畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目： 沖床上料機械手設(shè)計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 2012年 12 月 25 日 一.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況） 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。[1]生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。[2] 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器 、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化生產(chǎn)設(shè)備。[3]特別適合于多品種，變批量的柔性生產(chǎn)。 機器人技術(shù)是綜合了計算機，控制論，機構(gòu)學(xué)，信息和傳感技術(shù)，人工智能，仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力高，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的自動化設(shè)備。[4] 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：[5] 1.工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。 2.機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、監(jiān)測系統(tǒng)三位一體化； 3.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4.機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真，預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6.當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 7.機器人話機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人以應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的差距，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，品種規(guī)模多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量可靠性也不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。[6].[7] 二、主要研究內(nèi)容、擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要設(shè)計內(nèi)容： 在60噸沖床上，沖制各種型號電動機轉(zhuǎn)子片，用機械手往沖床上送料。 1.抓重： 約1公斤 2.自由度數(shù)： 1個 3.手臂運動參數(shù)： 手臂回轉(zhuǎn)角度：600 手臂送料頻率：50～60次/分 2.2研究方案 2.2.1坐標(biāo)形式的確定[8] 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點，分別介紹如下: 1）直角坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。由于直線運動易于實現(xiàn)．全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標(biāo)機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 2）圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3）球坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4）關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 其簡圖如下：[9] 各種坐標(biāo)形式的運動簡圖 a.直角坐標(biāo)式 b.圓柱坐標(biāo)式 c.球坐標(biāo)式 d.關(guān)節(jié)式 由于本設(shè)計的機械手自由度為1， 所以，初步選定為圓柱坐標(biāo)式 2.2.2機械手的驅(qū)動方式的選擇[10] 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 1）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高?！?1】 2）氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負(fù)荷的機 器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中?！?2】 3）電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。 由于本設(shè)計機構(gòu)簡單，以及其他綜合因素，所以，初步選擇選用氣動驅(qū)動系統(tǒng).【13】【14】 2.1.3執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件?！?5】 1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。 氣動驅(qū)動方式 因為抓取的零件為鈑金件毛坯或成品件,使用吸附式手部。 2）手腕 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，手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動在增加一個上下擺動即可滿足要求。應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)?！?6】 3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動?？紤]到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，手臂的調(diào)節(jié)采用手動螺栓調(diào)節(jié)?！?7】 手臂運動 基本運動 復(fù)合運動 直線運動與回轉(zhuǎn)運動的組合(即螺旋運動動) 兩直線運動的組合(即平面運動) 回轉(zhuǎn)運動:如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動運動 直線運動:如伸縮、升降、橫移運動 兩回轉(zhuǎn)運動的組合(即空間曲面運動)。 4）立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即初步定為可移式立柱?！?8】 2.1.4手部動作【19】 手部是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手部運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手部夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手部結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手部有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 因為輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。所以，初步使用氣流負(fù)壓式吸盤。 3、 重點及難點，前期已開展工作 重點：保證各個結(jié)構(gòu)之間的相互合理配合，使之能連續(xù)工作，有節(jié)奏，安全地成產(chǎn)。 難點：機械手手臂的設(shè)計與計算，機械手手部的設(shè)計與計算，機械手傳動和驅(qū)動的設(shè)計計算，以及各個過程參數(shù)的確定，繪制圖形。 已經(jīng)展開的工作：讀書館借書，網(wǎng)上查詢有關(guān)書籍和資料，了解設(shè)計的大致方向，了解上料機械手的大體結(jié)構(gòu)和工作原理。 四、工作方案及進度計劃 1～2周：調(diào)研，查閱相關(guān)資料，完成開題報告； 3～4周：總體設(shè)計以及方案論證，深化方案具體實施步驟； 5～6周：分析機械手工況，確定機械手的載荷，并根據(jù)工況確定計算準(zhǔn)則； 7～8周：機械手的具體方案設(shè)計； 9～10周：機械手的參數(shù)總體計算以及校核，準(zhǔn)備中期檢查； 11～12周：機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及分析； 13～14周：完成裝配圖設(shè)計，驗證校核； 15～16周：撰寫畢業(yè)論文以及外文資料的翻譯； 17～18周：修改畢業(yè)論文及準(zhǔn)備畢業(yè)答辯； 參考文獻 [1] 李允文. 工業(yè)機械手設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1996 [2] 蔡自興．機械人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].北京：機械人技術(shù)，2001，4 [3] 王承義．機械手及其應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 1981 [4] 金茂青．國外工業(yè)機械人發(fā)展的態(tài)勢分析[J].北京：中國鐵道出版社2001，2 [5] 張建民.工業(yè)機器人[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1988 [6] 唐保寧，高學(xué)滿．機械設(shè)計與制造簡明手冊[M]．上海：同濟大學(xué)出版社，1993 [7] 費仁元，張慧慧.機器人機械設(shè)計和分析[M].北京：北京工業(yè)出版社，1998 [8] 周宏.氣動工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995 [9] 周洪，陸鑫盛.自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社， [10] 柳洪義，宋偉剛.機械人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 2002 [11] 李允文. 工業(yè)機械手（上冊）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1978 [12] 王承義.機械手及其應(yīng)用[M].北京： 機械工業(yè)出版社， 1981 [13] 萬勝狄,王運贛等. 鍛造機械化與自動化[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983 [14] 宋偉剛.機械零件設(shè)計手冊（第三版）[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 1994 [15] （蘇）別洛夫（А.П.Велов）著；聞清譯.機械手.北京市：原子能出版社,1982. 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