1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2一.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）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 、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，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.機械結構向模塊化、可重構化發(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，且采用模塊化結構；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3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、主要研究內容、擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1 主要設計內容：在 60 噸沖床上，沖制各種型號電動機轉子片，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)： 手臂回轉角度：60 0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)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下: 1）直角坐標機器人結構 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構尺寸來講，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構尺寸要比其他類型4的機器人的結構尺寸大得多。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，天車式三種結構。2）圓柱坐標機器人結構圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構造比較簡單，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）球坐標機器人結構球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結構簡單、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)型機器人結構關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，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)型機器人結構，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52.2.2 機械手的驅動方式的選擇 [10]工業(yè)機器人的驅動系統(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動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。1）液壓驅動系統(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)需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能） ，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調速，效率比電動驅動系統(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。 【11】2）氣動驅動系統(tǒng)具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，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。 【12】3）電動驅動系統(tǒng)由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，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。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動系統(tǒng)高。但因為這類驅動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。由于本設計機構簡單，以及其他綜合因素，所以，初步選擇選用氣動驅動系統(tǒng).【13】 【14】2.1.3 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 【15】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，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設有回轉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運動機構為回轉液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小，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角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 【16】63）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，手臂的調節(jié)采用手動螺栓調節(jié)。 【17】手臂運動基本運動復合運動 直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動動)兩直線運動的組合(即平面運動)回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動直線運動:如伸縮、升降、橫移運動兩回轉運動的組合(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。 【18】2.1.4 手部動作 【19】手部是與物件直接接觸的構件，常用的手部運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛；平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。手部結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產(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：保證各個結構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7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構和工作原理。四、工作方案及進度計劃1～2 周：調研，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：機械手的結構設計以及分析；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；8參考文獻[1] 李允文. 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