开题报告 液压机械手

课题题目：上料液压传动机械手的设计

一、 课题的来源、目的、意义

1. 课题的来源

题目来源于生产实际。设计一个用于上料的液压机器人，进行机器人的总

体方案设计，传动系统及控制系统设计。

2. 课题的目的，意义

此次设计的液压传动机械手有5个自由度，用于上料作业。采用液压驱动

方式，根据规定的动作顺序，需要完成伸缩，升降，回转，抓取等功能。综合运用所学的基本理论，基本知识和相关的机械设计专业知识，对上述机械机构进行分析和计算，对液压回路及其部件进行选择以及控制回路和电器控制的设计计算等。并绘制必要的装配图，液压系统图，控制系统原理图等。

3. 课题的要求

1. 已知相关参数：手腕回转角度±115º，手臂伸长量150mm，手臂回转角

度±115º，手臂升降行程170mm，手臂横向运动行程100mm。设计参数定义如下：承载6kg,，回转速度30度/秒，平移速度40mm/s，最大加速度为1000mm/S2。定位精度为 1mm。

2. 完成对机械手的设计，作出传动系统简图，绘制必要装配图。

3. 对液压回路及其部件进行选择，绘制液压系统图。

4. 进行电气系统设计计算，绘制PLC控制系统原理图。

二、国内外研究现状和发展趋势

机械手的组成：能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓

取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来

抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式

机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

近年来机械手的特点：(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、

高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、

减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于

标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速

度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控

制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

国内外机械手的现状和发展趋势：目前工业机械手主要用于机床加工、

铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。

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，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。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。

在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。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。

此外，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，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。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感

器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首

先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

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。

三． 预计达到的目标、关键理论和技术、完成课题的方案和主要措施

1.本课题预计达到的目的：本课题研究了国内外机械手发展的现状，通

过学习机械手的工作原理，熟悉了上料机械手的搬运的工作的原理。在此基础上，确定了上料搬运机械手的基本系统机构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。运用液压传动的技术和PLC的控制系统来对上料搬运机械手来实施控制，进而分析它的运动过程，来完成最后的机械手设计。

2.本课题的关键理论和技术：机械原理、理论力学、材料力学、机械

设计、液压传动和PLC控制等。

3.技术方案（技术路线、技术措施）

运用液压传动来控制机械手的放松，伸缩，升降，回转，横移和抓紧

等自由度，最后运用PLC来编程来实施各自由度的总控制。

4.要解决的主要问题和技术的关键。

1）.机械手的结构设计：机械设计、理论力学、机械制图等

2）.传动结构的设计：液压传动

3）.控制系统的设计：PLC技术

5.可能遇到的困难及应对措施。

1）.结构设计方案不合理，应对的措施：做完后腰及时给老师审核，然后进行

其他方面的设计。

2）.计算及校核方面的不合理，应对的措施：计算要有相当的严密性，并且要合理的应用公式，不要乱用公式。做完要仔细的校核，同时也要有相当的耐心。

3）.文献翻译的不合理，应对措施：要多翻课外的参考资料，不懂就要查字典。或者自己觉得翻得不够好就找专业的英文老师来教导。

4）.作图方面的不合理，应对措施：要熟悉自己的作图软件并且作图时要仔细。

5）.控制方面的不合理，应对措施：要画出T形图、方框图，然后再进行合理的编程。

四、课题进展计划

11月1号到12月1号：收集资料

12月1号到1月1号：研读资料，拟定设计方案

1月1号到3月25号：中期完成设计草图，作必要的设计计算，最终完成总装配图。

3月26号到5月1号：缀写设计计算说明书

5月1号到5月26号：答辩准备及答案

五、 主要参考文献

1. http://baike.baidu.com/view/81615.htm 2009年05月22日 薰薰冰儿

2. http://www.zybysj.cn/onews.asp?id=508&Page=3机械手设计 admin 2008年10月3号

3. 李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学，2003

4.孔凌嘉， 简明机械设计手册，北京理工大学出版社，2008

5. 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.1月3号

6.郭洪红，工业机器人技术，西安电子科技大学出版社，2006

7.章宏甲，液压与气压传动，机械工业出版社，2005

8.康新华， 焊接机器人的现状及发展趋势（一），上海交通大学材料科学与工程学院，2000

9.廖常初，FX系列PLC编程及应用，机械工业出版社，2005

10.杨黎明，机械设计简明手册，国防工业出版社，2008

11.宋宝玉，简明机械设计手册，哈尔滨工业大学出版社，2008

12.徐创文，机械电子工程专业改革探讨，兰州工业高等专科学校学报（综合版），1999，6（1）：32-33。