立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计与仿真
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立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计与仿真,立式,精锻机,自动,机械手,结构,设计,仿真
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毕业设计(论文)开题报告题目： 立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计与仿真院（系） 机电学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 100202班 姓 名 王珍 学 号 100202132 导 师 姚慧 2014年 3 月12日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中参考文献“注释格式”的要求书写。4 年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2005年11月26日”。1.毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义）、题目背景工业机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手1。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题2。机械手的发展已有近40年的历史了。现在全世界已有近100万台机械手在运行3，机械手对国民经济和人民生活的各个方面，已产生重要的影响，广泛应用于机械加工、电子、电器等领域。机械手是模仿人手的部分动作 ,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。它对提高产品质量、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。本课题针对轴类零件精短自动生产线上，将加热后的皮料从运输车上取下搬运到立式精锻机上这一过程中所使用的机械手，为保证顺利完成取料、喂料和倒头等动作，专门设计一手部结构。、国内外相关研究情况目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： 重复高精度精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。 节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 机电一体化由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”,节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。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。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。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。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。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。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中4。、研究意义机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分5。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高6，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 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 、主要研究内容根据组合机构的运动学原理，设计一应用于立式精锻机自动上下料机械手手部结构，同时，运用三维建模软件完成该机构的装配模型并进行运动仿真分析。技术指标（1）抓重60kg；（2）手指加持范围30-120mm。由于精锻机在加工过程中温度变化较小,适宜于生产加工温度范围窄的高合金钢、钛合金或难变形合金。根据技术指标、立式精锻机的加工对象确定被夹持对象为圆轴、圆锥形轴、圆管等零件见图1、图2、图3所示，故被加持工件为30-120mm，重量为60kg的回转体零件。图1 圆柱形工件图2 圆管工件图3 圆锥工件机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。驱动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓取物件的位置和姿势。运动机构一般由液压、气动、电气装置驱动。驱动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂7。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能8。2 、拟采用的方案、研究方法或措施研究方法拟采用黑箱法对设计任务进行初步分析9，黑箱结构如图1所示。自动机械手工 件驱动能 信 息工件位置改变 夹持图4 黑箱结构通过对机械手动作分析及运动分析，确定其周期运动可以表现为（按动作表现）：夹紧 上升 回转 延伸 放松 收回 反转 下降。流程图见图2。通过对各动作功能原理的具体分析从而进行方案的设计10。夹紧工件 大臂回转手腕回转大臂上升手臂延伸放松工件手臂收缩手腕反转手臂反转大臂下降图5 机械手运动流程图从系统功能分解出发，将系统功能元与功能元的解分别列为纵坐标和横坐标，做成如表1的形态学矩阵。表1 立式精锻机上料机械手的低层形态学矩阵分功能1234 5 手抓结构形式外抓式内抓式真空吸盘电磁吸盘手部传力机构滑槽杠杆式连杆杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母式平行连杆式腕部运动形式单自由度式手腕二自由度式手腕三自由度式手腕手抓驱动形式液压式气压式电动式机械式研究方案的设计.手抓结构形式因为本设计立式精锻机的被加持对象已经明确为已加热工件，故真空吸盘和电磁吸盘都不能运用，工件为圆柱形工件时，内抓式手抓不能用，因此选择外抓式手部形式。.手部传力结构滑槽式手爪：当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。钳爪的调整范围在0-10mm11。连杆杠杆式手爪：这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。齿轮齿条式手爪：这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。平行连杆式手爪：采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。本设计的对象是抓取回转体工件的机械手。且回转直径30-120mm，变化范围大，故不能选择滑槽式手抓，这里选择齿轮齿条式手爪，使用V形钳爪12，适用于抓取多种规格的工件。.腕部运动形式在上料时工件需要手腕的回转，这里选用单自由度式手腕。.手抓驱动形式如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对于组合机床自动上下料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机械传动方案13。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多，且由于空气的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂14。综上所述，我们选择液压驱动方式，将液压马达直接装在手腕上，可以使结构十分紧凑。因此方案确定机械手采用外抓式手爪形式，齿轮齿条式手爪结构方式，单自由度式手腕，驱动形式为液压驱动方式。、运动学仿真运动学分析的是机械构件之间的运动轨迹及受外力所产生外力的变化。一般分析速度、力、力矩等宏观力。运动学是考虑结构在正常工况下有没有干涉运动，和质量，外力没有关系，注意：外力不会影响系统的自由度。运动学仿真包括位置，速度，加速度仿真15。机械手的运动仿真实现：COSMOSMotion 插件是一个集成在 Solidworks中的运动分析和仿真模块，其操作简单，容易掌握，给工程师们设计分析带来了巨大的便利。COSMOSMotion 可以对复杂机械系统进行完整的运动学仿真和动态静力学分析。若将其仿真得到的大量机械系统运动及动力学参数 (诸如每个零部件的约束力曲线、加速度曲线、系统平衡力矩曲线等)，运用Excel 电子表格进行处理就可以建立起机械系统的动力学模型，求解出机械系统在稳定运转阶段的真实运动规律。用 Solidworks 对零件进行三维造型、装配，然后转到 COSMOSMotion，装配约束将自动转化为仿真模型的约束，添加必要的驱动力、工作阻力，建立仿真模型就可以模拟机械运行状况，对机械进行动力与运动分析16。本课题研究的重点及难点，前期已开展工作、研究重点及难点 研究重点是确定该机构的设计方案和整体结构的设计；机构的结构设计计算。难点是完成机械手手部结构的装配图、装配模型和运动分析。、前期已开展的工作 收集了大量国内外文献，了解了设计内容的背景情况、主要内容及研究意义，采用黑箱法，初步确定了设计方案。完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）13周：调研并收集资料；36周：确定该机构的设计方案和整体结构；711周：完成该机构的结构设计计算；1215周：完成机械手手部结构的装配图、装配模型和运动分析；16-18周：完成论文撰写，准备答辩。参考文献1姚志良.工业机械手浅谈(一).组合机床通讯.1977,1:57622白丁.机械手. /doc/5338236.html，2013-03-123胡旭兰.生产线组合机床自动上下料机械手.机械制造，2005，07：32344cool1989415.机械手的应用. /view/ 1e240bed0975f46527d 3e1b6.html, 2011-01-095Vicente Feliu,Emiliano Pereira.Passivity-based control of single-link flexible manipulators using a linear strain feedback.Mechanism and Machine Theory 71 (2014)1912086郭益友.工业机械手在机械制造工艺中的发展及应用.淮南职业技术学院学报,2002,1(2):36387Z.Mohamed,J.M. Martins,M.O.Tokhi.V
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