畢業(yè)設計(論文)開題報告
題目： 沖床上料機械手設計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
姓 名
學 號
導 師
2012年 12 月 25 日
一.畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關研究情況）
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)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。[1]生產(chǎn)中應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)設備。[3]特別適合于多品種，變批量的柔性生產(chǎn)。
機器人技術是綜合了計算機，控制論，機構(gòu)學，信息和傳感技術，人工智能，仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。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)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、準確度高、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)和服務設備，也是先進制造技術領域不可或缺的自動化設備。[4]
國外機器人領域發(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，便于標準化、網(wǎng)絡化；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來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
5.虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真，預演發(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用的領域。
我國目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，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)模應用，弧焊機器人以應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應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；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，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結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下:
1）直角坐標機器人結(jié)構(gòu)
直角坐標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。
直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
2）圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標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）球坐標機器人結(jié)構(gòu)
球坐標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。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。
4）關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)
關節(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。關節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。
其簡圖如下：[9]
各種坐標形式的運動簡圖
a.直角坐標式 b.圓柱坐標式 c.球坐標式 d.關節(jié)式
由于本設計的機械手自由度為1， 所以，初步選定為圓柱坐標式
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)
由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、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.一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動在增加一個上下擺動即可滿足要求。應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，故應用較廣泛；平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，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)形成負壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
因為輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。所以，初步使用氣流負壓式吸盤。
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：機械手手臂的設計與計算，機械手手部的設計與計算，機械手傳動和驅(qū)動的設計計算，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)上查詢有關書籍和資料，了解設計的大致方向，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，查閱相關資料，完成開題報告；
3～4周：總體設計以及方案論證，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)工況確定計算準則；
7～8周：機械手的具體方案設計；
9～10周：機械手的參數(shù)總體計算以及校核，準備中期檢查；
11～12周：機械手的結(jié)構(gòu)設計以及分析；
13～14周：完成裝配圖設計，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)論文及準備畢業(yè)答辯；
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5 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
6 所在系審查意見：
系主管領導： 年 月 日
9