工业机器人机械手结构设计及运动仿真【三维PROE】【8张CAD图纸及说明书全套】【YC系列】

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Mechanical hand can replace human to complete dangerous, repetitive and boring work, reduce human labor intensity, improve labor productivity.This design first, survey the research and development of industrial robot manipulator, and then, analyze the existing mechanism and design requirements of the overall structure scheme; secondly, design and select the main components; and then use the Pro/E three dimensional design software for virtual design and simulation analysis. At last, the assembly drawing and part drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, air pressure and control technology, etc., master the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD, Pro/E software, which has great significance to the future work and life.Key words: Mechanical hand, Two fingers, Structure, Air pressure目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1选题背景及意义11.2机械手概述11.3国内外研究现状和趋势2第二章 总体方案设计42.1工业机器人总体结构类型42.2驱动方式的选择42.3机械手结构方案设计6第三章 主要零部件的设计与校核73.1手指卡钳的设计与校核73.1.1设计要求73.1.2结构尺寸设计73.1.3强度校核83.2夹持气缸的设计83.2.1气缸结构方案设计83.2.2气缸工作压力计算93.2.3气缸主要参数的选择103.2.4气缸强度的较核103.3连接板的设计与校核113.3.1结构尺寸设计113.1.2强度校核113.4连接法兰的结构设计123.5螺栓的选定与校核123.5.1螺栓类型选择123.5.2螺栓组的布置123.5.3螺栓的受力分析133.5.4螺栓组倾覆力矩校核13第四章 基于Pro/E的三维设计与仿真164.1软件概述164.2三维设计与装配174.2.1零件三维设计174.2.2虚拟装配184.3仿真分析204.3.1 Pro/E仿真介绍204.3.2仿真过程20总 结23参考文献24致 谢2526工业机器人机械手结构设计及运动仿真第一章 绪论1.1选题背景及意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2机械手概述工业机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率：可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.3国内外研究现状和趋势（1）国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。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，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的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）国外研究现状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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。（3）发展趋势目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。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，良新产品可以达到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互结合，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，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。第二章 总体方案设计2.1工业机器人总体结构类型工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：（1）直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互升降的直线运动来实现的，如图2-1. a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。（2）圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。（3）球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。（4）关节型机械手结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。图2-1四种机械手坐标形式本次设计的机械手是配合三菱六自由度关节型工业机器人使用的。2.2驱动方式的选择机械手的驱动系统，按动力源分为气压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下：（1）气压驱动由于气压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，气压系统需要进行能量转换（电能转换成气压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，气压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。（2）气动驱动具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。（3）电动驱动由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。这类机械手的特点是控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。但是由于这类机械手价格昂贵，限制了在一些场合的广泛应用。气动机械手与其它控制方式的机械手相比，具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强等特点，表2.1给出了各种控制方式的比较。表2.1 各种控制方式的比较项目气压传动气压传动电气传动机械传动系统结构简单复杂复杂较复杂安装自由度大大中小输出力稍大大小不太大定位精度一般一般很高高动作速度大稍大大小响应速度慢快快中清洁度清洁可能污染清洁较清洁维护简单比气动复杂需要专门技术简单价格一般稍高高一般技术要求较低较高最高较低控制自由度大大中小危险性几乎没问题注意火一般无问题无特殊问题基于气动驱动的以上这些优点，结合本次设计的机械手只需满足夹持送料的功能，因此，本次设计采用气动驱动。2.3机械手结构方案设计根据设计要求本次设计的机械手为配合三菱六自由度机器人用的上下料机械手，其只需按照固定的程序重复：夹持松开夹持的动作。根据这些要求本次设计的工业机器人机械手由气动驱动两手爪实现抓夹动作，总体结构方案如下图2-1，其由手指、气缸、连接法兰、气动系统等组成。图2-1 两指机械手结构示意图第三章 主要零部件的设计与校核3.1手指卡钳的设计与校核3.1.1设计要求机械手的手指是用来抓持工件的部件，将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。设计时要注意的问题：（1）结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计（2）手指应有一定的开闭范围。它的大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。（3）手指应有足够的夹紧力，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷3.1.2结构尺寸设计（1）参数选择选择待抓取工件参数选定如下：尺寸为：200mm200mm50mm；重量为：10KG（2）尺寸选择根据工件尺寸选择手指活动范围为：140240mm选定手指卡钳宽度为：60mm；厚度为：20mm根据后面章节对其他零件的设计匹配后手指卡钳的详细结构尺寸如下：图3-1 手指卡钳3.1.3强度校核手指卡钳因在夹持工件时只受到弯矩，因此在强度校核时只需校核弯曲强度即可。由于抓取工件时抓取紧力应满足：故卡钳受到的推力应满足：式中：f手爪与工件的静摩擦系数，工件材料为40号钢，手爪为铝型材，查表得f=0.13所以，取最危险的截面即为最窄且离末端最远的截面处，其弯矩为：抗弯截面系数截面上的弯曲应力卡钳的材料为Al。由表15-1查得则有：，故满足强度要求。3.2夹持气缸的设计3.2.1气缸结构方案设计为了确保手指夹持时卡钳不会转且夹持稳定，本次采用左右卡钳均为双活塞式夹持气缸，气结构方案如下图示。图3-2 夹持气缸结构方案3.2.2气缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足： 式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 10；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： 式中，-为气缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的升降距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得计算驱动力计算公式为：式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得：而气缸的工作驱动力是由缸内气压提供的，故有式中，-为气缸工作气压；-为柱塞截面积；经计算，所需的气压约为：3.2.3气缸主要参数的选择气缸的工作压力和缸的工作速度，放在气压系统设计阶段，通过外部的气压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各气缸的基本参数如下：表3-2夹持气缸主要参数缸内径壁厚直径行程工作压力321216500.8注：气缸工作压力由系统压力阀调定。在夹持气缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。作为气压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。3.2.4气缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核 当 D/时，气缸壁厚的较核公式如下： 式中，-为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；-为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资料取为350，为安全系数，此处取；代入数据计算，上式成立。因此气缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为式中， -为活塞杆上作用力；-为活塞杆材料的许用应力，此处；代入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。3.3连接板的设计与校核3.3.1结构尺寸设计根据卡钳及气缸尺寸设计匹配后连接板的详细结构尺寸如下：图3-3 连接板3.1.2强度校核手指卡钳因在夹持工件时只受到弯矩，连接板与之相同，因此在强度校核时只需校核弯曲强度即可。连接板受到的推力与卡钳相等，故：最危险的截面即为最窄且离末端最远的截面处，其弯矩为：抗弯截面系数截面上的弯曲应力：卡钳的材料为Al。由表15-1查得则有：，故满足强度要求。3.4连接法兰的结构设计采用CAD设计配匹得到连接法兰的结构尺寸如下，由于整个机械手重量并不大因此不需进行强度校核：图3-4 连接法兰3.5螺栓的选定与校核设计螺纹连接，一般首先进行结构设计。根据需要连接固定零件的形状、尺寸、所受载荷及其他工作要求，确定所用螺纹紧固件的类型、布置和尺寸等。本次螺栓的选定计算以卡钳螺栓为例，其他处螺栓与其类似。3.5.1螺栓类型选择由于用于连接两个较薄的零件。在被连接件上开有通孔，插人螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母。采用普通螺栓的钉杆与孔之间有间隙，通孔的加工要求较低，结构简单、装拆方便，应用广泛。3.5.2螺栓组的布置布置螺栓组包括确定螺栓组中的螺栓数目并给出每个螺栓的位置。1）接合面处的零件形状应尽量简单，最好是方形、圆形或矩形、同一圆周上的螺栓数目应采用 4、6、8、12 等，以便于加工时分度。示例如下：图3-5 螺栓布置图2）受力矩的螺栓组，螺栓应远离对称轴，以减小螺栓受力。3）受横向力的螺栓组，沿受力方向布置的螺栓不宜超过 68 个，以免各螺栓受力严重不均匀。4）同一螺栓组所用的紧固件的形状、尺寸、材料等应一致，以便于加工和装配。螺栓间的距离可参考表3-1如下：表3-1螺栓间距参考值5）为装配螺纹连接时，工具应有足够的操作空间，应保证一定的扳手空间尺寸。3.5.3螺栓的受力分析进行螺栓组连接受力分析的目的是，根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。螺栓组连接主要受横向载荷和倾覆力矩的复合作用，现在为了校核的方便，先校核受横向载荷的连接。应该保证连接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。根据前面的计算，螺栓组所受横向载荷=98N，假设各螺栓所需要的预紧力为，螺栓数目为2，M16螺栓性能等级为8.8 ，取安全系数s=1.5。则其平衡的条件为由此得预紧力= 424N此时螺栓的所受的应力=1.36Mpa3.5.4螺栓组倾覆力矩校核倾覆力矩M作用在通过轴并垂直于连接接合面的对称平面内。底板承受倾覆力矩前，由于螺栓已拧紧，螺栓受预紧力F。有均匀的伸长；地基在各螺栓的F 。作用下，有均匀的压缩，如下图所示。当底板受到倾覆力矩作用后，它绕轴线O一口倾转一个角度，假定仍保持为平面。此时，在轴线 O一。左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸；在右侧，螺栓被放松，地基被进一步压缩。底板的受力情况如图3-6所示：图3-6 倾覆力矩上述过程，可用单个螺栓一地基的受力变形图来表示，见图3-7。图3-7 单个螺栓-地基的受力变形图为简便起见，地基与底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。如图所示，斜线氏A表示螺栓的受力变形线，斜线o沪表示地基的受力变形线。在倾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作点都处于A点。底板上受到的合力为零。当底板上受到外加的倾覆力矩M后情况），在倾转轴线oo左侧，螺栓与地基的工作点分别移至尽与马点，两者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作载荷F ，方向向下。在oo右侧，螺栓与地基的工作点分别移至移至与点，两者作用到底板上的合力等于载荷，其大小等于工作载荷F，但方向向上（注意右侧螺栓的工作载荷为零）。作用在oo两侧底板上的两个总合力，对oo形成个力矩，这个力矩应与外加的倾覆力矩M平衡，即 M= 又因 = 于是螺栓所受的最大工作载荷为：=18.5N其产生附加的应力=0.3Mpa，螺栓远远满足我们的要求。第四章 基于Pro/E的三维设计与仿真4.1软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。（2）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。（3）单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER的基本功能。4.2三维设计与装配4.2.1零件三维设计在Pro/E零件设计模块对各零件进行三维建模，主要零件的建模结果如下：（1）卡钳图4-1 卡钳（2）连接块图4-2 连接块（3）连接法兰图4-3 连接法兰（4）气缸体图4-4 气缸体（5）气缸盖图4-5 气缸盖（6）活塞图4-6 活塞4.2.2虚拟装配虚拟装配时采用模块化装配模式，即先对手指、手腕进行装配，再把手指与手腕进行装配得到最终的总成。（1）手指装配图4-7 卡钳虚拟装配（2）气缸装配图4-8 气缸虚拟装配（3）总成装配图4-9 机械手总成虚拟装配4.3仿真分析4.3.1 Pro/E仿真介绍在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计,为了验证设计的合理性，通常要制造样机进行性能试验，有时这些试验是破坏性的。当通过试验发现设计缺陷时，又要重新修改设计，并用样机重新验证。只有通过周而复始的“设计试验设计”过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，采用传统的设计开发思路其设计周期无法缩短，更谈不上市场竞争力。在计算机仿真技术高速发展的今天，Pro/ENGINEER（以下简称Pro/E）为之提供了一套行之有效的运动仿真解决方案，即Pro/E的运动仿真技术是利用Pro/E建立模拟系统的三维实体模型和力学模型，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的先进技术，其目的是为物理机样的设计和制造提供依据。运动仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。工程设计人员可以直接利用Pro/E系统所提供的各零部件的物理信息及几何信息，在运动仿真内定义零部件间的连接关系并进行虚拟装配，从而获得机械设计系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案，再做物理样机。这样做的意义在于减少了甚至免除了制作物理样机的经费，缩短了产品开发周期，提高了市场竞争力。4.3.2仿真过程（1）机构仿真(a)打开装配图，点击“机构”命令图4-10点击“机构”(b)建立伺服电动图4-11建立电动机 (c)点击“机构分析”，弹出界面图4-12机构分析(d)点击运行（2）仿真动画获取，(a)点击“回放”-右键选择“播放”图4-13启动动画(b)点击 “动画”中“捕获”命令图4-14动画(c)设置“捕获”命令参数设置“捕获”中动画放置目录、图像大小等参数后，点击“确定”等待计算机运行捕获即可得到仿真动画。图4-15捕获总 结毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的学习机会，通过这次对变电站巡检全向移动小车理论知识和实际设计的相结合，锻炼了我的综合运用所学专业知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范能力以及其他专业知识水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在，提高是有限的但却是全面的，正是这一次毕业设计让我积累了许多实际经验，使我的头脑更好的被知识武装起来，也必然让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。顺利如期的完成本此毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，但同时也发现了自己的许多不足与欠缺，留下了些许遗憾，不过不足与遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新科技新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进知识，更好的为祖国的四化服务。参考文献1 成大先. 机械设计手册（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.2 邓星钟主编.机电传动控制M.第三版，华中科技大学出版社 20123 严霖元主编.机械制造基础M.中国农业大学 20134 郑文纬，吴克坚主编.机械原理M.高等教育出版社 2013 5 范思冲.画法几何及机械制图. 北京：机械工业出版社，1995：312.6 于永泗、齐民主编，机械工程材料M，大连：大连理工大学出版社，20077 余桂英、郭纪林主编，AutoCAD2008中文版实用教程M，大连：大连理工大学出版社，20078 邵立新、夏素民、孙江宏等编著，Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版标准教程M，北京：清华大学出版社，20079 王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981：105-12510 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Wood, K. Bigger. The Utah/MIT hand: Works in progress J.International Journal of Robotics Research.1986,4(3):221-250.致 谢在本文即将结束之际，请允许我对在这四年的大学生活学习中给予我支持和鼓励的各位老师和同学致以深深的感谢。首先，我要感谢我的指导老师，感谢他在我的研究和学习过程中给予我的指导和帮助。老师深厚的理论素养，渊博的学识和诲人不倦的精神使我受益非浅，更重要的是，老师严谨的治学风范和对学术问题的概括与抽象能力在潜移默化中影响着我，教育着我。在大学生活中，老师对我的言传身教以及给予我许多无私的关心和帮助，所有这些不仅是我得以顺利地完成本文，而且更是使我终身受益。我还要感谢系里的各位老师，他们为我的毕业设计提出诸多良好的建议以及努力方向，使我得以较快地完成设计。其次，我还要特别感谢我的母校，为我提供了一个先进的学习、工作环境，能让我顺利完成自学考试的各个课程。最后，请让我将这篇学士学位论文献给我的父母亲，感谢他们的养育之恩，感谢他们使我成为一个对社会有用的人，他们的关怀、支持和鼓励是我所有信念的力量源泉。开题报告书题 目 工业机器人机械手结构设计及运动仿真 学生姓名 学 号 专业班级 指导老师 年 月 日论文（设计）题目工业机器人机械手结构设计及运动仿真1、 本课题目的、意义及相关研究动态：1、课题目的：机械设计制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而工业机械手课程设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力而且也增进了对机械工业发展的了解和认知。工业机械手的设计涉及：机械设计原理、气压、电气传动及单片机、PLC、可编程控制器等控制系统与基本理论知识。设计目的：（1）养学生的机械设计能力；（2）扩展学生的知识结构；（3）帮助学生培养综合运用能力；（4）是课堂教学的有益补充。2、课题意义：在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （1）以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。3、国内外研究现状和发展趋势（1）国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。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，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的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）国外研究现状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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。（3）发展趋势目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。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，良新产品可以达到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互结合，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，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。二、课题的主要内容和创新之处：1、 本课题主要研究内容安排如下：（1）查阅资料，撰写开题报告，掌握机械产品设计的基本步骤。（2）结合题目进行市场调研，深入工厂进行毕业实习，在实习过程中，了解现场工程问题，积累相关资料，做好调研笔记，完成实验报告。（3）综合各种三维绘图软件的特点与功能，对Pro/E的性能类型功能进行分析；（4）了解工业机械手工作原理与性能及各部件零件的设计方法，进行设计方案比较后优选。2、创新之处 由传统的机械式改为机电液综合式，从而实现连接货车与地面，生猪缷猪机坡度可根据需要自由调节，让猪缓慢自行上下车，操作方便，快捷，省时间，便于转移运输，避免摔伤。三、研究方法、设计方案或论文撰写提纲：1、研究方法：根据设计要求首先设计机械手的总体结构方案，根据所选机器人参数确定结构及尺寸，再重点对气动手爪部分进行详细设计，包括气缸的设计、气动系统原理图的绘制等。第一阶段：准备阶段：了解工业机器人的发展现状和发展趋势，查阅课题相关的国内外文献，拟订设计思路。第二阶段：设计阶段：确定机械手总体结构方案，根据选定的工业机器人参数确定结构及尺寸，再重点对气动手爪部分进行详细设计。第三阶段：制图阶段：整理各类资料和数据，利用CAD制图分别做出装配图和零件图，并利用ProE软件进行三维建模。第四阶段：总结阶段：撰写设计说明书，检查图纸，准备答辩。2、设计方案本次设计的工业机器人机械手由气动驱动两手爪实现抓夹动作，总体结构方案如下图：由手指、气缸、连接法兰、气动系统等组成。3、论文撰写提纲第一章 绪论第二章 总体方案设计第三章 手爪结构设计第四章 气缸的设计总 结参考文献致谢四、完成期限和预期进度：1、毕业设计课题调研阶段；第12周，收集毕业设计（论文）资料。2、毕业设计开题报告阶段；第34周，翻译英文原文，撰写开题报告。3、毕业设计中期检查阶段；2015年4月12日。4、毕业设计主要工作阶段；第512周，学习软件基本知识与课题有关专题部分二周，五周用于拟定设计方案，进行图纸设计，撰写设计说明书，一周总结。5、毕业设计预答辩阶段；第13周，指导教师审定毕业设计资料。6、答辩时间：2015年5月23日 五、主要参考资料：1 李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学，20032 陆祥生 ，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.13 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,19924 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.15 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.4 6 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001，47 周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999，48 金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机械人发展的态势分析.机械人技术与应用,2001，29 王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999，510 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004. 11 张军， 封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4：2112 Cole Thompson Associates“Directory of Intelligent Buildings”1999.指导教师意见 签 名： 年 月 日