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西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 題目： 曲軸搬運機械手的研究與設(shè)計 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 B070200 姓 名 蘇方立 學(xué) 號 B07020024 導(dǎo) 師 曹巖 2010 年 11 月 17 日 開題報告填寫要求 1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成。 2．開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師審閱。 3．開題報告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中《參考文獻(xiàn)“注釋格式”》的要求書寫。 4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 一.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況） 1.課題的目的與意義 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，也是工業(yè)機器人的一個重要分支，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中起著積極作用，能部分的完成人工操作，能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸;本課題針對曲軸在兩個生產(chǎn)線之間的搬運自動化問題，設(shè)計一機械手，以提高生產(chǎn)過程的自動化程度和生產(chǎn)效率。 2.國內(nèi)外機械手的發(fā)展?fàn)顩r 我國工業(yè)機器人起步于20世紀(jì)70年代初期，1972年我國開始研制自己的工業(yè)機器人。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國機器人技術(shù)與研究得到了政府重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零件部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研究出了噴涂、點焊和搬運機器人。1986年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功的研制出了一批特種機器人。 從20世紀(jì)90年代初期起，我國掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。工業(yè)機器人技術(shù)在實踐中前進(jìn)了一大步，先后研制了焊接、裝配、噴漆、切割、包裝等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。 目前，我國機器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個方向：一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人；而是智能機器人；三是機器人化機械；四是以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)；五是多傳感器信息融合與配置技術(shù)[1]。 目前，國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 國外也出現(xiàn)了第三代機械手，它能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)[2]。 3. 工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應(yīng)用[3]。 4.工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。 (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 (7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品:機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中[3]。 二.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施 1.課題主要內(nèi)容和要求 本課題將要完成的主要任務(wù)如下： 1.了解工業(yè)機器人的發(fā)展及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用； 2.分析該機械手的傳動原理； 3.完成該機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4.應(yīng)用軟件繪制所設(shè)計機械手的裝配和關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)圖。 2.選題理由及準(zhǔn)備情況： 該機械手主要用于工廠內(nèi)對發(fā)動機曲軸的拾取和搬運，以代替人的體力勞動。 工業(yè)機械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)裝備，它綜合應(yīng)用了機械，電子，自動控制，傳感技術(shù)，人工智能，仿生學(xué)等等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，以實現(xiàn)機械化與自動化的有機結(jié)合。它模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置，可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。工業(yè)機器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。 采用工業(yè)機器人具有如下優(yōu)點:第一，改善勞動條件，逐步提高生產(chǎn)效率；第二，更強與可控的生產(chǎn)能力，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代；第三，提高零件的處理能力與產(chǎn)品質(zhì)量；第四，消除枯燥無味的工作，節(jié)約勞動力；第五，提供更安全的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，減少勞動風(fēng)險；第六，減少機床損耗；第七，減少工藝過程中的工作量及降低停產(chǎn)時間和庫存；第八，提高企業(yè)競爭力。機械手能代替人工操作，大大改善工人的勞動條件，將操作工人從繁重、單調(diào)的工作環(huán)境中解放出來，提高勞動生產(chǎn)效率。 通過互聯(lián)網(wǎng)搜索以及查閱相關(guān)書籍、文獻(xiàn)、專利資料，我基本了解了工業(yè)機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當(dāng)激烈的行業(yè)。目前，汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機器人密度最高的行業(yè)。隨著居民消費的水平提高，我國汽車業(yè)進(jìn)入高速增長期，國際汽車巨頭紛紛進(jìn)入中國市場，與我國企業(yè)合資設(shè)廠或擴大原有生產(chǎn)規(guī)模，國內(nèi)企業(yè)也紛紛轉(zhuǎn)型或加大對汽車行業(yè)的投資，整個行業(yè)增產(chǎn)擴能增加了對工業(yè)機器人的需求。因此，我明確了研究發(fā)動機曲軸搬運上線機械手的現(xiàn)實意義。研究目標(biāo)：設(shè)計一臺程控型機械手代替人工工作，實現(xiàn)兩條生產(chǎn)線之間工件的搬運，降低工人勞動強度，減少生產(chǎn)線上工人的數(shù)目，提高生產(chǎn)效率。 3.研究內(nèi)容： 根據(jù)給定的工況條件和基本要求，從機械原理和機械結(jié)構(gòu)對搬運機械手進(jìn)行具體的分析和設(shè)計。對機械手的傳動、驅(qū)動等主要部件進(jìn)行選型和校核，并結(jié)合原理圖等對整個系統(tǒng)的工作方法和原理進(jìn)行描述。該機械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂前伸→手臂下降→手指松開→手臂上升→手臂縮回→機身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。 主要技術(shù)參數(shù)有：抓重——16kg；速度運動——小于0.1m/s；定位精度——±1mm 三．本課題研究的重點及難點，前期已開展工作 本課題研究的重點在于該機械手各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配。 難點在于根據(jù)被夾持的曲軸的參數(shù)，對手部夾持力的計算與校核。 前期已查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對工業(yè)機器人的知識有了一定的了解，理解了機械手的構(gòu)造原理和技術(shù)，為開展本次設(shè)計做了充分準(zhǔn)備。 四．完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃（按周次填寫） 1-3周： 前期準(zhǔn)備，查閱資料，了解課題，準(zhǔn)備開題答辯； 4-6周： 確定設(shè)計方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算； 7-11周： 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配圖的繪制； 12-14周：完成三維建模，并進(jìn)行模型裝配； 15-17周：完善裝配模型，撰寫畢業(yè)論文 18周： 畢業(yè)答辯。 參考文獻(xiàn) ［1］孫桓，陳作模，葛文杰．機械原理．北京：高等教育出版社，2006 ［2］濮良貴，紀(jì)名剛．機械設(shè)計．北京：高等教育出版社，2006 ［3］徐福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動．北京：機械工業(yè)出版社，2007 ［4］劉鴻文．材料力學(xué)．北京：高等教育出版社，2004 ［5］張世昌，李旦，高航．機械制造技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2007 ［6］毛平淮．互換性與測試技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，2006 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