開題報(bào)告-天花機(jī)裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì)

杭州電子科技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 開 題 報(bào) 告 題 目 天花機(jī)裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 白祥雨 班 級(jí) 10010114 學(xué) 號(hào) 10011402 指導(dǎo)教師 孫魯涌 一綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 1.1 機(jī)械手的發(fā)展歷程 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展歷史并不算很長，首先是美國開始研究的， 1954 年美國英格伯特和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)樣機(jī)，機(jī)械手的歷史才正式開始 . 1963 年美國機(jī)械鑄 造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Versa 機(jī)械手該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)示教再現(xiàn)，是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ) 1。 德國機(jī)器制造業(yè)是從 1971 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè) 。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家，自從 1969 年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力開始了機(jī)械手的研究，使用機(jī)械手最多的是現(xiàn)代化生產(chǎn)成都很高的汽車工業(yè)，也為后來日本汽車工業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn) 2 。 前蘇聯(lián)上世紀(jì) 60 年代開始發(fā)展 研究機(jī)械手，到 80 年代后期應(yīng)用的機(jī)械手近半都是國產(chǎn)的，多數(shù)用于自動(dòng)化程度低、工作環(huán)境惡劣的工作。 國內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展始于上世紀(jì) 70 年代初期，當(dāng)時(shí)，工人在車間沖壓作業(yè)時(shí)生產(chǎn)節(jié)拍過快，又缺乏保護(hù)措施，手指經(jīng)常被切斷，工廠的技術(shù)人員就自發(fā)地研發(fā)機(jī)械手，比如天津鍛壓機(jī)械廠研制的鍛件上下料機(jī)械手是我國最早的第一批工業(yè)機(jī)械手 3。 80 年代中期，我國機(jī)械手的研發(fā)單位已有 200 多家，由于研究的水平較低，全國尚無一臺(tái)機(jī)械手產(chǎn)品問世，直到上世紀(jì) 80 年代中期，“工業(yè)機(jī)器人”被列為國家“七五”科技攻關(guān)計(jì)劃研究重點(diǎn) ，目標(biāo)放在搬運(yùn)機(jī)械手、噴涂機(jī)械手和焊接機(jī)械手的開發(fā)研究等方面。 41990 年，工業(yè)噴涂機(jī)械手 PJ-1 完成，這是我國第一臺(tái)噴涂機(jī)械手，其性能達(dá)到 80 年代中期國外同類產(chǎn)品水平。 現(xiàn)在已經(jīng)掌握了機(jī)械手操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)、控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。但總體來看，國內(nèi)機(jī)械手的研究水平與國外還有一定的差距，可靠性和精度都比國外的差。 近幾年，沈陽新松機(jī)器人有線公司自主研發(fā)的工業(yè)機(jī)械手，其產(chǎn)品覆蓋國家 863計(jì)劃項(xiàng)目 165 公斤點(diǎn)焊機(jī)械手和 6 公斤弧焊機(jī)械手等多種型號(hào)。第一代機(jī)械手，結(jié)構(gòu)和控制都比較簡 單，主要采用開環(huán)控制。隨著科技的不斷進(jìn)步，第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，例如各部位安裝有各種觸覺傳感器的觸覺機(jī)械手，使機(jī)械手具有與人一樣的感覺技能，還有安裝了 CCD 系統(tǒng)的視覺機(jī)械手，具有自動(dòng)識(shí)別功能。 1.2 機(jī)械手的廣泛應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)中，各行各業(yè)的生產(chǎn)需要的高科技越來越多，對(duì)運(yùn)動(dòng)靈活的現(xiàn)代化機(jī)械手的需求也越來越多，逐步取代人工完成高難度和復(fù)雜的工作。目前在中國機(jī)械手常用于自動(dòng)噴涂作業(yè)和排爆等惡劣或者具有核輻射的地方。 工業(yè)機(jī)械手，因集自動(dòng)化和靈活性特點(diǎn)與一身，所以轎車生產(chǎn)企業(yè) 近年來大規(guī)模的使用了機(jī)械手。在焊接方面，主要使用的是弧焊機(jī)械手，汽車生產(chǎn)企業(yè)非常重視焊接的自動(dòng)化，如長春一汽引進(jìn)的車身焊裝車間生產(chǎn)線的自動(dòng)化達(dá)到了 80%以上，各條生產(chǎn)線都有計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)完成工件的傳送和焊接。焊接有 R30 型極坐標(biāo)式機(jī)械手和 G60 肘節(jié)式機(jī)械手進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)有微機(jī)控制，動(dòng)作采用點(diǎn)到點(diǎn)的序步軌跡，具有很高的焊接自動(dòng)化水平，即改善了工作條件，又提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。 我國現(xiàn)在已是全球最大制造業(yè)國家，有世界工廠的稱號(hào)，但是很大程度都是國內(nèi)制造業(yè)當(dāng)中大量的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)供獻(xiàn)出來的。 5對(duì)于我 們而言，如今要想保持制造業(yè)主要國家地位，就必須開啟產(chǎn)業(yè)升級(jí)模式，推動(dòng)自動(dòng)化發(fā)展。這里就將進(jìn)一步帶動(dòng)機(jī)器人行業(yè)市場發(fā)展。 用自從 20 世紀(jì) 60 年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后， AGV 搬運(yùn)機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，經(jīng)過四十多年的發(fā)展， AGV 搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中， AGV 搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造 (沖壓、壓鑄、鍛造等 )、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。 還有 些模仿生物的機(jī)器人，腿式機(jī)器人受到生物學(xué)上的啟發(fā)，所以檢驗(yàn)一下生物學(xué)上成功的有腿系統(tǒng)是有益的。許多不同的腿的構(gòu)造已經(jīng)在各種各樣的生物體中成功地存在。大型動(dòng)物，如哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物有 4 條腿，而昆蟲有 6 條腿或更多。有些哺乳動(dòng)物，僅靠 2 條腿行走的能力已經(jīng)很完美。尤其是人類，平衡的能力已經(jīng)進(jìn)展到可以用單腿跳躍的水平。這種異常的機(jī)動(dòng)性是以很高的代價(jià)得來的：保持平衡的更復(fù)雜的主動(dòng)控制。 6 1.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢 機(jī)械機(jī)械手主要由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 （ 1） .運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由手部和臂部組成，臂部 的作用是引導(dǎo)手抓住工件，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)，改變物件的位姿，將工件放到準(zhǔn)確的位置。 （ 2） .驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由 4 種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電氣和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。采用液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)力大、自鎖方便。利用伸縮油缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用擺動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械手中應(yīng)用最為廣泛。 （ 3） .控制系統(tǒng)一般包含在一個(gè)控制柜中，包括主控板、顯示器等幾部分。機(jī)械手采用教再現(xiàn)控制，動(dòng)作復(fù)雜的采用數(shù)字控制系統(tǒng)。 7 機(jī)械手的發(fā)展趨勢離不開上述三種結(jié)構(gòu)，所以未來發(fā)展方向也是圍繞這三部分展開的?；谶\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面：由于當(dāng) 前工業(yè)機(jī)械手的生產(chǎn)獨(dú)身訂做的，品種數(shù)量少，通用程度低。而且只注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)忽略了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致穩(wěn)定性低下。發(fā)展方向是設(shè)計(jì)成通用機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，同時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高運(yùn)動(dòng)精度?；隍?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面：近年來伺服驅(qū)動(dòng)因其相應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用越來越廣泛。基于控制方面：具有觸覺和視覺反饋的多傳感器智能控制機(jī)械手是研究的熱點(diǎn)，在機(jī)械手上安裝觸覺和視覺反饋控制裝置，它能夠辨別物體的形狀，自動(dòng)選取需要的工件，自動(dòng)控制抓力的大小，精確定位等等，以后將會(huì)向遠(yuǎn)程遙控方向延伸。 從機(jī) 械手的發(fā)展趨勢看，機(jī)械手不斷向智能化方向發(fā)展，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)械手的群體協(xié)調(diào)和集成控制，從而達(dá)到更高的工作效率和可靠安全性。 8 1.4 機(jī)器人（械手）動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是一門交叉學(xué)科，由多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人學(xué)組成，它的理論直接為機(jī)器人工程實(shí)踐服務(wù)，這幾年，由于機(jī)器人學(xué)、航天器控制、車輛設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的迫切需求，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)發(fā)展相當(dāng)迅速，并向深度和廣度開拓。 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)要解決的問題主要有兩個(gè)方面。一是，解決與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)相關(guān)的的動(dòng)力學(xué)計(jì)算問題，這除了需要建立一個(gè)合適的算法外，而且還特別要 求計(jì)算速度要快。二是，解決機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化和自動(dòng)化問題，如運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量、慣量等各種參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)元件的選擇等。第二個(gè)問題只是這幾年才提出來的，而且它引起了人們的廣泛注意。 9目前，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，如運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)各種參數(shù)以及執(zhí)行驅(qū)動(dòng)元件的選擇常常是基于經(jīng)驗(yàn)，而缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 因此，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，很多參數(shù)的選擇及電機(jī)功率的確定往往是過大的，這從能量耗損及操作速度的觀點(diǎn)看來不是最優(yōu)的。因此，研究對(duì)與機(jī)器人機(jī)構(gòu)最優(yōu)的準(zhǔn)則也是十分重要的。 目前，研究機(jī)器人剛體動(dòng)力學(xué)的主要方法是 使用計(jì)算機(jī)輔助方法建立和求解機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，亦即求解一組運(yùn)動(dòng)微分方程，把這樣的模型作為研究力學(xué)和模擬運(yùn)動(dòng)的有效工具 10。根據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)的特點(diǎn)，機(jī)器人機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)學(xué)上是一個(gè)多驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，也是一個(gè)多參數(shù)耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，描述其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的方程組勢必很復(fù)雜。要做很多的努力來推導(dǎo)這樣的方程組，而且產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性比較高，減少錯(cuò)誤的方法是把工作交由計(jì)算機(jī)完成。此外，這些機(jī)構(gòu)想要驅(qū)動(dòng)元件以及控制系統(tǒng)工作在一起，用來保證機(jī)構(gòu)可以朝目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)或進(jìn)行某一操作作業(yè)，這也需要用計(jì)算機(jī)建立的數(shù)學(xué)模型 來模擬研究可控運(yùn)動(dòng)和控制規(guī)律。 二 說明選題的依據(jù)和意義 1.天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。改善勞動(dòng)條件，保護(hù)人身安全。 2.用天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得到改善。 3.可以減輕人力，便于有節(jié)奏高效的生產(chǎn)。 4.通過運(yùn)用兩年來所學(xué)的機(jī)械 電氣 氣動(dòng) PLC.計(jì)算機(jī)等有關(guān)知識(shí)，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際問題需要確定設(shè)計(jì)方案，構(gòu)思機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成程序設(shè)計(jì)及調(diào)試。 5.通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，將使我掌握寫論文的 一般步驟及方法。同時(shí)也鍛煉了我在遇到困難時(shí)冷靜分析。獨(dú)立思考及解決問題的能力，而且培養(yǎng)了我和同學(xué)相互討論，相互學(xué)習(xí)的習(xí)慣。 三研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 完成天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)與分析，利用三維建模軟件SolidWorks 建立模型，對(duì)機(jī)械手抓取并搬運(yùn)天花機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析及運(yùn)動(dòng)仿真，作出整體完善的最佳方案。 天花機(jī)室內(nèi)機(jī)，尺寸 830mmx830mmx300mm，重量 40 公斤，四側(cè)帶安裝耳朵，可用于搬運(yùn)，來料約 109 臺(tái) /小時(shí)；紙底板，包裝時(shí)放在最底層，來料堆疊； 紙底托，兩片一起用于放置室內(nèi)機(jī)，來料堆疊； 以上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手放置：輸送帶上放紙底板，紙底板上對(duì)稱放置紙底托，天花機(jī)到位后，將其搬運(yùn)放置于紙底托上，以上均機(jī)械手完成。 四研究步驟、方法及措施 1.天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手升降結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)，和升降系統(tǒng)的動(dòng)力源的選?。姍C(jī)驅(qū)動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng) ) 2.天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)動(dòng)力源的選??； 3.天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 4.天花機(jī)搬運(yùn)機(jī)械手抓頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力源的選??； 5.各部分材料的選取； 6.按照設(shè)計(jì)尺寸用 Solidworks 對(duì)零件進(jìn)行三維實(shí)體建模； 7.依據(jù)分析結(jié)果，提出優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)零件的二維圖紙。 五研究工作進(jìn)度 序號(hào) 時(shí)間 內(nèi)容 1 2.1-2.7 翻譯外文，查閱有關(guān)資料，討論方案 2 2.8-2.12 確定方案，寫開題報(bào)告 3 2.13-2.24 設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制草圖 4 3.09-3.29 繪制 一半 裝配圖及零件圖 5 3.30-4.06 完成全部的圖紙 6 4.07-5.20 初步整理并檢查，撰寫論文 7 5.21-5.27 檢查論文 8 5.28-6.03 全面整理， 準(zhǔn)備答辯 六 參考文獻(xiàn)： 1陸祥生，楊秀連 .機(jī)械手理論及應(yīng)用 M.中國鐵道出版社， 1985 2胡琴琴 .起重機(jī) U 型臂折彎送料機(jī)械手的設(shè)計(jì)及仿真 D.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008.6.1. 3邢婷婷 .上下料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析與仿真 D.青島科技大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2012.4.19 4趙錫芳機(jī)器人動(dòng)力學(xué) M上海交通大學(xué)出版社 ,1992 5姜靖主編 .從機(jī)械手到服務(wù) 機(jī)器人 .今日科苑， 2009.11.8 6Roland Siegwart,IIIah R.Nourbakhsh, Introduction to Autonmous Mobile Robots, A Bradford book the MIT press Cambridge,Massachusetts London,England 2004. 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