步進(jìn)電機(jī)控制的柱坐標(biāo)機(jī)械手及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含21張CAD圖-獨(dú)家.zip

步進(jìn)電機(jī)控制的柱坐標(biāo)機(jī)械手及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含21張CAD圖-獨(dú)家.zip,步進(jìn),電機(jī),控制,坐標(biāo),機(jī)械手,回轉(zhuǎn),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),21,CAD,獨(dú)家 目 錄 第1章 調(diào)研背景 1 第2章 調(diào)研的目的和意義 2 2.1 調(diào)研的目的 2 2.2 調(diào)研的意義 2 第3章 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域及結(jié)構(gòu) 3 3.1 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域 3 3.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 3 第4章 機(jī)械手行業(yè)分析及發(fā)展趨勢 5 4.1 外資進(jìn)入動(dòng)態(tài)分析 5 4.2 市場競爭主體結(jié)構(gòu) 5 4.3 技術(shù)發(fā)展趨勢 6 第5章 總結(jié)與思考 8 I 第1章 調(diào)研背景 此次調(diào)研，是以機(jī)器人（機(jī)械手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法為背景。大家都知道機(jī)器人在我們工業(yè)生產(chǎn)中的使用已經(jīng)有相當(dāng)長的一段時(shí)間了，但是機(jī)器人技術(shù)到目前為止依然是一個(gè)相當(dāng)熱門的，不算成熟的，有很大發(fā)展空間的技術(shù)。針對(duì)各種各樣的功能需求設(shè)計(jì)出特定的機(jī)器人，用以完成單一的或者簡單的組合機(jī)械動(dòng)作是現(xiàn)在最為常見的一種機(jī)器人設(shè)計(jì)方向。我們這次設(shè)計(jì)的也是這樣的一類，用來取放圖書的機(jī)器人，或者稱之為機(jī)械手更為直接。 用于再現(xiàn)人手的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手（也叫機(jī)器人，下面關(guān)于產(chǎn)品現(xiàn)狀中有提到）。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。 取放物機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中很常見，常見的分類有：按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人。 9 第2章 調(diào)研的目的和意義 2.1 調(diào)研的目的 調(diào)研目的主要是針對(duì)特定市場或特定產(chǎn)品而進(jìn)行的，它包括調(diào)研涉及到的各個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)。而這次針對(duì)圖書館智能化的調(diào)研是分為兩大類，一類是整個(gè)圖書館管理系統(tǒng)的自動(dòng)化，還有一個(gè)就是關(guān)于智能機(jī)器人在圖書館中的使用情況。我們的著重點(diǎn)在于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么關(guān)于取放物機(jī)器人的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)有所偏重。 因此，此次調(diào)研工作應(yīng)達(dá)到以下目的： （1）了解現(xiàn)在市場上或者學(xué)界是否已經(jīng)有了自動(dòng)取放書機(jī)器人（機(jī)械手）這一類產(chǎn)品或設(shè)想； （2）了解現(xiàn)代圖書館自動(dòng)化系統(tǒng)所做的工作內(nèi)容； （3）主要針對(duì)所做課題涉及到的取放物機(jī)器人（機(jī)械手）的設(shè)計(jì)方法、思路進(jìn)行探索； （4）接合所做課題，詳細(xì)了解相關(guān)產(chǎn)品的用途和結(jié)構(gòu)，以期有所啟發(fā)。 （5）為開題報(bào)告的撰寫理清思路，做好鋪墊。 2.2 調(diào)研的意義 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我們校園圖書館的許多工作都用上了計(jì)算機(jī)來進(jìn)行管理，像文獻(xiàn)檢索、借還書、分編、期刊借閱等等。這儼然已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了圖書館自動(dòng)化的全覆蓋，我想這也就是在九十年代中期那一個(gè)高潮過去之后，我國的圖書館自動(dòng)化沒有較大的發(fā)展的原因吧。 然而，在電子圖書不斷的沖擊下，紙質(zhì)圖書依然屹立不倒，這說明紙質(zhì)圖書仍然是電子書無法替代的。因此，圖書的管理仍然是圖書館工作的重點(diǎn)。在眾多的圖書館工作中，圖書歸架是最基本的工作之一。 為降低圖書館管理的成本，提高圖書館的自動(dòng)化程度，我們想到使用機(jī)器人裝置來代替人工勞動(dòng)，著重解決我們圖書館內(nèi)圖書流動(dòng)、歸架自動(dòng)化程度低的問題，將圖書館自動(dòng)化從書籍借閱、管理的自動(dòng)化擴(kuò)展到圖書歸架的自動(dòng)化，甚至實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的自動(dòng)化、智能化，把圖書管理員從枯燥、繁重的體力勞動(dòng)中解脫出來。 第3章 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域及結(jié)構(gòu) 3.1 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。目前，社會(huì)上的機(jī)械手產(chǎn)品種類繁多，用途各異。如今，在我們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域使用機(jī)械手已經(jīng)非常普遍了。 在工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品的制造等。化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的。 軍事領(lǐng)域中：主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些自動(dòng)的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對(duì)較為危險(xiǎn)的任務(wù)，比如，無人偵察機(jī)、拆除炸彈的機(jī)器人及掃雷機(jī)器人等。機(jī)器人還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程及后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，去從事更加重要的工作。 娛樂領(lǐng)域：機(jī)器人在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機(jī)器人足球大賽、機(jī)器人彈鋼琴和機(jī)器人寵物等。 醫(yī)療領(lǐng)域：機(jī)器人主要用來輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運(yùn)送用藥品及自動(dòng)監(jiān)測病房內(nèi)的空氣質(zhì)量，等等。宜用機(jī)器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。美國還發(fā)明了一種可以進(jìn)入人體血管的微型機(jī)器人，幫助醫(yī)生在病人的血管內(nèi)滅殺病毒。 3.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 1.執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部：既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型。手部多為兩指；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。 （2）腕部：是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 （3）臂部：手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)。 （4）行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 2.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 3.控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 第4章 機(jī)械手行業(yè)分析及發(fā)展趨勢 4.1 外資進(jìn)入動(dòng)態(tài)分析 從企業(yè)性質(zhì)來看，外資企業(yè)以全行業(yè)60%的企業(yè)數(shù)量占有了93.3%的市場份額，可見外資企業(yè)在中國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)中遙遙領(lǐng)先。 2007年不同性質(zhì)企業(yè)的市場集中度 4.2 市場競爭主體結(jié)構(gòu) 從企業(yè)規(guī)模來看，隨著國內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步和市場巨大需求的拉動(dòng)，國內(nèi)已經(jīng)形成了一批在工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）和自動(dòng)化成套設(shè)備領(lǐng)域卓有建樹的企業(yè)。代表企業(yè)新松機(jī)器人（SZ.300024）、智云股份（SZ.300097）、天奇股份（SZ.002009）、首鋼莫托曼和昆船集團(tuán)公司等。其它仍然為中小型企業(yè)共同競爭的格局（注塑機(jī)機(jī)械手寧波偉立），但是中型企業(yè)以79.4%的市場份額占領(lǐng)了我國工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的絕對(duì)主導(dǎo)地位。 2007年不同規(guī)模企業(yè)的市場集中度 4.3 技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及在系統(tǒng)（FMS、CIMS）中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”（Agile Manufacturing），滿足多樣化、個(gè)性化的需要，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。 （1）感覺功能 感覺功能方面將實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，以檢測多變的外部環(huán)境，做出判斷和決策，其實(shí)質(zhì)類似于人的五官和身體的綜合感覺功能，包括視覺、觸覺、力覺、滑覺、接近覺、壓覺、聽覺、味覺、臭覺、溫覺等。研究包括各類傳感信息的采集及融合處理、傳感器與驅(qū)動(dòng)器一體化技術(shù)、感覺功能繼承模塊等。 （2）控制智能化 由引導(dǎo)教向NC，離線編程發(fā)展，進(jìn)而發(fā)展到進(jìn)一步應(yīng)用。隨著系統(tǒng)化、集成化生產(chǎn)的發(fā)展，基于PC的開放式控制系統(tǒng)將機(jī)器人控制和車間一級(jí)控制的發(fā)展方向，國外專家預(yù)測，2007年它將占30％。 （3）移動(dòng)功能的智能化 為解決長距離搬運(yùn)作業(yè)、大作業(yè)對(duì)象、多作業(yè)對(duì)象及極限作業(yè)等問題，需開發(fā)自主移動(dòng)系統(tǒng)（包括滑動(dòng)、滾動(dòng)、行走、爬行、跳躍、飛行等）。 （4）系統(tǒng)應(yīng)用與集成化 支持以人為核心的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群智能和多機(jī)通訊協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的“同事機(jī)器人”。國外專家預(yù)測，2000你后有可能IMS要走向MA(R)S（多智能體系統(tǒng)），而該系統(tǒng)中的“同事機(jī)器人”（Cobot）將成為操作人員不可或缺的伙伴。圍繞著各種機(jī)器人與人共存的諸多課題，正在興起一門新學(xué)科“軟機(jī)器人學(xué)”。 （5）安全可靠性 由于大量不確定因素的存在，要實(shí)現(xiàn)智能化的安全可靠性，機(jī)器人必須具有對(duì)各種意外情況的應(yīng)變能力，及時(shí)采取預(yù)防措施和安全對(duì)策，包括硬件級(jí)、軟件級(jí)、應(yīng)用級(jí)和人機(jī)系統(tǒng)級(jí)的自診斷和自修復(fù)故障。 （6）微型化 向微型化發(fā)展，開發(fā)毫米級(jí)機(jī)器人，用于微加工、醫(yī)學(xué)、宇宙和海洋開發(fā)等領(lǐng)域。就使用性和成本來看，毫米級(jí)最可行。 （7）多傳感器信息融合與配置技術(shù) ①機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術(shù)；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術(shù)；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ②機(jī)電一體化智能傳感器 包括具有感知、自主運(yùn)動(dòng)、自清污（自調(diào)整、自適應(yīng)）的機(jī)電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)檢測和清污的自主運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 第5章 總結(jié)與思考 綜合我的所見、所聞、所思，我做的課題也就有了一個(gè)初步的思路了。 首先，我們需要提出自己的問題——圖書館書目歸架工作的勞動(dòng)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，我們應(yīng)該如何利用我們機(jī)械專業(yè)所學(xué)的知識(shí)對(duì)這一現(xiàn)狀提出科學(xué)的、可行的解決方法。 其次，我們需要提出具體的解決方案。在查閱資料中，我們先后提出了兩中方案：第一種是通過設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化立體倉庫來解決，跟我們?cè)凇袄ッ髦需F”看到的自動(dòng)化倉庫是一樣的原理。這是一種宏觀的解決方案，因?yàn)檫@需要對(duì)圖書館進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)上的改造，所需資金和時(shí)間都太多了。另一種是進(jìn)行局部的改造，也就是設(shè)計(jì)一個(gè)智能機(jī)器人，用它來代替圖書管理員來從事圖書的搬運(yùn)、分類和歸架工作。最后，我們覺得第二種方案更切合實(shí)際，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。 接下來就是分工的問題了，因?yàn)槲覀兘M有兩個(gè)人，我們需要各自負(fù)責(zé)一部分的設(shè)計(jì)，最后再總裝起來，以實(shí)現(xiàn)圖書自動(dòng)歸架的目的。大概討論的方向是我做臂部和立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，另一個(gè)同學(xué)做手部和腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，臂部和腕部接合的方式由我們共同商量出方案一起設(shè)計(jì)，而走行裝置我們只需要做出簡單的走行小車就可以了。驅(qū)動(dòng)部分，我們打算采用伺服電機(jī)，而傳動(dòng)部分，由于圖書館的空間有限，機(jī)械手不能做得太大、噪音要盡可能低，并且考慮到圖書不能沾染油污等問題，我們便排出了實(shí)驗(yàn)液氣壓來傳動(dòng)的想法，暫時(shí)想到的是純機(jī)械傳動(dòng)。 在我的部分，也就是臂部設(shè)計(jì)中，我需要考慮到圖書的分層擺放，這就需要手臂能夠在一定的范圍內(nèi)上下移動(dòng)，我想到的解決方案是使用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)此功能。立柱需要實(shí)現(xiàn)定角度的旋轉(zhuǎn)，我想到的是通過減速器作中間連接，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以獲得精確的位置角度。這樣的總體方案選擇定下來之后，我就能夠進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)了，比如說尺寸選擇，形狀設(shè)計(jì)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)等等。