轻质环保餐具拾取装置设计毕业设计论文开题报告.doc

山东建筑大学毕业设计开题报告表班级： 机械108 姓名：高超设计题目轻质环保餐具拾取装置设计一、选题背景和意义（1）背景一次性餐具方便快捷的理念在快节奏的生活中使其变得尤为重要。最近几年，随着环保意识的加深，一次性快餐盒也已由泡沫饭盒转向环保饭盒，越来越受到人们的欢迎，尤其是上班族的青睐。同时，塑料由于具有毒性较低、熔点较高、可塑性强、生产简便及相对成本较低等特点，因而成了制造一次性快餐盒的主流材料。如PP塑料饭盒，PP是指聚丙烯，具有极好的机械性能和热性能，特别适合加热饭菜的包装应用。而PS聚苯乙烯，刚硬而脆，无毒，无味，特别适合冷冻食品包装如糕点或沙拉等。出现众多材料生产依次性餐盒的同时，餐具的生产加工过程也受到了人们的关注。据统计资料显示，我国每年消耗的一次性餐盒大约有150亿个。而一次性餐盒的加工过程也成为了关键的环节。对于一次性餐具的生产,餐具加工公司已经初具规模,机械化生产也被广泛应用,但是一次性餐具的生产过程中有些环节仍然需要人工的参与,一次性餐具生产搬运堆放就是一个鲜明的例子。在一次性餐盒的加工生成后的整理堆放过程中，每个加工机器都需要人工将产品从成品槽取出，然后移到堆放位置跺好，整个过程非常简单，但又是机械性的操作。一方面工人机械工作，非常单调。另一方面，耗费劳动力，增加生产成本。对一次性餐具码垛机器人的研究将克服人工生产操作的难题,提高生产效率,降低生产成本,实现生产的机械化。（2）意义本次课题设计工作主要是针对码垛机器人的设计，结合参考文献，通过对现有码垛机器人了解及理解，结合自己所学知识，运用简单的机械结构完成一定的搬运堆放，初步设计一种适合批量生产使用的一次性餐具码垛机器人。对于本次课题设计的意义，进一步了解和探讨码垛机器人的工作原理及其内部工作条件，改进原有生产过程中的弊端，提高生产效率，降低生产成本，促进一次性餐具加工的快速批量化生产。同时，还希望在做本次毕业设计的过程中通过不断地查找资料、分析资料；不断的使用、学习绘图软件与仿真软件；不断学习已学过的专业知识及了解新的专业知识，在巩固所学知识的基础上，进而更进一步去了解本专业和拓宽自己的知识面，为日后的就业和工作需要打下一定的知识基础。二、课题关键问题及难点该课题将根据委托方聊城某厂的要求设计一款其现有设备上应用的一次性餐具生产的自动上下料装置，主要技术指标为：1.设计一款可用于按一定流程搬运餐具的码垛装置，该装置可对一次性环保餐具进行拾取和叠放； 2.该拾取装置的执行件采用步进电机、电磁铁；3.该拾取装置采用地面放置模式； 4.系统的控制部分选用单片机和计算机联动。根据设计要求以及生产实际，码垛机械手臂的定位点以及码垛机器人运行步骤的要求需要精确。一次性餐盒生产完成后，码垛机械手取出餐盒的方式需要采用特定的方式，技能稳定又能保证快捷。机械手取出餐盒到餐盒的垛叠过程需要一个输送装置完成。本课题研究的难点:1、 码垛机械手的运行时间要与餐盒加工装置的运行时间保证对应。2、 码垛机械手取餐具的装置要保证可靠。3、 输送装置要设计合理。4、 图纸的设计以及描绘复杂。三、调研报告（或文献综述）文献综述一次性餐具方便快捷的理念在快节奏的生活中使其变得尤为重要.对于一次性餐具的生产,餐具加工公司已经初具规模,机械化生产也被广泛应用,但是一次性餐具的生产过程中有些环节仍然需要人工的参与,一次性餐具生产搬运堆放就是一个鲜明的例子。对一次性餐具码垛机器人的研究将克服人工生产操作的难题,提高生产效率,降低生产成本,实现生产的机械化。对于码垛机器人,国内外都有大量的研究. 从20世纪60年代,国外开始研究工业机器人,码垛机器人是伴随着工业机器人技术的发展诞生的,日本、德国、美国等发达国家的研究已取得一定成果。日本和瑞典是最早将工业机器人技术用于物体的码放和搬运。20世纪70年代末日本第一次将机器人技术用于码垛作业。1974年,瑞典ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人IRB6,主要应用于工件的取放和物料的搬运。除此之外,德国、意大利、韩国等国家工业机器人的研发水平也相当高。随着计 算机技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、德国、美国、瑞典、意大利、韩国等国家在包装码垛机器人的研究上做了大量工作, 相应推出了自己的码垛机器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德国的KUKA系列,瑞典ABB系列等。德国、瑞典以及日本等国家的码 垛机器人一般为46轴机器人,主要由固定底座、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及末端执行器组成,见图1。机器人主体多采用优质轻巧的铸铝材料制造和连杆式 关节型的机构形式,均利用CAD和FEM有限元技术进行结构优化设计,具有较高的机械性能和抗震能力驱动系统均采用模块式数字化AC伺服电机和RV减速器,取消了腕部关节驱动电机和平衡块,大大优化了整机结构;针对不同类型的产品和包装件,还设计 了真空吸持、夹持、叉式等多种形式的智慧末端执行器。这些先进码垛机器人最显著的技术特点就是采用了基于PC的开放式控制系统,令机器人能够高速、精准、 稳定可靠地运行。如瑞典ABB公司为IRB系列码垛机器人研发了主动安全软件和被动安全软件,可对机器人的运动和载荷情况进行监控;电子稳定路径功能可确 保机器人在考虑加速度、阻力、重力、惯性等条件的同时,遵循预定运行路径;主动制动系统可以确保机器人维持运行路径的同时对制动予以控制,被动安全功能可 实现机器人进行负载识别。基于网络的软件工具用于远程联 机、诊断和生产监控;还专门配备了机器视觉引导系统,用于引导机器人完成拆垛和检查工作。目前,国外码垛机器人技术及应用特点体现在以下几个方面: 1)码垛机器人本体采用新结 构。广泛采用有限元、模态分析及仿真设计等现代化设计方法,机器人大臂采用非平行四边形单连杆机构,工作空间有所增加,本体自重进一步减小,更加灵巧。先 进的RV减速器和强大的关节交流伺服电机,提高了机器人的运动精度、平稳性和跟踪精度。针对不同操作对象和工作要求,开发了配备力觉、触觉传感器的多种结 构型式的智能末端执行器,可实现多种产品的包装、搬运、码垛、拆垛等作业,并确保对产品不会造成损坏。 2)控制系统性能优越。基于PC的控制系统体积越来越小型化,实现了软件伺服和全数字控制,具备网络通信功能,程序容量大,可控制的轴数可达27根。采用多功能、大屏幕的示教盒,机器人编程方式以示教编程方式为主。 3)国外码垛机器人广泛应用在包装、物流、食品、饮料、化工、建筑、医药等行业,可完成食品、药品、啤酒饮料等多种产品的装箱、搬运、码垛、拆垛等作业,实现了传统制造企业生产自动化,大大提高了生产能力和经济效益。中国对于码垛机器人的研究也逐渐开始，码垛机械手在石化、化工生产中广泛应用。我国的工业机器人从上世纪8O年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有1 30多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用，弧焊机器人也已应用在汽车制造厂的焊装在线。起初，从总体来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的差距，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域狭窄，生产线系统技术与国外相比仍有差距；在应用规模上，安装的国产工业机器人约200多台，仅占全球已安装台数的万分之四。形成以上现象的主要原因是没有形成机器人产业，我国的机器人生产都是迎合客户的要求，即“一个客户，一次重新设计”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本高，而且质量和可靠性 稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，完善系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。目前，在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下，从现有国内餐具加工工业的发展趋势来看，机器人需求量将相当可观。业界给出高度评价和关注。 在近10年的时间里,我国涌现出一批具有较强实力的专家企业、产业基地和科研院校。沈阳新松机器人自动化股份有限公司为满足客户特定 环境下的需求,成功开发了码垛机器人系统。哈尔滨工业大学于2004年推出的1600型基于FFS的高速高精度称重包装码垛生产线,采用全新结构型式与原 理的新型全自动称重、包装、机器人码垛生产线,生产能力可达1600包/小时以上。 上海交通大学机器人研究所携手沃迪包装科技有限公司开发出了新一代TPR系列码垛机器人,具有独特的线性四连杆机构,采用高强度铝合金制造的节能环 保手臂,生产能力可达1600包/小时。基于工业PC的控制器系统以及码苏海新等人开发了新型工业码垛机器人,其主体结构是基于平衡吊原理的七杆机构,具有4个自由度;开发了一种基于IPC和PMAC的模块化分布式控制 系统,集主机通讯、运动控制、后台任务处理等垛现场3D仿真和自动干涉检测,大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。李成伟等人研究设计了一种4自由度并联关节式搬运码垛机器人,只需更换手爪,即可对硬纸箱、塑料箱、袋状物、盒装物等搬运码垛。控制系统设计采用了基于PC的模块化分布式控制结构,上位机采用普通工业PC,实现监控和作业管理,下位机采用PMAC运动控制卡和PLC可编程控制器,实现运动规划和控制。 20世纪90年代中期至今,青岛、玉溪等卷烟厂采用码垛机器人对其卷烟成品进行码垛作业,节省了大量人力,减少了烟箱破损。码垛机器人配备条码识别 器可以实现2种以上品牌产品的码垛;利用真空吸盘可以实现成品拆垛;利用图像识别系统和多功能机械手,实现了各种辅料托盘的识别和抓取,完成卷烟辅料的搭 配作业。目前,青岛啤酒、燕京啤酒、广州珠江啤酒、东莞雪花啤酒等知名大型啤酒生产企业已经采用全自动、半自动码拆垛设备和机器人系统,码垛 效率得到了极大提高,现在的设备基本可以完成4800060000瓶/小时的码垛要求。新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化开发个性化的产品和包装，而且可以降低原材料、设备和生产能耗等成本，增加企业的产品竞争力。从国外码垛机器人的研究现状看，目前的研究正处于大规模使用推广阶段，我国在这方面的研究正处在自主研发和使用的起步阶段。要想码垛机器人在我国物流包装行业推广开来，必须对我国国庆和行业现状进行摄入广泛的调查研究，针对企业生产情况、客户要求以及码垛机器人存在的问题与不足，研究开发码垛机器人的新功能、新特点，以适应企业生产的实际情况，并积极探索码垛机器人产业发展模式。另外，高负载型机器人、并联机器人、多智能体调控技术、远程遥控、网络化机器人控制技术以及机器视觉稿精度检测盒引导，将是工业机器人及其在包装码垛方面的重点发展方向。在不久的将来，码垛机器人技术会越来越完善和成熟，在国家政策的支持下，机器人软、硬件研发力度及人才队伍建设不断加大，机器人知识的广泛普及，将使码垛机器人广泛应用于工业生产中。与此相同，一次性餐具码垛机器人也将会进入一个全新的发展阶段。参考文献1李允文.工业机械手设计M.北京:机械工业出版社,1996.2李金泉，杨向东，付铁码垛机器人机械结构与控制系统设计M北京：北京理工大学出版社2011.3胡洪国，高建华，杨汝清码垛技术综述J组合机床与自动化加工技术2000，(6)：9-12.4 李金泉，段冰蕾，李忠明.新型码垛机器人工作空间及影响系数分析J.北京邮电大学学报.2011，（6）：12-13.5 刘辛军,张立杰,高峰.基于AutoCAD平台的六自由度并联机器人位置工作空间的解析求解方法J.机器人.2000，（6）：5-6.6付铁，李金泉，陈恳，丁洪生.一种新型高速码垛机械手的设计与实现J.北京理工大学学报.2007，（1）：11-15.7 曹彤，员超.电视机搬运码垛机器人研究J.机械设计与制造.2002，（2）：45-52.8 李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策J.包装工程2011，（2）：110118.9 李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策J.包装工程.2011,（03）：96-102.10吴宗泽.机械设计师手册M.北京:机械工业出版社，2002.11王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用J.液压气动与密封,1999，（5）：13-16.12代向国,于复生，等.Solidworks基础教程M.北京：清华大学出版社,2004.13 李刚.工业用码垛机器人J.现代制造；2005，（24）：40-41.14昱庄研究所.码垛机器人存在的问题M.昱庄机械技术文集.2009.15陈军.物流自动化设备M. 北京:机械工业出版社,2009.16黄照伟. 物流技术与设备M. 北京:人民交通出版社.2009.17唐四元，鲁艳霞. 现代物流技术与装备M.北京：清华大学出版社.2011.18鲁晓春. 现代物流基础设施与设备M. 北京：中国物资出版社.2007.19孟宪源.现代机构手册M.北京:机械工业出版社.1994.20叶晖.工业机器人实操与应用技巧M.北京:机械工业出版社,2010.21史美堂.金属材料与热处理M.上海：上海科学技术出版社.2005.四、方案论证通过查阅文献和调研，结合上述的对码垛机械手结构的分析与研究，对本次课题设计有了初步设计方案，具体如下：1、 码垛机械手的设计定位在一次性餐盒生成的位置旁，码垛机械手完成三个操作：运行机械臂到餐盒取餐盒运行机械臂到搬运装置放下餐盒。2、 取餐盒的装置既能保证稳定，又能保证简单。3、 机械手臂增设伸长压缩臂，一方面能够提供距离保障，又能完成码垛过程。一、取件机械手方案一：机械手臂升降气缸移动气缸 机械手的移动通过移动气缸和升降气缸组合实现。当餐具盒生产后，移动气缸运行，机械手臂到达餐盒位置，抓取餐盒，升降气缸上升到一定位置，移动气缸移动将餐盒取出。此方案中需要运用两个气缸，运动过程配合紧密。取件机械手方案二：旋转机构机械手臂此方案机械手臂可以定点旋转，当餐具生产后，旋转机构旋转，机械手臂转到餐具上方，手臂伸展抓取餐具，手臂弯曲将餐具提起，旋转机构旋转使餐具取出。