开题报告-天花机装箱机械手设计

杭州电子科技大学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告 题 目 天花机装箱机械手设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 白祥雨 班 级 10010114 学 号 10011402 指导教师 孙鲁涌 一综述本课题国内外研究动态 1.1 机械手的发展历程 工业机械手的发展历史并不算很长，首先是美国开始研究的， 1954 年美国英格伯特和德沃尔制造出世界上第一台样机，机械手的历史才正式开始 . 1963 年美国机械铸 造公司也实验成功一种叫 Versa 机械手该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统示教再现，是国外工业机械手发展的基础 1。 德国机器制造业是从 1971 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业 。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家，自从 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力开始了机械手的研究，使用机械手最多的是现代化生产成都很高的汽车工业，也为后来日本汽车工业的发展做出了巨大的贡献 2 。 前苏联上世纪 60 年代开始发展 研究机械手，到 80 年代后期应用的机械手近半都是国产的，多数用于自动化程度低、工作环境恶劣的工作。 国内机械手的发展始于上世纪 70 年代初期，当时，工人在车间冲压作业时生产节拍过快，又缺乏保护措施，手指经常被切断，工厂的技术人员就自发地研发机械手，比如天津锻压机械厂研制的锻件上下料机械手是我国最早的第一批工业机械手 3。 80 年代中期，我国机械手的研发单位已有 200 多家，由于研究的水平较低，全国尚无一台机械手产品问世，直到上世纪 80 年代中期，“工业机器人”被列为国家“七五”科技攻关计划研究重点 ，目标放在搬运机械手、喷涂机械手和焊接机械手的开发研究等方面。 41990 年，工业喷涂机械手 PJ-1 完成，这是我国第一台喷涂机械手，其性能达到 80 年代中期国外同类产品水平。 现在已经掌握了机械手操作机的运动学和轨迹规划技术、控制系统的软硬件设计技术。但总体来看，国内机械手的研究水平与国外还有一定的差距，可靠性和精度都比国外的差。 近几年，沈阳新松机器人有线公司自主研发的工业机械手，其产品覆盖国家 863计划项目 165 公斤点焊机械手和 6 公斤弧焊机械手等多种型号。第一代机械手，结构和控制都比较简 单，主要采用开环控制。随着科技的不断进步，第二代机械手设有微型电子计算机闭环控制系统，例如各部位安装有各种触觉传感器的触觉机械手，使机械手具有与人一样的感觉技能，还有安装了 CCD 系统的视觉机械手，具有自动识别功能。 1.2 机械手的广泛应用 在现代工业中，各行各业的生产需要的高科技越来越多，对运动灵活的现代化机械手的需求也越来越多，逐步取代人工完成高难度和复杂的工作。目前在中国机械手常用于自动喷涂作业和排爆等恶劣或者具有核辐射的地方。 工业机械手，因集自动化和灵活性特点与一身，所以轿车生产企业 近年来大规模的使用了机械手。在焊接方面，主要使用的是弧焊机械手，汽车生产企业非常重视焊接的自动化，如长春一汽引进的车身焊装车间生产线的自动化达到了 80%以上，各条生产线都有计算机控制，自动完成工件的传送和焊接。焊接有 R30 型极坐标式机械手和 G60 肘节式机械手进行，驱动有微机控制，动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，即改善了工作条件，又提高了产品的质量和生产率。 我国现在已是全球最大制造业国家，有世界工厂的称号，但是很大程度都是国内制造业当中大量的劳动密集型产业供献出来的。 5对于我 们而言，如今要想保持制造业主要国家地位，就必须开启产业升级模式，推动自动化发展。这里就将进一步带动机器人行业市场发展。 用自从 20 世纪 60 年代初人类创造了第一台工业机器人以后， AGV 搬运机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展， AGV 搬运工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中， AGV 搬运工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造 (冲压、压铸、锻造等 )、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 还有 些模仿生物的机器人，腿式机器人受到生物学上的启发，所以检验一下生物学上成功的有腿系统是有益的。许多不同的腿的构造已经在各种各样的生物体中成功地存在。大型动物，如哺乳动物和爬行动物有 4 条腿，而昆虫有 6 条腿或更多。有些哺乳动物，仅靠 2 条腿行走的能力已经很完美。尤其是人类，平衡的能力已经进展到可以用单腿跳跃的水平。这种异常的机动性是以很高的代价得来的：保持平衡的更复杂的主动控制。 6 1.3 机械手的发展趋势 机械机械手主要由运动机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。 （ 1） .运动机构主要由手部和臂部组成，臂部 的作用是引导手抓住工件，使手部完成各种转动、移动或复合运动，改变物件的位姿，将工件放到准确的位置。 （ 2） .驱动机构主要由 4 种：液压驱动、气动驱动、电气和机械驱动。采用液压驱动机械手动力大、自锁方便。利用伸缩油缸实现直线运动，利用摆动马达实现回转运动，在机械手中应用最为广泛。 （ 3） .控制系统一般包含在一个控制柜中，包括主控板、显示器等几部分。机械手采用教再现控制，动作复杂的采用数字控制系统。 7 机械手的发展趋势离不开上述三种结构，所以未来发展方向也是围绕这三部分展开的。基于运动机构方面：由于当 前工业机械手的生产独身订做的，品种数量少，通用程度低。而且只注重结构设计忽略了结构设计本身的优化设计，导致稳定性低下。发展方向是设计成通用机构，扩大应用范围，同时，进行结构的优化设计，提高运动精度。基于驱动机构方面：近年来伺服驱动因其相应速度快、运动平稳、灵敏度高、体积小等优点应用越来越广泛。基于控制方面：具有触觉和视觉反馈的多传感器智能控制机械手是研究的热点，在机械手上安装触觉和视觉反馈控制装置，它能够辨别物体的形状，自动选取需要的工件，自动控制抓力的大小，精确定位等等，以后将会向远程遥控方向延伸。 从机 械手的发展趋势看，机械手不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中各个机械手的群体协调和集成控制，从而达到更高的工作效率和可靠安全性。 8 1.4 机器人（械手）动力学研究现状 机器人动力学是一门交叉学科，由多体系统动力学和机器人学组成，它的理论直接为机器人工程实践服务，这几年，由于机器人学、航天器控制、车辆设计等领域的迫切需求，机器人动力学发展相当迅速，并向深度和广度开拓。 机器人动力学要解决的问题主要有两个方面。一是，解决与实时控制系统相关的的动力学计算问题，这除了需要建立一个合适的算法外，而且还特别要 求计算速度要快。二是，解决机构设计的最优化和自动化问题，如运动系统的尺寸、质量、惯量等各种参数，以及驱动元件的选择等。第二个问题只是这几年才提出来的，而且它引起了人们的广泛注意。 9目前，在机器人机构的设计中，如运动系统各种参数以及执行驱动元件的选择常常是基于经验，而缺乏系统的设计方法。 因此，对于实际应用的机器人机构，很多参数的选择及电机功率的确定往往是过大的，这从能量耗损及操作速度的观点看来不是最优的。因此，研究对与机器人机构最优的准则也是十分重要的。 目前，研究机器人刚体动力学的主要方法是 使用计算机辅助方法建立和求解机器人机构的动力学模型，亦即求解一组运动微分方程，把这样的模型作为研究力学和模拟运动的有效工具 10。根据执行系统的特点，机器人机构在机构学上是一个多驱动的复杂的空间机构，也是一个多参数耦合、多变量的非线性系统，描述其运动学及动力学的方程组势必很复杂。要做很多的努力来推导这样的方程组，而且产生错误的可能性比较高，减少错误的方法是把工作交由计算机完成。此外，这些机构想要驱动元件以及控制系统工作在一起，用来保证机构可以朝目标方向运动或进行某一操作作业，这也需要用计算机建立的数学模型 来模拟研究可控运动和控制规律。 二 说明选题的依据和意义 1.天花机搬运机机械手有利于实现材料的传送，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。改善劳动条件，保护人身安全。 2.用天花机搬运机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得到改善。 3.可以减轻人力，便于有节奏高效的生产。 4.通过运用两年来所学的机械 电气 气动 PLC.计算机等有关知识，学会根据实际问题需要确定设计方案，构思机械结构，完成程序设计及调试。 5.通过本次毕业设计，将使我掌握写论文的 一般步骤及方法。同时也锻炼了我在遇到困难时冷静分析。独立思考及解决问题的能力，而且培养了我和同学相互讨论，相互学习的习惯。 三研究的基本内容，拟解决的主要问题 完成天花机搬运机械手整体机构的参数化设计与分析，利用三维建模软件SolidWorks 建立模型，对机械手抓取并搬运天花机进行运动分析及运动仿真，作出整体完善的最佳方案。 天花机室内机，尺寸 830mmx830mmx300mm，重量 40 公斤，四侧带安装耳朵，可用于搬运，来料约 109 台 /小时；纸底板，包装时放在最底层，来料堆叠； 纸底托，两片一起用于放置室内机，来料堆叠； 以上运动实现机械手放置：输送带上放纸底板，纸底板上对称放置纸底托，天花机到位后，将其搬运放置于纸底托上，以上均机械手完成。 四研究步骤、方法及措施 1.天花机搬运机械手升降结构的选择和设计，和升降系统的动力源的选取（电机驱动或者液压驱动 ) 2.天花机搬运机械手旋转结构的设计和旋转系统动力源的选取； 3.天花机搬运机械手整体结构的设计； 4.天花机搬运机械手抓头的结构设计和动力源的选取； 5.各部分材料的选取； 6.按照设计尺寸用 Solidworks 对零件进行三维实体建模； 7.依据分析结果，提出优化方案，设计零件的二维图纸。 五研究工作进度 序号 时间 内容 1 2.1-2.7 翻译外文，查阅有关资料，讨论方案 2 2.8-2.12 确定方案，写开题报告 3 2.13-2.24 设计计算，绘制草图 4 3.09-3.29 绘制 一半 装配图及零件图 5 3.30-4.06 完成全部的图纸 6 4.07-5.20 初步整理并检查，撰写论文 7 5.21-5.27 检查论文 8 5.28-6.03 全面整理， 准备答辩 六 参考文献： 1陆祥生，杨秀连 .机械手理论及应用 M.中国铁道出版社， 1985 2胡琴琴 .起重机 U 型臂折弯送料机械手的设计及仿真 D.华中科技大学硕士学位论文， 2008.6.1. 3邢婷婷 .上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真 D.青岛科技大学硕士学位论文， 2012.4.19 4赵锡芳机器人动力学 M上海交通大学出版社 ,1992 5姜靖主编 .从机械手到服务 机器人 .今日科苑， 2009.11.8 6Roland Siegwart,IIIah R.Nourbakhsh, Introduction to Autonmous Mobile Robots, A Bradford book the MIT press Cambridge,Massachusetts London,England 2004. Page(s):17- 18 7王成一种切削加工机器人模块化结构设计及加工轨迹仿真 D.山东理工大学硕士论文， 2005 8张钦国 .基于液压驱动的四 自由度机械手的运动仿真与优化设计【 D】 .吉林大学硕士学位论文， 2011.5 9仲大伟专用焊接打磨机器人动力学及仿真 D兰州理工大学硕士论文， 2004 10Chan Woo Moon,Beom Hce Lec and M.S.Kim , PLC Based Co