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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 班 級(jí)： 機(jī)設(shè)10-4班 姓 名： 范祥明 學(xué) 號(hào)： 2010022521 指導(dǎo)教師： 趙存友 教師職稱： 副教授 黑龍江科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手設(shè)計(jì) 來源 工程實(shí)際 1、 研究目的和意義 機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要方面。是近40年來發(fā)展起來的一門交叉性學(xué)科，它涉及電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、機(jī)械學(xué)、仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人與其它設(shè)備組成的生產(chǎn)線極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)率、提高和穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量、大大縮短了產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展已使傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了根本性變化，使人類的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)、機(jī)械化、自動(dòng)化、跨入智能化的新時(shí)代。機(jī)器人不僅在工業(yè)上應(yīng)用愈來愈廣，而且正在社會(huì)服務(wù)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下礦藏、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事等領(lǐng)域開拓新應(yīng)用，以代替人在其無法適應(yīng)的特殊環(huán)境下工作，這將極大地?cái)U(kuò)展人類生產(chǎn)和活動(dòng)的范圍，大大提高人類創(chuàng)造性勞動(dòng)的能力。在某種程度上機(jī)器人水平的高低能反映一個(gè)國家的綜合國力和科技水平的發(fā)展。 該機(jī)械手應(yīng)用于生產(chǎn)線上代替工人工作，它把工人從復(fù)雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領(lǐng)域重要的生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備，也是一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，同時(shí)可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。 本課題要求學(xué)生根據(jù)裝卸搬運(yùn)的生產(chǎn)需要，完成通用機(jī)械手回轉(zhuǎn)與升降功能部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論進(jìn)行一般機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合能力。 2、國內(nèi)外發(fā)展情況(文獻(xiàn)綜述) 工業(yè)機(jī)器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在對(duì)工業(yè)機(jī)器人所下的定義是“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，以執(zhí)行種種任務(wù)”[1]。 在教育領(lǐng)域，許多院校已在學(xué)生中開設(shè)了機(jī)器人學(xué)方面的有關(guān)課程，但與世界先進(jìn)國家相比，我們?cè)谡J(rèn)識(shí)和投入等方面均存在不足。而教學(xué)機(jī)器人作為機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)教育的教學(xué)工具，對(duì)人才培養(yǎng)和高新技術(shù)的推廣應(yīng)用有著重要的意義。 如今教學(xué)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大專院校的課程與試驗(yàn)中，它可以再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的工作原理和過程，讓人們對(duì)機(jī)器人有直觀的理解，在學(xué)生的學(xué)習(xí)中起到了很大的作用，所以深得學(xué)生和老師的青睞。目前，國內(nèi)已有部分高校研制開發(fā)了較為成型的機(jī)器人教學(xué)研究設(shè)備，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等。另外還有許多高校也正投入到相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作中，相信不久會(huì)有更多相應(yīng)產(chǎn)品的問世[2-7]。 隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人類在許多方面都取得了重大的進(jìn)展。機(jī)器人技術(shù)作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀(jì)60年代初問世以來，經(jīng)歷了短短的40年，已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機(jī)器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務(wù)、娛樂等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透。據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)去年關(guān)于世界機(jī)器人的報(bào)告，僅2003年新投入使用的機(jī)器人接近10萬個(gè)，使世界目前使用的機(jī)器人總數(shù)超過75萬。世界使用機(jī)器人最多的國家是日本，約38.9萬；其次為德國(9.1萬)、美國(9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3萬)和英國(1.2萬)，并且報(bào)告估計(jì)2004年，全世界使用的機(jī)器人總數(shù)將超過100萬。 我國的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的歷史已經(jīng)有20多年，從“七五”科技攻關(guān)開始，正式列入國家計(jì)劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)不僅在機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，而且在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面，己經(jīng)陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配和搬運(yùn)等不同用途、典型的工業(yè)機(jī)器人整機(jī)技術(shù)，并成功的應(yīng)用于生產(chǎn)，掌握了相關(guān)的應(yīng)用工程知識(shí)。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有4000臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中僅有1/5是國產(chǎn)的，其余的則是從40多個(gè)國外廠商進(jìn)口的機(jī)器人?？傊?，各種各樣機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類走向文明和發(fā)展的一個(gè)巨大進(jìn)步和標(biāo)志，在未來社會(huì)中，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和發(fā)展是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。相信在不遠(yuǎn)的將來機(jī)器人技術(shù)將一定能夠?yàn)槿祟悗砀嗟姆奖悖瑸槿祟惖奈拿骱桶l(fā)展帶來更大的機(jī)會(huì)[8]。 3、 研究/設(shè)計(jì)的目標(biāo) 在設(shè)計(jì)的過程中完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)所給定紗錠：內(nèi)孔110mm、外徑180mm、高120mm轉(zhuǎn)腰機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)角范圍90o，時(shí)間4秒的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、抓取靈活的機(jī)械手，使其與機(jī)器人總體相協(xié)調(diào)，成為有機(jī)整體，并能夠應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。 4、 設(shè)計(jì)方案（研究/設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等） 根據(jù)紗錠搬運(yùn)生產(chǎn)線的要求，用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂在水平面上的旋轉(zhuǎn)和支撐整個(gè)手臂。完成手臂在兩生產(chǎn)線間的移動(dòng)，完成三爪對(duì)紗錠的搬運(yùn)。 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是氣壓缸構(gòu)來控制。 三爪：用四桿機(jī)構(gòu)來控制，兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)用氣壓機(jī)來控制，來分別實(shí)現(xiàn)對(duì)紗錠的搬運(yùn)。 方案一（如圖1）所示，是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其特點(diǎn)是，抓重可達(dá)幾百公斤，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便，容易把紗錠污染。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖1 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 方案二（如圖2）所示，是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 1-氣壓缸；2-氣壓缸；3-氣壓缸 圖2 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 方案三（如圖3）所示，是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，抓住重負(fù)載是容產(chǎn)生滑動(dòng)，還容易把紗錠污染，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，而且其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護(hù)不方便。 1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸 圖3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 綜上所述，由于搬運(yùn)的是紗錠，紗錠怕污染，質(zhì)量也比較輕，而液壓容易漏油把紗錠污染，所以選擇方案2氣壓傳動(dòng)的方式。 5、 方案的可行性分析 本次紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手的設(shè)計(jì)采用了氣壓缸的設(shè)計(jì)。介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的操作簡單，適用于高速、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。利用氣壓缸來控制三爪機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)，三爪機(jī)械手下行，氣壓缸把三爪機(jī)械手合攏，到達(dá)搬運(yùn)的紗錠時(shí)，氣壓缸再把三爪張開，再利用2號(hào)氣壓缸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)將其搬運(yùn)的紗錠旋轉(zhuǎn)90度，1.3號(hào)氣壓缸在運(yùn)動(dòng)，將其紗錠卸載，2號(hào)氣缸再帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)回到初始位置，一次搬運(yùn)完成，重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)即可完成對(duì)紗錠搬運(yùn)。 6、 該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處 這種創(chuàng)新提高了生產(chǎn)率，降低了成本；使其發(fā)揮更大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等。由于本課題研究的三抓機(jī)械手的額定負(fù)載較小，體積和重量均要求較小，且結(jié)構(gòu)簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實(shí)現(xiàn)對(duì)紗錠的搬運(yùn)，而且可以采用簡易的開關(guān)來控制。 7、 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要用途和應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬運(yùn)、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)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，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的快速轉(zhuǎn)移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品在不同生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的搬運(yùn),完成不同的工序的生產(chǎn)線搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。 8、 時(shí)間進(jìn)程 第一周 收集資料、熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容 第二周 了解紗錠搬運(yùn)機(jī)器人三爪機(jī)械手的作用和結(jié)構(gòu) 第三周 通過去哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)，進(jìn)一步對(duì)執(zhí)行元件和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有所了解 第四周 寫開題報(bào)告及相關(guān)的實(shí)習(xí)總結(jié)和實(shí)習(xí)日記，對(duì)資料進(jìn)行整理 第五周 通過資料確定設(shè)計(jì)方案及原理 第六周 對(duì)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算 第七周 對(duì)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算 第八周 進(jìn)行CAD草圖設(shè)計(jì) 第九周 正式CAD繪圖 第九十周 CAD繪圖并進(jìn)行相關(guān)修改 第十一周 進(jìn)行零件圖設(shè)計(jì) 第十二周 整理說明書及圖紙 第十三周 對(duì)整體檢查,對(duì)說明書及圖紙進(jìn)行反復(fù)修改 第十四周 準(zhǔn)備最終說明書、圖紙 第十五周 畢業(yè)答辯 9參考文獻(xiàn) [1]張建民.工業(yè)機(jī)械人[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1992. 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