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JX16-49 【JX16-49】托运式单立柱搬运机器人设计二维+三维+论文

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托运式单立柱搬运机器人结构设计与分析一、 综述 课题研究的意义：搬运机器人【transfer robot】是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。传统的工业机器人常用于搬运、喷漆、焊接和装配工作。工业现场的很多重体力劳动必将由机器代替,这一方面可以减轻工人的劳动强度,另一方面可以大大提高劳动生产率。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。 国内外研究现状及发展趋势：（1）国内现状及发展趋势工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。机器人的分类方法有多种, 按其应用可分为：工业机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、空间机器人和娱乐机器人。搬运机械人的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，如图1、图2的搬运机器人。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 图1. 搬运机器人 图2.六自由度机器人搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：搬运机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。 搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器， 虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。 （2）国外现状及发展趋势现代国际工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。因此其各种生产流水线以及物流管理中更是多元化的使用着气动机械手，如图3。其中化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，搬运机器人就是为实现这些工序的自动化而产生的。搬运机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国外机械手工业、铁路工业中不仅在单机、专机上采用机械手上下料如图4，减轻工人的劳动强度。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用搬运机械手在流水线进行生产更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到准确搬运的目的。 图3.气动搬运机械手 图4.自动上下料机械手国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将搬运机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。二、研究内容托运式单立柱搬运机器人，本次课题来源于垃圾搬运企业，企业希望用搬运机器人实现规定规格垃圾桶的拾取、搬运与码放，搬运重量在20公斤左右，每摞可以叠放10个垃圾桶。工作空间小，灵活多变，可以进行各种转向等操作。要求结构简单，安全可靠，没有精度要求，价格低廉，在4万元以下。使用的方案是托运式的，需要设计勾爪爪持垃圾桶上部边缘，并有底部托起垃圾桶底部，进行托运然后再进行码放。垃圾桶的参数：容量：240L 四方形 16kg 740mmx580mmx1070mm根据数据码放十个垃圾桶大概的高度应该是3m左右。（桶与桶之间是可以相互嵌套的）如上图，执行这样的动作码放垃圾桶。其他方案：1. 绳子拖拽的夹持式搬运机器人这种方案的优点就是结构简单，设计方便。但是负重不大，而且不能自锁。当电动机出现故障或者电源断电时，抬起的垃圾桶无法固定住会掉落的情况。所以这种方案存在缺点。所以应该研究时考虑到机器的自锁方面。2. 曲柄摇杆式传动的搬运机器人这种方案的机器人的传动部分是曲柄摇杆式的。中间部分抬起放下机械手的运动由曲柄摇杆机构完成。这种机构的设计限制了机械手抬升的上下空间不自由。而且曲柄摇杆机构有死点这个位置，万一机器发生故障不能依靠惯性转过死点会造成机器卡死的现象。所以这种设计还是有欠缺的。3. 凸轮运动式的传动的搬运机器人机械臂的上下运动方式是由凸轮的运动传递的。这种传动的方式结构大、噪音大，而且并不是最合理的方案。机械手能上下的空间也是非常的有限。所以研究内容中应该考虑到机械手上下空间的范围，控制结构的大小还有噪音的控制。综述研究内容设计的难点：1. 结构设计简单，结构大，噪音小，可调节的机械手上下的移动范围大。2. 机械手托运起垃圾桶的时候应该稳定不复杂，不易脱落。3. 搬运机器人应该能进行灵活的转向的操作，方便的进行移动。4. 整个搬运机器人的重心要稳定，防止托运垃圾桶时颠簸时翻倒。三、实现方法及预期目标通过研究了国内外搬运机器人发展的现状，通过学习搬运机器人的工作原理，熟悉了搬运机械人的运动机理。在此基础上，确定托运式搬运机器人基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）和简单的三维实体造型工作。 （1）通过调查研究，了解搬运机器人设计理念与过程，增强实践经验； （2）完成机构原理分析，并选择有效的总体设计方案； （3）确定传动机构并进行优化设计； （4）装配图的绘制； （5）进行三维建模与仿真分析，掌握先进辅助设计手段；解决上述研究的难点：1.为了使整个搬运机器人的主动力部分结构简单，运动的范围大，采用丝杠的方式。 考虑到不是很要求精度的情况，选用低精度的丝杠节约成本。丝杠运动时噪音小，而且行程也长。2.用机械执行部件托运起垃圾桶，利用垃圾桶上边的外边缘还有上边缘四周的凹沟。将机械部件深入凹沟处并托举外边缘就能稳定的托运起垃圾桶。3.为了使搬运机器人能够灵活的转向与启动停止，前进与后退。4.为了防止搬运机器人在搬运垃圾桶时因为重心不稳导致的翻倒，应该在几个位置进行有限元分析与受力分析，以确定构架重心的所在处。如当机器人刚开始托运起垃圾桶时的受力分析；当机器人把垃圾桶托举到最高处时的受力分析等几个重要的位置。最终起草方案的模型：四、对进度的具体安排查阅相关资料，外文资料翻译，撰写题报告 2.203.15 相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字符以上） 3.153.29 总体传动方案设计 3.294.13 零部件的结构设计 4.135.1 零部件的强度计算与校核 5.75.23 撰写毕业论文 5.236.6 毕业设计审查、毕业答辩 6.66.20 五、参文献（宋体、小四号、加粗）【1】马光 申桂英.工业机器人的现状及发展趋势J.组合机床与与自动化加工技术，2002（3）【2】曾孔庚.工业机器人技术发展趋势J.机器人技术与应用, 2006, (06)【3】杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势J.机械工程师, 2002(5)【4】孙树栋主编.工业机器人技术基础M. 西安：西北工业大学出版社，2006年【5】吴振彪主编.工业机器人M. 武汉：华中科技大学出版社，2004年【6】谢存禧 张铁主编.机器人技术及其应用M. 北京：机械工业出版社，2008年【7】G L Batten. Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications. Mc Graw-Hill. 1994【8】SIEMENS AG. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual.2004【9】Gao F,Li W M.New kinematic strctures for 2-,3-,4-,and 5-DOF parallel manipulator designs.Mechanism and machine Theory,2002,37：13951411【10】Zlatanov D,Gosselin C M. A familiy of new parallel architectures with four degrees of freedom.Journal of Compulational Kinematics,2001(5)：5766【11】GASPARETTO A, ZANOTTO V. A new method for smooth trajectory planning of robot manipulatorsJ. Mechanism and Machine Theory, 2007, 42(4): 455471【12】Antonio Lpez Pelez， Dimitris uRobots，genes and bytes technology development and social changes towards the year 2020JTechnological Forecasting & Social Change ，2008（75）：11761201【13】马光 申桂英.工业机器人的现状及发展趋势J.组合机床与与自动化加工技术，2002（3）【14】曾孔庚.工业机器人技术发展趋势J.机器人技术与应用, 2006, (06)【15】杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势J.机械工程师, 2002(5)【16】唐立平. 基于PLC的四自由度机械手控制系统设计D. 江苏: 无锡职业技术学院, 2007年【17】陈忠华. 可编程控制器与工业自动化系统. 机械工业出版社M, 2006年【18】彭坚. 气动机械手及其PLC控制系统的设计与实现J. 通用机械, 2004. 7(2):1 -7【19】王巍, 汪玉凤. 基于PLC气动机械手研究J. 辽宁工程技术大学学报, 2005, 1(06): 55-68【20】孙树栋主编.工业机器人技术基础M. 西安：西北工业大学出版社，2006年【21】吴振彪主编.工业机器人M. 武汉：华中科技大学出版社，2004年【22】谢存禧 张铁主编.机器人技术及其应用M. 北京：机械工业出版社，2008年【23】G L Batten. Programmable Logical Controllers: hardwar