酸奶盒由传送带输送到夹爪下方，3s 到 4s 是夹爪夹紧物体的过程，夹爪速度最大 23mm/s，之后回到初始位置， 完成这一重复动作。如图 4.8 所示，拉杆的位移时间图，拉杆在 3 秒内没有位移，这段时间里，主要是酸奶盒由传送带输送到夹爪下方，夹爪在夹取物体的过程中时间是两秒钟，位移 8mm，完成夹取物体的动作，完成这一重复动作总共需要 5s 钟时间，单独夹取物体只需要两秒的时间，过程是酸奶盒移动到夹住下方，到达夹爪夹取位置，夹爪开始闭合，夹取物体，此时吸盘吸住物体，完成这一过程。图 4.8 x-t 图根据仿真结果来看在步进电机的驱动下，夹爪机构做有规律的往复运动，根据设计要求，夹爪开合距离达到设计要求的距离，满足夹爪的工作情况。图 4.9F-t 图如图 4.9 所示，0-3s 拉杆没有力作用，期间主要是酸奶盒位移到夹爪下方 3-4.5s 夹爪开始夹紧，但是没有接触到物体，这段时间主要是移动夹爪所需要的力，范围在 0-0.0035 个单位力，4.5-5s 是夹爪夹紧物体所需力的大小，范围 0-0.014 单位力。最终完成夹紧物体， 此时吸盘介入吸紧物体达到搬运效果。4.2 关键零件应力分析4.2.1 夹爪有限元分析物体为酸奶，故采用食品级 304 不锈钢材质，夹爪应力分析如图 5.1 所示，夹爪受应力范围，在 2.00110-1 1.638105 之间，是材料、结构允许范围，在夹爪力的作用下， 满足设计达到的要求。图 5.1 夹爪静态应力如图 5.2 所示，根据夹爪的有限元分析，夹爪在 1.00010-30 3.68110-4 的应力范围内，不会导致结构上的变化。图 5.2 夹爪静态位移如图 5.3 所示，对夹爪进行的有限元分析，夹爪在一定应力范围有以下的变化范围： 在 2.23010-10 6.44110-7 范围内，零件结构不会受影响。图 5.3 夹爪静态应变拉杆连接连杆，作为传动动力的关键零件，其受力分析如下图 5.4 所示：拉杆在 7.82710-1 7.742103 范围内属于正常结构承受应力范围。图 5.4 拉杆静态应力如下图 5.5 所示：拉杆受应力下的静态位移变化为 1.00010-30 1.83710-7 范围内，属于正常范围，超过将会使结构发生变化。图 5.5 拉杆静态位移如图 5.6 所示，对拉杆进行的有限元分析，夹爪在一定应力范围有以下的变化范围： 在 2.23010-10 6.44110-7 范围内，零件结构不会受影响。图 5.6 拉杆静态应变4.3 吸盘吸附有限元分析对吸盘进行有限元分析如图 5.7 所示夹爪所受 10N 的吸引力，最对单一的吸盘进行应力分析，情况如图 5.7：在每个节点上的应力在 6.39610-3 2.35810-4 范围内，属于正常工作状态。图 5.7 吸盘应力如图 5.8 所示，根据夹爪的有限元分析，夹爪在上述应力下发生的位移，在不影响零件工作状态的情况下，每节点在 110-30 9.82410-5 范围内属于正常。图 5.8 吸盘位移如图 5.9 所示，根据夹爪的有限元分析，在给夹爪施加外力，使得夹爪发生以下的应变：在单个节点上应变在 4.07610-12 1.93810-5 范围内，零件正常工作。4.4 夹吸一体受力分析图 5.9 吸盘应变对夹吸一体化受力分析：夹爪夹紧力不能损坏工件的同时，要保证能夹住物体，且不使物体因为重力的作用而滑落，本物件为 1000g 的酸奶盒，因此夹紧力和吸盘吸力得克服10N 的重力做功，且物体在搬运过程中情况复杂，为了防止物体滑落，且不破坏物体，因此吸盘吸力得适当提高，保证夹爪的可靠性。5 结语本章对全文进行一个总结，通过对机器人的研究与调查，从而设计需要的机构，并通过本问题分析，论证了机构的可行性。5.1 结论首先，通过查阅相关文献，以及对现阶段机器人的工作方式、结