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哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi) 題 報(bào) 告 學(xué)生姓名 廉天雪 學(xué) 號(hào) 1030060135 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)械10-1 指導(dǎo)教師 王春義 2014 年 3 月 5 日 課題題目及來(lái)源： 題目：汽車(chē)工業(yè)用裝裝卸機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 來(lái)源：“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”企業(yè)合作項(xiàng)目（指導(dǎo)教師制定題目） 課題研究的意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 課題研究意義 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進(jìn)行合理的安排，組成一條自動(dòng)流水加工線。但在流水線上加工時(shí)，搬運(yùn)工作由人工完成，不可避免地存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)安全難以保障、定位精度不高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率和單位的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)生產(chǎn)效率很高時(shí)，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率這就需要使自動(dòng)線上工件搬運(yùn)自動(dòng)化。于是針對(duì)這一問(wèn)題就提出了要研制一種搬運(yùn)機(jī)械手來(lái)代替工人實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)上線,并且能滿足定位和重復(fù)定位精度。用搬運(yùn)機(jī)械手來(lái)代替工人搬運(yùn)工件可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少自動(dòng)線上的工人數(shù)目，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人以應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的差距，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)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(guó)外比有差距。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)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(zhǎng)、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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外在機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展較快，近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): (1)工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從2001年的10.3萬(wàn)美元降至2007年的65萬(wàn)美元。 (2)機(jī)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(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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，控制柜日見(jiàn)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(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)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(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)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(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)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(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 課題研究的主要內(nèi)容和方法，預(yù)期目標(biāo)及研究過(guò)程中研究步驟、方法及措施： 研究?jī)?nèi)容 研究?jī)?nèi)容：根據(jù)給定的工況條件和基本要求，從機(jī)械原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行具體的分析和設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等主要部件進(jìn)行選型和校核，并結(jié)合原理圖等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作方法和原理進(jìn)行描述。應(yīng)該機(jī)械手有兩個(gè)自由度，均為移動(dòng)自由度，綜合機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求，手臂運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)，液壓部分采用采用單活塞桿液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)大綱 第一．引言 機(jī)械手的概念；機(jī)械手的簡(jiǎn)史；機(jī)械手的組成；機(jī)械手的生產(chǎn)應(yīng)用簡(jiǎn)述 第二．機(jī)械手的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)；機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)；機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)；機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三．液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 確定液壓系統(tǒng)基本方案；擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路；液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；繪制液壓系統(tǒng)圖；確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)；選擇液壓元件；液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 第四．機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；機(jī)械手的作業(yè)流程；機(jī)械手操作面板布置；控制器的選型；控制系統(tǒng)原理分析；PLC外部接線設(shè)計(jì) 第五．總結(jié)與展望，最后結(jié)束。 解決的問(wèn)題 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓住工件或工具的部件，根據(jù)被抓住工件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式。機(jī)械手配件運(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(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。 本文應(yīng)解決該曲軸搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)部件，液壓部分以及電路控制部件設(shè)計(jì)。 預(yù)期目標(biāo) 對(duì)汽車(chē)曲軸的生產(chǎn)常常需要將上料、加工、卸料等工序進(jìn)行合理的安排，組成一條自動(dòng)流水加工線。設(shè)計(jì)中采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，重量輕，控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中擬用的PLC電氣控制與液壓系統(tǒng)結(jié)合，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)，且保證了工件搬運(yùn)過(guò)程中的快、準(zhǔn)、穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 研究步驟、方法及措施 第一階段：準(zhǔn)備階段：了解工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展，查閱課題相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，擬訂設(shè)計(jì)思路。 第二階段：設(shè)計(jì)階段：確定總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)課題給定的工況條件和基本要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定主要參數(shù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析、處理，對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)的傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等主要部件進(jìn)行選型和校核。 第三階段：制圖階段：整理各類(lèi)資料和數(shù)據(jù)，利用CAD制圖，分別做出系統(tǒng)的總裝圖及各部件的裝配圖和零件圖。 第四階段：總結(jié)階段：撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，檢查圖紙，準(zhǔn)備答辯。 課題研究所需的參考文獻(xiàn)： ［1］孫桓，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理．北京：高等教育出版社，2006 ［2］濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)．北京：高等教育出版社，2006 ［3］徐福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動(dòng)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 ［4］劉鴻文．材料力學(xué)．北京：高等教育出版社，2004 ［5］張世昌，李旦，高航．機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2007 ［6］毛平淮．互換性與測(cè)試技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 ［7］杜志?。I(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 ［8］朱世強(qiáng)，王宣銀．機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用．杭州：浙江大學(xué)出版社，2006 ［9］原魁．工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)．中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，2007 ［10］萩原方彥（日）．機(jī)械實(shí)用手冊(cè)．科學(xué)出版社，2007年第2版 ［11］周恩濤，周士昌．液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制．中國(guó)機(jī)械工程第12卷第4期，2001．4 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