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開題報告
題 目:專用機械手設計與工程分析
系 別
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
導 師
2010年 11 月 28 日
開題報告填寫要求
1.開題報告作為畢業(yè)設計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下,由學生在畢業(yè)設計(論文)工作前期內(nèi)完成。
2.開題報告內(nèi)容必須按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式(可從教務處網(wǎng)頁上下載)填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N),完成后應及時交給指導教師審閱。
3.開題報告字數(shù)應在1500字以上,參考文獻應不少于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標出文獻序號,“參考文獻”應按附件中《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數(shù)字書寫,例:“2008年11月26日”。
撰寫內(nèi)容要求(可加頁,小四號宋體,行距22磅):
1. 綜述(題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關研究情況)
題目背景:
機械手是模仿人手的部分動作,按照給定的程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或者操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率,可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣和放射性等惡劣環(huán)境中,它可以代替人進行正常的工作,意義更為重大。通過機械設計的設計,綜合訓練學生四年所學設計、分析和制造方面的綜合知識。
機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件(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)要求而有多種結構形式,如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構,使手部完成各種轉動(擺動)、移動和復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。
研究意義:
在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高,現(xiàn)代化加工車間,常配有機械手,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險的工作??墒菣C械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在加工機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里看出,裝卸、搬運等工序機械化的迫切性,工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序自動化而產(chǎn)生的。
國內(nèi)外情況:
目前在我國機械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序;機械手加工行業(yè)中用于取料、送料;澆注行業(yè)中用于提取高溫爐液等。
目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第二代機械手正在加緊研制。它設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,能把感覺到的信息反饋,使機械手具有感覺機能。
國外也出現(xiàn)了第三代機械手,它能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算
機和電視設備保持聯(lián)系。
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
主要內(nèi)容:
題目內(nèi)容主要包括三個方面,專用機械手設計,建模和工程分析:
A. 在設計方面要求依據(jù)設計參數(shù),設計生產(chǎn)線專用機械手的方案,結構。
B.在建模方面要求建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。
C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件,分析機械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。
D. 運動分析方面要求提取六自由度機械手手指的速度,加速度,特性。并輸出運動規(guī)律曲線 。
E. 整個機械臂安裝在一個回轉支座上,回轉角度范圍為360度;大臂可做升降運動;小臂相對于大臂可擺動,擺動范圍為60-120度;小臂末端的手腕也可以擺動,擺動范圍為-60度到+60度;手腕的末端安裝一機械手,機械手具有開閉能力,用于直徑30-45mm工件的抓取,工件長度350mm,重量8kg。
研究方案:
1. 驅動系統(tǒng)的選擇。工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動使各部件動作的機構,對工業(yè)機器人的性能和功能影響很大。它為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力,并驅動其動作。工業(yè)機器人驅動方式主要有機械、液壓、電動、氣動四種。這四種方式各自都有自己不同的特點。在實際應用中,工業(yè)機器人還有可能用到組合的驅動方式,或者在一個機器人的不同關節(jié)部位,可采用不同的驅動方式。不過總的來說,到底選用那種驅動主要取決于機器人的工作情況。
2. 機械手的設計方案。a.手爪的開合方式:滑槽杠桿式回轉型、雙支點連桿杠桿式、齒輪齒條杠桿式、手爪平行開閉式;b.手爪開合的驅動方式:氣壓驅動、液壓驅動、電機驅動;c.手臂的擺動:利用步進電機驅動和直齒輪傳動來實現(xiàn)手臂的擺動;e機械手臂的轉動:利用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動。
研究方法或措施:
1. 驅動系統(tǒng)的選擇。四種驅動方式的對比:
機械傳動
電機驅動
氣壓傳動
液壓傳動
內(nèi)容
異步電機,直流電機
步進或伺服電機
輸
力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小,輸出力
矩小,如需輸出力矩較大,結構尺寸過大
液體壓力高,可以獲得較大的輸出力
控制性能
速度可高,速度和加速度均由機構控制,定位精度高,可與主機嚴格同步
控制性能較差,慣性大,步易精確定位
控制性能好,可精確定位,但控制系統(tǒng)復雜
可高速,氣體壓縮性大,精確定位較困難,低速步易控制
油液壓縮性小,壓力流量均容易控制,可無級調(diào)速,反應靈敏,可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當自由度多時,機構復雜,體積液較大
要油減速裝置,體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復雜
維修簡單,能在高溫,粉塵等惡劣環(huán)境種使用,泄漏影響小
維修方便,液體對溫度變化敏感,油液泄漏易著火
應用范圍
適用于自由度少的專用機械手,高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有,特別時重型機械手多用
成本
結構簡單,成本低
成本低
成本較高
結構簡單,能源方便,成本低
液壓元件成本較高,油路也較復雜
由上表可知,氣壓傳動雖然輸出力矩較小,但同時他具有控制簡單和成本低的突出優(yōu)點。結合以上三種原理方案的特點進行綜合比較,決定采用第3種方案進行本次設計。根據(jù)所要設計機器人的特點,夾取工件的重量較小。對于手爪的開合,采用氣壓驅動,機械手臂的轉動采用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn),手臂的擺動采用步進電機驅動和直齒輪傳動來實現(xiàn),這樣可以使機器人的占地面積較小,還可以得到較高的回轉精度。
2.機械手的設計方案。
方案1:采用齒輪齒條杠桿式手部,手爪開合采用液壓驅動;手臂的擺動采用異步電機(大臂和小臂);機械手臂的轉動采用電機驅動,傳動機構采用齒輪機構。
該方案的特點是:布置結構較大,質量較重,不過腰部和臂部電機驅動輸出力,得到比較大的直線運動力和回轉運動力。
方案2:采用滑槽杠桿式手部,手爪開合采用氣壓驅動;手臂的擺動采用液壓驅動;手臂的轉動采用步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。
該方案的特點是:整體選用氣壓驅動結構,節(jié)省成本,對環(huán)境無污染。步進電機驅動可以得到精確的回轉角度。但是考慮到工作場合是在高溫條件下不適合采用油控裝置。
方案3:采用平行開閉式機械手,氣壓驅動;手臂擺動選用齒輪傳動,電機驅動。手臂的轉動也采用步進電機驅動與錐齒輪傳動。
該方案的特點是:在整體中采用了兩各種不同的驅動,本著發(fā)揮每種驅動的優(yōu)點去設計。但是該方案要求的控制系統(tǒng)比較精確復,能夠達到機器手的運動要求,整體質量也較為輕,機構簡單。
3. 本課題研究的重點及難點,前期已開展工作
課題重點:
為了抓取空間中任意位置和方位的物體,需要六個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多,機械手的靈活性越大,通用性越廣,其結構也越復雜。
課題難點:
機械手的定位方式。機械擋塊的定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經(jīng)減速運行到終點時,緊靠擋塊而定位。
機械手的轉動功能。本課題的機械手轉動功能的實現(xiàn)是由步進電機驅動和錐齒輪傳動來實現(xiàn)。
前期已開展工作:
調(diào)研和收集資料,熟悉Mastercam等機械手設計的相關軟件,學習運用Mastercam
進行模具設計;調(diào)查有關的機械手的設計,學習別人的設計思路,為自己設計的展開做好準備。
4. 完成本課題的工作方案及進度計劃(按周次填寫)
第1周:收集資料,借閱參考書,下載相關英文文獻。
第2~8周:要求依據(jù)設計參數(shù),設計生產(chǎn)線專用機械手的方案,結構。選擇驅動電機。
第8~14周:建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進行工程簡化。
第14~16周:要求合理確定約束條件,分析機械手在生產(chǎn)中的變形量并對強度進行校核。
第16~18周:分析結論撰寫論文。
5 指導教師意見(對課題的深度、廣度及工作量的意見)
指導教師: 年 月 日
6 所在系審查意見:
系主管領導: 年 月 日
注:1. 正文:宋體小四號字,行距22磅。
2. 開題報告由各系集中歸檔保存。
參考文獻
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