1、11 设计任务及目的12 国内外相关技术的现状和发展趋势13 本课题研究的意义2总体方案设计21机械手设计说明22 机械手系统功能分析2.2.1功能要求2.2.2工作流程3机械手运动机构详细设计31运动机构设计要求32直线运动系统分析33滚珠丝杠技术数据分析及选型3.3.1技术数据分析3.3.2计算及选型34直线导轨技术数据分析及选型3.4.1技术数据分析3.4.2设计及选型35萃取装置结构设计3.5.1连接结构设计3.5.2萃取针固定结构设计3.5.3萃取针控制结构设计4机械手驱动机构详细设计41驱动系统功能分析42伺服电机计算选型4.2.1竖直伺服电机计算选型4.2.1水平伺服电机计算选型
2、43步进电机计算选型结 论致 谢参 考 文 献随着人类社会工业化的不断发展,海洋污染问题日益严重,而有机锡作为人为因素引入海洋环境的极毒化学品之一, 已经引起各国政府和环保组织的高度重视1。在海洋领域, 有机锡主要用于海洋船体的防污涂料中,其中氯化三丁基锡（ TBT ）是对人体和生物有巨毒的物质, 极低质量浓度的TBT 就能引起海洋生物累积性中毒或引起可怕的生殖逆向性变化, 引起生物性畸变。有机锡化合物对于海洋生态系统的不同层次、不同侧面、各个子系统都会造成严重的污染,甚至是不可逆转的破坏,最终将影响到人类的生活和生存。采用机械手进行测定便是大家普遍认同的方向。机械手是一种模仿人手动作并按设定
3、的程序、轨迹和要求替代人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置，不仅可以提高生产过程中的自动化程度，而且还可以改善劳动条件，减轻人力，并便于有节奏的生产作业。机械手的迅速发展是因为它对于工业自动化生产的积极作用正在日益为人们所认识：首先，它可以部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和重复装卸；再次，它能操作必要的机具进行焊接和装配。它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。所以，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声
4、以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。工业机械手的性能，要求不断提高工，作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。机械手研究的关键在于：安全可靠性、自适应性和更高的智能。安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制系统要简单化，并且向小型化，集成化技术的发展。日本学者认为多自由度多控制单元机械手缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制复杂的多单元机械手。从这点出发，研制使用简单、可靠的机械机构机械手就成了发展的趋势。11 设计任务及目
5、的海水中有机锡含量的鉴定通常是通过手工方式将萃取针压进发生器，10分钟后将萃取针从发生器中取出。目前机械手主要应用于制造业中，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。随着生产的发展，机械手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并发展成为工业机器人。从1959年美国UNIMATION公司推出了全世界第一台工业机器人，随着科学技术的不断进步与技术的日益创新。世界各国在机器人制造业竞争十分激烈。其中美国、日本及西欧机器人制造业在世界上具有一定的代表性。尤其是日本，随着电子自动化技术的迅速发展和相应举措的得当应用，使其超越美国成为“机器人王国”。随着自动化技术的
6、不断发展，特别是计算机的出现推动了机器人迅速向前迈进。从上世纪50年代到本世纪初机器人技术无论是在研究品种与制造质量，或是在销售数量与应用范围（工业领域或非工业领域）方面，都在不断扩大和提高。从研究品种来看，机器人可以按负载重量、控制方式、自由度、结构或应用领域等分成很多种类，一般可以分为操作型机器人、程控性机器人、示教再现型机器人、数控机器人、感觉控制型机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人及智能机器人。我国的机器人从应用领域出发，分为工业机器人及特种机器人两大类。从应用范围来看，19992003年，世界实际装备工业机器人数量预计将由1999年的74.3万台增加到89.2万台。其中日本、
7、美国、欧洲居前三位。从销售数量来看，自从20世纪60年代机器人进入工业领域以来，世界各国历年累计销售量到1999年底达到约110万台。1999年世界工业机器人的年销售额比上半年增长7%，达到51亿美元。与创纪录的1999年同期相比，2000年上半年世界机器人增长了12%。欧洲的销售合同增长14%，亚洲销售合同增长率38%。我国在机器人的研究方面，与世界其他工业发达国家相比，落后了10年多时间。真正的研究应该始于20世纪70年代初期。1972年我国开始研究自己的工业机器人。进入二十世纪80年代后，国家863计划把机器人自动化领域的重要研究课题。这样机械手也步了入快速发展的轨道。经过十几年的研究、
8、生产和应用，是中国的机械手的生产从无到有，跨出了一大步。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年查销售额已突破十亿元。“十五”是中国工业机器人产业发展的一个关键转折点，市场需求也有一个井喷的发展。经过“八五”、“九五”的技术攻关，我国基本掌握了工业中机械手的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业中所用到的不同类型机械手并装配于大型生产线中。本课题研究通过有机锡测试装置测定海水中有机锡，通过对项目的分析及方案论证，最终确定开展对简易型精确定位自动机械手的开发和研究，通过机械手控制萃取装置实现测试
9、过程的自动化。该机械手要求在X、Y两坐标中可以实现有效行程内准确定位，并能在实际操作中尽可能的简便，采用现代工业自动化普遍用到的可编程控制器（PLC）对系统动作进行控制。工业机械手运动臂的控制方式主要有液压驱动，气压驱动，电动控制，机械传动控制。在本课题的研究中，舍弃了传统的液压驱动，气压驱动，采用全电动控制。通过对直线运动定位技术的研究，实现机械手的控制和驱动。结合课题中的两自由度机械手，本文深入地研究了通过电动驱动和PLC控制系统的原理及其实现方法，实现了运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。本课题的研究，为纯电动机械手的实现和应用，提供了一种简单易行且具有一定定位精
10、度的方法，此方法对电动控制机械手在工业自动化中的应用，具有较高的工程实际意义。同时可以提高学生综合运用所学理论知识进行机械产品液电气系统设计的能力，并通过与同组同学配合，锻炼其合作设计机电系统的能力。本课题针对海水中有机锡测定过程中自动化程度不高的弊端，通过设计自动机械手用以替代之前的检测手段，提高测定设备的自动化程度。本课题研究通过有机锡测试装置测定海水中有机锡，通过对项目的分析及方案论证，通过机械手控制萃取装置实现测试过程的自动化。大多数工业机械手运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制方式的优点是结构简单、易于控制，但需要配置压力源或气源，控制系统的体积大，系统定位靠设定行程开关
11、的位置来实现，可靠性和灵活性差，不利于生产过程的自动化。基于上述原因，我所设计的有机锡测定机械手的运动定位全电动控制方式，用伺服电机驱动直线运动系统，实现升降和伸缩。这种方式可以避免液压驱动和气压驱动产生的弊端。在本设计中，对机械手的运动机构和驱动机构分别进行了详细的数据分析与计算，并结合实际要求进行选型。在直线运动机构中，直线运动机构的设计是关键，通过对滚珠丝杠和直线导轨的技术数据分析，进行计算选型，选型过程进行了较为全面的考虑，对工作环境，主要技术指标，使用寿命等重要因素进行了分析。萃取装置的结构设计以便于加工和稳定工作为选型方针，通过固定和控制机构的结合，使萃取针能够完成升降的实验动作，
12、在工作的过程中可以保持较高的准确度。在驱动系统中，对伺服电机和步进电机进行了讨论，最终确定直线运动机构中选用伺服电机，萃取装置中用步进电机带动偏心轮。通过计算，确定了所需伺服电机提供的转矩，并结合转速进行选型。步进电机的使用环境较单一，所以用两相的步进电机即可对偏心轮进行控制。时光飞逝，毕业的季节已悄然而至。首先，我要由衷的感谢指导我毕业设计的刘永强老师。在完成毕业设计期间，无论是在学习还是生活上，刘老师都给予了我无微不至的关怀和指导。刘老师认真负责的态度和严谨治学的精神都使我受益匪浅。当我在设计的过程中遇到困难时，刘老师总会从繁忙的工作中抽出时间，来帮助我分析和研究解决问题的办法，使我从中学
13、到了很多无法从书本中学到的知识。值此论文完成之际，谨向刘老师表示衷心的感谢，并致以深深的敬意。同时，我要由衷的感谢同组同学对我的帮助。在几个月的设计中我们在学习上、生活中互相帮助，同舟共济，共渡难关，建立了深厚的友谊。在这一学期的毕业设计中，我学到了很多东西，通过查阅各种书籍、资料和设计手册，使我不仅复习和巩固了以前学过的各科知识，而且使我学到了许多机械其他方面的专业知识，掌握了一般的设计方法并完成了毕业设计的任务。四年的大学生活即将结束，感谢那些陪伴我一起度过这美好的大学生活的同学。他们无私的关心、帮助和支持，在学习和生活中给予了我巨大的信心。与他们在一起生活、学习的四年令人难忘，给我留下了一段美好的回忆。感谢我的亲人在我求学和成长过程中无私的付出了很多，他们伟大的爱永远激励着我在人生道路上奋发进取。1 江桂斌国内外有机锡污染研究现状卫生研究2001,30（1）：1-32 濮良贵，纪明刚机械设计北京：高等教育出版社，2006.53 金清肃机械设计课程设计武汉：华中科技大学出
