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曲轴加工上下料机械手设计开题报告

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曲轴加工上下料机械手设计开题报告               
一、    文献综述:(要求查阅参考文献30篇以上,其中至少10篇外文参考文献,写出不少于4000字的书面报告)
1、前言
现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面,原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下,美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现,这就是所谓的示教再现机器人,现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似,但外形特征迥异,主要由类似人的手和手臂组成。
1965年,MIT的Roberts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。1967年日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会),同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后,机器人的研究得到迅速广泛的普及。1973年,辛辛那提•米拉克隆公司的理查德•豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人,它是液压驱动的,能提升的有效负载达45公斤。到了1980年,工业机器人才真正在日本普及,故称该年为“机器人元年”。随后,工业机器人在日本得到了巨大发展,日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称。
2、工业机器人分类
工业机器人自 60 年代初问世以来,经过 40 多年的发展,现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,正式投入使用的绝大部分是第一代机器人,即程序控制机器人,这代机器人基本上采用点位控制系统,没有感觉外界环境信息的感觉器官,主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机器人具有感觉器官,仍然以程序控制为基础,但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机器人通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在,第三代机器人正在第一、第二代机器人的基础上蓬勃发展起来,它是能感知外界环境与对象物,并具有对复杂信息进行准确处理,对自己行为做出自主决策能力的智能化机器人。它能识别景物,具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉,能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作,具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。在机器人前沿技术方面出现了:仿人型机器人、微型机器人和微操作系统(如细小工业管道机器人移动探测系统、微型飞行器等)、机器人化机器、智能机器人(不仅可以进行事先设定的动作,还可按照工作状况相应地进行动作,如回避障碍物的移动,作业顺序的规划,有效的动态学习等)。
3、工业机器人技术两个发展方向
(1)实现生产技术的机器人化
由于固定程序型机械手在可靠性、速度、价格等方面具有十分突出的优越性,现有绝大多数机器人都是可编程序控制的机器人。工业机器人的应用使程控自动化系统由单机自动化发展为工段以至车间自动化。这时,自动化过程不仅包括加工制造,而且包括装卸、运输、测量、装配和检验工作任务。这些任务,已逐渐由各种机器人来执行。随着机器人技术的进一步发展,自动化正向着组合柔性自动化方向发展,它包括利用机器人实现自动规划、自动设计、自动制造和自动管理等综合过程,这就是生产过程的机器人化。
(2)开发智能机器人
许多国家已大力从事智能机器人的研究。对它的研究是以出现交互式机器人为标志的。这种机器人采用各种传感器以及其它最先进的技术,即有感觉熟悉环境和自主控制等能力,并与环境产生交互作用。随着相关学科的发展及取得突破性研究进展,目前的技术难题将逐步得到解决,高速、高精度、智能化、轻型化,将是今后发展的目标。机器人是典型的机电一体化装置,它综合运用了机械与精密机械、微电子与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果,随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高,机器人技术得到了迅速发展,出现了各种各样的机器人产品。机器人产品的实用化,既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题,又促进了工业自动化的进程。目前,由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术,系统结构复杂,开发和研制的成本普遍较高,在某种程度上限制了该项技术的广泛应用,因此,研制经济型、实用化、高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。
4、国内外工业机器人的发展现状
    机器人学是一门迅速发展的前沿学科。其特点之一是综合、交叉,涉及的领域广泛;另一特点是发展迅速、日新月异,尚待研究的问题层出不穷。机器人是典型的机电一体化装置,它综合运用了机械与精密机械、微电子与计将加速产品化的进程;改善工人的劳动环境,降低了工人的劳动强度;大大提高了劳动生产率。
国际上,在机器人的研究与开发领域,美国是世界上领先的国家之一,它的机器人开发重点为:三维空间视觉系统、手臂操作语言化、视觉传感器及其系统、情景视觉解析、机器人程序设计语言、大规模集成电路的微电脑设计等。但是,美国人把机器人研究作为研究人工智能的载体,看成是计算机科学的一部分,即单纯地从技术上模仿人的某些功能来研究智能机器人。由于人工智能及其它智能技术的发展远远落后于人们的希望,致使其大部分研究成果未能走出实验室,从而使其生产的机器人在市场上缺乏竞争力,日本在引进美国机器人的基础上,面向市场对其进行技术改进,从而后来居上,在年产量及装机总量上迅速超过美国而跃居世界首位。
在国内,工业机械手在二十世纪五十年代就已用于生产。它是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置。开始只是用于自动上下料和搬运工件,完成单机自动化和生产线自动化。随着应用范围不断扩大,现已用来操持工件和完成一定作业。实践证明:工业机械手可以代替人手的繁重工作,减轻工人的劳动强度,改善劳动条件,提高劳动生产率。
目前我国研制使用的工业机械手大多数是属于专业机械手,仅有少量的通用机械手,由于通用机械手改变工作程序较方便,特别适用于多品种,小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有二十来年的历史。这些装置在国外得到相当重视,到七十年代,其品种和数量都有很大发展,并且研制出具有各种感觉器官的工业机器人。我国在50年代开始搞固定动作机械手(行程开关控制),60年代开始搞数控机械手,70年代末开始搞机器人。目前,工业机器人与智能机器人己进入我国七五、八五科技发展计划及863高技术规划,受到各方而越来越多的重视。
21世纪将是人类开发资源由陆地转向海洋和空间的时代,无论是开发海洋,还是建立空间工业,由于海洋与空间都不适宜于人类的生存,适应这种需求,发展各种机器人将是一个可选择的途径,这将大大促进机器人的发展。毫无疑问,机器人已成为当代高技术注目的一项重要内容,机器人作为新一代的生产工具,能够代替人完成人力所不及或人所不适宜的工作。随着机器人在各个领域的应用,对机器人的综合性能提出了更高的要求,专业化更强,实用性更高,经济性要求也已经摆到了人们的面前。因此,结构简单、操作方便、能满足功能要求又具有一定的可靠性的微型机器人或者说功能专一的机械手需求量越来越大,我国在这一领域与世界发达国家相比存在比较大的差距。
5、研究内容及意义
本文准备做曲轴加工上下料机械手设计。这种机械手既综合了普通机械手的技术又具有针对曲轴的性状特点,还能充分发挥液压控制的特点,本文将从上下料机械手整体结构、传动系统和控制系统等几个方面着手,希望做出一套经济型设计方案,具体而言:
1、整体结构形式。将对手部、腕部、臂部和机身等机械手的主要部件进行设计计
算和校核计算,并通过计算所得的数据设计出各个机构具体的形式和尺寸,确定各个活塞缸的直径和活塞杆的直径。
(1) 手部  直接接触工件的部分,采用双手夹钳两指式手部来夹紧工件。
     (2) 腕部  连接手部与手臂,用来调整手部夹取工件的方位,它包括上下摆动和绕自身轴线转动两个自由度。
     (3) 手臂  连接手腕与机身的部分,在轴线方向上伸缩。
    (4) 机身  固定整个机械手,可以绕自身转动和伸缩两个自由度。
2、传动装置。其作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构,
以实现各种必要的运动,在传动方式上采用结构紧凑的活塞杆传动。曲轴加工上下料机械手的动力源主要采用液压系统,本文将对传动系统、液压元件、减速缓冲回路等的方案进行论证及设计,目的是实现机械手供油系统的最优化。
3、控制系统。根据物料抓取机械手的结构和功能上的要求,将控制系统选用可编
程控制器。为了实现动作循环,控制部分将采用PLC控制,用以完成一个动作的循环。该机械手在PLC控制下可以实现手动、连续动作两种工作方式。
4、在完成机械结构和驱动系统设计的基础上,运用运动学和动力学对物料抓取机
械手进行分析。
本次设计的目的就是要设计一种为曲轴上下料机械手,把工人从重复劳动中解放出来。

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二、选题报告:
选题的目的和意义:
本次设计主要打算解决在曲轴加工中上下料效率较低的问题。同时,曲轴加工上下料机械手设计的意义在于它具有非常强的实际针对性,对物料抓取机械手成品机的产业化研究有直接的指导作用。机械手结构合理,性能完善,将有效提高工业生产效率。工业机器人及其应用技术是现代工业自动化发展的一个重要分支,作为多学科融合的边沿科学,机器人技术是当今高技术发展最快的领域之一。随着机构学、微电子技术、控制理论、计算机技术、人工智能的研究取得突破性进展,必将对机器人技术的研究及应用产生深远的影响,特别是生物技术、医学在感觉及大脑神经研究所取得的重大成果,为未来高度智能化机器人的诞生打下了坚实的基础。
当然,曲轴加工上下料机械手设计还可以提高劳动效率。在现代工业生产自动化领域里,材料的搬运、机床的上下料、整机的装配等实现自动化是十分必要的。在机械工业部门这些工序的费用占全部加工费用三分之一以上,而且绝大多数的事故都发生在这些工序,自动上下料装置和工业机械手就是为实现这些工序的自动化而设计和采用。自动上下料装置使散乱的中小型工件毛胚,经过定向机构实现定向排列,然后顺次地由上下料机构把它送到机床或工作位置去,并把工件取走。如工件较大、形状较复杂,很难进行自动定向,则往往用人工定向后,再由上下料机构送到工作地点去。在成批大量生产中,尤其要求在生产率很高、机动工时很短的情况下,上下料是一项重复而繁重的工作。为了提高生产率,减轻体力劳动,保证安全生产,采用自动上下料装置是行之有效的方法。
还有,曲轴加工上下料机械手设计可以避免事故。长时间从事单调简单重复劳动的人,总会感到疲劳或是厌倦,容易发生事故危险,特别是在高危险有害的条件下工作对人体的危害更大,但机械手的研究发展和应用把人类从繁重单调和危险的工作中解放出来,特别是机械手只要根据其工作环境进行合理的设计,选择适当的材料和结构就可以在有粉尘,噪声,有害气体,高温或者低温等异常条件下工作,特别是在搬运物品的工作中得以有巨大的前景。机械手是对人手的延伸,并能扩大人手的工作范围,而且其动作精确,可不间断的重复劳动,可以在保证工作的质量的同时避免人为的失误。

主要研究内容:
本论文将要研究的是曲轴加工上下料机械手的设计,出于对曲轴形状和重量的考虑,将采用双手部的结构来约束曲轴,虽然这样的手部结构比较简单,但保证了在曲轴上下料时工件不出现摆动;采用上下摆动和绕轴回转两个自由度的腕部来调整手部在空间的位置,使上下料时曲轴的位置更加精确,从而保证了曲轴上下料的操作精度,提高生产效率;臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支撑手部和腕部,主要用来改变工件的位置,将采用双导向杆导向,使传动平稳且能承受较大的力,在活塞杆的内部钻孔穿入伸缩油管为腕部和手部供油,使臂部的结构更加简单;将整个手臂安装在具有回转和升降功能的机身上。在设计过程中,还将合理运用导杆机构,使整个机身的升降能够更加平稳。在液压系统设计中,还打算设计一个较为简单的液压传动系统,为了保证手部开合的同步性,计划在手部供油的油路中采用分流阀。机械手的控制系统将采用PLC控制,实现该设备的自动化控制,也会使整个设备的加工效率得到大大的提高。另外,整个设备的占地面积不是很大,充分利用了空间,较为合理的完成了各部分的布置。

实验方案设计:
完成各种基本构件的模型设计,选择合理的机构方案,在图纸上画出曲轴加工上下料机械手的机构运动方案简图以及运动循环图。
1)  通过对《机械原理》课程的学习,了解一些常见传动机构的模型,通过一定的研究与创新,设计出比较优化的曲轴加工上下料机械手中个系统构件的模型方案。
2) 利用相关的软件有Solidwork ,AUTOCAD等有关软件完成各系统构件的模型设计。

论文进度安排及预期达到的研究结果:

2. 预期达到的研究结果:
该设计旨在解决在曲轴加工中上下料效率较低的问题。所以,在整个机构的设计过程中,将充分考虑到设计的主题,整个系统的各部分设计都尽量围绕这个目标来进行,力争提高曲轴加工中上下料机械手的工作效率。