數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)開題報(bào)告.doc

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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 題目：數(shù)控車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況） 1.1題目背景、研究意義 機(jī)械手是近三十年發(fā)展起來的典型的、機(jī)電一體化的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。機(jī)械手是能自動(dòng)化定位控制并可編程序?qū)崿F(xiàn)變動(dòng)的多功能機(jī)器，有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境和各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。其作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境下完成作業(yè)的能力在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 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)是可以通過編程來完成各種預(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。 機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視[1]。 機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 在我國(guó)，機(jī)械手技術(shù)起步較晚，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，我國(guó)機(jī)械手的研究步入正軌，在彩電，冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片，印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上得到廣泛應(yīng)用。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)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(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。 德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)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，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。 第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)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(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多[2]。 2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要內(nèi)容： 1）運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)：即自由度設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能的靈活運(yùn)動(dòng)和大的工作空間，分析各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)以及排列順序等。 2）傳動(dòng)功能設(shè)計(jì)：機(jī)械手操作機(jī)是由若干個(gè)構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)功能中驅(qū)動(dòng)器安排和機(jī)構(gòu)要合理。 3）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：滿足強(qiáng)度和剛度情況下，要充分考慮機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等特點(diǎn)。同時(shí)滿足裝卸方便，便于維修、調(diào)整。 4)基本參數(shù)： 抓重：30公斤 升降行程：300mm 最大回轉(zhuǎn)角度：90 2.2研究方案、研究方法: （1）坐標(biāo)型式論證：坐標(biāo)型式分為直角座標(biāo)式a、圓柱座標(biāo)式b、球座標(biāo)式c和關(guān)節(jié)式d。如圖 1）直角座標(biāo)式手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場(chǎng)合。但是由于占地面積大而工作范圍小及靈活性差，限制了它的適用范圍。 2）圓柱座標(biāo)式運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)組成。與直角坐標(biāo)式相比較，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛。但由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能轉(zhuǎn)到地面位置的物件。 3）球座標(biāo)式運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)所組成。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)傳動(dòng)形式。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。 4）關(guān)節(jié)式手臂的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂可做幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)均由鉸連構(gòu)成實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的特點(diǎn)是工作范圍大，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件并能繞過機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件。但精度較差，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 本設(shè)計(jì)采用圓柱座標(biāo)型式。 （2）本設(shè)計(jì)選擇三個(gè)自由度的圓柱座標(biāo)型式機(jī)械手，擺角度90度，擬定方案為擺角度為90度的3自由度機(jī)械手其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 圖1 圓柱座標(biāo)型式機(jī)械手結(jié)構(gòu)件圖 該機(jī)械手由支座，支柱，手臂和手部組成。其中支座完成擺動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，支柱完成升降直線運(yùn)動(dòng)，小臂完成伸縮直線運(yùn)動(dòng)，收不完成夾持工件運(yùn)動(dòng)。 整個(gè)機(jī)械手動(dòng)作順序依次為：?jiǎn)?dòng)蜘蛛下降，手部夾持，支柱上升，手臂右轉(zhuǎn)，手臂伸出，支柱下降，手部松開，支柱上升，手臂縮回，手臂左轉(zhuǎn)，原位卸荷 （3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中液壓和氣壓用的最多，占90%以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 1）液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止，缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 2）氣壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或 鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)成本低，動(dòng)作可靠，不發(fā)熱，無污染。但推力偏小，不能實(shí)現(xiàn)精確的中間位置調(diào)節(jié)，通常是兩個(gè)極限位置使用。 3）電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單，維護(hù)，使用方便，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動(dòng)力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。 4）機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于固定的場(chǎng)合，一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。 通過所學(xué)的知識(shí)，綜合考慮應(yīng)該采用液壓驅(qū)動(dòng)。 3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn) 1.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要參數(shù)確定 2.機(jī)械手傳動(dòng)方式的論證和選擇 3.機(jī)械手各結(jié)構(gòu)的計(jì)算設(shè)計(jì) 4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫) 第1～2周：調(diào)研、查閱資料； 第3～4周：總體方案分析論證、開題報(bào)告； 第5～6周：結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，參數(shù)確定； 第7～8周：按所給規(guī)格范圍，性能進(jìn)行分析，強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)學(xué)校核，中期報(bào)告； 第9 ～10周：各模塊設(shè)計(jì)； 第11～12周：裝配圖草圖； 第13～14周：整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 第15～16周：繪制總圖及零件圖等； 第17～18周：撰寫論文、答辯 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 參考文獻(xiàn) [1]徐元昌. 工業(yè)機(jī)器人. 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1996. 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