1、 毕业设计（论文） 开题报告 题 目 重载精密机械手的末端 夹持器的 设 计及分析 学 院 机电及汽车工程学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 学 号 指导教师 一、 题目的与意义 工业机械手是近几年来出现的一种技术装备，它能够模拟人体上肢的某些动作，在生产中代替人力搬运物体或操持工具进行比较简单的重复操作。而在机械 手发挥其作用的时候，与产品直接接触的是机械手的末端夹持部分 。 所以，机械手的意义和用途对于机械手的夹持器来说也是一样的，特别是在需要移动重量较大或者装配大型零部件的时候，夹持器能否准确到位进行工作显得尤为重要。 首先，我们从 国家的相关机械行业政策方面 能够看出其重要
2、地位。 2010 年 7 月以来，国家领导人高频访问装备制造企业，并强调自主创新。 7 月 9 日至 11 日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛在河南考察工作。胡锦涛主席希望企业能不断增强自主创新能力，不断适应市场新变化，全面提升企业竞争力。 2009 年 5 月 12 日，国务院办公室正式发布装备制造业调整和振兴规划，规划期为 2009-2011 年。 “十一五 ”期间，我国机械工业延续了 “十五 ”全面高速发展的好势头，产业规模跃居世界首位。 “十一五 ”期间，机械工业的产业规模持续快速增长。 2010 年机械工业增加值占全国 GDP 的比重已超过 9；工业总产值从 2005
3、年的 4 万亿元增长到 2010 年的 14 万亿元，年均增速超过 25，在全国工业中的比重从 16.6提高到 20.3；规模以上企业已达 10 万多家，比 “十五 ”末增加了近 5 万家，从业人数达到 1752 万人，资产总额已达到 10.4 万亿 元，比 “十五 ”末翻了一番。 2009 年，我国机械工业销售额达到 1.5 万亿美元，超过日本的 1.2万亿美元和美国的 1 万亿美元，跃居世界第一，成为全球机械制造第一大国。 “十二五 ”机械工业必须加快发展方式的转变，由过度依赖于消耗能源、资源和增加环境成本转向更多地依靠技术创新、管理创新和劳动者素质提高实现增长。生产模式努力向节能减排、绿
4、色制造转变；产品结构努力向高端产品升级，产业技术向与信息技术等新技术的深度融合方向转变；商业模式从卖产品向卖服务方向转变；驱动模式从投资拉动向内涵驱动转变；增长点从传统产业向新兴产业方向 转变。 以上可以看出，我们国家正全力主张机械工业的发展。 其次， 从其所在的行业来讲，它的存在是为了提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻工人的劳动， 不仅如此，它的合理使用还可以 保证产品的质量。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。对于机械手的夹持部分，能够快而准确地夹持好零部件无论是对于加工还是装配都有着非凡的意义。而且，生产中应用机械手可以提高生产的
5、自动化水平，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多的应用。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中获得广泛的引用。 但是，尽管如此，其所
6、应用的行业并不多，仍旧有 很多工作是必须由人力参与完成的；并且，很多地方还存在行业的不足。 再者， 对于应用了机械手的生产部门而言，机械手的应用不仅大大地降低了车间工作人员的人身安全意外事故发生的概率；而且除了定期检查包养以外，不需要其它特殊照顾，工作时没有其他事情的耽搁，所以对于提高产品生产效率有很大的帮助；另外，机械手有较好的重复精度，所以对于提高产品生产质量也有很大的贡献。 但是，机械手在重载精密条件下投入使用的并不常见。 然而，正是由于存在这样的一些问题，再加上对其所应用的行业的需求分析，此次的重载精密机械手夹持器的设计才格外显 得意义非凡。试想在未来的汽车生产中，不仅是小型零部件的加
7、工，而是整个汽车的装配都不再需要人工参与，岂不是大大减轻了人类的工作量。 综上所述，随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被制造，越来越灵活的夹持器将被设计出来，毫不夸张地说，机械手是人类走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高新科技进步的一个象征。 二、 国内外研究现状 在我国， 工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。 1972 年我国第一台机械手开发于上海，随 之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划 (1986-1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的
8、大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器等等。这些机人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所 (SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承， 减震齿轮，直流伺服电机，编码器， DC-PWM 等等。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
9、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。 在国外， 机械手首先是从美国开始研制的。 在 1958 年美国联合控制公司 就已经 研制出第一台机械手。 1） 1954 年 USA 工程师德尔沃最早提出机械人的概念； 2） 1959 年 USA 德尔沃与英格伯制造了世界上的第一台机械人； 3） 1962 年 USA 正式将机械人的使用性提出来，且制造出类似人的手臂； 4） 1967 年 JAN 成立了
10、人工手研究会，并召开了首届机械手学术会； 5） 1970 年在 USA 召开了第一届工业机械人学术会，并的到迅速普及； 6） 1973 年辛辛那提公司制造出第一台小型计算机控制的的工业机械人，当时是液压驱动，能载 重大成就 45KG； 7）到 1980 年在 JAN 得到普及，并定为“机械人元年”此后在日本机械人得到了前所未有的发展与提升，在就是后来到台湾再到大陆。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很迅速。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，
11、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。 三、 主要研究内容 此次设计的是主要
12、用在重载精密条件之下机械手末端夹持器。对于重载 ，要求的是所能够夹持的工件重量约为 100kg,而精密的要求主要体现在其重复精度控制在 0.01。 1）、机械手的工作特性分析与结构设计 在 张铁 ， 谢存禧 老师 编 编著的机器人学中，我认识到： 由于所设计的是重型精密机械手的夹持器，所以其工作特性简而言之就是能够稳定地夹持 100kg 的工件进行搬运或者是装配，而且能够做到每次精确到位，重复度必须较高。考虑到所夹持的工件形状可能为不规则形状，所以我打算设计有一个指关节，也就是有两个指节的 机械手末端 夹持器，并且指尖部分设计成圆弧状，这样便可以保证能够夹持好诸如球体、正方体、长 方体、以及其
13、它规则与不规则 几何体 。 2） 、机械手夹持器的受力分析 在学习了孙训方，方孝淑老师所编著的材料力学之后，我深知 在进行物体的夹持的时候，首先，夹持器要能够夹持住工件，所以要考虑到工件的重力；另外，无论是进行搬运还是装配，都可能会涉及到旋转，提升，放下等操作，所以这些因素也必须考虑到。总之，夹持器本身要具有足够的刚度，能够承受较大的拉应力。指关节处的连接必须稳固可靠，以免在夹持之后发生关节脱落或者断损等意外。 在很多其它的国内外的书籍以及期刊杂志等文献中，我也学到了很多东西。但是，总的来说，似乎还是觉得关 于机械手夹持器的设计的书籍期刊并不足够丰富，在很多细节的地方还有所欠缺。所以，我希望通
14、过在此次的重载精密机械手夹持器的设计，能够做到无论是在大的结构设计，还是在小的关节设计和受力分析上都倾尽全力，力求做到尽善尽美。 四、 研究方法与实施方案 确定机械手夹持器的主要工作参数，比如所要夹持的工件的外观尺寸，夹持工件的重量，夹持速度，手指的夹紧力，手指开闭范围，放松时手指间的最大距离等。仔细研究夹持时所受的力，综合考虑到各方面的其他外因。 夹持器设计的基本要求 ： （ 1）应具有适当的夹紧力和驱动力； （ 2）手指应 具有一定的开闭范围； （ 3）应保证工件在手指内的夹持精度； （ 4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； （ 5）应考虑通用性和特殊要求。 具体实施方案： 1、 确定夹持工
15、件尺寸范围、重量； 2、 确定所夹持工件工作形式和工作环境； 3、 进行夹持器结构设计； 4、 对夹持器进行动力学和运动学方面的性能分析计算； 5、 校验夹持器的结构受力等因素； 6、 绘制夹持器装配图、零件图； 7、 完成相关论文的编写。 五、 主要参考文献 1 濮良贵 ， 纪名刚主编 ， 机械设计（第七版） ， 北京高等教育出版社， 2001 2 孙恒 ， 陈作模主编 ， 机械原理 ， 高等教育出版社 ， 2000 3 郑堤，唐可洪主编 ， 机电一体化设计 ， 北京机械工业出版社 ， 2005 4 张建民 ， 机电一体化系统设计（第二版） ， 北京高教出版社 ， 2001.8 5 冯辛安主
16、编 ， 机械制造装备设计 ， 大连机械工业出版社 ， 1999.10 6 刘杰等编著 ， 机电一体化技术基础与产品设计 ， 北京冶金工业出版社 ， 2003 7 谢存禧 ， 张铁主编 ， 机器人技术及其应用 ， 北京机械工业出版社 ， 2005 8 张铁 ， 谢存禧编 ， 机器人学 ， 广州华南理工大学出版社 ， 2002 9 丁树模主编 ， 液压传动 ， 北京机械工业出版社 ， 2003 10 王春行主编 ， 液压控制系统 ， 北京机械工业出版社 ， 2003 11 张海根主编 ， 机电传动控制 ， 高等教育出版社 ， 2001 12 孙训方 ， 方孝淑编著 ， 材料力学 ， 人民教育出版社 13 郭洪江主编 ， 工业机器人技术 ， 西安电子科技大学出版社 ， 2006 六、指导教师意见 指导教师： 时 间： 七、学院毕业设计（论文）指导小组意见 负 责 人： 时 间：
