100 吨冲床自动上下料机械手三维设计开题报告及文献综述.doc
100吨冲床自动上下料机械手三维设计含SW三维及10张CAD图
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一、选题依据1论文（设计）题目100 吨冲床自动上下料机械手三维设计2研究领域机械设计 三维设计3论文（设计）工作的理论意义和应用价值（1）理论意义通过对机械手气动控制的引用，提高了机械手环境适应性，在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。并且气动机械手动作迅速，反应灵敏，气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。所以气动驱动的引入为上下料机械手的设计奠定了理论基础。（2）应用价值随着科学技术的发展，金属冲压在工业生产的比率也越来越高。高速化，自动化， 柔性化是现代科学制造的发展趋势，冲床的发展也需紧跟步伐。目前，为了满足产品高质量、高效率，通过提高劳动生产率和减少生产成本，以达到提高市场竞争力，于是机械自动化的生产成为必然趋势，因此很多不同用处的工业机器人应运而生。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。作为工业机器人主体的机械手是一种模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。引入机械手来取代人工去完成操作任务是冲压成型技术发展的重要方向之一。现代工业生产过程中充斥着大量的人力手工生产形式，现代工业的生产环境是较为恶劣的，粉尘、油污、甚至于核工业中的福射污染。这些恶劣的生产环境不仅会对人体的健康造成影响，同时不可避免的导致生产效率的低下。机械手的投入使用适应了科技发展与工业发展的脚步，机器人可以工作于高温，高污染等一些对人类来说相当恶劣的环境，提高了生产效率，降低了劳动成本以及工人的危险性，满足以人为本的理念。传统三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异，甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，既慢且繁琐的制作设计过程大大拖延了产品的研发时间。因为三维设计是在电子计算机上进行，那么在制作初期，结合各种参数，便可以轻松计算出12实物重量、成本等。其精确度以及方便快捷是三维设计的优点之一，也是二维设计难以做到的。也因三维设计的独特性,在电子计算机上，可以利用数据共享实现多人同时制作，这是二维设计难以实现的。并且机械手前期的设计测试离不开三维设计，利用三维设计巧妙的将理论计算与实际模型结合，将抽象实物具体化。如何选择最佳工作位置，机械手如何准确平稳抓取以及稳当的落入工作位置，手部、手腕部以及机械臂的理论设计的具体化都可通过三维设计直观地观察达到追求简洁化摒弃过于笨重设计的目标。因此，100 吨冲床自动上下料机械手的三维设计尤为重要。4目前研究的概况和发展趋势（1）研究概况机器人诞生于上世纪五十年代，到现在经过约六十年的波浪式的发展过程，机器人技术已经得到极大的提高。机器人的出现对人们的生产和生活产生了深远的影响， 正在逐渐成为了人类社会不可或缺的一部分。在国外很多行业中都要使用到机械手， 例如在电子、轻工、医疗和食品等行业中，为了提高工业生产的自动化程度和保证产品的质量，通常需要机械手以较高的速度和适当的定位精度来完成诸如插装、包装、封装、检测、分拣等操作。目前，应用比较多的是工业机器人，具有高智能化、高精度。工业机器人的构成机构包括操作执行机（机械本体、运算控制器、伺服驱动系统和传感器感知系统，是一种机电一体化的自动化生产设备，具有自主控制、拟人操作、可重复编程的特点并且能完成在三维空间的各种作业，在品种繁多、批量变化的柔性生产场合尤其适用。它对产品的质量和生产效率有显著提高，明显改善了劳动条件， 并且对加快产品的更新换代速度起到了革命性的作用。不过事实上机器人并不只是单纯地代替人的作业，它能将人的特长与机器的特长综合起来，是一种更加高级的仿人的机电一体化装置。机器人不仅能像人一样对环境的变化进行分析判断并作出快速反应，而且具有加工精度高、持续工作时间长及在危险恶劣环境下作业的能力。因此也可以说工业机器手是机器人发展进化到一定阶段的产物，它在工业上是不可或缺的生产设备，同时也是先进制造技术领域无法替代的自动化设备。相比国外，国内机械手应用研究晚了很多。我国目前难以生产出高精度、高速度、大负载的机械手以及进口国外的机械手价格高等诸多原因，我国使用的上下料机械手的数量和质量与国外还是存在很大的差距的。目前，国内用于上下料的机械手采用直角座标机械手居多，少数加工中心、会采用关节型机械手。当然还有很多上下料的机械手是直角坐标机器人的拓展，这主要是由现场的加工工艺所决定。通常国内的很大部分机械手都是针对特定的机械装畳、特殊的加工王艺、特定的加工场合而设计，也就是说这类机械手使用范围不像常见的自由度机械手那么广。但是针对这些特定的使用场合，与其它类型的机械手相比，它具有不可替代的优势。从 20 世纪 70 年代来，国内工业机器人的应用还仅限于一些大型企业。对于一部分中小企业，特别是冲压行业在针对成批或中、小批生产出于减少投资的目的大部分还是使用人工操作，针对现在的快节奏生活，科技发展地突飞猛进带动了产品的更新换代的速度，让大部分企业认识到单一的模式很难生存，更何况高劳动力、低效率拉低了利润空间，必须针对高新技术有所投入。冲压产业已经进入结构调整向深度发展时期，依靠低劳动力成本的时代已经结束，由劳动密集型升级到技术密集型。（2）冲床机械手的发展趋势冲压是五金厨具生产的主要工艺。冲床公司在早期为完成上下料主要采用人工操作，为了提高效率减少厂房面积，企业主要把不同工序的冲床排列起来。但对于长距离由一道工序到下一工序的搬运，采用拖车或者传送带以及人力辅助。不仅增加了生产的不安全因素，还拖长了工时，导致经济效益不乐观。1958 年，世界上第一台工业机器人诞生，它是由世界上第一个机器人公司一Unimation 公司设计出来的，该公司是由被誉为工业机器人之父的 Joseph F. EngelBerger 建立。它是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，由一台专用计算机来控制手臂的动作，它能够记忆完成多达 180 个工作步骤。同时，AMF 公司也开始研制Versatran 工业机器人。其机械臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，同时它还可沿半径方向进行伸缩，它的主要用途是机器之间的物料运输。通常情况下，Unimation 和Versatran 被认为是世界上最早的工业机器人，这两种工业机器人的控制方式都与数控机床大致相同。同样国外对机械手上下料的研究起步也较早，机械手上下料最早应用于汽车生产线上，因为汽车生产线上常需要搬运体积大、重量大的毛坯材料，毫无疑问，这种工作让机械手来完成最适合。发展迄今，国外采用机械手上下料的领域是越来越多，而且其自动化、智能化程度、精度、加工效率等也是越来越高。比如，在许多高精度的数控加工中心，上下料过程需避免与机床发生碰撞、同时给多台机床上下料并且对工件放置在机床上的位置有很精确的要求，这势必要求上下料的机械手速度要快、精度要高、工作范围要广、抓取的负载能力要强、自由度要多（可以以多种姿势抓取工件） 等。因此，许多加工中心便采用自由度的机械手同时对多台数控机床进行上下料的操作，其上下料的速度快、精度高，这无疑大大的提高了生产效率。在产业化规模越来越大的同时，专家和学者对工业机器手的研究也不断朝着智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。我国机械手应用于冲压生产线是从 20 世纪 60 年代开始，随着劳动力成本的提高，企业的以人为本的思想以及工人的自我保护意识，越来越多工人放弃了工资高但工作环境恶劣、生产危险因素过多的职位，更多的企业开始专注于采用机械设备代替人力操作，通过机械设备在环境恶劣的加工环境里完成冲床的上下料、材料的简单的翻面。但冲床的主要参数由人力完成，机械手不能准确的完成抓取导致工作效率的提高不是十分显著。这是初步采用机械手段代替人力的尝试，技术不是很成熟、加工单元不够柔性，对产品合格率的提高不明显。20 世纪 90 年代至今，大型多工位压机出现，机械手在各个领域得到广泛的应用。并且随着计算机技术的不断向智能化发展，机械手应用领域的不断扩展和深化，机械手的发展也不断满足多样化、标准化的趋势。（1）模块化通常情况下模块化拼装的机械手是最具有灵活性的。模块化机械手在同一机械手上由于应用不同的模块而具有不同的功能，其自如的运动可以扩大机械手的使用范围。（2）重复高精度机械手对于要达到指定工作点的精确程度，如果动作重复多次会发现，机械手到达同样位置的精确程度就是重复精度。对于一个机械手其定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，但其可以预测，从而可以通过编程予以校正，然后通过一定次数地反复运行来测定与限定随机误差的范围。（3）无给油化要满足各行业无污染要求，已研究出不供油的各种润滑元件。当今新形势下，科学技术的快速发展、材料新技术也是突飞猛进，结构特殊的新型材料，便拥有节省润滑油、安全文明、稳定性高、使用耐久等种种优势。（4）机电一体化自动化技术的核心目前是由“PLC（可编程序控制器）- 传感器 -气压元件”组成典型的控制系统，发展与电子技术相结合的自适应控制元件，这样即可从“开关控制”进升到高精度的“反馈控制”，提高了系统的可靠性。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题(1)自动上下料机械手手部、手腕部、机械臂进行结构设计、计算、校核。(2)选取机械手合适的座标型式和自由度。(3)用 SolidWorks 对机械手各部件进行三维建模，并完成装配图。2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）(1)机械手的座标型选择与自由度设计。(2)夹持式机械手与气流负压时机械手的结构方案设计。(3)机械手手腕的可更换结构设计。(4)机械手手臂伸缩、回转、升降的结构设计。(5)机械手的驱动方案与气动控制方案设计。3.本论文（设计）预期取得的成果(1)一套完整的机械手手部、手腕部、机械臂各部件的零件图、装配图。(2)一份冲床自动上下料机械手三维设计说明书。(3)一篇冲床自动上下料机械手三维设计的外文文献翻译。三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）；查阅文献，学习掌握机械手在柔性制造单元的应用。综合比较气动、液压、电机驱动的优劣，根据作业技术要求、作业工序和工艺，选择满足系统功能要求和环境条件的气动驱动方案。设定机械手为四自由度，完成机械手手部、手腕、机械臂的结构设计及优化。对优化后的结构设计进行三维建模并组建装配图。机械手设计的参数：（1）抓重10 公斤（夹持式手部）5 公斤（气流负压时吸盘）（2）自由度数：4（3）座标型式：圆柱座标（4）最大工作半径：1500mm（5）手臂最大中心高：1380mm（6）手臂运动参数伸缩行程 600mm 伸缩速度 500mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回转范围 0-240 回转速度 90/s（7）手腕运动参数回转范围 0-180 回转速度 180/s（8）手指夹持范围棒料：80-150mm片料：面积不大于 0.5 （9）定位精度：0.5mm2.论文（设计）进度计划第 1 周：选择毕设题目，了解 100 吨冲床自动上下料机械手的设计要求与工作性质。第 2 周：查阅机械手、工业机器人在柔性制造单元的应用等相关文献。第 3 周：查阅文献，整理开题报告写作思路。第 4 周：撰写开题报告，准备开题答辩。第 5 周：查阅文献进行上下料机械手方案设计。第 6 周：根据上下料机械手方案设计完成手部、手腕部、机械臂的结构设计。第 7-9 周：手部、手腕部、机械臂等零件的三维设计和建模。第 10 周：将三维零件进行装配，完成机械手装配图。第 11 周：完善零件图和装配图。第 12-13 周：完成设计说明书和英文翻译。第 14 周：上交毕业设计材料，答辩。四、需要阅读的参考文献1赵罘,杨晓晋,赵楠著. SolidWorks 2017 中文版机械设计从入门到精通M.北京: 人民邮电出版社,2017.4.2张宇飞,陆宝春.冲床物料流转机械手结构设计及运动仿真D.南京:南京理工大学,2016.3.3于衍伟,张祥林,韩松,冯科.适于中小型冲床的经济型自动送料机械手研制J.锻压技术,2011.12,36(6):67-68.4庄宇昀,徐辉.冲压线的发展J.一重技术,2005,(4):20-22.5孙珑,汤勇.冲压机上下料机械手的开发与研究作D.广州:华南理工大学,2015.1.6施燕.经济型数控车床机械手建模与仿真研究D.镇江:江苏大学 2009.3.7王建明,自动线与工业机械手技术M.天津:天津大学出版社,2009.8 Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon.Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of FreedomJ.Modern Mechanical Engineering, 2011,1,47-55.9 Blaek G,Vyatkin V.Intelligent component-based automation of baggage handling systems with IEC 61499J.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2010,7(2):337-351.10赵彤.气动技术在高端装备业中的展望J.液压与气动,2014,(6):76-81.11孟彩茹,张高青,李夏楠,李强.夹持机械手爪结构的设计与优化J.机械设计与制造, 2016,6(6):70-74.12 刘 邦 雄, 李 健 , 梁 鹏, 辛 艳 峰. 上 下 料机 械 手 的运 动 学 仿 真J. 机 械 研究 与 应 用,2016,29(06):87-89.13 郭斌, 王彦明, 陆艺, 赵静. 冲床上下料机械手臂及驱动系统设计J. 机械传动，2016,40(02):150-153+157.14魏静,蔡锁宁.智能机械手臂的设计研究J.自动化与仪器仪表,2017(01):67-69.15张朋辉,赵连玉,陈炜.机械手爪设计仿真J.天津:天津理工大学学报 2016,32(02):1-4.附：文献综述或报告文献综述从自动机到工业机器人是一个飞跃，从一般工业机器人到积极探索和开发具有智能和功能强大的工业机器人将又是一个飞跃。目前，冲床机械手的开发正处在一个蓬勃发展的阶段。在先进的工业发达国家里，冲床机械手作为高度柔性、高效率和能重组的制造和加工系统中的生产设备，它总是作为系统中的一员而存在。从组成敏捷制造生产系统的观点出发，冲床机械手的发展得益于冲压技术的发展与工业机器人功能部件的标准化和机械、伺服驱动、信息检测的模块化。虽然我国工业机器人的应用前景十分宽广，但是我国的工业基础比较薄弱，劳动力比较丰富、廉价，给冲床机械手的发展和应用带来一定困难。所以应结合我国实际国情出发，发展经济型气动工业机器人。1.冲压技术概述冲压加工是一种塑性成型技术，它主要通过压力机加工放入模内的工件，使之获得生产所需尺寸规格产品的技术。冲压加工离不开板件、冲模和压力机的相互配合。冲压加工生产效率高，且易于建立自动化生产线，如钣金加工所涉及的板料冲裁、开卷和矫平精整，可以在压力机上设计复合加工冲模，一次性加工生产所需的多道工序。除此之外，传统冲压加工对工人技术要求不高，只要有充足的劳动力和安全意识，就可以完成一定的工作额度。总之，冲压加工不论是在技术上还是经济上，较传统的机械和塑性加工都有更多的独特优点。如：（1）冲压加工有更好的可操控性，且可加工产品数量多，利于企业搭建高效的自动化平台。（2）冲压加工能够保证产品的质量和互换性。（3）对于大尺寸和复杂的零件，冲压一样适用，而且材料在冲压加工中相当于做了冷作硬化处理，使被加工件的强度和刚度得到了提高。（4）在冲压加要工中，所选工件成本低，且不会产生碎屑，无需加热处理， 就可完成更节省材料的生产。生活中可以看到许多冲压成型产品，如汽车覆盖件、机柜机箱、不锈钢锅以及一些小型钣金件等等。在传统冲压加工之中，对于每一道工序，都需要人工长时间不间断的搬运、上料和下料等劳作，且不说能不能达到生产要求，工人还要时时刻刻警惕着操作事故的发生，而且还不能适应现今社会日益复杂多变的冲压生产工艺需求，所以必须采用其他方式间接或直接取代人工，既完成冲压基本任务，又要保证质量，增加生产率和安全性。2.伺服运动控制技术当今，运动控制作为控制领域中的一个重要部分，得到了愈来愈深远的发展，而运动控制的关键就是伺服控制技术。伺服控制系统可以是简单的单机控制系统，也可以是高端复杂的总线式控制系统。对于经济型或小型的简单运动控制，可以选择脉冲控制的伺服驱动，对于复杂高精度的系统往往会采用如 CAN 总线,PROFIBUS-DP, CC-LINK 等的总线来控制。伺服控制是一种随动控制系统，当输入的指令信号被追踪到，控制器可以将其与设定信号比较，以获得系统所需的更精确的位置及速度等信号从而输出。如在 CNC 加工中心的工件加工过程中，针对刀具的位置进给伺服控制， 当控制器获取追踪信号，会通过比较计算，进而控制刀具的进给和系统的工作状态； 而机械手系统往往是多轴驱动，基于多轴驱动基础上，加入控制器、伺服执行器和反馈元件，组装成具有高效稳定工作的伺服控制系统。 伺服控制主要包括液压伺服、气压伺服和电气伺服。当今，伺服驱动技术不断发展，特别是电气伺服控制系统中伺服电机、伺服驱动器和相关反馈元件的广泛应用。随着制造业技术的发展，伺服控制几乎普及到了绝大部分的机电一体化系统中，机电一体化系统根据工作要求，通过伺服控制可以完成系统所需的运动和动力环节。 根据执行电机的电流输入形式，伺服控制系统可以分为直流伺服控制和交流伺服控制。直流伺服电机结构中往往需要机械换向器和电刷，像工业机器人伺服控制系统中多以交流伺服电动机驱动为主，这样不但克服了直流伺服电机的缺点，还能够满足各种工业自动化产业对于高效高精度伺服驱动控制的技术要求。3.气动机械手的发展当今现代制造技术不断发展，冲压加工中的高速自动化技术已逐渐取代专机操作和人工上下料等传统生产方式。不论是专机操作还是人工上下料，都会存在生产效率和安全问题，为了节省不必要的成本，使冲压生产更加的保质保量，可以建立冲压自动化柔性生产线或组装通用搬运系统，如采用工业机械手代替人工上下料，但机械手并不是简单的取代，在冲压生产中，应用上下料机械手可以有如下优点：（1）冲压生产趋近自动化
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