机械手开题报告 by王丁丁.docx
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机械手开题报告by王丁丁
山东科技大学
本科毕业设计(论文)开题报告
题目自动上下料机械手的设计
学院名称机械电子工程学院
专业班级机械电子工程09-3
学生姓名王丁丁
学号200901041823
指导教师张明辉
填表时间:
2013年3月24日
填表说明
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。
2.此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期完成,经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。
3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式,用A4纸打印。
4.参考文献不少于8篇,其中应有适当的外文资料(一般不少于2篇)。
5.开题报告作为毕业设计(论文)资料,与毕业设计(论文)一同存档。
设计(论文)
题目
轴承挤压工艺智能机器人的硬件系统设计
设计(论文)
类型(划“√”)
工程设计
应用研究
开发研究
基础研究
其它
√
一、本课题的研究目的和意义
当前情况下部分配件加工厂的工作环境恶劣,人工的参与程度较高。
此种情况下工厂的运行就存在很多弊端。
首先会对人的安全会造成很大的影响,人工的过多操作容易因疲劳产生事故,恶劣的环境会造成很多职业病的产生,其次工人的劳动强度很大并不意味着工作效率就有所提高,人为的操作速度要落后于机械这样就浪费了劳动力,另外人为的操作没有严格的精度要求,容易造成误差,对于加工零件的合格率也造成了影响。
随着近年来社会的发展,以人为本的发展观在各行各业的体现,人们对于工作环境也有了好的追求,再加上机械对于零件精度的高标准要求,机械自动化是工厂正常运营的必然趋势。
通过社会调查,设计自动化的机械手可以解决这些问题。
通过PLC控制的气动机械手符合当下条件下的设计要求。
各机械部分能够合理的装配可以精确的完成毛坯件的上料,搬运,以及加工。
要处理好导轨和气缸的选型问题。
本设计完成后可以提高机器工作效率,使得机器的自动化程度提高,节约了人力成本,并且采用气动的方式对成本和环境都有好的效果。
符合现代机械行业的设计要求。
二、本课题的主要研究内容(提纲)
在冲床上下料生产线中,设计一种机械手以代替人工进行冲床的上下料,由于传统机械手手部采用刚性结构,机械手末端执行器直接和手臂相连接,这样会一定程度上在机械手上下料时因为气缸导轨发颤和传送带上放置工件的位置误差等问题而造成机械手抓取和放置工件不精准。
所以本次设计拟在传统普通刚性机械手的基础上增加柔性环节,设计出一种可以抓取并能够一定程度上自动校正工件中心的柔性机械手,该机械手的手腕能够满足上下料的要求,比以往的柔性手腕结构更加简单,更容易加工制造。
本课题主要研究的内容包括:
1.物料抓取机械手手部的总体结构方案的确定;
2.物料抓取机械手手部的工作原理的分析;
3.物料抓取机械手手部的运动学分析。
三、文献综述(国内外研究情况及其发展)
1、国内外机械手的发展情况
国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料,减轻工人的劳动强度。
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,在应用专业机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还要研制示教示机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
我国国家标准(GB/T12643–90)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。
”
机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。
专用机械手:
它作为整机的附属部分,动作简单,工作对象单一,具有固定(有时可调)程序,使用大批量的自动生产。
如自动生产线上的上料机械手,自动换刀机械手,装配焊接机械手等装置。
通用机械手:
它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。
它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。
它的工作范围大,定位精度高,通用性强,广泛应用于柔性自动线。
机械手最早应用在汽车制造工业,常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。
机械手扩大了人的手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调的重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。
目前主要应用于制造业中,特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。
机械手与数控加工中心,自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。
随着生产的发展,功能和性能的不断改善和提高,机械手的应用领域日益扩大。
气动技术—这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术,在加工制造业领域越来越受到人们的重视,并获得了广泛应用。
目前,伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展,气动技术也不断创新,以工程实际应用为目标,得到了前所未有的发展。
气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。
“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneuma”,其原义为“呼吸”,后来才一演变成“气动技术”。
随着生产自动化程度的不断提高,气动技术应用面迅速扩大,气动产品品种规格持续增多,性能、质量不断提高,市场销售产值稳步增长。
在工业技术发达的欧美、日本等国家,气动元件产值已接近液压元件的产值,而且仍以较快的速度在发展。
气动工业的高速增长,进一步刺激了气动技术的发展。
气动技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展。
工业机械手使用最多的一种驱动方式是电机驱动。
驱动电机一般采用步进电机、直流伺服电机以及交流伺服电机。
由于电机速度高,通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。
这类机械手的特点是控制精度高,驱动力较大,响应快,信号检测、传递、处理方便,并可以采用多种灵活的控制方案。
但是由于这类机械手价格昂贵,限制了在一些场合的广泛应用。
因此,人们开始寻求其它一些经济适用的机械手驱动方式。
随着气动技术获得了快速发展,其利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动设备,在满足社会生产实践需要的同时也越来越多的受到重视。
气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术
在生产中,传统冲压方案、柔性自动化送料机构、多自由度送料机器人、快速送料机械手等不同的机械手都有不同的应用。
快速送料机械手无论是在技术特性和经济指标方面更加符合我国现阶段生产现状的要求,相比其他方案具有更大优势。
国外机械手在机械制造行业中应用较多,并且发展很快。
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件,并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。
采用机械手进行装配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装镶的目的。
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。
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。
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。
目前世界高端工业机械手均有高精化,高速化,多轴化,轻量化的发展趋势。
定位精度可以满足微米及亚微米级要求,运行速度可以达到3M/S,量新产品达到6轴,负载2KG的产品系统总重已突破100KG。
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。
同时,随着机械手的小型化和微型化,其应用领域将会突破传统的机械领域,而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
2、机械手的应用意义
机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
新世纪,生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。
现代工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题。
然而在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的。
单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来,不仅费时而且效率不高。
同时人的劳动强度非常大,有时还会出现失误及伤害。
显然,这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。
机械手的应用很好的解决了这一情况,它不存在重复的偶然失误,也能有效的避免了人身事故。
在机械工业中,机械手的应用具有以下意义:
(1)可以提高生产过程的自动化程度
应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
(2)可以改善劳动条件、避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。
而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业,大大地改善了工人的劳动条件。
同时,在一些动作简单但又重复作业的操作中,以机械手代替人手进行工作,可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
(3)可以减少人力,便于有节奏的生产
应用机械手代替人手进行工作,这是直接减少人力的一个侧面,同时由于应用机械手可以连续地工作,这是减少人力的另一个侧面。
因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。
3、机械手的驱动
机械手有四种驱动方式,分别是液压、气压、电力和机械驱动,而当中的液压与气压跟机械和电力相比,具有以下优点:
(1)空间布局安装不受严格的空间限制,能构成其它方法难以组成的复杂驱动系统。
(2)液压与气压驱动传递的运动均匀平稳,易于实现快速启动、制动和频繁的换向。
(3)操作控制方便,省力,易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。
与电气控制、电子控制结合,易于实现自动工作循环和自动过载保护。
(4)液压与气压元件属机械工业基础件,标准化、系列化和通用化程度较高,有利于缩短设计、制造和降低制造成本。
基于以上几点,液压与气压驱动在生产中应用最为广泛。
液压与气压作为机械手的两种常见驱动方式,其发展也对机械手的应用具有一定的促进作用。
液压与气压都是以流体(液压油液或压缩空气)为工作介质进行能量传递和控制的。
液压的优点是单位质量输出功率大,因为液压传动的动力元件可以采用很高的压力(一般可达32MPa,个别场合更高),因此,在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。
而气压传动的突出优点是:
介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。
但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且起源压力较低,因此,气压机械手抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以一般适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
相比之下,液压一般用于低速,重载和低污染的环境下。
众所周知,液压驱动多年来一直以矿物型液压油为工作介质,然而油压存在着污染环境、易燃烧、浪费能源的严重问题,一方面有背于当今制造业环保、节能的发展方向,另一方面在一定程度上限制了液压技术的发展和应用。
随着科学技术的进步和人类环保、能源危机意识的提高,除了继续使用高水基液作为液压介质外,促使人们重新认识和研究以纯水(不含任何添加剂的天然水(含海水和淡水))作为工作介质的“绿色”液压技术一纯水液压传动技术,并在近20年来使其不论在理论上还是在应用研究上,都得到了持续稳定地复苏和发展。
四、拟解决的关键问题
本次设计主要解决以下问题:
1.物料抓取机械手手部总体结构方案的确定,具体是增加一个顺柔环节
2.对物料抓取机械手手部的运动原理进行分析
3.物料抓取机械手手部的运动学分析
4.放置工件凹槽的优化
五、研究思路和方法
该方案主要完成对机械手手腕及手爪的结构设计。
为了保证机械手上下料过程中的机械手抓取工件的稳定性和放置工件的位置的精度,可以使装置的机械手具有一定的柔顺能力,这种柔顺能力可主动或被动地调整机械手与工件之间的相对位姿,补偿放置工件时的位置误差,以配合顺利完成冲压过程。
在手爪和手臂之间配置一个柔顺环节,在手臂运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位(姿态和位置),以使手部能实现预定要求的复杂动作,同时机械手手爪定位不准时能够自动校正中心位置,最终可以更精准的抓取工件并将工件放置到预定的位置。
由于被抓取物件为圆柱形物料,所以可以采用V字型结构的移动式手爪,该结构夹紧、平稳、可靠,且工件的定位精度不受工件直径变化的影响。
然后同时可以在机械手手部的驱动气缸部分安装一个节流阀,用来控制机械手爪张合的速度,当手爪靠近物件时,速度放慢,远离物件时,速度加快,以保证抓放物件时的平稳性。
六、本课题的进度安排
第1、2周毕业实习
第3、4周熟悉文献资料、初步设计,撰写开题报告
第5周总体方案设计
第6周传送带的设计
第7、8周上料机构的设计及驱动方式的选择
第9周机械手的总体结构设计
第10、11周控制系统设计
第12周绘制图纸
第13、14周上料机构的三维建模及仿真
第15周整理资料、撰写说明书、出图
第16周提交论文和图纸
第17周毕业答辩
七、参考文献
[1]吴静如.一种气动机械手及运动设计.高科技产品研发.2012,(12);69~70.
[2]龚青山.立式轴承压装机上料机械手设计.湖北工业大学学报.2010,(04);86~88.
[3]孙友刚,盛小明.气动送料机械手变尺寸自动对中夹持器的设计.液压与气动.2011,(6);54~55.
[4]曹海燕,周一届,范增良,欧阳焕.上下料机械手柔性手腕的设计及位置误差分析.江南大学学报.2012,2
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[5]张燕良,张厚江,翟艳凤,朱磊,闫海成.基于PLC气动机械手的研究设计.森林工程.2011,5(3);45~50.
[6]王红梅.基于PLC与数控机床联合控制的气动机械手.液压与气动.2011,(10);41~44.
[7]王建军.气动搬运机械手设计研究.安徽机电职业技术学院学报.2010,6(5);28~30.
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[9]WenzengZhang,DemengChe,QiangChen,DongDu.ADexterousandSelf-adaptiveHumanoidRobotHand:
Gesture-ChangeableUnder-ActuatedHand.Springer-VerlagBerlinHeidelberg.515~525.
指导教师意见
指导教师(签名):
年月日
所在系(所)意见
负责人(签章):
年月日
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