压力机模锻出模机械手设计开题报告 36.docx
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压力机模锻出模机械手设计开题报告36
毕业设计(论文)开题报告
题目:
压力机模锻出模机械手设计
1.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)
1.1课题理解背景及意义
机械手用于再现人手功能的技术装置,是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装,在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手,它是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科。
机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备,也是工业机器人的一个重要分支,他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现在人的智能和适应性,机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成,如下图为机械手各系统相互之间的关系,如下图(1.1机械手的组成方框图)所示
图1.1机械手的组成方框图
近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的自动化生产工具。
在制造工业中,应用工业机器人技术是提高生产过程自动化,改善劳动条件,提高产品质量和生产效率的有效手段之一,也是新技术革命的一个重要内容。
机械手是能自动化定位控制并可编程序实现变动的多功能机器,有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境和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。
其作业的准确性和各种环境下完成作业的能力在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
1.2国内发展状况[1]
机器人起步于20世纪70年代初期,经过20年代的发展,大致经历3个阶段:
70年的萌芽期、80年代的开发期和90年代的试用期。
我国于1972年开始研制自己的工业机械手。
进入80年代后,随着改革开放的不断深入,在高科技浪潮的冲击下,我国机械手技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。
“七五”期间,完成了示教再现式工业机械手成套技术的开发,研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机械手。
1986年国家高技术研究发展计划开始实施,智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿,经过几年的研究,取得了一大批的科研成果,成功研制出一批特种机器人。
从90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变时期,掀起可新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机械手又在实践中迈进一大步,先后研制出点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机械手,并实施了一批机械手应用工程,形成了一批机械手产业化基地,为我国机械手产业的腾飞奠定了基础。
我国机械手走向实用化之路:
1995年4月开始设计、制造HT-100A点焊机械手,1996年7月15日完成;1998年2月第一台上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊,1998年5月第二台上线应用于红旗轿车焊接线上。
此后经验的积累又设计出120公斤点焊机械手,6公斤弧焊机械手,装配机械手,采矿机械手等[2]。
1.3国外发展状况[3]
机械手的研究和运用,在40年代始于原子能工业,50年代扩大到其他机械制造行业。
通用机械手在一九五九年制成,60年代在机械制造行业中得到发展应用,多数集中在汽车制造厂。
最初在美国和西欧国家应用。
一九六七年日本引入通用机械手的技术,1968年生产了约200台,一九七六年达到5900台,现在约有两万多台,一跃成为世界上通用机械手发展最快、拥有量最多的国家,技术水平也超过了美国和西欧。
西欧以英国、瑞典、西德、挪威、瑞士和意大利等国运用较早,其特点是多为自行研制的独特品种,发展速度没有日本快。
苏联于70年代初才加强了通用机械手的研制,一九七二年以来从日本、欧美各国引进通机械手技术,目前拥有通用机械手300多台。
国外工业发达国家都有专门的公司或厂家生产,有专门的研究机构从事研究,其研制发展快,技术水平高。
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。
1962美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手[4],原意是灵活搬运,可做点位和轨迹控制。
虽然上述的2种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。
1969年自从美国引进两种典型机械手后,日本开始大力从事机械手的研究,目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。
是工业机器人发展最快,应用国家最多的国家,
1970年联邦德国机器制造业是从开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业;
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imation—Vic.arm型工业机械手[5],装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业。
1.4机械手未来发展趋势
随着技术发展人们也对机械手的应用提出了更高的要求。
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。
随着微电子技术和现代控制技术的发展,以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。
气动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
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。
智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用,因为智能阀岛本来就是模块化的设备,特别是紧凑型CP阀岛,它对分散上的集中控制起了十分重要的作用,特别对机械手中的移动模块。
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”进入到高精度的“反馈控制”,大大提高了系统的可靠性[6]。
2.主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施
2.1主要设计内容
运动功能设计:
即自由度设计,应尽可能的灵活运动和大的工作空间,分析各关节运动的性质以及排列顺序等。
传动功能设计:
机械手操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构,传动功能中驱动器安排和机构要合理。
机械结构设计:
满足强度和刚度情况下,要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。
同时满足装卸方便,便于维修、调整。
基本参数:
横向伸缩距离:
125mm最大回转角度:
90º自由度:
2个
2.2研究方案
2.2.1工况分析
本次设计的机械手是压力机模锻出模机械手,适用于成批生产模具的自动搬运操作设备。
此机械手由手部,手臂,立柱三部分组成,机械手手臂由气缸带动前伸取出模具并收缩,然后在气缸和活塞杆的作用下,立柱回转90度到达指定位置后放下模具,然后复位继续以上重复操作,实现成批模具生产搬运工作。
其中它涉及到两个自由度[7],一个是X轴的横向伸缩,另一个是Z轴的回转运动,其机械手运动简图[8]如图(2.1)所示:
图2.1压力机模锻出模机械手运动简图
2.2.2坐标形式的选择[9]
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
表1.1坐标形式机械手的比较
坐标形式机械手
工作原理
优点
缺点
直角坐标型机械手:
如图(3.1)所示
手臂的运动系由三个直线运动所组成,即沿直角坐标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。
结构简单,定位精度高,适用于主机位置成行排列的场合。
占地面积大而工作范围小以及灵活性差,限制了它的使用范围
圆柱坐标型[10]机械手:
如图(3.2)所示
手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成,即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转
它与直角坐标式相比较,占地面积小而活动范围大,结构简单,并能达到较高的定位精度,因此应用范围较广泛。
由于机械手结构的关系,沿Z轴方向移动的最低位置受到限制,故不能抓取地面上的物件。
球坐标(极坐标)型机械手:
如图(3.3)所示
手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成,即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。
此机械手具有动作灵活,占地面积小而工作范围大等特点,它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。
结构较复杂,此外,手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。
关节型机机械手:
如图(3.4)所示
手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动,它由大小两臂和立柱等所组成,大小两臂之间的联接为肘关节,大臂与立柱之间的联接为肩关节,各关节均由铰链构成以实现转动
工作范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近机座的物件,并能绕过机体和工作主机之间德尔障碍物去抓取物件。
关节式机械手的定位是由各个关节相互转角来决定的,所以定位精度较差,另外,控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。
四种型式机械手[10]如下图:
图3.1直角坐标型机械手图3.2圆柱坐标型机械手
图3.3球坐标(极坐标)型机械手图3.4关节型机机械手
结论:
此次设计要求机械结构设计满足强度和刚度情况下,要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。
同时满足装卸方便,便于维修、调整。
基本参数:
横向伸缩距离:
125mm,最大回转角度:
90º,自由度:
2个。
综上所述,应该选择圆柱坐标型机械手。
2.2.3驱动机构的选择:
表1.2驱动传动机械手的优缺点比较
驱动机构[11]
优点
缺点
液压传动机械手
以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温t环境下工作
气压传动机械手[12]
以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。
其主要特点是介质来源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。
由于空气具有可压缩特性,工作速度的稳定性较差,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,适用于高速、轻裁、高温和粉尘大的环境中进行工作。
机械传动机械手
由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高。
结构较大,动作程序不可变。
它常被用于为工作主机的上、下料。
电力传动机械手
由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单。
由于是电机驱动,负载比较小,不适用于载重过大的工作条件。
结论:
此次设计为压力机模锻出模机械手设计,工作环境一般温度较高,粉尘大,且生产效率要求高速快捷,结构简单,成本低,所以综上所述,本次机械手驱动结构选择气压传动[13]。
2.2.4执行机构[14]:
①手部:
即与物件接触的部件。
由于与物件接触的形式不同,可分为夹持式和吸附式手部。
夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成,手指是与物件直接接触,而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务;吸附式手部主要由吸盘等构成,它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件。
本次机械手主要用于模具的搬运,物件体积小、重量轻,所以选用开闭较小,结构简单,制造容易的夹持式手部
③手臂:
机械手的手臂伸缩属于直线运动,实现此运动常用的有活塞油(气)缸,活塞缸和齿轮齿条机构,丝杠螺母机构以及活塞缸和连杆机构等,由于活塞气缸的体积小,重量轻,因此在机械手抓取模具这一部分采用气压驱动。
机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸,齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。
因为回转气缸有单片式和双叶片式两种,但是单叶片式回转气缸的特点是结构简单,体积小,可获得无极变速的回转运动,且回转角度小于360度,所以在实现机械手手臂回转运动采用单叶片式回转气缸驱动。
④立住:
是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱通常为固定不动的,但因工作需要有时也可作横向移动,即称为可移式立柱。
3.本课题研究的重点及难点,前期已开展工作
重点:
根据课题要求,结合工况,通过比较分析4种坐标形式,4种驱动机构方式的优劣点以及所用到的执行机构,确定机械手的最佳设计方案。
难点:
机械手手部的方案设计,机械手相关参数的计算分析以及图形的绘制。
已开展工作:
通过网上查阅资料,图书馆借阅书籍,了解机械手发展状况,结构配置以及工作原理。
4.工作进度安排
第1~2周:
调研、查阅资料;
第3~4周:
总体方案分析论证、开题报告;
第5~6周:
分析机械手工况,结构和运动学分析,参数确定;
第7~8周:
确定机械手的具体方案;
第9~10周:
按所给规格范围,性能进行分析,强度和运动学校核,中期报告;
第11~12周:
各模块结构设计,装配图草图;
第13~14周:
完成绘制总图及零件图,并进行验证;
第15~16周:
撰写并初步完成论文以及外文资料的翻译;
第17~18周:
修改论文、准备毕业答辩。
指导教师意见(对课题的深度、广度及工作量的意见)
指导教师:
年月日
所在系审查意见:
系主管领导:
年月日
参考文献
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