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1、毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告题目：压力机模锻出模机械手设计题目：压力机模锻出模机械手设计1.1.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）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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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。2.2.主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方
12、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：90 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
13、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
14、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
15、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。以实现转动四种型式机械手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：90，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
