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一、選題依據(jù) 1、論文（設(shè)計(jì)）題目 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì) 2、研究領(lǐng)域 三維設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，液壓傳動(dòng) 3、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12643-90)對(duì)機(jī)械手的定義：具有和人手臂相似的動(dòng)作功能， 可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。 機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 理論意義：其一，對(duì)于機(jī)器人的研制，尤其仿人機(jī)器人的研究應(yīng)用，必將對(duì)機(jī)器人行業(yè)起到積極的促進(jìn)作用；其二，仿人機(jī)械手的研發(fā)隸屬于制造業(yè)，其研制成功與推廣，可以增加就業(yè)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值；其三，其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以促進(jìn)制造業(yè)的信息化、自動(dòng)化和產(chǎn)品的智能化，提升產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值，從而促進(jìn)我國制造業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。 應(yīng)用價(jià)值：機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，國家在工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展，機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一種工具，對(duì)其技術(shù)的不斷突破也變得日趨重要。目前，機(jī)械手的種類大至可按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作代替人作業(yè)。 本課題研究的機(jī)械手主要用于立式精鍛機(jī)，針對(duì)軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前，要求機(jī)械手抓取工件時(shí)，滿足被握持的工件形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等要求。 4、目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 工業(yè)機(jī)械手的第一次迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應(yīng)用在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，時(shí)間大約是在上世紀(jì) 40 年代，它是一 10 種主從型的控制系統(tǒng)。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手?？刂葡到y(tǒng)有別于 40 年代的主從型而是示教型的；1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上， 研制出一種更新興的機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。這個(gè)機(jī)械手對(duì)機(jī)械手的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義， 日后的不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同一年該公司和普曼公司合并成重組為萬能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。雖然上述機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在機(jī)械手得到一定程度的發(fā)展后，從 60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種 Unimation-Vic.arm 型工業(yè)機(jī)械手， 裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從 1970 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)。 我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚 30 年左右，起步于上世紀(jì) 70 年代，1972 年我國第一臺(tái)機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國政府更加加大了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的重視程度， 并且為此項(xiàng)目投入了大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，其中有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人， 廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等。 目前工業(yè)機(jī)械手在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定 的操作。此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)， 即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作時(shí)電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 隨著機(jī)械手的發(fā)展，人們也對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展提出了更高的要求，一是重復(fù)高精度，精度是指機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置密切相關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。顯然， 重復(fù)精度比精度更重要；二是模塊化，有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向；三是無給油化，無給油化是個(gè)新提出的概念，主要是為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)， 構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長；四是機(jī)電氣一體化，機(jī)電氣一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制” 進(jìn)到高度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制。 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1）選擇機(jī)械手基本形式； （2）采用合適的坐標(biāo)式實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能； （3）設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； （4）選定機(jī)械手手部抓取的方案、腕部的回轉(zhuǎn)范圍、速度及機(jī)構(gòu)的選定，臂部回轉(zhuǎn)，升降，伸縮的方案及結(jié)構(gòu)的選定； （5）對(duì)總體的布局及裝配設(shè)計(jì)； （6）對(duì)機(jī)械手內(nèi)的零件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度以及接觸應(yīng)力的安全系數(shù)校核。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 （1）一套完整的立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維模型以及其二維零件圖、裝配圖 （2）一份立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書 （3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 采用三維設(shè)計(jì)軟件完成立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手用于軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前。設(shè)計(jì)參數(shù)： （1）抓重：60 公斤 （2）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) （3）自由度數(shù)：4 個(gè) （4）最大工作半徑：1700mm （5）手臂最大中心高：2300mm （6）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手臂伸縮范圍 0-500mm 手臂伸縮速度 伸出 176mm/s 縮回 233mm/s 0-600mm 手臂升降速度 上升 100mm/s 下降 150mm/s 手臂升降范圍 0-600mm 手臂回轉(zhuǎn)范圍 0-200（實(shí)際使用為 95 ） 手臂回轉(zhuǎn)速度 60°/s （7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍：0-180° 手腕回轉(zhuǎn)速度：201°/s 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：布置畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)確定立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的選題 第 2 周：根據(jù)立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的課題查閱相關(guān)參考文獻(xiàn) 第 3 周：準(zhǔn)備自動(dòng)上下料機(jī)械手開題報(bào)告材料 第 4 周：撰寫本課題開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯 第 5 周：查閱關(guān)于機(jī)械手的文獻(xiàn)并進(jìn)行自動(dòng)上下料機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 第 6 周：根據(jù)方案完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第 7 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 8 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 9 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 10 周：將完成的機(jī)械手的三維零件進(jìn)行裝配，完成自動(dòng)上下料機(jī)械手裝配圖 第 11 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的裝配圖及其零件圖 第 12 周：完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書和英文文獻(xiàn)的翻譯 第 13 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書和英文文獻(xiàn)的翻譯 第 14 周：上交自動(dòng)上下料機(jī)械手說明書，英文文獻(xiàn)的翻譯及其三維裝配圖、零件圖等所有材料，并進(jìn)行論文答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 張俊.基于視覺定位的自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué),2012. 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二是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，該機(jī)械手轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度等于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率;三是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的轉(zhuǎn)速，從而確定 PLC 輸出的脈沖頻率。系統(tǒng)選用三菱 FX1N-14MR-0001 PLC 作為控制器，選用安川 CA4050 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、安川 42HD0402 步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象；用三菱 PLC 作為控制核心， 采用步進(jìn)電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床上料機(jī)械手的控制方案。在車床加工的同時(shí)進(jìn)行取料，并在靠近上料位置等待取料結(jié)束，從而縮短上料時(shí)間。操作人員只需在計(jì)算機(jī)控制界面完成相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)置即可對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。利用機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力資源。 李斌在《鈑金沖壓自動(dòng)上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)》一文中，通過利用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來代替其自動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，配備有傳送帶、電機(jī)來實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)的功能。將電機(jī)固定在機(jī)架傳動(dòng)側(cè)，通過齒輪齒條傳動(dòng)借助導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。目前該系統(tǒng)可以完成對(duì) 2mm 厚、3kg 重的板料完成沖壓工作。整個(gè)生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中送料精度高，同時(shí)運(yùn)行過程較為平穩(wěn)，并無太大噪音產(chǎn)生。由此可以看出，機(jī)械手運(yùn)行自動(dòng)化程度高，性能可靠，穩(wěn)定性，效率高，操作簡便，控制精準(zhǔn)， 有著良好的動(dòng)態(tài)性能。 基于機(jī)械手的作用及功能，需要詳細(xì)分析機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用 D-H 參數(shù)法建立該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。與此同時(shí)，對(duì)于材料的疲勞強(qiáng)度以及接觸強(qiáng)度進(jìn)行安全校核，機(jī)械中各零件力的傳遞，總是通過兩零件的接觸來實(shí)現(xiàn)。除了共形面相接觸的情況外，大量存在著異性曲面相接觸的情況；同時(shí)，由于機(jī)械手內(nèi)零件材料疲勞強(qiáng)度的特性，因此需要對(duì)零件的材料極限應(yīng)力進(jìn)行安全系數(shù)的校核以及接觸應(yīng)力的校核。對(duì)機(jī)械手進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,通過計(jì)算驗(yàn)證并校核。同時(shí)利用 SolidWorks 進(jìn)行三維建模。Solidworks 的配置功能可以開發(fā)和管理一組有著不同尺寸、零部件或者其他參數(shù)的模型，運(yùn)用配置可以的單一的文件中對(duì)零件或者裝配圖生成多個(gè)設(shè)計(jì)變化。系列零件設(shè)計(jì)表可以通過所提供的制定參數(shù)，對(duì)配置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以構(gòu)建多個(gè)不同配置的零件或裝配體。 隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，物料的移動(dòng)、材料上下搬運(yùn)、零部件的組裝已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)都普遍存在的加工環(huán)節(jié)。以自動(dòng)上料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化對(duì)提高所有行業(yè)的加工效率都具有重要作用。不過現(xiàn)在還存在一系列問題，例如：價(jià)格昂貴， 實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重，并且大都停留在實(shí)驗(yàn)階段，這些都制約其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。目前，工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，但是無論數(shù)量、品 種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。這也是我國目前工業(yè)機(jī)械手還需改進(jìn)之處。 11 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見（對(duì)選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng)閱） 審 核 簽字： 年 月 日 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見 簽字： 年 月 日公章：