1、吉 林 化 工 学 院文 献 综 述300X200X120物料机械手的设计300X200X120 Material mechanical arm design 性 质 : 毕 业 设 计 毕 业 论 文教 学 院 ：机 电 工 程 学 院系 别 ： 机 械 电 子 工 程 系学 生 学 号 ： 11410209学 生 姓 名 ： 吉 国 光专 业 班 级 ： 机 自 1102指 导 教 师 ： 王 集 思职 称 ： 实 验 师起 止 日 期 ： 2015.3.1 2015.3.28吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology吉 林 化 工
2、学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 0 -摘 要 ： 在 工 业 生 产 中 ， 为 了 提 高 劳 动 生 产 率 和 自 动 化 程 度 ， 工 业 机 械 手 被 广 泛 应 用 。工 业 机 械 手 可 以 用 于 机 床 间 传 送 工 件 ； 各 类 有 自 动 夹 紧 、 进 刀 、 退 刀 和 松 开 的 功 能 半自 动 车 床 ， 上 下 料 操 作 ； 还 可 以 用 于 对 人 体 有 害 的 工 作 环 境 。 它 具 有 对 环 境 适 应 性 强 、持 久 耐 劳 、 动 作 准 确 、 通 用 性 好 、 灵 活 性 好 等 优 点 。 而 工 业
3、 机 械 手 技 术 的 高 低 更 是 一个 国 家 工 业 发 展 水 平 的 标 志 。 工 业 机 械 手 的 设 计 能 较 鲜 明 地 体 现 机 电 一 体 化 的 设 计 构思 。 所 谓 机 电 一 体 化 技 术 ， 是 机 械 工 程 技 术 吸 收 微 电 子 技 术 、 信 息 处 理 技 术 、 传 感 技术 等 而 形 成 的 一 种 新 的 综 合 集 成 技 术 。 工 业 机 械 手 的 设 计 更 是 对 所 学 知 识 的 综 合 运 用 。本 设 计 对 程 控 通 用 机 械 手 进 行 了 较 为 详 细 的 设 计 计 算 。 分 手 部 、 手
4、 腕 、 手 臂 、 液压 驱 动 系 统 和 电 器 控 制 系 统 五 部 分 ， 每 部 分 都 对 各 部 分 的 结 构 进 行 了 较 为 详 细 的 设 计计 算 ， 根 据 要 求 及 相 关 标 准 进 行 了 部 件 材 料 和 器 件 的 选 择 。关 键 词 : 机 械 手 ； 手 部 ； 手 腕 ； 手 臂引 言 ：在 当 前 的 物 料 搬 运 设 备 中 ， 可 分 为 对 大 型 物 件 和 对 小 型 物 件 。 这 两 者 的 搬 运 设 备选 择 主 要 针 对 搬 运 设 备 能 提 起 的 重 量 。 对 于 小 型 物 件 而 言 ， 又 可 分 为
5、 不 易 损 坏 和 易 损坏 两 个 类 型 。 在 之 前 的 生 产 搬 运 过 程 中 ， 传 统 的 搬 运 设 备 往 往 不 能 满 足 易 损 坏 物 品 的要 求 。 因 为 易 损 坏 的 物 品 对 搬 运 设 备 的 力 度 、 精 度 、 轨 迹 有 着 严 格 的 控 制 ， 所 以 企业 往 往 采 用 人 工 搬 运 的 方 式 。 人 工 搬 运 虽 然 可 以 满 足 易 损 坏 物 件 的 安 全 ， 但 是 这 种 搬运 方 式 往 往 效 率 低 ， 费 用 高 。 这 阻 碍 企 业 实 现 自 动 化 和 提 高 自 身 竞 争 力 。 但 随 着
6、 20世 纪50年 代 一 种 类 似 于 人 手 的 机 械 手 的 兴 起 ， 给 这 种 易 损 坏 物 品 在 搬 运 方 式 上 带 来 全 新 的改 变 。 机 械 手 的 灵 活 多 变 ， 精 确 度 高 深 受 企 业 的 喜 爱 。 机 械 手 现 在 应 用 领 域 正 在 不 断扩 大 ， 在 海 洋 开 发 和 宇 宙 探 测 有 着 十 分 出 彩 的 变 现 。 应 该 说 ， 机 械 手 正 改 变 着 传 统 的搬 运 方 式 。 机 械 手 是 近 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 ， 它 的 特 点 是 可 通 过编
7、程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 ， 在 构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 其 中 物料 抓 取 机 械 手 就 是 较 为 典 型 的 一 种 机 械 手 。 要 让 机 器 人 像 人 一 样 抓 取 东 西 ， 最 简 单 的基 本 条 件 是 要 有 一 套 类 似 手 指 、 腕 、 臂 、 关 节 等 部 分 组 成 的 抓 取 和 移 动 机 构 执 行 机 构 。在 物 流 快 递 搬 运 过 程 中 ， 由 于 货 物 尺 寸 变 化 较 大 ， 需 要 机 械 手 能 够 适 应 不 同 物 体 的 抓吉 林 化 工
8、学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 1 -取 需 要 ， 调 整 机 械 手 的 抓 取 运 动 幅 度 ， 基 于 此 本 文 设 计 了 一 种 多 自 由 度 机 械 手 ， 满 足 不同 货 物 的 抓 取 需 要 。1.机 械 手 的 研 究 现 状目 前 国 内 外 针 对 机 械 手 的 发 展 定 义 三 代 机 械 手 。 通 过 输 入 相 关 程 序 ， 定 义 机 械 手的 动 作 ， 近 而 使 机 械 手 重 复 进 行 作 业 的 机 械 手 称 为 第 一 代 机 械 手 。 在 机 械 手 的 搬 运 路径 过 程 中 ， 安 放 不 同 的 传
9、 感 器 ， 利 用 传 感 器 传 递 的 信 息 控 制 机 械 手 称 为 第 二 代 机 械 手 。第 三 代 机 械 手 就 是 “智 能 机 器 人 ”， 尽 管 尽 管 欧 美 和 日 本 等 许 多 国 家 都 投 入 了 大 量 人力 物 力 ， 但 仍 处 于 发 展 阶 段 1。1.1 国 外 研 究 现 状国 外 的 机 械 手 在 物 料 搬 运 的 应 用 上 发 展 的 比 较 快 。 目 前 已 经 开 发 出 具 有 多 个 自 由度 且 精 度 高 的 机 械 手 。 除 了 在 物 料 搬 运 方 面 ， 国 外 的 机 械 手 也 应 用 于 点 焊 、
10、 喷 漆 等 方面 。 目 前 在 物 料 搬 运 方 面 ， 主 要 是 研 究 更 加 智 能 的 机 械 手 ， 使 之 具 有 感 应 物 件 材 料 的能 力 ， 并 能 通 过 查 找 信 息 库 ， 自 动 设 定 相 应 的 夹 持 方 式 和 搬 运 参 数 ， 实 现 搬 运 的 高 度自 动 化 。 目 前 国 外 的 机 械 手 已 经 向 电 子 信 息 、 航 天 航 空 、 生 物 技 术 、 深 海 探 测 等 方 面发 展 。 除 了 在 自 由 度 方 面 的 突 破 ， 现 在 的 机 械 手 的 定 位 精 度 已 经 可 满 足 微 米 甚 至 是 亚
11、微 米 级 的 要 求 。1.2 国 内 研 究 现 状国 内 机 械 手 目 前 的 发 展 还 比 较 滞 后 。 在 物 料 搬 运 领 域 中 ， 主 要 还 是 依 赖 于 国 外 的进 口 。 特 别 是 在 要 求 定 位 精 度 高 的 搬 运 机 械 手 。 目 前 国 内 的 机 械 手 主 要 用 于 机 床 加 工 、铸 锻 、 热 处 理 等 方 面 。 在 实 际 的 生 产 过 程 中 ， 国 内 机 械 手 的 驱 动 方 式 、 定 位 精 度 大 部分 无 法 满 足 易 脆 易 损 坏 物 品 的 需 要 2。2.物 料 搬 运 机 械 手本 物 料 搬
12、运 机 械 手 将 适 用 于 所 设 想 的 物 料 搬 运 与 管 理 系 统 。 在 本 系 统 中 ， 由 于 所设 计 的 搬 运 系 统 精 度 高 、 自 动 化 高 ， 主 要 针 对 昂 贵 的 易 损 、 易 摔 的 物 品 ， 如 花 瓶 古 董 、工 艺 品 。 该 系 统 主 要 将 之 前 的 研 究 成 果 与 物 料 管 理 系 统 有 机 结 合 ， 使 企 业 在 物 料 管 理上 自 动 化 程 度 大 大 提 高 ， 对 提 高 搬 运 效 率 和 降 低 出 错 率 ， 减 少 工 作 人 员 劳 动 强 度 ， 提高 搬 运 调 度 管 理 水 平
13、具 有 重 要 作 用 。 对 类 似 于 物 料 搬 运 与 管 理 系 统 的 开 发 具 有 重 要 借吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 2 -鉴 作 用 。 这 个 系 统 包 括 物 料 搬 运 和 物 料 管 理 两 个 方 面 。 其 中 机 械 手 装 置 是 整 个 系 统 的 核心 。 其 工 作 流 程 如 下 ， 首 先 通 过 检 测 物 料 获 得 相 应 的 物 料 信 息 ， 通 过 物 料 信 息 确 定 物 料是 否 需 要 进 行 再 包 装 。 在 通 过 查 找 物 料 搬 运 信 息 库 ， 确 定 物 料 的 搬 运
14、 方 式 ， 近 而 设 定 机械 手 的 工 作 参 数 。 针 对 于 设 计 的 物 料 搬 运 机 械 手 不 仅 要 满 足 机 械 手 搬 运 物 件 的 基 本 要求 ， 更 是 要 与 存 放 物 料 的 仓 库 管 理 方 式 相 适 应 。 物 料 搬 运 机 械 手 能 实 现 的 功 能 应 有 ： 在 本 系 统 中 给 机 械 手 提 供 四 个 自 由 度 的 选 择 ， 可 根 据 实 际 物 料 情 况 选 择 自 由 度 ； 利 用传 感 器 扫 描 物 料 ， 获 得 物 料 的 基 本 特 征 （ 形 状 、 尺 寸 、 重 量 、 材 料 等 ） ；
15、提 供 物 料 是否 在 加 工 包 装 确 定 ； 提 供 物 料 信 息 库 查 询 和 搬 运 物 料 方 式 信 息 库 查 询 ； 提 供 二 维 码生 成 服 务 ， 即 给 扫 描 后 的 物 料 根 据 其 特 征 由 物 料 搬 运 方 式 信 息 库 生 成 相 应 信 息 的 二 维码 ； 提 供 机 械 手 执 行 机 构 抓 取 物 件 的 选 择 （ 夹 持 型 、 托 持 型 、 吸 附 型 ） ； 提 供 机械 手 驱 动 方 式 的 选 择 （ 根 据 精 度 和 重 量 选 择 液 压 、 气 压 、 电 气 、 机 械 驱 动 ） ； 提 供 机械 手 控
16、 制 方 式 工 作 顺 序 和 运 动 速 度 的 选 择 ； 提 供 机 械 手 控 制 方 式 选 择 （ 点 位 控 制 和连 续 轨 迹 控 制 ） 。 物 料 搬 运 机 械 手 各 部 分 的 说 明 如 下 ：2.1 执 行 部 分执 行 部 分 主 要 由 手 部 、 手 臂 、 躯 干 组 成 。 其 中 在 手 部 中 ， 手 指 的 关 节 由 电 机 带 动轴 转 动 。 在 手 指 处 装 有 传 感 器 当 检 测 到 三 个 手 指 都 已 经 夹 持 住 物 件 ， 电 机 停 止 转 动 。执 行 部 分 能 实 现 的 动 作 应 包 括 水 平 伸 出
17、、 夹 持 物 件 、 竖 直 上 升 、 竖 直 下 降 、 顺 向 转 动 、逆 向 转 动 、 松 开 物 件 等 动 作 3。2.2 驱 动 部 分机 械 手 常 用 的 驱 动 方 式 有 液 压 驱 动 、 气 压 驱 动 、 电 气 驱 动 和 机 械 驱 动 。 在 选 择 的过 程 中 ， 更 根 据 物 件 的 特 点 选 择 相 应 的 驱 动 方 式 。 重 量 大 、 抓 取 速 度 快 的 东 西 采 用 液压 、 体 积 大 、 坚 固 的 东 西 采 用 气 压 、 精 度 高 的 东 西 选 择 电 气 驱 动 、 动 作 要 求 可 靠 ， 成本 低 的 东
18、 西 选 用 机 械 驱 动 4。2.3 控 制 系 统控 制 系 统 是 物 料 搬 运 机 械 手 的 核 心 部 分 。 本 系 统 主 要 可 根 据 机 械 手 本 身 的 装 置（ 传 感 器 、 光 电 增 码 器 、 旋 转 编 码 器 、 伺 服 电 机 ） 选 择 机 械 手 的 工 作 顺 序 、 到 达 位 置 、动 作 时 间 、 运 动 速 度 、 加 减 速 度 、 点 位 或 连 续 控 制 。 其 中 运 动 速 度 和 定 位 精 度 是 搬 运过 程 中 的 重 要 参 数 。 运 动 速 度 过 低 ， 无 法 保 证 机 械 手 的 运 动 时 间 和
19、 运 动 范 围 。 运 动 速度 过 高 ， 无 法 保 证 机 械 手 搬 运 物 料 的 平 稳 性 。 定 位 精 度 过 低 ， 无 法 保 证 物 料 搬 运 位 置的 准 确 性 。 定 位 精 度 过 高 ， 会 使 搬 运 的 成 本 提 高 ， 降 低 企 业 的 利 润 5。吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 3 -2.4 机 械 手 工 作 过 程按 复 位 按 扭 后 ， PLC 控 制 转 盘 电 机 、 横 轴 和 竖 轴 步 进 电 机 使 机 械 手 运 行 到 初 始 位置 。 按 启 动 按 扭 后 ， PLC 控 制 转 盘
20、 电 机 正 转 ， 通 过 底 盘 光 电 传 感 器 记 数 到 达 设 定 位 置后 驱 动 转 盘 电 机 反 转 ， 运 行 到 设 定 位 置 1 后 ， PLC 控 制 横 轴 和 竖 轴 步 进 电 机 ， 横 轴 通过 PLC 内 部 脉 冲 记 数 ， 竖 轴 通 过 竖 轴 光 电 传 感 器 记 数 ， 运 行 到 设 定 位 置 2 后 ， PLC 控制 单 向 电 控 阀 使 手 爪 抓 紧 物 料 ， 手 爪 电 机 正 转 若 干 秒 之 后 ， PLC 控 制 横 轴 和 竖 轴 电 机按 原 路 线 返 回 到 设 定 位 置 1 后 松 开 物 料 ， P
21、LC 控 制 手 爪 电 机 反 转 若 干 秒 后 又 按 原 路 运行 到 位 置 2 搬 运 第 2 个 物 料 到 位 置 1， 结 束 以 后 机 械 手 运 行 到 初 始 位 置 0， 一 个 循 环 结束 。 在 搬 运 的 过 程 中 有 4 个 接 近 开 关 实 时 检 测 障 碍 物 信 号 ， 如 遇 到 障 碍 物 ， 马 上 改 变运 行 路 线 以 避 开 障 碍 物 6。2.5机 械 手 总 体 结 构 设 计物 料 抓 取 机 械 手 主 要 由 控 制 系 统 、 驱 动 -传 动 系 统 和 执 行 机 构 组 成 。 机 械 手 的 水 平工 作 空
22、间 为 6.8m6.8 m， 待 抓 取 货 物 垂 直 运 动 位 移 为 2m， 基 于 此 设 计 各 部 件 的 外 廓尺 寸 ， 本 文 所 设 计 的 物 料 抓 取 机 械 手 执 行 机 构 主 要 由 工 作 台 、 底 座 总 成 、 旋 转 台 总 成 、连 杆 、 中 臂 和 手 爪 等 组 成 .底 座 总 成 固 定 在 工 作 台 上 ， 通 过 内 部 的 驱 动 电 机 带 动 旋 转 台总 成 实 现 整 个 机 械 手 结 构 总 成 在 水 平 面 上 的 旋 转 运 动 ， 通 过 主 电 动 推 杆 驱 动 大 臂 的 前后 倾 斜 运 动 ， 通
23、过 副 电 动 推 杆 带 动 副 连 杆 和 主 连 杆 ， 使 机 械 手 靠 近 待 抓 取 的 货 物 ， 小臂 和 中 臂 之 间 通 过 电 机 驱 动 实 现 小 臂 的 伸 缩 和 旋 转 运 动 ， 从 而 调 整 小 臂 相 对 货 物 的 位置 ， 手 爪 总 成 和 小 臂 之 间 通 过 电 机 ， 调 整 小 臂 和 手 爪 座 之 间 的 夹 角 。 由 于 要 抓 取 的 货物 尺 寸 大 小 并 不 固 定 ，但 形 状 均 为 长 方 体 ， 因 此 可 以 通 过 手 爪 电 动 推 杆 伸 长 量 的 调 整 ， 来 控 制 左 右 手 爪 的 相对 位
24、 置 ， 满 足 不 同 尺 寸 货 物 的 夹 持 需 要 ， 同 时 通 过 调 整 手 爪 电 动 推 杆 的 驱 动 力 矩 大 小实 现 不 同 夹 持 力 矩 的 控 制 ， 既 可 以 避 免 货 物 夹 不 紧 而 导 致 的 脱 落 ， 也 可 以 避 免 因 为 夹持 力 矩 过 大 ， 造 成 的 货 物 损 坏 7。3.结 语 吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 4 -未 来 的 物 料 搬 运 机 械 手 将 朝 重 复 高 精 度 、 模 块 化 、 无 给 油 化 、 机 电 一 体 化 这 四 个 方向 发 展 。 重 复 高 精
25、度 主 要 指 的 是 在 搬 运 过 程 中 机 械 手 的 定 位 精 度 。 现 在 的 普 遍 机 械 手 只有 实 现 三 四 次 的 可 靠 定 位 。 如 果 未 来 机 械 手 能 实 现 多 次 可 靠 的 定 位 精 度 ， 将 极 大 地 减 少设 备 的 维 修 和 物 料 的 二 次 搬 运 。 模 块 化 指 的 是 未 来 机 械 手 的 搬 运 装 置 将 各 部 分 实 现 的 相近 功 能 为 一 个 模 块 。 如 在 设 想 的 机 械 手 物 料 搬 运 装 置 过 程 中 将 分 为 四 个 模 块 ： 物 料 信息 采 集 模 块 、 物 料 再
26、处 理 模 块 、 物 料 搬 运 装 置 模 块 、 搬 运 装 置 自 检 测 模 块 。 模 块 化 可以 使 得 装 置 的 维 修 更 加 方 便 ， 更 加 高 效 。 无 给 油 化 是 为 了 适 应 搬 运 要 求 更 为 严 格 的 物料 需 要 而 产 生 的 。 在 日 常 的 搬 运 过 程 中 ， 有 些 物 品 如 药 物 、 纺 织 等 不 能 接 触 油 液 。 这使 得 需 要 油 液 润 滑 的 装 置 做 出 进 一 步 的 改 变 。 如 果 未 来 的 物 料 搬 运 机 械 手 能 实 现 无 给油 润 滑 ， 那 么 将 极 大 地 丰 富 机
27、械 手 的 应 用 范 围 。 机 电 一 体 化 指 的 是 将 传 统 的 搬 运 装 置与 电 气 、 软 件 、 电 子 等 高 新 装 置 结 合 起 来 ， 提 高 机 械 手 的 自 动 化 程 度 ， 解 放 劳 动 力 的重 复 操 作 。 物 料 搬 运 是 企 业 生 产 环 节 中 的 重 要 一 环 ， 提 高 物 料 搬 运 的 自 动 化 对 提 高 企业 的 自 身 竞 争 力 有 重 要 的 影 响 。 在 未 来 ， 将 有 更 多 的 物 料 采 用 机 械 手 进 行 搬 运 。 这 对于 机 械 行 业 是 个 机 遇 ， 也 是 个 挑 战 。参 考
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29、8.8 Chen C K, Freudenstein F. Tward a more exact kinematics of rollerchain drives J . ASME Journal of Mechanisms Transmissions，1989.4.25 9 SHI Xiaojuan.Operational state monitoring and fuzzy fault diagnostic吉 林 化 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 文 献 综 述- 5 -system of mine drainage.Mining Science and Technology，201
30、0.7.1510 George K. Adam.Design and Control of a Mechatronic Hydraulic PressSystem.In Electronic Proceedings (CD-ROM) of the IEEE International Conference on Mechatronics (ICM04), 3-5 June, 2004, Istanbul, Turkey.AbstractIn order to raise work productivity and automation level, the recruit and use in
31、dustry manipulator is extensively used in industry production. The industry manipulator can be used to convey the part between the machines. Various kind have voluntarily to nip tight and feeds and moving back knife and merit loosening can the semi-automatic lathe, and high and low operates by the m
32、aterial .Still can be used to the work in the environment what is harmful to the human body .The merits such as it possesses to environment adaptability strongly and lasting able to endure hardships and the action is accurate and the commonality is good and the flexibility is good etc. And the heigh
33、t of industry manipulator technology is the mark of nation industry development standard .The design of industry manipulator can brighter embody the design conception of mechanical and electrical integration .The so-called mechanical and electrical integration technology, is the mechanical engineeri
34、ng technology absorb microelectronics and information processing technology and passes the sense technology etc and one kind of new synthetically integration technology that forms. The design of industry manipulator is the synthetically application to knowledge. This design has been carried on the c
35、omparatively detailed design calculation to the SPC universal machine tool hand. Saying good-bye to grab and trick , arm , hydraulic pressure drive system and five parts electrical equipment control systems , every part has all been carried on the comparatively detailed design calculation to the structure of various part , and according to asks and the correlation standard has carried on the selection of material and parts .Keyword ： Manipulator； finger ； trick ； arm
