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上海電機學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題名稱 小型柔性生產(chǎn)系統(tǒng)
龍門機械手機械設(shè)計
學(xué) 院 機械學(xué)院
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化（數(shù)控）
班 級
學(xué) 號
姓 名
指導(dǎo)教師
定稿日期： 2015 年 3月 11日
小型柔性生產(chǎn)系統(tǒng)
龍門機械手機械設(shè)計
1 所選題目的及其意義
本課題來源于亞龍YL-221型自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)項目，該機械加工自主創(chuàng)新實訓(xùn)系統(tǒng)模擬了實際工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)機械加工的不同階段設(shè)置了多個工作站：自動存取型高架倉庫、搬運機械手站、直線輸送機站、90度轉(zhuǎn)彎輸送機站、綜合機械加工站、裝配站、工件碼堆站。
本課題將設(shè)計一個龍門機械手，將用于工作人員出入，使斷開輸送帶上的零件通過機械手進行運輸，需完成對工件的安全抓緊和釋放，并將零件從輸送帶的一端送到指定位置的另一端生產(chǎn)線輸送帶上。通過本課題的研究，學(xué)生不僅可以了解自動生產(chǎn)線的工作過程，還可以深入了解其組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。
希望學(xué)生通過本課題設(shè)計，能充分運用已學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，設(shè)計出可行、優(yōu)化的裝置，并完成機械裝配圖，重要零件的加工圖，在畢業(yè)設(shè)計說明書中，選用合理的動力元件，計算設(shè)計零件的合理尺寸，體現(xiàn)合理的設(shè)計思路，綜合應(yīng)用機械原理和設(shè)計、工程制圖，以及現(xiàn)代制造理念。
2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）
2.1國內(nèi)機械手領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展
目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
2.2 國外機械手領(lǐng)域發(fā)展趨勢
國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量新產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械 手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
市場上的龍門機械手結(jié)構(gòu)示意圖:
3 研究內(nèi)容
3.1 課題的技術(shù)要求
工件形狀：φ50×50mm的鋁制圓柱體或φ50×50mm的塑料圓柱體;托價為200×145mm方形有機玻璃，2公斤。
定位精度：±1mm；運動速度：＞2m/min；
工作行程：X：1000mm，Z：200mm；
設(shè)計空間：橫梁與地面高度需有1800mm，便于工作人員通過。已知工作臺高度為1000mm，托架離工作臺200mm。
工作要求：X軸引動器用于機械手在水平方向上的精確定位，Z軸引動器則完成對工件托架提起或放下操作，機械手爪則完成對工件托架安全抓緊或釋放操作。
3.2方案設(shè)計
1.機械手的設(shè)計。
2.X.Y兩個方向的運動傳動設(shè)計。
3.總體方案設(shè)計。
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.X.Y.兩個方向的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4.零部件設(shè)計。
4 研究方案
4.1機械手抓緊方案設(shè)計
4.1.1手部結(jié)構(gòu)
機器人的手部是機器人最重要的部件之一，從其功能和形態(tài)上看，分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。目前前者應(yīng)用較多，也較成熟，后者正在發(fā)展中。工業(yè)機器人的手部夾持器（亦稱抓取機構(gòu)）是用來握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材料及表面狀態(tài)的不同。其手部結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的，按握持原理的不同，常用的手部夾持器分為如下兩類：
1）夾持式：包括內(nèi)撐式與外夾式，常用的還有勾托式和彈簧式等。
2）吸附式：包括氣吸式與磁吸式等。
4.1.2手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。
4.1.3設(shè)計時考慮的幾個問題
1)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
2)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持物體的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
3) 由3.1課題的技術(shù)要求可知。該機械手工作需要夾取的是方形托盤，托著的工件為φ50×50mm的鋁制圓柱體；或φ50×50mm的塑料圓柱體。以鋁的密度計算，工件的最大質(zhì)量為0.264KG。加上2KG的托架，總共2.264KG。屬于輕載。所以最終決定選用氣壓傳動的通用機械手。
作結(jié)構(gòu)簡圖如下:
圖1：機械手結(jié)構(gòu)示意圖
由驅(qū)動桿上的圓柱銷套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運動時，即可撥動兩個手指個繞其支點作相對回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。
4.2 龍門機架的方案設(shè)計
4.2.1現(xiàn)有的機械傳動方式的簡述
通常來說，用于步進、伺服電機驅(qū)動的機械傳動機構(gòu)，一般有以下幾類：
1.絲杠：是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⒅本€運動化為回轉(zhuǎn)運動的元件。普通梯形絲杠可以自鎖，但是傳動效率較低不適合高速往返運動。滾珠絲杠傳動效率高、精度高、噪音低，適合高速往返運動。但傳動跨度不可太大。
2.齒條和小齒輪：承載力大，傳動精度較高，可達0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度高。但噪音較大，較易磨損。
3.傳送帶（同步帶）：可以高速傳動，噪聲低。缺點是不可長距離傳動，否則皮帶的變形會影響定位與控制。
4.齒輪組：是傳動效率最高的傳動元件。但是由于齒輪本身形狀的限制，無法應(yīng)用于長距離傳動。
5.鏈條驅(qū)動：載荷高，傳動效率高。但鏈條的磨損會導(dǎo)致傳動精度下降。
6.主軸驅(qū)動：可調(diào)速范圍大，傳動效率高。
4.2.2 X方向傳動方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計
由X軸方向工作范圍為1000mm，要求在水平方向上精確定位，工作速度大于2m/min。故選用同步帶傳動。由步進電機帶動主動輪轉(zhuǎn)動，與水平方向上的從動輪聯(lián)動，帶動滑塊做X方向的水平運動。滑塊與同步帶通過齒輪傳動。左右兩端安裝兩個限位裝置，限制位移。為保證傳動的穩(wěn)定性，在上下兩側(cè)設(shè)計裝配了兩條平行導(dǎo)軌。
作結(jié)構(gòu)簡圖如下：
圖2：X方向結(jié)構(gòu)示意圖
滑塊背面示意圖：
圖3：滑塊背面示意圖
4.2.3 Z方向傳動方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計
由Z軸方向工作范圍為200mm，Z軸引動器完成對工件提起或放下操作。其末端為抓取釋放工件的機械手，需精確定位。且在工作中需多次完成高速往返運動。故選用絲杠螺母副作為傳動機構(gòu)。設(shè)計螺母副固定，絲杠由頂端步進電機通過聯(lián)軸器帶動做上下往復(fù)運動。為保證傳動的穩(wěn)定，在兩側(cè)設(shè)計裝配了兩條導(dǎo)軌。
作結(jié)構(gòu)簡圖如下：
圖4：Z方向運動結(jié)構(gòu)示意圖
4.3總體方案
綜合上面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，現(xiàn)提出以下設(shè)計方案，龍門機架的同步帶機構(gòu)裝配在機架中間，由步進電機驅(qū)動。絲杠螺母機構(gòu)安裝到一塊固定板上，再裝配到同步帶機構(gòu)驅(qū)動的滑板上。氣動通用機械手裝配在絲杠螺母機構(gòu)的末端。
作總裝配的結(jié)構(gòu)簡圖如下：
圖 5：總體方案結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計機械手的動作流程如下：
圖 6：設(shè)計流程圖
5 進度計劃
2014.12 調(diào)研、查找相關(guān)資料
2014.01 開題、擬定總體設(shè)計方案
2015.02 完善開題報告，完成文獻翻譯
2015.03~2015.04 設(shè)計計算、初步完成總裝配圖、部件圖、零件圖的繪制
2015.05~2015.06 完善圖紙、撰寫設(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯。
6 參考文獻
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指導(dǎo)教師意見
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