小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计开题报告

PAGE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：φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体;托价为200×145mm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φ50×50mm的铝制圆柱体；或φ50×50mm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。4.2.2X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4.2.3Z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2015.03~2015.04设计计算、初步完成总装配图、部件图、零件图的绘制2015.05~2015.06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.[3]JohnNofsinger.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).58[4]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，2003.10[14］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，2008[18］朱世强，王宣银.机器人技术及其应用[M].浙江：浙江大学出版社，2004[19]DoughtyS.MechanicsofMachines.NewYork:JohnWiley&SonsInc.,1988[20]Jens