机械手论文：海洋采矿机械手设计及有限元计算

第一篇：机械手论文：海洋采矿机械手设计及有限元计算

机械手论文：海洋采矿机械手设计及有限元计算

【中文摘要】随着人口的增长,人类社会面临着资源日益锐减的局面,开发和寻求的新的资源成为了人类生存发展的趋势,陆地资源的减少使人们把资源的开发利用的目标转向了太空和海洋。海洋面积占地球面积的71%,其开发利用的潜能不可估量。可以说海洋简直就是一个聚宝盆,其中矿产资源的种类就令人惊叹。在深海地区,蕴藏着多金属结核矿和硫化矿,这些矿产又是人类生存发展的重要资源。近年来科学家们在大洋底发现了这样一种极具开采价值的矿产资源“热液硫化物”,它是一种块状或者软泥状的海底矿藏,数量相当巨大,是一种极有开发前途的大洋矿产资源。对于这样一种矿藏的开采,急待研制性能良好的开采工具,本文研究的机械手就是这样一种试制的进行海洋矿产开采的工具。本文是在中南矿冶研究院金星教授的海洋开发项目《深海热液硫化物可视抓网》研究基础上,主要对其开发试制的机械手进行虚拟样机的研究,主要内容包括:对连杆运动学数学理论空间向量的坐标转换进行了分析,对连杆动力学方程—拉格朗日动力学方程进行了推导;分析了机械手结构设计方法并对机械手的零部件在SolidWorks中进行了建模及其装配,而且对机械手的结构进行了分析;运用有限元软件Workbench建立了机械手的有限元模型,运用米塞斯强度屈服理论,针对机械手固定爪臂的极端工况下的强度校核;运用COSMOSMotion动力学分析软件对机械手进行了刚体静力学及动力学的仿真,对机械手的运动学物理量进行了分析,并研究了重

力对机械手运动的影响。

【英文摘要】With the increasing of the population,the mankind face the situation of the resource decreased day by day,and the decreace of the inland resource make people divert the target where to exploit the resource to the space and ocean.The ocean covers an area of 71% on the earth,and the exploiting potential is inestimable.So it is simply a cornucopia in which the sorts of mineral resources are marvelous.It contains a lot of polymetallic nodules and sulphides,which is important to the development of the mankind.In recent years,the scientists discovered such a mineral resources called “Hydrothennal sulfide” which is much worth to be exploited at the bottom of the ocean.It is a promising benthal mineral resource whose shape is lump or soft mud,and the quantity is quite tremendous.But it is urgent to manufacture a mining tool with good performance for the exploitation of it,and the manipulator researched in this context is such a trail tool used to exploit the mineral.This paper will focus on research of the virtual prototype of the trail manipulator based on the research of the ocean exploitation project”visual capturing net for Hydrothennal sulfide in deep sea” which is directed by professor Jinxing

of Central-South Research Institute of Mining and Metallugy.The main contents are as follows:firstly gave the analysis of coordinate transformation of space vector in linkage kinematics mathematical theory,and deduced the dynamics equation-Lagrange dynamics equation;Secondly analyzed the structure designing method for manipulator, and modeled and assembled the parts of the manipulator in the SolidWorks soft;moreover,gave a simple analysis of the structure;Thirdly builded the finite element model by the finite element soft Workbench,and check the strength of manipulator by the mises yield strength theory in the extreme work situation of fixing the hands;At last,simulated the rigid-body static and motion of the manipulator by the COSMOSMotion soft,and analysis the kinematic quantities,besides,researched the gravity influence on the motion.【关键词】机械手 运动学 动力学 有限元 强度校核 仿真 【英文关键词】manipulator kinematics dynamics finite element strenght checking simulation 【目录】海洋采矿机械手设计及有限元计算4-5Abstract

5第1章 绪 论9-18

摘要

1.1 引言

91.2 深海热液硫化物的研究现状9-1

1.2.1 热液硫化物开采价值分析10-11

1.2.2 热液硫化物国内外研究现状

1.3.1 机1.3 机械手的基本组成及分类11-1

311-1

21.3.2 机械手的分类械手结构组成部分12-131.4 机械手研究进展13-151.5 计算机仿真技术简介15-1616

1.6 机械手运动学、动力学研究概况

第2章 机械手连杆2.2 连杆位姿矩阵及坐1.7 本文研究主要内容16-18

2.1 引言18运动学理论18-26标一般变换18-2218-19

2.2.1 位姿的直角坐标表示

2.2.3 一般旋

2.3.1 连2.2.2 位姿的欧拉角表示19-21转变换21-22杆运动学的参数描述23-25理论26-31程26-272930-3131分析32

2.3 连杆运动学 D-H 法22-2522-23

2.3.2 连杆坐标系转换本章小结25-26

3.1 引言26

第3章 机械手连杆动力学分析3.2 拉格朗日—欧拉动力学方

3.4 连杆机构势能

本章小结4.1 引言4.2.1 机械手功能

4.3 机械手3.3 连杆机构动能27-293.5 连杆机构动力学方程的建立29-30第4章 机械手结构设计31-494.2 机械手设计原理方案31-344.2.2 机械手设计方案组合32-34的设计过程与机械手结构34-3634-35

4.3.1 机械手设计过程

4.4 4.3.2 机械手结构组成与原理机制35-36机械手零部件三维建模及装配36-394.4.1 机械手零部件建

模36-374.4.2 机械手零部件装配37-384.4.3 机械手连杆结构分析38-3939-48

4.5 机械手材料和质量属性

4.5.2 机械手零部第5章 机械手强度4.5.1 机械手零部件材料39

本章小结48-49件质量特性39-48校核49-5849-51

5.1 引言495.2 有限元分析基本理论

5.2.2 有限元5.2.1 弹性力学基本理论49-50

5.3 机械手的强度校核分析基本思想50-5151-575.3.1 米塞斯强度理论51-525.3.2 有限元软件ANSYS Workbench 基本介绍52建立52-55结57-58言58

5.3.3 机械手有限元模型的本章小6.1 引6.2.1

5.3.4 有限元计算结果分析55-57第6章 机械手动力学仿真分析58-726.2 SolidWorks 仿真软件简介58-60SolidWorks 简介58-595959-60

6.2.2 SolidWorks 软件特点6.2.3 运动分析插件COSMOSMotion 分析理论6.3 机械手的静力学接触仿真60-65

6.3.1 机械手的运动描述60-61析61-65

6.3.2 不同开度下机械抓手的计算分

6.4.1 6.4 机械手的非接触动力学仿真65-71

65-66机械手运动条件设置66-6971-7277-78

6.4.2 运动物理量仿真结果分析

69-71

本章小结

致谢6.4.3 动力学仿真结果分析总结与展望72-74

参考文献74-77攻读学位期间所取得的相关科研成果78

第二篇：机械手设计的论文

摘要：主要从工业机械手的发展现状、机械手的应用、机械部分的设计对工业机械手设计研究等方面进行阐述。

关键词：工业机械手;设计;研究;

工业机械手在工业生产中起到重要作用, 工业机械手在实际工作过程中, 必须提高机械手设计的职能, 根据企业的实际需要进行科学, 合理的进行工业机械手设计, 能为企业的发展提供服务职能。工业机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用工业机械手是提高产品质量与劳动生产率, 实现生产过程自动化, 改善劳动条件, 减轻劳动强度的一种有效手段。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装备。工业机械手的发展现状

1.1 驱动方式发展现状

现在的工业机械手驱动方式, 大多采用电机驱动。电机驱动的工业机械手, 具有精度高、驱动力大、响应快等优点。同时采用电机驱动, 必须使用减速机构, 因此, 采用电机驱动方式的机械手的成本, 会大大高于其他方式驱动的, 因而限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展, 又由于气压驱动具有其他驱动方式所没有的一些优点, 如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等, 因而越来越多的工业机械手, 采用气动控制, 因而气动技术也得到了迅速发展。

1.2 定位精度发展现状

在气动技术发展初期, 由于技术的不成熟, 利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低, 更无法实现在任意位置的起停, 只能靠气缸两个终点位置来实现定位, 或者采用多位气缸, 而多位气缸的定位长度, 也已经由气缸的行程确定, 同样无法实现机械手在任意位置的起停。如果要多加一个定位位置, 或者是要改变预先确定的两个定位位置之间的距离, 则需要另外再设计一个多位气缸, 这样就会导致气缸的滑块导向机构更加复杂。所以, 早期的气动工业机械手不能实现任意位置的定位, 因此限制气动工业机械手的发展。机械手的应用

2.1 合单机实现自动化

生产上出现的许多高效专用加工设备(如各种专用机床等), 如果工件的装卸等辅助作业, 继响人工操作, 不仅会增加工人劳动强度, 同时亦不能充分发挥专用设备的效能, 必然会影响劳动生产率的提高。若采用机械手代替人工上、下料, 则可改变上述不相适应的情况, 实现单机自动化生产, 并为实现多机床看管提供了条件, 如:自动机床及其上下料机械手、冲压机械手、注塑机及其取料机械手等。

2.2 组成自动生产线

在单机自动化的基础上, 若采用机械手自动装卸和输送工件, 可使一些单机连接成自动生产线。目前在轴类和盘类工件的生产线上, 采用机械手来实现自动化生产尤为广泛。如:轴类加工自动生产线及其上下料机械手、盘类加工自动生产线及其机械手、齿轮加工机床的上下料机械手等。机械部分的设计

3.1 手部

机械手的手部, 是用来抓持工件(或工具)的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度, 都将直接影响到机械手的工作性能, 是机械手的关键部件之一。

1)手部总体确定。手部是承担抓取刀具的机构, 由手指传力机构和驱动装置等组成, 是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料、形状、尺寸以及一些特性的不同, 此机械手部分为手指式。2)驱动力的计算。手指夹持工件所需要驱动力的大小, 在同一夹紧力的条件下, 随所采用的传动结构的不同而异。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析, 根据力系平衡原理来进行的。

3.2 手腕

机械手的手腕连接于手和手臂之间, 用于调整手的方向。此机械手能旋转任何角度, 所以手腕能分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动, 即实现手×腕的任何角度的伸缩和转动。

手腕回转的驱动力距M通常计按下式计算:

M摩———手腕支撑处的摩擦阻力矩(N·m);

M偏——工件重心偏置的偏置力矩(N·m);

M惯——手腕运动的惯性力矩(N·m)。

3.3 手臂

手臂部是机械手的主要执行部件, 其作用是支承手部, 主要用来改变刀具的位置。手部在空间的活动范围, 主要取决于臂部的运动形式。手臂部的运动和结构形式, 对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点:

1)刚度要好。要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。实践证明, 空心杆比实心杆刚度大得多。常用钢管作臂部和导向杆, 用工字钢和槽钢作支承板, 以保证有足够的刚度。2)偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的总重力对其支承或回转轴所产生的力矩。其对臂部的升降运动和转动, 均将产生影响, 设计时应使臂部各部分的质量分布合理, 以减少其偏重力矩。3)自重要轻, 惯量要小。由于机械手在高速情况下经常起停和换向, 为了减少在运动状态变化时所产生的冲击, 除了必须采取有效的缓冲装置外, 还要力求结构紧凑, 自重轻, 以减少惯性力。

参考文献

[1]何兰.工业机械手研究及应用[J].电子世界, 2013(23):141.[2]刘少丽.浅谈工业机械手设计[J].机电工程技术, 2011(7):186.[3]姚二民, 王新杰, 蒿洛山.轻质杆套类物品传送用工业机械手[J].机械研究与应用, 1996(2):35.[4]转子加工线应用工业机械手[J].中小型电机技术情报, 1975(6):2.[5]日本对工业机械手的研究应用简况[J].科技简报, 1978(7):29.

第三篇：机械手论文（写写帮整理）

在当今大规模的制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的工业自动化水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取试教在线的方式。

本文通过分析现代机械手的作用，发展简史，组成（包括执行机构，驱动机构，控制系统），全面详尽地讨论了直角坐标机械手的手部，腕部，手臂以及机身等主要部件的结构设计，其中包括机械部分的零部件，比如滚珠丝杠，联轴器，单轴驱动器的使用条件，种类选型，设计基本要求，优点特点分析，结构设计，基本参数的选定，计算与校核，以及安全性的分析。还有控制部分的各电机的马达型号，种类，简介，控制步骤分析，部分控制程序的编写，运行特性分析，基本参数的计算和校核。

最终实现的目标包括：实现步进电机的开环控制，通过手臂的执行机构实现空间任意位置的抓取，实现手部快速，有效的抓取物体，有良好的传感和限位功能使每个自由度上的运停快速，准确。做到尽量体积小，重量轻，功耗低，维护方便，外形美观，动作灵敏，传动平稳，程序简洁，运行误差小等优点。

关键词：机械手，滚珠丝杠，单轴驱动器，步进电机，手臂，手部，直角坐标

The design of the Cartesian coordinate manipulator

ABSTRACT

In today's large-scale manufacturing, the enterprise to improve production efficiency and ensure product quality, universal attention production process automation degree, manipulator as an important member of automatic production line, gradually by enterprise and the use of identity.Industrial robot technology level and application degree to a certain extent reflect a nation of industrial automation level.Currently, the manipulator main bear the welding, painting, handling and storage, and the intensity of labor great importance of the work, work way to try to teach the general way online.This article elaborates the structure design of the major parts of the Cartesian coordinate manipulator, such as hand, wrist, arm and the machine body.In which includes designing the components of the mechanical part.Such as ball screws, coupling, single axis actuator, mainly describing the use condition, type selection, basic requirement of design, analysis of the strong point, characteristic, calculate and proofread the basic parameter, analysis of security.Besides, it also includes designing of the control part.Such as the motor model, kind, brief introduction, analysis of the control steps, compile control procedure partly, analysis of the motion characteristic, designate, calculate and proofread the basic parameter.The target which should be terminally realize including: achieving the open loop control of the step motor, achieving grabbing object in space arbitrarily position by the actuator of the arm.Realizing grabbing object by hand quickly, effectively.Possessing the good function of sense and limiting position, which makes the motion and stop quickly and precisely.Realizing the merits including small volume, light weight, low power dissipation, easy maintenance, beautiful appearance, sensitive action, smooth transmission, succinct procedure, operation in small error.Key words:

manipulator, ball screws, single axis actuator, step motor, arm, hand, Cartesian coordinate

第四篇：搬运机械手设计毕业论文

本工作室有大量设计资料，承接机械类毕业设计和课程设计，需购买或设计请加Q631768401

本 科 生 毕 业 设 计（论文）

题

目：学生姓名：学

号：专业班级：指导教师：

（届）

搬运机械手设计

职称：

****年**月**日

搬运机械手的设计

摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本文简单介绍了本课题的意义和内容，回顾了国内外机械手的发展概况，并对工件搬运机械手的研究。作者根据本课题的研究依据，对机械手的机械系统方案进行了设计，确整体结构和机、气一体化的实现方法，画出了各主要部件的机械结构图。

关键字：机械手；气动；设计研究

Design of Manipulator for Transportation Abstract：With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development, manipulator as to play an extremely important part in the development and income of the corporations.This paper introduces the content and practical application value of the thesis, and reviews the development of manipulators inside and abroad, and manipulator which used transport workpiece has been studied.The writer introduces the gist of research, designs the machine system project of the manipulator, confirms the gantry configuration and the realization way with the machinery, gas-motivated and draws the machine configuration picture of master parts.Key words：manipulator, pneumatics, design and study

本工作室有大量设计资料，承接机械类毕业设计和课程设计，需购买或设计请加Q631768401

目 录 绪论...........................................................错误！未定义书签。1.1 前言..........................................................错误！未定义书签。1.2 机械手国内外研究现状.........................................错误！未定义书签。1.3 当今机械手具有的特点.........................................错误！未定义书签。2 机械手总体设计方案.............................................错误！未定义书签。2.1 机械手基本形式的选择.........................................错误！未定义书签。2.2 机械手的主要运动方式和部件...................................错误！未定义书签。2.3 驱动方式的选择...............................................错误！未定义书签。2.4 机械手的主要设计参数.........................................错误！未定义书签。3 机械手手部设计.................................................错误！未定义书签。3.1 手部的种类及设计基本要求.....................................错误！未定义书签。3.1.1 手部的种类.............................................错误！未定义书签。3.1.2 手部设计基本要求.......................................错误！未定义书签。3.2 手部的结构设计及尺寸的计算...................................错误！未定义书签。3.2.1 手部的设计.............................................错误！未定义书签。3.2.2 手指指端设计...........................................错误！未定义书签。3.2.3 手部各主要尺寸的确定...................................错误！未定义书签。3.3 手部夹紧气缸的设计...........................................错误！未定义书签。3.3.1 手部加紧力FN的计算.....................................错误！未定义书签。3.3.2 手部夹紧气缸主要尺寸的确定.............................错误！未定义书签。4 机械手手腕设计.................................................错误！未定义书签。4.1 手腕设计基本要求.............................................错误！未定义书签。4.2 手腕的结构设计...............................................错误！未定义书签。4.3 手腕回转气缸的设计...........................................错误！未定义书签。4.3.1 手腕转动时所需驱动力矩M驱的计算.......................错误！未定义书签。4.3.2 手腕回转气缸主要尺寸的确定.............................错误！未定义书签。5 机械手手臂设计.................................................错误！未定义书签。5.1 手臂设计的基本要求...........................................错误！未定义书签。5.2 手臂的结构设计...............................................错误！未定义书签。5.3 手臂伸缩气缸的设计...........................................错误！未定义书签。

I 本工作室有大量设计资料，承接机械类毕业设计和课程设计，需购买或设计请加Q631768401

5.3.1 手臂伸缩运动驱动力F的计算.............................错误！未定义书签。5.3.2 手臂伸缩气缸主要尺寸的确定.............................错误！未定义书签。6 机械手机身设计.................................................错误！未定义书签。6.1 机身整体的结构设计...........................................错误！未定义书签。6.1.1 常见机身的结构.........................................错误！未定义书签。6.1.2 机身整体结构的选择.....................................错误！未定义书签。6.2 机身回转气缸的设计...........................................错误！未定义书签。6.2.1 回转气缸驱动力矩M驱的计算..............................错误！未定义书签。6.2.2 机身回转气缸主要尺寸的确定.............................错误！未定义书签。6.3 机身升降机构的设计...........................................错误！未定义书签。6.3.1 手臂偏重力矩M偏的计算..................................错误！未定义书签。6.3.2 升降不自锁条件分析计算.................................错误！未定义书签。6.3.3 机身升降运动的液压缸驱动力F的计算.....................错误！未定义书签。6.3.4 轴承的选择分析.........................................错误！未定义书签。7 全文总结与展望.................................................错误！未定义书签。7.1 全文总结......................................................错误！未定义书签。7.1.1 机械系统方面...........................................错误！未定义书签。7.1.2 驱动传动方面...........................................错误！未定义书签。7.2 展望..........................................................错误！未定义书签。参考文献..........................................................................27 致谢..............................................................................28 附录..............................................................................29

II 本工作室有大量设计资料，承接机械类毕业设计和课程设计，需购买或设计请加Q631768401

附 录

1.气动搬运机械手

QDBYJXS-A0 2.手部部件

SBBJ-A1 3.花键套

HJT-A2 4.花键轴

HJZ-A2 5.活塞轴

HSZ-A2 6.回转气缸上盖

HZQGSG-A2 7.回转气缸下盖

HZQGXG-A2 8.气缸盖及导杆

QGGJDG-A2 9.升降气缸盖(底座)

SJQGGDZ-A2 10.手臂支架及导杆套

SBZJJDGT-A2 11.手指

SZ-A3 12.手指端

SZD-A3 13.手指圆柱销杆

SZYZXG-A3 14.手指支架及驱动杆套

SZZJJQDGT-A3 15.工件

GJ-A4 本工作室有大量设计资料，承接机械类毕业设计和课程设计，需购买或设计请加Q631768401

第五篇：机械手教学设计要点

机械手的 PLC 的自动控制

一、教学目标 1.知识目标

(1掌握机械手的工作原理。(2熟练运用梯形图绘制 PLC 程序。(3掌握利用辅助继电器的编程技巧。2.能力目标

(1知道每个辅助继电器的功能。(2知道定时器是如何定时工作的。(3培养学生单独接线、编程的能力。3.情感目标

先通过机械手动作的实验, 使学生产生浓厚的兴趣。继而带着兴趣, 主动地 去学习。为了使学生容易理解,在学习过程中,先逐个分析每条语句的功能,最 后再整体讲解。

二、实验目的

1.掌握机械手的程序设计。

2.进一步加强对辅助继电器的理解和运用。3.锻炼学生的动手能力。

三、实验器材

1.FX2N-48MR 型的 PLC 主机 一台 2.机械手演示装置 一台 3.微型计算机 一台 4.编程电缆 一根 5.连接导线 若干

四、教学过程 1.引入新课

我们知道现在科技发展越来越快, 在不久的将来机器人将代替我们人类工作 今天让我们大家也尝试着做一次科学家,让机器人用他们的机械手为我们搬运 物料。

2.学生思考

(1 常用开关和传感器有何区别?(2 输入、输出点怎样定义的?(3 机器人怎样搬运?分为几个步骤? 3.教师讲解

第一节课 :复习基本指令(定时器,辅助继电器,左移位指令;解答学生的思考题。

(1常用开关是点动控制的,如果传感器检测到物料相当于常闭的开关。(2输入点是传感器,输出点是执行动作。输入点:

检测光电传感器 X2 手臂伸出限位传感器 X5 手爪下降限位传感器 X10 手爪夹紧限位传感器 X11 手爪提升限位传感器 X7 手臂缩回限位传感器 X6 手臂旋转右限位传感器 X4 输出点: 手臂前伸 Y5 手臂下降 Y4 手爪抓取物料 Y1 手臂上升 Y3 手臂缩回 Y6 手臂向右转动 Y10 第二节课 :分析机械手的工作原理 首先考虑机械手的初始状态;按下启动按钮 X0,线圈 M10得电, M10常开触头闭合;当检测光电传感器检测物料 1S 后,手臂前伸;手臂伸出限位传感器检测到位后,手臂下降;

手臂下降限位传感器检测到位后,手爪抓取物料;手爪夹紧限位传感器检测到夹紧信号 0.5S 后;手臂上升;手臂提升限位传感器检测到位后,手臂缩回;手臂缩回限位传感器检测到位后;手臂向右转动;手臂旋转右限位传感器检测到位后,手臂前伸;手臂伸出限位传感器检测到位后,手臂下降;手臂下降限位传感器检测到位后,手爪放开物料;手臂上升,手臂提升限位传感器检测到位后,手臂气缸缩回;手臂缩回限位传感器检测到位后;手臂向左转动, 等待下一个物料到位, 重 复上面的动作,在分拣气缸完成分拣后,再将物料放入输送线上。

第三节课 :在学生理解了机械手的工作原理的情况下,绘制梯形图并接线。注意强调接线安全, 不能把接地和接电源的线接反了, 否则会引起器件的损 坏。

五、探究活动

结合职业中学的特点,多开展联系生活实际的实践课,使学生多学习PLC 产生浓厚的兴趣。比如运料小车,十字路口红绿灯,抢答器等等。