毕业设计方案

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篇一:

毕业设计方案--样例毕业设计方案题目钢瓶喷丸机械手学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自1014 学生欧博杰学号20170421279 指导教师时圣勇二〇一四年三月二十八日学院机械工程学院专业机械工程及自动化学生欧博杰学号 20170421279设计题目钢瓶喷丸机械手

一、选题背景与意义

1. 工业机械手的国内外发展状况工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接，喷漆，上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可以代替人从事危险、有害、有毒、低高温等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复的劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与控制加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

工业机械手是在二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作机械手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。结构是:

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;1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教型再现型机械手，命名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动;控制系统用磁鼓做存储装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的;同年该公司和普曼公司合并成立万能自动公司(Unimation)。专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可作点位和轨迹控制;该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在60年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。从60年代后期开始，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation—Vic—arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1mm。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业;德国KuKa公司还生产了一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。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械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自60年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。

我国工业机械手的研究开始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之 - 1 - 济南大学全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人。有北京机械自动化研究所设计制造的喷漆机

器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等。我国工业机械手发展主要是逐步扩大其应用

范围，在应用专门机械手的同时，相应地发展通用机械手。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、仰俯等机构。设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型机构，组装成各种用途的机械手，扩大了应用范围。

现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由智能阀来控制，气动伺服定位系统代替了伺服电机步进马达或液压伺服系统;气缸，摆动马达完成原来由液压缸或机械所做的执行动作;主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系统化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，这是一种先进的而设计思想，代表着气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。

2. 选题的目的及意义本课题是研究气动或液压机械手结构的设计、分析和控制的一些普遍性问题及方法，并实现对钢瓶喷丸的处理过程。机械手作为前沿的产品和自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或人工难以完成的工作。

二、设计内容通过实验阶段的所见所闻，为钢瓶生产线设计一种喷丸机械手，实现对钢瓶内壁的喷丸处理，以达到除锈及表面强化的目的。要求该机械手应具有3

个以上的自由度，采用气压或液压传动，手指开度能适应所给钢瓶的尺寸，手指形状可自由更换以适应不同形状，在完成机械结构设计的基础上完成关键零件尺寸的强度计算，主要零件的结构及强度设计、尺寸确定。

采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸液压缸。设计机械手基座、各气缸之间连接关节、导向装置，进行典型连接件的结构参数化设计。

对气动液压机械手的基本要求是能够快速、准确地拾——放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动液压机械手的原则就是: 充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，受力特性和尺寸要求等参数。尽量选用标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性。

模块化是用来描述公共单元的使用以便实现产品的各种变型，它的主要目标就是确定独立的、标准化的或可改变的单元来满足功能的变化。模块化研究的理论就是在好的设计中保持功能 - 2 - 济南大学要求的独立性。要建立模块库，必须要将产品划分为若干模块，划分一般原则为:

尽量减少产品包含的模块总数，简化模块自身的复杂程度，以免模块组合时产生混乱;以有限的模块数来获得尽可能多的实用组合方案，以满足用户的需要;划分中应使模块具有一定的功能独立性和结构完整性;要充分注意模块间的结合要素，

以便于结合和分离;要考虑模块的划分对产品的精度、刚度带来的影响;模块单元的划分必须考虑经济因素等。

首先，通过对设计内容的分析，要求是为钢瓶生产线设计一喷丸机械手，实现对钢瓶内壁的喷丸处理，以达到除锈及表面强化的目的。其次，采用模块化设计的思想，将整体划分为几个模块，然后逐个设计，再讲各模块组装起来。最后，对所设计的产品进行优化设计，以达到预期的要求和性能。

1. 确定钢瓶喷丸机械手的总体方案根据流水线的总体布局以及钢瓶的特点，确定机械手的总体方案，分析并解决存在的技术难题。机械手需要满足至少3个以上的

自由度的要求，并且机械手的手指形状可以自由更换，以适应不同形状的钢瓶。

2. 设计机械手的各执行构件采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。设计机械手基座、各气缸之间连接关节、导向装置，进行典型连接件的结构参数化设计。在对各个模块即就是各个部件进行设计的时候，针对每个部件做具体的设计要求，细化到每一个零件的设计。尽量做到“三化”，即标准化、系列化、通用化。这样便可以相对的降低生产成本，提高生产效率。

3. 气动或液压驱动系统设计根据功能和尺寸的要求，查阅《机械设计手册》等相关文献资料匹配合适的气缸、液压缸。

3.1 机械手搬运规格经过去中小型生产企业的实地考察，以及向老三、设计方案

师的询问、上网查阅资料。得到以下结论:机械设计手册》等相关文献资料匹配合适的气缸、液压缸。

三、设计方案 3.1 机械手搬运规格经过去中小型生产企业的实地考察，以及向老师的询问、上网查阅资料。得到以下结论》进一步推动了我国的冷链物流的发展。最近的20多年里，随着人们生活水平的提高，我国冷链物流进入快速发展的轨道。我国是食品产销大国，冷链物流前景非常广阔。冷链物流建设无论从经济效益还是社会效益来看，都具有巨大的投资回报价值。冷链物流的发展能够最

大程度地保证农产品质量，提高农产品在流通市场上的价值，从而实现农民增收。与发达国家相比，我国冷链物流仍处于起步阶段，大部分需要进入冷链物流系统的商品，尚处于常温物流系统流通。据统计，我国每年大约有4亿吨鲜活农产品进人流通领域，其中约90, 的肉类、95, 的水果与蔬菜、80, 的水产品没有进入冷链物流系统，由此造成的损失巨大。以蔬菜、水果为例，发达国家产后损耗率为5, 左右，而我国超过30, ，每年果品腐烂近1 200万吨，蔬菜腐烂1(3亿吨，每年造成的直接经济损失达1 000多亿元。而西北地区的果蔬占有中国很大的市场新疆被称为瓜果之乡。由此看来，发展冷链物流，对提高农民收入，改善城乡居民生活有着重要意义关键词:

果蔬产品; 冷链物流; 冷链运输 1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.

1.1 选题背景目前，大约90,的肉类、80,的水产品、蔬菜水果基本上还是在没有冷链保证的情况下运输销售，蔬菜类进入冷链系统的比重只有5%，肉类15%，水产品是23%。损耗率达到25,,30,，造成腐烂严重，物流成本提高，而英国、美国、加拿大、日本、韩国、新加坡等发达国家几乎100%肉类在低温状态下流通，蔬菜、水果冷链流通率也达到95%以上。水果、蔬菜等农产品在采摘、运输、储存等物流环节的损耗率仅有2,,5,。和发达国家相比，我国食品在流通过程中不仅损耗高，而且物流成本高。按照国际标准，食品物流成本最高不能超过食品总成本的50%。由于我国冷藏运输效率低、食品损耗高，导致食品物流成本约占到食品总成本的70%，远远高于国际标准。造成这一现象的原因有: 道路建设、现代化冷藏储运的基础设施落后，我国铁路冷藏车辆大多数是机械式的速冻车皮，缺乏标准规范的保鲜车厢，导致大量食品在运输过程中腐坏变质;冷链食品生产企

业、超市、餐饮企业普遍规模分散，增加了货物流通环节和流通时间，导致流通成本增加:

冷链物流各个环节信息不对称存在大量信息孤岛，信息资源不能实现有效衔接，使库存、装卸、运输等缺乏透明度，造成配送、运输成本加大。

随着中国经济的发展，城市化步伐的加快，人们生活水平的不断提升，人们食品消费结构随之发生了巨大变化，更多地追求多样、新鲜、营养等，对保鲜食品、冷冻食品的需求急剧增加，迅速拉动我国生鲜农产品、冷冻冷藏食品的消费。而肉、禽、水产、果蔬等农产品多属于易腐食品，品质易发生变化，对保鲜的需求很高。因此有关百姓“菜篮子”的许多问题也就成为人们关注的焦点之一。例如能否保证每日瓜果蔬菜的新鲜和安全、如何保证瓜果蔬菜等的供给需求和保持价格稳定等问题。

对生鲜农产品的产量和流通量逐年增加，全社会对其安全和品质提出了更高的要求。加快发展农产品冷链物流，对促进农民持续增收和保障消费安全具有十分重要的意义。对此，2017年6月初，第十一届全国人大常委会第七次会议审议通过的《食品安全法》正式施行，确保食品安全，是全社会关注的焦点。食品腐败变质的主要原因是微生物的活动以及生物酶产生的生物化学反应。为保证食品质量，延长食品保质期，最基本的办法就是抑制微生物和酶的活动，也就是控制适宜低温和水分，抑制或减缓食品的化学变化速度。使其始终保持适宜的低温环境，就是冷链物流中的关键之一。这些决定了农产品物流过程必须是一个完整的从产地采收(或屠宰、捕捞)后，在产品加工、贮藏、运输、分销、零售等环节始终处于适宜的低温控制环境下，最大程度地保证产品品质和质量安全、减少损耗、防止污染的特殊供应链系统。

自1988年起我国农业部提出建设“菜篮子工程”以来，“菜篮子”产品产量大幅增长，品种日益丰富，质量不断提高，市场体系逐步完善，“菜篮子”建设发

展总体保持了平稳较快的良好势头。为适应形势变化、满足城乡居民对“菜篮子”产品日益提高的要求，经国务院同意，2017年18号文件就实施新一轮“菜篮子”工程提出意见。其中有部分内容涉及果蔬冷链物流工程建设，因此果蔬冷链物流工程的构建与发展也就凸现的尤为重要。2017年7月28日，国家发展改革委员会正式公布了《农产品冷链物流发展规划》，规划期为2017—2017年，其中要求发展和完善果蔬冷链物流工程体系，加快推进冷链物流体系建设。这为发展果蔬冷链物流提出了政策依据，同时给地方政府指明了方向。为了宣传和学习、落实规划中的七个主要任务和八个重点工程，中国冷链物流联盟与中国食品工业协会食品物流专业委员会于

2017年11月6-7日在北京举办“第三届中国冷链物流年会暨国际冷链产业峰会”。年会是行业基础建设的重要组成部分，是冷链物流行业合作交流的最佳平台。为了推动发展与国际接轨的冷链流程、冷藏运输等，应当学习与借鉴国外先进技术、运作模式，从而对推动我国冷链物流行业稳步健康发展起到重要作用发达国家普遍推行的冷链操作规范和管理办法在我国还处于推广的阶段。在经济持续稳定发展和人民生活质量稳步提高，生鲜冷藏冷冻食品需求量不断增加的形势下，如何整合优化冷链物流体系，建立健全冷链物流相关法律法规，控制冷链物流运作成本、降低生鲜冷冻食品的损耗，提高产品的安全性和竞争力成为冷链物流发展的首要任务。冷链物流应如何快速健康发展，已成为一个紧迫的课题。

1.

1.2 选题意义当前，冷链在我国已经处于井喷式发展的前沿阶段。由于作为冷链物流服务主要对象的初级农产品、加工食品、药品，特别是生物制剂和血液制品，以及部分危险化学品等，均直接关系到我国人民生命安全和身体健康，同时冷链物流也是我国建立资源节约型社会的重要途径，因此国家相关部门非常重视。冷

链物流的对象特征决定了冷链物流具有与保障我国人民生命安全和身体健康息息相关的特点。比如，一些必须冷藏避光储存的活菌制剂，如果不能严格按照冷链物流标准执行，造成人员伤亡事故，对事故单位将造成致命打击不说，还可能因此诱发群体性重大事件发生。实际上，再好的产品如果由于冷链运输和篇三:食品安全法》正式施行，确保食品安全，是全社会关注的焦点。食品腐败变质的主要原因是微生物的活动以及生物酶产生的生物化学反应。为保证食品质量，延长食品保质期，最基本的办法就是抑制微生物和酶的活动，也就是控制适宜低温和水分，抑制或减缓食品的化学变化速度。使其始终保持适宜的低温环境，就是冷链物流中的关键之一。这些决定了农产品物流过程必须是一个完整的从产地采收(或屠宰、捕捞)后，在产品加工、贮藏、运输、分销、零售等环节始终处于适宜的低温控制环境下，最大程度地保证产品品质和质量安全、减少损耗、防止污染的特殊供应链系统。自1988年起我国农业部提出建设“菜篮子工程”以来，“菜篮子”产品产量大幅增长，品种日益丰富，质量不断提高，市场体系逐步完善，“菜篮子”建设发展总体保持了平稳较快的良好势头。为适应形势变化、满足城乡居民对“菜篮子”产品日益提高的要求，经国务院同意，2017年18号文件就实施新一轮“菜篮子”工程提出意见。其中有部分内容涉及果蔬冷链物流工程建设，因此果蔬冷链物流工程的构建与发展也就凸现的尤为重要。2017年7月28日，国家发展改革委员会正式公布了《农产品冷链物流发展规划》，规划期为2017—2017年，其中要求发展和完善果蔬冷链物流工程体系，加快推进冷链物流体系建设。这为发展果蔬冷链物流提出了政策依据，同时给地方政府指明了方向。为了宣传和学习、落实规划中的七个主要任务和八个重点工程，中国冷链物流联盟与中国食品工业协会食品物流专业委员会于2017年11月6-7日在北京举办“第三届中国冷链物流年会暨国际冷链产业峰会”。年会是行业基础建设的重要组成部分，是冷链物流行业合作交流的最佳平台。为了推动发展与国际接轨的冷链流程、冷藏运输等，应当学习与借鉴

国外先进技术、运作模式，从而对推动我国冷链物流行业稳步健康发展起到重要作用发达国家普遍推行的冷链操作规范和管理办法在我国还处于推广的阶段。在经济持续稳定发展和

人民生活质量稳步提高，生鲜冷藏冷冻食品需求量不断增加的形势下，如何整合优化冷链物流体系，建立健全冷链物流相关法律法规，控制冷链物流运作成本、降低生鲜冷冻食品的损耗，提高产品的安全性和竞争力成为冷链物流发展的首要任务。冷链物流应如何快速健康发展，已成为一个紧迫的课题。

1.

1.2 选题意义当前，冷链在我国已经处于井喷式发展的前沿阶段。由于作为冷链物流服务主要对象的初级农产品、加工食品、药品，特别是生物制剂和血液制品，以及部分危险化学品等，均直接关系到我国人民生命安全和身体健康，同时冷链物流也是我国建立资源节约型社会的重要途径，因此国家相关部门非常重视。冷链物流的对象特征决定了冷链物流具有与保障我国人民生命安全和身体健康息息相关的特点。比如，一些必须冷藏避光储存的活菌制剂，如果不能严格按照冷链物流标准执行，造成人员伤亡事故，对事故单位将造成致命打击不说，还可能因此诱发群体性重大事件发生。实际上，再好的产品如果由于冷链运输和篇三》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

“工业机器人”一词出现的比较晚。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机

TION公司的第器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMA 一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。UNIMATION的

VAL(very advantage language)语言也成为机器人领域最早的编程语言在各大学及科研机构中传播，也是各个机器人品牌的最基本范本。其机械结构也成为行业的模板。其后，UNIMATION公司被瑞士STAUBLI收购，并利用STAUBLI的技术优势，进一步得以改良发展。日本第一台机器人由KAWASAKI从UNIMATION进口，并由kawasaki模仿改进在国内推广。自从世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。

本课题所指的工业机器人，或称机器人操作臂、机器人臂、机械手等。从外形来看，它和人的手臂相似，是由一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。这些连杆就像人的骨架，分别类似于胸，上臂和下臂，工业机器人的关节相当于人的肩关节、肘关节和腕关节。操作臂的前端装有末端执行器或相应的工具，也常称为手或手爪。手爪是由两个或多个手指所组成，手指可以“开”与“合”，实现抓去动作和细微操作。手臂的动作幅度一般较大，通常实现宏观操作。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 3,6个运动自由度，其中腕部通常有1,3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作;圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑

料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人;60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应

用;1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

2. 国内外研究现状国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:

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。

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。 6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

国内的发展现状。

我国工业机器人起步于上世纪1970年初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段:

70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。 1970年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技 - 1 - 济南大学术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机

器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

3. 选题的目的及意义《2017-2017年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》[3]显示，全球工业机器人的应用领域也有所扩大。2017年，在德国市场，除了汽车行业，食品行业显著增加了机器人的利用。可见，在药品和化妆品行业和塑料行业，机器人的投资潜力巨大。预计亚洲将成为工业机器人行业发展最

快的地区。

截止2017年末，中国运行中的工业机器人数量超过5万台，应用程度与发达国家相比存在较大差距，如运行数量约为日本的1/

10、德国的1/4，可见中国工业机器人行业未来发展空间较大。

根据2017年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，中国在“十二五”时期将加快发展战略性新型产业。国务院在相关决定中指出:

“发展战略性新型产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略”，包括“高端装备制造产业”、“新材料产业”、“新能源产业”及“节能环保产业”等。前瞻网分析预测，今后十年我国高端装备制造业的销售产值将占全部装备制造业销售产值的30%以上。工业机器人行业作为高端装备制造产业的重要组成部分，必将在此期间得到更多的政策扶持，实现进一步增长。

中国到2017年将成为全球最大的工业机器人消费国。预计到2017年，中国机器人市场需求量将达3.5万台，占全球总量的16.9%，成为规模最大的机器人市

场。专家表示，未来3年中国工业机器人市场复合增速可达30%，爆发性增长可期。

在国内工业机器人需求量不断增长的前景下，而国内工业机器人的研究设计与国外相比还有较大的距离，并且国内生产的工业机器人在稳定性、精确性、耐久性方面与外国产品相比还有很大的不足。因此，国内很多企业都选着外国的工业机器人。为了在国内市场占有一定的份额，国内很多企业在工业机器人方面做了很大的投入。在此背景下，本课题是希望能够为国内工业机器人的研究发展尽一份力，尽可能减小中外在此方面的技术差距，同时希望本人设计的工业机器人能更好服务中国的广大企业。

二、设计内容本课题将主要从以下几个方面对其进行研究设计:

- 2 - 济南大学1) 针对六自由度工业机器人机构进行调研，查阅国内外研究资料，通过资料收集及整理，确定采用六自由度关节型的机器人机构。 2) 满足可达到的空间工艺范围。表1运动范围 3) 机构的设计。其中包括底座、大臂、小臂、手腕及末端执行机构的机构设。

下表为臂长尺寸要求:

表2臂长尺寸 4)系统运动方式的确定。其中包括底座、腰部、大臂、小臂、手腕及末端执行机构的运动方式的确定，以及整个机械系统的运动学分析。如图1，底座与腰部之间为旋转运动;腰部与大臂之间为摆动;大臂与小臂之间为摆

动;小臂自身可以旋转运动;小臂与手腕之间为摆动;手腕与末端执行机构之间为旋转运动。

图1 机械手总体结构及运动方式图 5) 伺服系统的选择。其中包括伺服系统类型的确定，以及伺服驱动装置和驱动元件的选择。机械手的驱动采用安川伺服电动机，电机功率小于1000w，其电源应为安全电源。

6) 硬件设计:

根据系统要求确定系统电气控制的结构图，选择电气元器件的参数和型号，绘制电气原理图。

7) 软件设计:

绘制各控制子程序流程图，根据程序流程编写程序。使用 GOOGOL OtoStudio -

3 -济南大学编写程序，对机械手进行控制。

三、设计方案

1.机械手的机械结构方案设计在制定机械手结构的方案中，必须要设定机械手的主要技术指标包括:

(1)可搬重量;

(2)最终合成速度的最大值;

(3)工作空间，其球体半径;

(4)重复定位精度;

(5)机械手本体重量。根据机械手的技术指标和总体方案进行设计。

图2 机械手结构示意图本课题要求采用六自由度关节型机械，其总体机械结构如图1所示，它有底座、腰部、大臂、肘、小臂，手腕、夹持机构等装置组成，是一个具有六种动作的关节型机械手，并能够模拟接近于人手臂的动作。将其

结构绘制成更容易理解的结构示意图如图2，可以更直观理解机械手的运动方式。机械手的坐标可以采用简单的关节型坐标，因此对它的六种动作需要作一些规定:

(1)机械手的旋转角度。由上向下看，相对底座的基准线，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转;

(2)大臂的旋转是相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在负105度到正175度范围内旋转;

(3)肘也是相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在负235度到正85度范围内旋转;

(4)小臂相对于肘的轴线旋转，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转;

(5)手腕相对于水平线，由水平位置向下旋转为正，向上为负，在负40度到

正220度范围内旋转。

(6)夹持机构相对与手腕的轴线旋转，顺时针为正，逆时针为负，可在360度范围内旋转。

对于所设计的机械手有六轴需要动作，其动作的方式可以单独运行，也可以

组合或同时进行。单独运行即腰部先旋转，而后大臂、肘分别进行俯仰，然后小臂进行旋转，到位后，手腕进行运动，最后夹持机构旋转;也可以采用确定空间位置的关节和确定夹持机构姿态的运动轴，同时进行控制。可以根据需要由控制装置来选择控制方法。机械手的执行采用伺服电机，选择开环控制。由于有六个自由度，所以共需要六台伺服电机。

机械手的工作原理:

机械手的运动由腰部传动、大臂传动、小臂传动、肘部传动、腕部传动 - 4 - 济南大学