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開題報告
（工科及部分理科專業(yè)使用）
題 目：圓柱坐標(biāo)式上下料機械手?jǐn)[動液壓缸的設(shè)計與校核
學(xué) 院：
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一、本課題的研究目的及意義
1.課題簡介
機械手技術(shù)的發(fā)展，可以說是科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，也是為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。圓柱坐標(biāo)式上下料機械手多采用液壓驅(qū)動，液壓技術(shù)自18世紀(jì)末英國制成世界上第一臺水壓機算起，已有300多年的歷史了，20世紀(jì)60年代以來，隨著原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)得到了河大的發(fā)展，并滲透到各個行業(yè)領(lǐng)域中去。
本課題的主要任務(wù)是完成圓柱坐標(biāo)式上下料機械手?jǐn)[動液壓缸的設(shè)計與校核。
2．課題研究背景及意義
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關(guān),目前已經(jīng)基本掌握了機械手操作機的設(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)了部分機械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機械手，其中有130多臺噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機械手已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定距離。
世界工業(yè)機械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機械手代替人工。隨著機械手應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉(zhuǎn)變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進步，這項技術(shù)將日益完善。
整個圓柱坐標(biāo)式上下料機械手采用液壓缸驅(qū)動，其中手臂的升降和伸縮采用直動油缸，手臂的旋轉(zhuǎn)采用擺動液壓缸，擺動液壓缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較難，成本較高；因此設(shè)計構(gòu)簡單，緊湊，容易操作，而且安全可靠，安裝維修方便，經(jīng)濟性好的擺動液壓缸成為圓柱坐標(biāo)式上下料機械手的設(shè)計關(guān)鍵。
3.本課題研主要任務(wù)與目標(biāo)
（1）完成圓柱坐標(biāo)式上下料機械手?jǐn)[動液壓缸的裝配圖
（2）完成圓柱坐標(biāo)式上下料機械手?jǐn)[動液壓缸相關(guān)零件圖
（3）編制設(shè)計計算說明書
二、本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
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。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)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,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。、一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應(yīng)用的機械手絕大部分為專用機械手,附屬于某一設(shè)備,其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展,目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型,伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中,連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數(shù),專用機械手多采用這種控制。
液壓技術(shù)自18世紀(jì)末英國制成世界上第一臺水壓機算起，已有300多年的歷史了，但其真正的發(fā)展只在第二次世界大戰(zhàn)后60多年的時間內(nèi)，戰(zhàn)后液壓技術(shù)迅速向民用工業(yè)轉(zhuǎn)移，在機床、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車等行業(yè)中逐步推廣。20世紀(jì)60年代以來，隨著原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，液壓技術(shù)得到了河大的發(fā)展，并滲透到各個行業(yè)領(lǐng)域中去。當(dāng)前液壓技術(shù)正向高壓、高速、大功率、高效、低噪音、高可靠性、搞度集成化的法相發(fā)展。同時，新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計，計算機輔助測試、計算機直接控制、計算機實時控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)、計算機仿真和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、可靠性技術(shù)，以及污染控制技術(shù)等方面也是當(dāng)前液壓傳動及控制技術(shù)發(fā)展和研究的方向。
我國液壓工業(yè)的真正發(fā)展是在六十年代開始起步的，迅速提高我國液壓技術(shù)和控制技術(shù)的數(shù)字化，具有極為重要的經(jīng)濟意義和現(xiàn)實意義。近年來，我國液壓氣動密封行業(yè)堅持技術(shù)進步，加快新產(chǎn)品開發(fā)，涌現(xiàn)出一批各具特色的高新技術(shù)產(chǎn)品。如北京機床所的直動式電液伺服閥、杭州精工液壓機電公司的低噪聲比例溢流閥、寧波華業(yè)公司的電液比例流量閥，均為機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。為應(yīng)對我國加入WTO后的新形勢，我國液壓行業(yè)各企業(yè)加速科技創(chuàng)新，不斷提升產(chǎn)品市場競爭力，一批優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品成功地位國家重點工程和重點主機配套，取得較好的經(jīng)濟效應(yīng)和社會效應(yīng)。
三、本課題的研究內(nèi)容
1、任務(wù)及要求
明確圓柱坐標(biāo)式上下料機械手?jǐn)[動液壓缸的功能，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，容易操作，而且安全可靠，安裝維修方便，經(jīng)濟性好。
2、主要設(shè)計參數(shù)
（1）物料重：10～50kg；
（2）旋轉(zhuǎn)范圍：0～180°。
3.主要內(nèi)容
（1）調(diào)查研究課題研究現(xiàn)況；
（2）分析圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計總體方案；
（3）根據(jù)總體方案及參數(shù)要求，確定擺動液壓缸方案；
（4）圓柱坐標(biāo)機械手整體受力分析，確定擺動缸工況；
（5）設(shè)計計算擺動液壓缸主要結(jié)構(gòu)及尺寸；
（6）校核擺動液壓缸強度。
四、本課題的實施方案
1．實施方案
（1）初步分析
機械手抓重為10~50kg，按工業(yè)機械手的分類，屬于中型，按用途分為通用機械手，其特點是具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣，通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。圓柱坐標(biāo)式機械手與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。但由于機械手的結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿Z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的對象。
（2）擬定方案
A．整體結(jié)構(gòu)方案
通用機械手是3~6個自由度，而本次設(shè)計為3由度圓柱坐標(biāo)機械手，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1：
圖4-1 結(jié)構(gòu)簡圖
由于本設(shè)計要求完成手臂的升降，旋轉(zhuǎn)以及伸縮三個動作。則可以考慮升降在下或擺動液壓缸在下兩種方式。通過綜合考慮，本次試驗決定采用升降缸在下的形式。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1和圖2-2所示
圖4-2 構(gòu)示意圖
B．?dāng)[動液壓缸結(jié)構(gòu)方案
機械手旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動機構(gòu)是擺動油缸，擺動液壓缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)180°。
圖4-3 擺動油缸的截面圖
五、本課題的實施進度計劃
本課題的實施計劃如下：
1. 2015年2月1~10日：調(diào)查研究課題研究現(xiàn)況，撰寫開題報告；
2.2015年2月10日—2月15日：分析圓柱坐標(biāo)機械手結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計總體方案；
3.2015年2月16日—2月20日：根據(jù)總體方案及參數(shù)要求，確定擺動液壓缸方案；
4.2015年2月21日—2月25日：圓柱坐標(biāo)機械手整體受力分析，確定擺動缸工況；
5.2015年:2月26日—2月31日：設(shè)計計算擺動液壓缸主要結(jié)構(gòu)及尺寸；
6.2015年3月1日—3月5日：校核擺動液壓缸強度；
7.2015年3月6日—3月20日：繪制擺動液壓缸的裝配圖及零件圖；
8.2015年3月21日—3月31日：書寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
參考資料：
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