重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计-开题报告

毕业设计(论文)开题报告题目：重型桶装成品搬运堆垛系统机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 24 日一毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1.课题的背景针对某生产线的桶装成品搬运堆垛，目前主要有仍能够驾驶行车来完成，这种人工搬运堆垛作业，通常行车频繁启动使行车部件磨损加剧，易发生故障，且劳动强度大，工作效率低。随着企业生产规模的扩大，这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求，同时，重型桶装成品主要出口到国外，因此对成品包装物的外观要求严格，桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷，对此本课题旨在研究并设计一种自动搬运堆垛机器人以实现该桶装产品的堆垛捆扎。2.研究的意义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。3.国内外的发展趋势（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 所示。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 所示，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，国外已研究采用摄像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。 二本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施1.主要内容和要求本课题设计的自动搬运机器人是为了满足生产线上的要求，要将辊道输送线上的桶装成品不损坏油漆及开启销定位搬至包装箱堆垛并打捆。该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图 5 所示。桶的直径为 420mm, 高为 500mm。该机器人具有结构简单、定位准确、高效、价廉等特点。图 5.桶的位置图2.研究方法和步骤2.1 总体的设计思路（1）根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；（2）分析机器人所在系统的工作环境；（3）根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围。（4）选择各部件（手部、臂部、基座）的具体结构，进行机器人总装图的设计；下面结合设计的基本要求和基本原则确定本系统的结构示意图，如图 6 所示。图 6.搬运堆垛机构的结构示意图2.2 拟采用的方案2.2.1 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机本次设计的搬运机器人为5自由度即：手爪张合、臂部升降、臂部的伸缩、以及旋转机构的俩个自由度。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。由于本机械手是对桶装成品进行搬运堆垛，它具有升降、伸缩、回转的自由度要求，所以选用圆柱坐标型机械手。2.2.2 驱动方式的选择驱动机构是搬运机器人的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动压力高，可获得大的输出力，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，维修方便，但是，液压元件成本高，油路比较复杂。气动驱动压力低，输出力较小如需要输出力大时，其结构尺寸过大，阻尼效果差低速不易控制，但结构简单，能源方便，成本低。电动机驱动有：异步电动机、步进电动机为动力源，电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电动机性能也逐渐提高。本次设计的搬运堆垛机构的驱动机构采用电机驱动的方式。2.2.3 手部的设计手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。本次设计的手部选择夹持类回转型结构手部。2.2.4 腕部的设计腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。2.2.5 臂部的设计手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。因此，在本次设计中臂部具有两个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。本次设计实现臂部的上下移动、前后伸缩。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，伸缩式臂部机构的驱动可采用电机驱动。2.2.6机座的设计机座是机身机器人的基础部分，起支撑作用。对固定式机器人，直接联接在地面上，对可移动式机器人，则安装在移动结构上。机身由臂部运动（升降、平移、回转）机构及其相关的导向装置、支撑件等组成。并且，臂部的升降、回转等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动越多，机身的结构和受力越复杂。本次毕业设计的搬运堆垛机构的机身选用支架行机身（如图6所示） 3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作本课题研究的重点：在于该机械手各部分结构设计计算和校核。难点：在于根据被夹持的桶装成品参数，对手部夹持力的计算，以及对臂部各功能部件的强