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机械手关节结构设计及运动学仿真分析

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软件简介

机械手动作仿真视频
活塞.dwg
机械手机身装配图.dwg
机械手外观图.dwg
手臂部装配体.dwg
手腕部装配体.dwg
手抓装配图.dwg
液压系统图.dwg
答辩.ppt
论文.doc

    本课题为机械手关节结构设计及运动学仿真分析。工业机械手是工业生产的必然产物,它是一种模仿人体上肢的部分功能,按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备,对实现工业生产自动化,推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明,工业机械手可以代替人手的繁重劳动,显著减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作,采用机械手是有效的。此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,更显示其优越性,有着广阔的发展前途。〖1〗
   本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计,运用Solidworks技术对机械手进行三维实体造型,并进行了运动仿真,使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。它能实行自动上料运动;在安装工件时,将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。
   本文重点解决的问题——结构设计及仿真。
   本课题中主要内容是:
(1)设计机械手关节结构;
(2)关节结构的参数设计;
(3)用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计,直到得出满意的结果为止;
(4)绘制总装图和零件图;
目标:满足机械手关节结构的设计要求。

  关键词:结构设计;参数设计;运动学仿真


机器人的历史与现状
   机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的。
    日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后,大力从事机器人的研究。
    目前工业机器人大部分还属于第一代,主要依靠人工进行控制;控制方式则为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。
    第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息进行反馈,使机器人具有感觉机能。
    第三代机器人(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系,并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。
    随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议,讨论和研究机器人的发展及应用问题。
    目前,工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面,无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的,主要是在危险作业(广义的)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
    在国外机械制造业中,工业机器人应用较多,发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作,但还不具备传感反馈能力,不能应付外界的变化。如发生某些偏离时,就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
    随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步,针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造(CIM)要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平,要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而,目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器,一般采用专用计算机作为上层主控计算机,使用专用机器人语言作为离线编程工具,采用专用微处理器,并将控制算法固化在EPROM中,这种专用系统很难(或不可能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的,如果不进行重新设计,多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
美国工业机器人技术的发展,大致经历了以下几个阶段:
  (1)1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年,  万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年,该公司生产的工业机器人定型为1900型。
  (2)1968-1970年为实际应用阶段。这一时期,工业机器人在美国进入应用阶段,例如,美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人;1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人,并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线;又如,美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
  (3)1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年,工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计,美国大约200台工业机器人,工作时间共达60万小时以上,与此同时,出现了所谓了高级机器人,例如:森德斯兰德公司(Sundstrand)发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如,万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
   其他国家,如日本、苏联、西欧,大多是从1967,1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说,1967年,日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”,并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人,技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后,从1980年开始进入广泛的普及时代。
   我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年,但是由于种种原因,工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术,通过引进、仿制、改造、创新,工业机器人将会获得快速的发展。
1.4机器人发展趋势
   随着现代化生产技术的提高,机器人设计生产能力进一步得到加强,尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合,从而改变目前机械制造的人工操作状态,提高了生产效率。
    就目前来看,总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势:
    a)提高运动速度和运动精度,减少重量和占用空间,加速机器人功能部件的标准化和模块化,将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人;
    b)开发各种新型结构用于不同类型的场合,如开发微动机构用以保证精度;开发多关节多自由度的手臂和手指;开发各类行走机器人,以适应不同的场合;
   c)研制各类传感器及检测元器件,如,触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等,用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划,同时,越来越多的系统采用微机进行控制。〖5-9〗

第2章机械手关节结构形式设计
2.1机械手的要求与原始始据
2.1.1原始数据及资料
(1)原始数据:
       a、自由度(四个自由度)
        臂转动180º
        臂上下运动    500mm
        臂伸长(收缩)500mm
        手部转动      ±180º
   (2)技术要求
主要参数的确定:
a、坐标形式:直角坐标系
b、臂的运动行程:伸缩运动500mm,回转运动180º。
c、运动速度:使生产率满足生产纲领的要求即可。
d、控制方式:起止设定位置。
e、定位精度:±0.5mm。
f、手指握力:392N
g、驱动方式:液压驱动。
2.1.2料槽形式及分析动作要求
(1)动作要求分析如图2.1所示
  动作一:送  料
  动作二:预夹紧
  动作三:手臂上升
  动作四:手臂旋转
  动作五:小臂伸长
  动作六:手腕旋转

图2.1 要求分析
2.2机械手的基本结构
   本课题所设计的机械手的结构如图2-2所示。
     
   注:1. 机座    2.手部    3. 螺杆    4. 手臂    5. 手腕
图2-2机械手的结构
   机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和手部三部分组成。机械手能够实现4个自由度(由于机构运动确定,因此机构的自由度等于机构的原动件数目,此机构有4个原动件,因此可得有4个自由度)的运动。其中手臂的升降利用减速箱带动螺柱的运动,以此来驱动手臂的升降。手臂的伸缩和手部的抓取用液压驱动。腕部的运动利用电机的转动来实现。最前端的手部抓取物品,通过各关节的转动,使物品在空间上运动,根据合理的控制,最终实现机械手的动作要求。
目录
第一章  绪论 1
1.1 研究机械手的意义 1
1.2工业机器人概述 1
1.3机器人的历史与现状 4
1.4机器人发展趋势 5
第2章机械手关节结构形式设计 7
2.1机械手的要求与原始始据 7
2.1.1原始数据及资料 7
2.1.2料槽形式及分析动作要求 7
2.2机械手的基本结构 8
2.3机械手结构设计 9
2.3.1 机身机座的设计 9
2.3.2手部结构设计 11
2.3.3 腕部结构设计 14
2.3.4臂伸缩的机构设计 16
2.4本章小结 18
第3章 机械手关节参数设计 19
3.1 参数设计优点 19
3.2 机座结构参数设计 19
3.3伸缩臂参数设计 21
3.3.1工作负载R和工作压力P 21
3.3.2工作速度和速比的确定 22
3.3.3液压缸缸筒内径D和活塞杆直径d的确定 22
3.3.4液压缸的计算 23
3.3.5液压缸稳定性和活塞杆强度校核 24
3.3.6连接零件的强度计算 27
3.3.7腕部回转缸的计算 28
3.4手部参数设计 30
3.5本章小结 33
第四章 液压系统原理设计及草图 34
4.1手部抓取缸 34
4.2腕部摆动液压回路 34
4.3小臂伸缩缸液压回路 35
4.4总体原理图 36
4.5本章小结 37
第五章机械手关节的模拟仿真 38
5.1 仿真内容 38
5.2 仿真方法 38
5.3机械手关节的运动学分析 39
5.3.1机械手手部夹紧的运动仿真运动仿真及分析 39
5.3.2机械手腕部转动的运动仿真 39
5.3.3机械手臂部的运动仿真分析 39
5.3.4机械手的整体的运动仿真分析 40
5.4 本章小结 40
第六章全文总结 41
参考文献 42
致谢 44
附录 45

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