數(shù)控車床上下料機械手設(shè)計

數(shù)控車床上下料機械手設(shè)計,數(shù)控車床,上下,機械手,設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目：數(shù)控車床上下料機械手設(shè)計 1. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況） 1.1題目背景、研究意義 機械手是近三十年發(fā)展起來的典型的、機電一體化的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。機械手是能自動化定位控制并可編程序?qū)崿F(xiàn)變動的多功能機器，有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境和各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。其作業(yè)的準確性和各種環(huán)境下完成作業(yè)的能力在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機械手工程。機械手涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機械工業(yè)的重視[1]。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 在我國，機械手技術(shù)起步較晚，進入20世紀90年代后，我國機械手的研究步入正軌，在彩電，冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片，印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上得到廣泛應(yīng)用。 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。 德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多[2]。 2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 2.1主要內(nèi)容： 1）運動功能設(shè)計：即自由度設(shè)計，應(yīng)盡可能的靈活運動和大的工作空間，分析各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)以及排列順序等。 2）傳動功能設(shè)計：機械手操作機是由若干個構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機構(gòu)，傳動功能中驅(qū)動器安排和機構(gòu)要合理。 3）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計：滿足強度和剛度情況下，要充分考慮機器人的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小等特點。同時滿足裝卸方便，便于維修、調(diào)整。 4)基本參數(shù)： 抓重：30公斤 升降行程：300mm 最大回轉(zhuǎn)角度：90o 2.2研究方案、研究方法: （1）坐標型式論證：坐標型式分為直角座標式a、圓柱座標式b、球座標式c和關(guān)節(jié)式d。如圖 1）直角座標式手臂的運動系由三個直線運動組成。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小及靈活性差，限制了它的適用范圍。 2）圓柱座標式運動系由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)組成。與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，并能達到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛。但由于機械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能轉(zhuǎn)到地面位置的物件。 3）球座標式運動系由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)運所組成。優(yōu)點是動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)傳動形式。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 4）關(guān)節(jié)式手臂的運動類似人的手臂可做幾個方向的轉(zhuǎn)動。它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)各關(guān)節(jié)均由鉸連構(gòu)成實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。它的特點是工作范圍大，通用性強，能抓取靠近機座的物件并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件。但精度較差，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 本設(shè)計采用圓柱座標型式。 （2）本設(shè)計選擇三個自由度的圓柱座標型式機械手，擺角度90度，擬定方案為擺角度為90度的3自由度機械手其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 圖1 圓柱座標型式機械手結(jié)構(gòu)件圖 該機械手由支座，支柱，手臂和手部組成。其中支座完成擺動回轉(zhuǎn)運動，支柱完成升降直線運動，小臂完成伸縮直線運動，收不完成夾持工件運動。 整個機械手動作順序依次為：啟動蜘蛛下降，手部夾持，支柱上升，手臂右轉(zhuǎn)，手臂伸出，支柱下降，手部松開，支柱上升，手臂縮回，手臂左轉(zhuǎn)，原位卸荷 （3）驅(qū)動系統(tǒng)：液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中液壓和氣壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。 1）液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止，缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 2）氣壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或 鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。氣動驅(qū)動成本低，動作可靠，不發(fā)熱，無污染。但推力偏小，不能實現(xiàn)精確的中間位置調(diào)節(jié)，通常是兩個極限位置使用。 3）電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便，驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。 4）機械驅(qū)動只用于固定的場合，一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作，它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。 通過所學(xué)的知識，綜合考慮應(yīng)該采用液壓驅(qū)動。 3. 本課題研究的重點及難點 1.機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要參數(shù)確定 2.機械手傳動方式的論證和選擇 3.機械手各結(jié)構(gòu)的計算設(shè)計 4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫) 第1～2周：調(diào)研、查閱資料； 第3～4周：總體方案分析論證、開題報告； 第5～6周：結(jié)構(gòu)和運動學(xué)分析，參數(shù)確定； 第7～8周：按所給規(guī)格范圍，性能進行分析，強度和運動學(xué)校核，中期報告； 第9 ～10周：各模塊設(shè)計； 第11～12周：裝配圖草圖； 第13～14周：整體結(jié)構(gòu)設(shè)計； 第15～16周：繪制總圖及零件圖等； 第17～18周：撰寫論文、答辯 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日 參考文獻 [1]徐元昌. 工業(yè)機器人. 北京:中國輕工業(yè)出版社，1996. [2]張建民. 工業(yè)機器人. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1988. [3]蔡自興. 機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略. 機器人技術(shù)，2001. [4]周洪. 氣動技術(shù)的新發(fā)展. 液壓氣動與密封，1999. [5]田綠竹. 畫法幾何及機械制圖. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004. [6]李允文. 工業(yè)機械手設(shè)計. 機械工業(yè)出版社，1996. [7]哈爾濱工業(yè)大學(xué) 主編. 機械工程手冊（第56篇 自動上下料裝置與工械手）. 機械工業(yè)出版社，1979. [8]《工業(yè)機械手》編寫組. 工業(yè)機械手—機械結(jié)構(gòu). 上?？茖W(xué)技術(shù)出版1978. [9] 工業(yè)機械手圖冊編寫組編. 工業(yè)機械手圖冊. 北京:機械工業(yè)出版社， 1978. [l0]楊文生. 液壓與氣動傳動. 電子工業(yè)出版社，2007. [1l]孫桓 陳作模. 機械原理. 高等教育出版社，2005. [12]李建功. 機械設(shè)計. 機械工業(yè)出版社，1998. [13]陸玉. 機械設(shè)計手冊. 機械工業(yè)出版社，1992. [14]陸祥生 楊秀蓮. 機械手—理論及應(yīng)用. 中國鐵道出版社，1983. [15]王承義. 機械手及其應(yīng)用. 機械工業(yè)出版社，1981. [16](舊)高井宏幸等.工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1977. [17]G.Prischow、C.Danirl、G.Jngghans、W.speling????Open System Controllers-Challenge for the Future of the Machine Tool Industry????Annals of the CIRP,1993,vol.42.No.1. [18]Yongguo Mei, Yung-Hsiang Lu, Y. Charlie Hu, and C.S. George Lee Energy-Efficient Motion Planning?for Mobile Robots. [19]S chneider Ditmar. Otto voo Guericke.Pneumatic TIPS No. 87/1994. FESTO Pneumatic. Esslingen. - 8 -