【文章內(nèi)容簡介】 為自動(dòng)上、下料用。 (2) 通用機(jī)械手 具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變、動(dòng)作靈敏、動(dòng)作靈活 多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。 按結(jié)構(gòu)分： . (1) 直角坐標(biāo) 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)； (2) 圓柱坐標(biāo) 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)； (3) 球坐標(biāo) 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)； (4) 關(guān)節(jié)型 機(jī)械手 結(jié)構(gòu)。 研究背景 、 國內(nèi)外 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 研究背景 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè) 機(jī)械手 中大約有一半的工業(yè) 機(jī)械手 用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接 機(jī)械手 應(yīng)用中最普遍的主要有兩種形式，即電焊和電弧焊。我們所說的焊接 機(jī)械手 其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè) 機(jī)械 手 。這些焊接 機(jī)械手 中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接 機(jī)械手 其實(shí)就是通用貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 3 頁 工業(yè) 機(jī)械手 裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。 焊接 機(jī)械手 具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。截止 20xx 年，全世界在役工業(yè) 機(jī)械手 約為 萬臺(tái)，其中日本裝備的工業(yè) 機(jī)械手 總量達(dá)到了 60 萬臺(tái)以上，成為“ 機(jī)械手 王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè) 機(jī)械手 數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球 機(jī)械手 的數(shù)量在迅速增加 ，僅 20xx 年就達(dá) 萬臺(tái)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國工業(yè) 機(jī)械手 呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過 40% ， 焊接 機(jī)械手 的增長率超過了 60%， 20xx 年我國新增 機(jī)械手 數(shù)量超過了 5000 臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6% ，遠(yuǎn)小于韓國所占的 15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的 69% 。這對(duì)于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè) 機(jī)械手 應(yīng)用程度的提高受到限制。 當(dāng)前焊接 機(jī)械手 的應(yīng)用迎來了難 得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接 機(jī)械手 的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著 機(jī)械手 應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。 研究的 國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi) 機(jī)械手 的研究與開發(fā)始于 20 世紀(jì) 70 年代，大致經(jīng)歷了 3 個(gè)階段： 70 年代的萌芽期， 80 年代的開發(fā)期和 90 年代的應(yīng)用化期。 1972 年我國第一臺(tái)工業(yè)機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械 手 。從第七個(gè)五年計(jì)劃（ 19861990）開始，我國政 府將工業(yè) 機(jī)械手 的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè) 機(jī)械手 ，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂 機(jī)械手 ，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊 機(jī)械手 ，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊 機(jī)械手 ，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載 機(jī)械手 等等。這些 機(jī)械手 的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué) 機(jī)械手 研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的 機(jī)械手 關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如 機(jī)械手 專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器， DCPWM 等等。 我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用 范圍。目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 4 頁 加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能等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(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械 手 的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械 手 ，有條件的還要研制示教式機(jī)械 手 、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械 手 和組合式機(jī)械 手 等。同時(shí)也要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮 機(jī)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(jī)械手 ，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本 單元。 可以將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的 機(jī)械手 ，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。 國外 機(jī)械手 在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用在機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料以及點(diǎn)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(jī)械手 的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的 機(jī)械手 ，使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化反饋，并作出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更 正并自行檢測?，F(xiàn)在已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有向著高精化、高速化、多軸化、輕量化的發(fā)展趨勢發(fā)展。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到 3m/s，最新產(chǎn)品達(dá)到 6 軸，負(fù)載 2Kg 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重量已突破 100Kg。隨著 機(jī)械手 發(fā)展的深度和廣度以及 機(jī)械手 智能水平的提高， 機(jī)械手 已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦 機(jī)械手 、建筑業(yè) 機(jī)械手 以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的 機(jī)械手 等。尤其是將 機(jī)械手 、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從根本上改變了目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) 。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在 機(jī)械手 工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測，今后 機(jī)械手 將在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)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。 機(jī)械手 的發(fā)展趨勢 工業(yè) 機(jī)械手 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè) 機(jī)械手 普及的基礎(chǔ)上，第二代貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁 已經(jīng)推廣，成為主 流安裝機(jī)型，第三代智能 機(jī)械手 已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè) 機(jī)械手 技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面： （ 1） 機(jī)械結(jié)構(gòu) 以關(guān)節(jié)型為主流， 80 年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型 機(jī)械手 約占總量的 l／ 3(目前世界工業(yè) 機(jī)械手 總數(shù)約為 750000 臺(tái) )， 90 年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、 360 度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型 機(jī)械手 大量用于焊接和上、下料。 應(yīng) 3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛 )行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型 機(jī)械手 應(yīng)運(yùn)而生。 （ 2） 控制技術(shù) 大多數(shù)采用 32 位 CPU，控制軸多達(dá) 27 軸， NC 技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多 機(jī)械手 的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制?；?PC 的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。 （ 3） 驅(qū)動(dòng)技術(shù) 上世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的 AC 伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè) 機(jī)械手 中。日本 23 家 機(jī)械手 公司于 1998 年生產(chǎn)的 167 種型號(hào) 機(jī)械手 產(chǎn)品，其中采用 AC 伺服驅(qū)動(dòng)的有 156 種，占 ％。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配 機(jī)械手 中。 （ 4） 智能化的傳感器多有應(yīng)用 在上述 167 種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有 94 種，占 ％，不少 機(jī)械手 裝有兩種傳感器，有些 機(jī)械手 留下了多種傳感器接口。 （ 5） 高速、高精度、多功能化 目前所知最快的裝配 機(jī)械手 最大合成速度為 。高精度 機(jī)械手 的位置重復(fù)性為正負(fù) 機(jī)械手 ，其最大合成速度達(dá) 80m/s。而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的 NC 機(jī)械手 ，其位置重復(fù)性達(dá) l um。 90 年代末的 機(jī)械手 一般都具有兩、三種功能。 （ 6） 集成化與系統(tǒng)化 1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小 機(jī)械手 ，其循環(huán)時(shí)間只有 ，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一 柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。 FANUC公司 20xx 年 9 月宣稱它的控制器為世界最小。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁 本設(shè)計(jì) 的 目的和意義 設(shè)計(jì) 目的 由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至危 及 生命。 以電焊為例 , 高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線和紅外線 可 對(duì) 眼睛及皮膚 造成嚴(yán)重 損傷 ； 電弧焊接時(shí)，焊條中的焊芯、藥皮和金屬母材在電弧高溫下熔化、蒸發(fā)、氧化、凝集，產(chǎn)生大量金屬氧化物及其他物質(zhì)的煙塵，長期吸入可引起焊工塵肺 ；各種焊件和焊條中均含有數(shù)量不等的錳，在通風(fēng)不 好的 場所如船艙、鍋爐或密閉 容器內(nèi)焊 接 ， 會(huì)產(chǎn)生 含 有 錳的煙塵 ，人體 長期吸入可發(fā)生錳中毒。 焊接 機(jī)械手就在這樣 的情況下 誕生了 ,它代替了工人自動(dòng)化的完成各種焊接任務(wù)。一方面，改善了工人勞動(dòng)條件，使工人的安全得到一定保障；另一方面，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手，是用于自動(dòng)生產(chǎn)線上完成焊接任務(wù)的自動(dòng)化裝置。它的執(zhí)行系統(tǒng)由機(jī)座、立柱、手臂、手指組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用 電氣驅(qū)動(dòng)式電力驅(qū)動(dòng) 。 電力驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大 ， 信號(hào)檢測、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采 用步進(jìn)電機(jī) 或 直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)。 因 此機(jī)械手已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng) 。 這既可使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度 。在此驅(qū)動(dòng)方式下，通過控制系統(tǒng)（本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手控制系統(tǒng)采用 PLC 程序設(shè)計(jì)，可根據(jù)工件的變化要求隨時(shí)更改相關(guān)控制參數(shù)）控制機(jī)械手的各個(gè)部分的動(dòng)作，使立柱可以在豎直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手臂可以伸縮、擺動(dòng)，手指可以夾緊、放松。 設(shè)計(jì) 意義 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及 機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度， 進(jìn) 而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 ，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、 有 灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中， 人 用手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)， 又可 使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁 特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 ， 以 便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直 接減少人力的一個(gè) 方 面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè) 方 面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是機(jī)械工業(yè)發(fā)展 的 必然趨勢。 本設(shè)計(jì) 的 內(nèi)容 和思路 設(shè)計(jì) 內(nèi)容 機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng) 、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括機(jī)座、立柱、大小臂、手部。闡述機(jī)械手各部分的設(shè)計(jì)要求、工作方式 ，步進(jìn)電機(jī)的工作原理及計(jì)算與選擇、諧波傳動(dòng)減速器的選擇、軸承的選 擇及校核 。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是選擇驅(qū)動(dòng)器，包括驅(qū)動(dòng)器的選擇方法、工作原理、引 腳說明。 控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)， 確定輸入 /輸出（ I/O）設(shè)備、選擇合適的 PLC、 I/O 點(diǎn)數(shù)分配 、PLC 程序設(shè)計(jì)。 最后，分別畫出 焊接 機(jī)械手的裝配圖、 PLC 外部 接線圖 、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、步進(jìn)梯形圖 以及 焊接 機(jī)械手自動(dòng) 或手動(dòng) 運(yùn)行流程圖。 設(shè)計(jì)思想 (1)對(duì) 焊接 機(jī)械手 執(zhí)行系統(tǒng)（即 機(jī)械部分 ） 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)動(dòng)靈活，機(jī)械手各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉。 (2)對(duì) 焊接 機(jī)械手 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)機(jī)械 手的用途、作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上面的各個(gè)因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。 (3)對(duì) 焊接 機(jī)械手進(jìn)行控制部分設(shè)計(jì)時(shí)，要保證機(jī)械手的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與受控制系統(tǒng)控制貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁 信號(hào)控制產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，保證機(jī)械手各個(gè)部分合理有序的動(dòng)作，確保工作臺(tái)、工件等相關(guān)部件的安全。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁 第 二 章 多關(guān)節(jié) 型自動(dòng) 焊接機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 概述 焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一。它在機(jī)械制造、核工業(yè)、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,焊接已從簡單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成為制造行業(yè)中一項(xiàng)基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)尺寸精確的制成品