立式精鍛機自動上料機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計,立式,精鍛機,自動,機械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目： 立式精鍛機自動上料機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真 開題報告填寫要求 1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成。 2．開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N），完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師審閱。 3．開題報告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應(yīng)標(biāo)出文獻序號，“參考文獻”應(yīng)按附件中《參考文獻“注釋格式”》的要求書寫。 4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2005年11月26日”。 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、國內(nèi)外相關(guān)研究情況及研究意義） ⑴、題目背景 工業(yè)機械手是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手[1]。 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，它的結(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題[2]。 機械手的發(fā)展已有近40年的歷史了?，F(xiàn)在全世界已有近100萬臺機械手在運行[3]，機械手對國民經(jīng)濟和人民生活的各個方面，已產(chǎn)生重要的影響，廣泛應(yīng)用于機械加工、電子、電器等領(lǐng)域。機械手是模仿人手的部分動作 ,按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的機械裝置。它對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本課題針對軸類零件精短自動生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運輸車上取下搬運到立式精鍛機上這一過程中所使用的機械手，為保證順利完成取料、喂料和倒頭等動作，專門設(shè)計一手部結(jié)構(gòu)。 ⑵、國內(nèi)外相關(guān)研究情況 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： ① 重復(fù)高精度 精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 ② 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。 ③ 節(jié)能化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 ④ 機電一體化 由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”,節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中[4]。 ⑶、研究意義 機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分[5]。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高[6]，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。 ⒉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 1 、主要研究內(nèi)容 根據(jù)組合機構(gòu)的運動學(xué)原理，設(shè)計一應(yīng)用于立式精鍛機自動上下料機械手手部結(jié)構(gòu)，同時，運用三維建模軟件完成該機構(gòu)的裝配模型并進行運動仿真分析。技術(shù)指標(biāo)（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍φ30-φ120mm。 由于精鍛機在加工過程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機的加工對象確定被夾持對象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件見圖1、圖2、圖3所示，故被加持工件為φ30-φ120mm，重量為60kg的回轉(zhuǎn)體零件。 圖1 圓柱形工件 圖2 圓管工件 圖3 圓錐工件 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓取物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)一般由液壓、氣動、電氣裝置驅(qū)動。驅(qū)動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜[7]。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能[8]。 2 、擬采用的方案、研究方法或措施 ①研究方法 擬采用黑箱法對設(shè)計任務(wù)進行初步分析[9]，黑箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。 自動機械手 工 件 驅(qū)動能 信 息 工件位置改變 夾持 圖4 黑箱結(jié)構(gòu) 通過對機械手動作分析及運動分析，確定其周期運動可以表現(xiàn)為（按動作表現(xiàn)）：夾緊 上升 回轉(zhuǎn) 延伸 放松 收回 反轉(zhuǎn) 下降。流程圖見圖2。 通過對各動作功能原理的具體分析從而進行方案的設(shè)計[10]。 夾緊工件 大臂回轉(zhuǎn) 手腕回轉(zhuǎn) 大臂上升 手臂延伸 放松工件 手臂收縮 手腕反轉(zhuǎn) 手臂反轉(zhuǎn) 大臂下降 圖5 機械手運動流程圖 從系統(tǒng)功能分解出發(fā)，將系統(tǒng)功能元與功能元的解分別列為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，做成如表1的形態(tài)學(xué)矩陣。 表1 立式精鍛機上料機械手的低層形態(tài)學(xué)矩陣 分功能 1 2 3 4 5 手抓結(jié)構(gòu)形式 外抓式 內(nèi)抓式 真空吸盤 電磁吸盤 手部傳力機構(gòu) 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 齒輪齒條式 絲杠螺母式 平行連桿式 腕部運動形式 單自由度式手腕 二自由度式手腕 三自由度式手腕 手抓驅(qū)動形式 液壓式 氣壓式 電動式 機械式 ②研究方案的設(shè)計 Ⅰ.手抓結(jié)構(gòu)形式 因為本設(shè)計立式精鍛機的被加持對象已經(jīng)明確為已加熱工件，故真空吸盤和電磁吸盤都不能運用，工件為圓柱形工件時，內(nèi)抓式手抓不能用，因此選擇外抓式手部形式。 Ⅱ.手部傳力結(jié)構(gòu) 滑槽式手爪：當(dāng)活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運動時，手爪松開。鉗爪的調(diào)整范圍在0-10mm[11]。 連桿杠桿式手爪：這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 齒輪齒條式手爪：這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。 絲杠螺母機構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。 平行連桿式手爪：采用平行四邊形機構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 本設(shè)計的對象是抓取回轉(zhuǎn)體工件的機械手。且回轉(zhuǎn)直徑φ30-φ120mm，變化范圍大，故不能選擇滑槽式手抓，這里選擇齒輪齒條式手爪，使用V形鉗爪[12]，適用于抓取多種規(guī)格的工件。 Ⅲ.腕部運動形式 在上料時工件需要手腕的回轉(zhuǎn)，這里選用單自由度式手腕。 Ⅳ.手抓驅(qū)動形式 如果機械手采用機械傳動，則自由度少，難于實現(xiàn)特別復(fù)雜的運動。而對于組合機床自動上下料的機械手，其工件的運動需要多個自由度才能完成，故不宜采用機械傳動方案[13]。如果機械手采取氣壓傳動，由于氣控信號比光、電信號慢得多，且由于空氣的可壓縮性，工作時容易產(chǎn)生抖動和爬行，造成執(zhí)行機構(gòu)運動速度和定位精度不可靠，效率也較低。電氣傳動必須有減速裝置和將電機回轉(zhuǎn)運動變成直線運動的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜[14]。綜上所述，我們選擇液壓驅(qū)動方式，將液壓馬達直接裝在手腕上，可以使結(jié)構(gòu)十分緊湊。 因此方案確定機械手采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動形式為液壓驅(qū)動方式。 ⑶、運動學(xué)仿真 運動學(xué)分析的是機械構(gòu)件之間的運動軌跡及受外力所產(chǎn)生外力的變化。一般分析速度、力、力矩等宏觀力。運動學(xué)是考慮結(jié)構(gòu)在正常工況下有沒有干涉運動，和質(zhì)量，外力沒有關(guān)系，注意：外力不會影響系統(tǒng)的自由度。運動學(xué)仿真包括位置，速度，加速度仿真[15]。 機械手的運動仿真實現(xiàn)：COSMOSMotion 插件是一個集成在 Solidworks中的運動分析和仿真模塊，其操作簡單，容易掌握，給工程師們設(shè)計分析帶來了巨大的便利。COSMOSMotion 可以對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行完整的運動學(xué)仿真和動態(tài)靜力學(xué)分析。若將其仿真得到的大量機械系統(tǒng)運動及動力學(xué)參數(shù) (諸如每個零部件的約束力曲線、加速度曲線、系統(tǒng)平衡力矩曲線等)，運用Excel 電子表格進行處理就可以建立起機械系統(tǒng)的動力學(xué)模型，求解出機械系統(tǒng)在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)階段的真實運動規(guī)律。用 Solidworks 對零件進行三維造型、裝配，然后轉(zhuǎn)到 COSMOSMotion，裝配約束將自動轉(zhuǎn)化為仿真模型的約束，添加必要的驅(qū)動力、工作阻力，建立仿真模型就可以模擬機械運行狀況，對機械進行動力與運動分析[16]。 ⒊本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 ⑴、研究重點及難點 研究重點是確定該機構(gòu)的設(shè)計方案和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計；機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。難點是完成機械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運動分析。 ⑵、前期已開展的工作 收集了大量國內(nèi)外文獻，了解了設(shè)計內(nèi)容的背景情況、主要內(nèi)容及研究意義，采用黑箱法，初步確定了設(shè)計方案。 ⒋完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫） 1—3周：調(diào)研并收集資料； 3—6周：確定該機構(gòu)的設(shè)計方案和整體結(jié)構(gòu)； 7—11周：完成該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算； 12—15周：完成機械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運動分析； 16-18周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。 參考文獻 [1]姚志良.工業(yè)機械手淺談(一).組合機床通訊.1977,1:57～62 [2]白丁.機械手. http://baike.so.com/doc/5338236.html，2013-03-12 [3]胡旭蘭.生產(chǎn)線組合機床自動上下料機械手.機械制造，2005，07：32～34 [4]cool1989415.機械手的應(yīng)用. http://wenku.baidu.com/view/ 1e240bed0975f46527 d 3e1b6.html, 2011-01-09 [5]Vicente Feliu,Emiliano Pereira.Passivity-based control of single-link flexible manipulators using a linear strain feedback.Mechanism and Machine Theory 71 (2014)191～208 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