數控車床上下料機械手設計開題報告.doc

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畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目：數控車床上下料機械手設計 1. 畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況） 1.1題目背景、研究意義 機械手是近三十年發(fā)展起來的典型的、機電一體化的自動化生產工具。在制造工業(yè)中，應用工業(yè)機器人技術是提高生產過程自動化，改善勞動條件，提高產品質量和生產效率的有效手段之一，也是新技術革命的一個重要內容。機械手是能自動化定位控制并可編程序實現變動的多功能機器，有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境和各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。其作業(yè)的準確性和各種環(huán)境下完成作業(yè)的能力在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視[1]。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 1.2 國內外相關研究情況 在我國，機械手技術起步較晚，進入20世紀90年代后，我國機械手的研究步入正軌，在彩電，冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片，印刷電路等各種電子產品的裝配流水線上得到廣泛應用。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多[2]。 2. 本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要內容： 1）運動功能設計：即自由度設計，應盡可能的靈活運動和大的工作空間，分析各關節(jié)運動的性質以及排列順序等。 2）傳動功能設計：機械手操作機是由若干個構件和關節(jié)組成的多自由度空間機構，傳動功能中驅動器安排和機構要合理。 3）機械結構設計：滿足強度和剛度情況下，要充分考慮機器人的結構緊湊、重量輕、體積小等特點。同時滿足裝卸方便，便于維修、調整。 4)基本參數： 抓重：30公斤 升降行程：300mm 最大回轉角度：90 2.2研究方案、研究方法: （1）坐標型式論證：坐標型式分為直角座標式a、圓柱座標式b、球座標式c和關節(jié)式d。如圖 1）直角座標式手臂的運動系由三個直線運動組成。它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小及靈活性差，限制了它的適用范圍。 2）圓柱座標式運動系由兩個直線運動和一個回轉組成。與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍大，結構簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較廣泛。但由于機械手結構的關系，不能轉到地面位置的物件。 3）球座標式運動系由一個直線運動和兩個轉運所組成。優(yōu)點是動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)傳動形式。但結構較復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 4）關節(jié)式手臂的運動類似人的手臂可做幾個方向的轉動。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關節(jié)各關節(jié)均由鉸連構成實現轉動。它的特點是工作范圍大，通用性強，能抓取靠近機座的物件并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件。但精度較差，其結構復雜。 本設計采用圓柱座標型式。 （2）本設計選擇三個自由度的圓柱座標型式機械手，擺角度90度，擬定方案為擺角度為90度的3自由度機械手其結構簡圖如圖 圖1 圓柱座標型式機械手結構件圖 該機械手由支座，支柱，手臂和手部組成。其中支座完成擺動回轉運動，支柱完成升降直線運動，小臂完成伸縮直線運動，收不完成夾持工件運動。 整個機械手動作順序依次為：啟動蜘蛛下降，手部夾持，支柱上升，手臂右轉，手臂伸出，支柱下降，手部松開，支柱上升，手臂縮回，手臂左轉，原位卸荷 （3）驅動系統(tǒng)：液壓驅動，氣壓驅動，電氣驅動和機械驅動。其中液壓和氣壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。 1）液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現回轉運動，液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止，缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 2）氣壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或 鏈條、鏈輪等實現回轉運動。氣動驅動成本低，動作可靠，不發(fā)熱，無污染。但推力偏小，不能實現精確的中間位置調節(jié)，通常是兩個極限位置使用。 3）電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便，驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。 4）機械驅動只用于固定的場合，一般用凸輪連桿機構實現規(guī)定的動作，它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。 通過所學的知識，綜合考慮應該采用液壓驅動。 3. 本課題研究的重點及難點 1.機械手的結構設計，主要參數確定 2.機械手傳動方式的論證和選擇 3.機械手各結構的計算設計 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫) 第1～2周：調研、查閱資料； 第3～4周：總體方案分析論證、開題報告； 第5～6周：結構和運動學分析，參數確定； 第7～8周：按所給規(guī)格范圍，性能進行分析，強度和運動學校核，中期報告； 第9 ～10周：各模塊設計； 第11～12周：裝配圖草圖； 第13～14周：整體結構設計； 第15～16周：繪制總圖及零件圖等； 第17～18周：撰寫論文、答辯 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領導： 年 月 日 參考文獻 [1]徐元昌. 工業(yè)機器人. 北京:中國輕工業(yè)出版社，1996. 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