立式精锻机自动上料机械手三维设计【三维SW】
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一、选题依据1、论文（设计）题目立式精锻机自动上料机械手三维设计2、研究领域三维设计，机械设计，液压传动3、论文（设计）工作的理论意义和应用价值我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义：具有和人手臂相似的动作功能， 可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。理论意义：其一，对于机器人的研制，尤其仿人机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极的促进作用；其二，仿人机械手的研发隶属于制造业，其研制成功与推广，可以增加就业，创造经济价值；其三，其技术的实现可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进我国制造业相关技术领域的发展。应用价值：机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着我国经济的腾飞，国家在工业方面也得到了迅猛发展，机械手作为工业生产中非常重要的一种工具，对其技术的不断突破也变得日趋重要。目前，机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作代替人作业。本课题研究的机械手主要用于立式精锻机，针对轴类零件精锻自动生产线，将加热后的坯料从运输车上取下搬运到立式精锻机上。机械手固定安装在 JD100 立式精锻机前，要求机械手抓取工件时，满足被握持的工件形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等要求。4、目前研究的概况和发展趋势工业机械手的第一次迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，时间大约是在上世纪 40 年代，它是一10种主从型的控制系统。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。控制系统有别于 40 年代的主从型而是示教型的；1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上， 研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义， 日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。虽然上述机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种 Unimation-Vic.arm 型工业机械手， 装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从 1970 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。我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚 30 年左右，起步于上世纪70 年代，1972 年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划开始，我国政府更加加大了对工业机器人的重视程度， 并且为此项目投入了大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人， 广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等。目前工业机械手在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，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（即距离传感器）以及微型计算机。工作时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。更重要的是将机械手、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。随着机械手的发展，人们也对机械手的应用与发展提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然， 重复精度比精度更重要；二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动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气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于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，是气动机械手的一个重要的发展方向；三是无给油化，无给油化是个新提出的概念，主要是为了适应食品、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（如烧结金属石墨材料）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；四是机电气一体化，机电气一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制” 进到高度的“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。二、论文（设计）研究的内容1.重点解决的问题机械手总装结构设计，机械手驱动结构的设计，机械手手部、腕部、臂部结构设计，机械手升降机构的结构设计，机械手的驱动控制。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）选择机械手基本形式；（2）采用合适的坐标式实现相关功能；（3）设计自动上料机械手的驱动机构；（4）选定机械手手部抓取的方案、腕部的回转范围、速度及机构的选定，臂部回转，升降，伸缩的方案及结构的选定；（5）对总体的布局及装配设计；（6）对机械手内的零件进行疲劳强度以及接触应力的安全系数校核。3.本论文（设计）预期取得的成果（1）一套完整的立式精锻机自动上料机械手三维模型以及其二维零件图、装配图（2）一份立式精锻机自动上料机械手的设计说明书（3）一篇外文文献翻译三、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）；采用三维设计软件完成立式精锻机自动上料机械手的设计，包括机械手总装结构设计、机械手手部、腕部、臂部结构设计、机械手升降机构的结构设计。本设计的机械手用于轴类零件精锻自动生产线上，将加热后的坯料从运输车上取下搬运到立式精锻机上。机械手固定安装在 JD100 立式精锻机前。设计参数：（1）抓重：60 公斤（2）坐标形式：圆柱坐标（3）自由度数：4 个（4）最大工作半径：1700mm（5）手臂最大中心高：2300mm（6）手臂运动参数：手臂伸缩范围 0-500mm手臂伸缩速度 伸出 176mm/s缩回 233mm/s0-600mm手臂升降速度 上升 100mm/s下降 150mm/s手臂升降范围 0-600mm手臂回转范围 0-200（实际使用为 95 ） 手臂回转速度 60/s（7）手腕运动参数：手腕回转范围：0-180 手腕回转速度：201/s2. 论文（设计）进度计划第 1 周：布置毕业设计任务确定立式精锻机自动上下料机械手三维设计的选题第 2 周：根据立式精锻机自动上下料机械手三维设计的课题查阅相关参考文献第 3 周：准备自动上下料机械手开题报告材料第 4 周：撰写本课题开题报告，准备开题答辩第 5 周：查阅关于机械手的文献并进行自动上下料机械手的方案设计第 6 周：根据方案完成自动上下料机械手的结构设计第 7 周：自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 8 周：自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 9 周：自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 10 周：将完成的机械手的三维零件进行装配，完成自动上下料机械手装配图第 11 周：完善并修改自动上下料机械手的装配图及其零件图第 12 周：完成自动上下料机械手的设计说明书和英文文献的翻译第 13 周：完善并修改自动上下料机械手的设计说明书和英文文献的翻译第 14 周：上交自动上下料机械手说明书，英文文献的翻译及其三维装配图、零件图等所有材料，并进行论文答辩四、需要阅读的参考文献1 张俊.基于视觉定位的自动上下料机械手系统研究D.石家庄:石家庄铁道大学,2012.2 郭洪武.浅析机械手的应用和发展趋势J.中国西部科技,2012,11(10):3+12.3 冯崇.工业机器人运动分析及控制研究D.洛阳:河南科技大学,2015.4 吴振彪,王正家.工业机器人第二版M.武汉:华中科技大学出版社,2006.5 刘奇.浅谈工业机械手的设计措施J.技术与市场,2017,24(11):178.6 张 金 萍 . 基 于 自 动 上 料 机 械 手 的 液 压 传 动 系 统 设 计 J. 制 造 业 自 动化,2013,35(21):153-156.7 欧洋,高祯,李连强.工业机械手结构设计分析J.工业控制计算机,2017,30(06):81-82.8 丁锦宏,张慧.可编程控制器在数控车床自动上料机械手中的应用J.常州信息职业技术学 院学报,2014,13(05):17-19.9 龚仲华.论工业机器人、数控机床和机械手J.机床与液压,2016,44(15):30-32+91.10熊幸明,曹才开.一种工业机械手的 PLC 控制J.微计算机信息,2006,22(11):120-122.11李斌.钣金冲压自动上下料机械手的研究与开发J.现代制造技术与装备,2017(02):49-50.12濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计第九版M.北京:高等教育出版社,2006.13王战中,张俊,季红艳.自动上下料机械手运动学分析及仿真J.机械设计与制造,2012(05)：244-246.14赵罘,杨晓晋,刘玥.SolidWorks 机械设计从零开始 2014 中文版M.北京:电子工业出版社,2014.15 Alberto Brunete,Ernesto Gambao,Jukka Koskinen,Tapio Heikkil,Stefan Anton.Hard material small-batch industrial machining robotR.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.In press,corrected proof.Nov.17th,2017.16 AliMarwan,MilanSimic,FadiImad.Calibrationmethodforarticulatedindustrial robotsR.Procedia Computer Science.Volume 112,2017,1601-1610.17 Alexandr Klimchik,Alexandre Ambiehl,Sbastien.Efficiency evaluation of robots in machining applications using industrial performance measureR.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.Volume 48,December 2017,12-29.附：文献综述或报告文献综述机械制造自动化是制造业在长期发展中追求的目标之一，采用自动化技术，不仅可以大大降低劳动强度，还可以提高产品质量，让企业更加适应市场，提高竞争力。因此，机械手便是机械制造自动化所追求的一种高科技自动生产设备。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。目前， 机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。随着我国经济的腾飞，国家在工业方面也得到了迅猛发展， 机械手作为工业生产中非常重要的一种工具，对其技术的不断突破也变得日趋重要， 随着制造业发展,机器人技术的应用越来越普遍,劳动成本的增高和制造业自动化、智能化的进程加快进一步加快了工业机器人的研究和应用。机械手由三大部分（机械部分，传感部分，控制部分）及六个子系统（驱动系统，机械结构系统，感受系统，机器人-环境交互系统，人机交互系统，控制系统）所组成。从 1960 年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始，即为以后的各类机械手打下了基础，到现在为止美国的宇航局(NASA)、哈佛大学和耶鲁大学， 日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学也研制出了多指灵巧手。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿人型机器人灵巧手”，2006 年 5 月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会，以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏，并率先进入了国际市场。由此可见，目前多数国家和企业高校都在对仿人机械手进行研究与设计。在对机械手进行设计时，首先要根据所得的参数进行设计。不同的驱动方式会有不同的使用功能，所产生的压力大小，安全性能，气动元件工作压力高低也有差异。此外，还要充分考虑到维修便捷性，造价成本，操作产生的噪音等问题。传统机械手大多采用机械传动方式，由于机械式传动系统中包含变速箱、驱动桥等体积较大部件使得机械手体积大、运动不稳定。驱动方式一般分为液压驱动和气压驱动两种，液压传动系统因具有体积小、重量轻、可以实现无级变速且调速范围宽、低速稳定性好等特点。但液压驱动也存在缺点如密封问题较大、只适用于重载、低俗驱动的机器人等。气压驱动系统具有输出功率大、响应速度较高、控制简单直接的优点，便于减少可能错误环节，减少误差，提高精准度。但其精度低，阻尼效果差，低速、控制难度过大， 控制成本过高，实现高精度控制不易。白城职业技术学院张金萍教授在对自动上料机械手的液压传动系统设计中，基于自动上料机械手作业环境特点，从经济性、可控性、可靠性等角度考虑，采用了双泵供油四轮对称驱动方案。系统主要由 1 个变量轴向柱塞双联泵和 4 个斜盘式轴向柱塞变量马达和行星减速器组成的车轮马达组成。采用 X 型连接。该液压系统主要由双联变量泵、变量马达、补油泵、变量油缸、安全阀、单向阀、溢流阀等组成。作为闭式回路，当液压马达进行正反转转换时，工作油路的高低压也将会发生互换，因此在油路的两个方向都必须设置安全阀，用来双向限制系统的最高工作压力。此外，系统中还设置了压力切断阀，当闭式回路中出现异常高压时，压力切断阀将高压端与油箱连通，保证液压系统的安全。因此，其可靠性、稳定性较高，可以自动实现前进、后退、快慢的控制、无级变速且调速范围宽。由于组成此系统零件都较为常见，因此，降低了制造成本与控制成本。在控制系统上，工业机器人一般都有独立的控制器、驱动系统和操作界面，可进行手动、自动操作和编程，因此，它是一种可独立运行的完整设备，可通过自身的控制系统来实现所需的功能。整个机械手的控制，可以根据该机械手的工作特点,采用步进顺序控制方式,使程序简化,便于调试。常州信息职业技术学院的丁锦宏，张慧在可编程控制器在数控车床自动上料机械手中的应用一文中，介绍了数控车床自动上料机械手的工作要求和结构，分析了步进电机的控制原理和实现方法，提出了基于 PLC 的控制系统方案。根据机械手的工作过程，设计了顺序控制功能图。机械手在送料位置时，手爪中心( 即工件中心) 的位置精度取决于转臂的旋转精度和气缸的位置精度。一般，气缸的位置控制是利用行程开关来实现，但这种方法的定位精度较差。该机械手使用步进电机定位系统控制转臂的旋转，提高手爪的定位精度。PLC 对步进电机的控制有三个方面。一是电机转角控制，转角与所输入的控制脉冲数成正比; 二是电机转速控制，该机械手转臂的旋转速度等于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入脉冲的频率;三是电机旋转方向控制，步进电机的转向通过改变步进电机各绕组的通电顺序来实现。因此，根据实际情况，选取合适的转速，从而确定 PLC 输出的脉冲频率。系统选用三菱 FX1N-14MR-0001 PLC 作为控制器，选用安川 CA4050 步进驱动器、安川 42HD0402 步进电机作为控制对象；用三菱 PLC 作为控制核心， 采用步进电机以及气缸实现了数控机床上料机械手的控制方案。在车床加工的同时进行取料，并在靠近上料位置等待取料结束，从而缩短上料时间。操作人员只需在计算机控制界面完成相关工作参数的设置即可对机械手进行控制。利用机械手来实现自动上下料功能，进而实现整个生产线的自动化，提高生产效率，节约人力资源。李斌在钣金冲压自动上下料
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