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曲軸加工上下料機械手設計開題報告

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曲軸加工上下料機械手設計開題報告               
一、    文獻綜述:(要求查閱參考文獻30篇以上,其中至少10篇外文參考文獻,寫出不少于4000字的書面報告)
1、前言
現代機器人的研究始于20世紀中期,其技術背景是計算機和自動化的發展,以及原子能的開發利用。自1946年第一臺數字電子計算機問世以來,計算機取得了驚人的進步,向高速度、大容量、低價格的方向發展。大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的進展,其結果之一便是1952年數控機床的誕生。與數控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發奠定了基礎。
另一方面,原子能實驗室的惡劣環境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下,美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發了遙控機械手,1948年又開發了機械式的主從機械手。
1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念,并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節,利用人手對機器人進行動作示教,機器人能實現動作的記錄和再現,這就是所謂的示教再現機器人,現有的機器人差不多都采用這種控制方式。
機器人產品最早的實用機型(示教再現)是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業機器人的控制方式與數控機床大致相似,但外形特征迥異,主要由類似人的手和手臂組成。
1965年,MIT的Roberts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統。1967年日本成立了人工手研究會(現改名為仿生機構研究會),同年召開了日本首屆機器人學術會。1970年在美國召開了第一屆國際工業機器人學術會議。1970年以后,機器人的研究得到迅速廣泛的普及。1973年,辛辛那提•米拉克隆公司的理查德•豪恩制造了第一臺由小型計算機控制的工業機器人,它是液壓驅動的,能提升的有效負載達45公斤。到了1980年,工業機器人才真正在日本普及,故稱該年為“機器人元年”。隨后,工業機器人在日本得到了巨大發展,日本也因此而贏得了“機器人王國”的美稱。
2、工業機器人分類
工業機器人自 60 年代初問世以來,經過 40 多年的發展,現在已經成為制造業生產自動化中重要的機電設備。目前,正式投入使用的絕大部分是第一代機器人,即程序控制機器人,這代機器人基本上采用點位控制系統,沒有感覺外界環境信息的感覺器官,主要用于焊接、噴漆和上下料。第二代機器人具有感覺器官,仍然以程序控制為基礎,但可以根據外界環境信息對控制程序進行校正。這代機器人通常采用接觸傳感器一類的簡單傳感裝置和相應的適應性算法。現在,第三代機器人正在第一、第二代機器人的基礎上蓬勃發展起來,它是能感知外界環境與對象物,并具有對復雜信息進行準確處理,對自己行為做出自主決策能力的智能化機器人。它能識別景物,具有觸覺、視覺、力覺、聽覺、味覺等多種感覺,能實現搜索、追蹤、辨色識圖等多種仿生動作,具有專家知識、語音功能和自學能力等人工智能。在機器人前沿技術方面出現了:仿人型機器人、微型機器人和微操作系統(如細小工業管道機器人移動探測系統、微型飛行器等)、機器人化機器、智能機器人(不僅可以進行事先設定的動作,還可按照工作狀況相應地進行動作,如回避障礙物的移動,作業順序的規劃,有效的動態學習等)。
3、工業機器人技術兩個發展方向
(1)實現生產技術的機器人化
由于固定程序型機械手在可靠性、速度、價格等方面具有十分突出的優越性,現有絕大多數機器人都是可編程序控制的機器人。工業機器人的應用使程控自動化系統由單機自動化發展為工段以至車間自動化。這時,自動化過程不僅包括加工制造,而且包括裝卸、運輸、測量、裝配和檢驗工作任務。這些任務,已逐漸由各種機器人來執行。隨著機器人技術的進一步發展,自動化正向著組合柔性自動化方向發展,它包括利用機器人實現自動規劃、自動設計、自動制造和自動管理等綜合過程,這就是生產過程的機器人化。
(2)開發智能機器人
許多國家已大力從事智能機器人的研究。對它的研究是以出現交互式機器人為標志的。這種機器人采用各種傳感器以及其它最先進的技術,即有感覺熟悉環境和自主控制等能力,并與環境產生交互作用。隨著相關學科的發展及取得突破性研究進展,目前的技術難題將逐步得到解決,高速、高精度、智能化、輕型化,將是今后發展的目標。機器人是典型的機電一體化裝置,它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果,隨著經濟的發展和各行各業對自動化程度要求的提高,機器人技術得到了迅速發展,出現了各種各樣的機器人產品。機器人產品的實用化,既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題,又促進了工業自動化的進程。目前,由于機器人的研制和開發涉及多方面的技術,系統結構復雜,開發和研制的成本普遍較高,在某種程度上限制了該項技術的廣泛應用,因此,研制經濟型、實用化、高可靠性機器人系統具有廣泛的社會現實意義和經濟價值。
4、國內外工業機器人的發展現狀
    機器人學是一門迅速發展的前沿學科。其特點之一是綜合、交叉,涉及的領域廣泛;另一特點是發展迅速、日新月異,尚待研究的問題層出不窮。機器人是典型的機電一體化裝置,它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計將加速產品化的進程;改善工人的勞動環境,降低了工人的勞動強度;大大提高了勞動生產率。
國際上,在機器人的研究與開發領域,美國是世界上領先的國家之一,它的機器人開發重點為:三維空間視覺系統、手臂操作語言化、視覺傳感器及其系統、情景視覺解析、機器人程序設計語言、大規模集成電路的微電腦設計等。但是,美國人把機器人研究作為研究人工智能的載體,看成是計算機科學的一部分,即單純地從技術上模仿人的某些功能來研究智能機器人。由于人工智能及其它智能技術的發展遠遠落后于人們的希望,致使其大部分研究成果未能走出實驗室,從而使其生產的機器人在市場上缺乏競爭力,日本在引進美國機器人的基礎上,面向市場對其進行技術改進,從而后來居上,在年產量及裝機總量上迅速超過美國而躍居世界首位。
在國內,工業機械手在二十世紀五十年代就已用于生產。它是在自動上下料機構的基礎上發展起來的一種機械裝置。開始只是用于自動上下料和搬運工件,完成單機自動化和生產線自動化。隨著應用范圍不斷擴大,現已用來操持工件和完成一定作業。實踐證明:工業機械手可以代替人手的繁重工作,減輕工人的勞動強度,改善勞動條件,提高勞動生產率。
目前我國研制使用的工業機械手大多數是屬于專業機械手,僅有少量的通用機械手,由于通用機械手改變工作程序較方便,特別適用于多品種,小批量的生產。通用機械手在工業生產中的應用只有二十來年的歷史。這些裝置在國外得到相當重視,到七十年代,其品種和數量都有很大發展,并且研制出具有各種感覺器官的工業機器人。我國在50年代開始搞固定動作機械手(行程開關控制),60年代開始搞數控機械手,70年代末開始搞機器人。目前,工業機器人與智能機器人己進入我國七五、八五科技發展計劃及863高技術規劃,受到各方而越來越多的重視。
21世紀將是人類開發資源由陸地轉向海洋和空間的時代,無論是開發海洋,還是建立空間工業,由于海洋與空間都不適宜于人類的生存,適應這種需求,發展各種機器人將是一個可選擇的途徑,這將大大促進機器人的發展。毫無疑問,機器人已成為當代高技術注目的一項重要內容,機器人作為新一代的生產工具,能夠代替人完成人力所不及或人所不適宜的工作。隨著機器人在各個領域的應用,對機器人的綜合性能提出了更高的要求,專業化更強,實用性更高,經濟性要求也已經擺到了人們的面前。因此,結構簡單、操作方便、能滿足功能要求又具有一定的可靠性的微型機器人或者說功能專一的機械手需求量越來越大,我國在這一領域與世界發達國家相比存在比較大的差距。
5、研究內容及意義
本文準備做曲軸加工上下料機械手設計。這種機械手既綜合了普通機械手的技術又具有針對曲軸的性狀特點,還能充分發揮液壓控制的特點,本文將從上下料機械手整體結構、傳動系統和控制系統等幾個方面著手,希望做出一套經濟型設計方案,具體而言:
1、整體結構形式。將對手部、腕部、臂部和機身等機械手的主要部件進行設計計
算和校核計算,并通過計算所得的數據設計出各個機構具體的形式和尺寸,確定各個活塞缸的直徑和活塞桿的直徑。
(1) 手部  直接接觸工件的部分,采用雙手夾鉗兩指式手部來夾緊工件。
     (2) 腕部  連接手部與手臂,用來調整手部夾取工件的方位,它包括上下擺動和繞自身軸線轉動兩個自由度。
     (3) 手臂  連接手腕與機身的部分,在軸線方向上伸縮。
    (4) 機身  固定整個機械手,可以繞自身轉動和伸縮兩個自由度。
2、傳動裝置。其作用是將驅動元件的動力傳遞給機器人機械手相應的執行機構,
以實現各種必要的運動,在傳動方式上采用結構緊湊的活塞桿傳動。曲軸加工上下料機械手的動力源主要采用液壓系統,本文將對傳動系統、液壓元件、減速緩沖回路等的方案進行論證及設計,目的是實現機械手供油系統的最優化。
3、控制系統。根據物料抓取機械手的結構和功能上的要求,將控制系統選用可編
程控制器。為了實現動作循環,控制部分將采用PLC控制,用以完成一個動作的循環。該機械手在PLC控制下可以實現手動、連續動作兩種工作方式。
4、在完成機械結構和驅動系統設計的基礎上,運用運動學和動力學對物料抓取機
械手進行分析。
本次設計的目的就是要設計一種為曲軸上下料機械手,把工人從重復勞動中解放出來。

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二、選題報告:
選題的目的和意義:
本次設計主要打算解決在曲軸加工中上下料效率較低的問題。同時,曲軸加工上下料機械手設計的意義在于它具有非常強的實際針對性,對物料抓取機械手成品機的產業化研究有直接的指導作用。機械手結構合理,性能完善,將有效提高工業生產效率。工業機器人及其應用技術是現代工業自動化發展的一個重要分支,作為多學科融合的邊沿科學,機器人技術是當今高技術發展最快的領域之一。隨著機構學、微電子技術、控制理論、計算機技術、人工智能的研究取得突破性進展,必將對機器人技術的研究及應用產生深遠的影響,特別是生物技術、醫學在感覺及大腦神經研究所取得的重大成果,為未來高度智能化機器人的誕生打下了堅實的基礎。
當然,曲軸加工上下料機械手設計還可以提高勞動效率。在現代工業生產自動化領域里,材料的搬運、機床的上下料、整機的裝配等實現自動化是十分必要的。在機械工業部門這些工序的費用占全部加工費用三分之一以上,而且絕大多數的事故都發生在這些工序,自動上下料裝置和工業機械手就是為實現這些工序的自動化而設計和采用。自動上下料裝置使散亂的中小型工件毛胚,經過定向機構實現定向排列,然后順次地由上下料機構把它送到機床或工作位置去,并把工件取走。如工件較大、形狀較復雜,很難進行自動定向,則往往用人工定向后,再由上下料機構送到工作地點去。在成批大量生產中,尤其要求在生產率很高、機動工時很短的情況下,上下料是一項重復而繁重的工作。為了提高生產率,減輕體力勞動,保證安全生產,采用自動上下料裝置是行之有效的方法。
還有,曲軸加工上下料機械手設計可以避免事故。長時間從事單調簡單重復勞動的人,總會感到疲勞或是厭倦,容易發生事故危險,特別是在高危險有害的條件下工作對人體的危害更大,但機械手的研究發展和應用把人類從繁重單調和危險的工作中解放出來,特別是機械手只要根據其工作環境進行合理的設計,選擇適當的材料和結構就可以在有粉塵,噪聲,有害氣體,高溫或者低溫等異常條件下工作,特別是在搬運物品的工作中得以有巨大的前景。機械手是對人手的延伸,并能擴大人手的工作范圍,而且其動作精確,可不間斷的重復勞動,可以在保證工作的質量的同時避免人為的失誤。

主要研究內容:
本論文將要研究的是曲軸加工上下料機械手的設計,出于對曲軸形狀和重量的考慮,將采用雙手部的結構來約束曲軸,雖然這樣的手部結構比較簡單,但保證了在曲軸上下料時工件不出現擺動;采用上下擺動和繞軸回轉兩個自由度的腕部來調整手部在空間的位置,使上下料時曲軸的位置更加精確,從而保證了曲軸上下料的操作精度,提高生產效率;臂部是機械手的主要執行部件,其作用是支撐手部和腕部,主要用來改變工件的位置,將采用雙導向桿導向,使傳動平穩且能承受較大的力,在活塞桿的內部鉆孔穿入伸縮油管為腕部和手部供油,使臂部的結構更加簡單;將整個手臂安裝在具有回轉和升降功能的機身上。在設計過程中,還將合理運用導桿機構,使整個機身的升降能夠更加平穩。在液壓系統設計中,還打算設計一個較為簡單的液壓傳動系統,為了保證手部開合的同步性,計劃在手部供油的油路中采用分流閥。機械手的控制系統將采用PLC控制,實現該設備的自動化控制,也會使整個設備的加工效率得到大大的提高。另外,整個設備的占地面積不是很大,充分利用了空間,較為合理的完成了各部分的布置。

實驗方案設計:
完成各種基本構件的模型設計,選擇合理的機構方案,在圖紙上畫出曲軸加工上下料機械手的機構運動方案簡圖以及運動循環圖。
1)  通過對《機械原理》課程的學習,了解一些常見傳動機構的模型,通過一定的研究與創新,設計出比較優化的曲軸加工上下料機械手中個系統構件的模型方案。
2) 利用相關的軟件有Solidwork ,AUTOCAD等有關軟件完成各系統構件的模型設計。

論文進度安排及預期達到的研究結果:

2. 預期達到的研究結果:
該設計旨在解決在曲軸加工中上下料效率較低的問題。所以,在整個機構的設計過程中,將充分考慮到設計的主題,整個系統的各部分設計都盡量圍繞這個目標來進行,力爭提高曲軸加工中上下料機械手的工作效率。
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