立式精锻机自动上料机械手设计含9张CAD图
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任务书论文(设计)题目:立式精锻机自动上料机械手三维设计工作日期:2017年12月18日 2018年05月20日1.选题依据:本课题研究的机械手主要用于立式精锻机,针对轴类零件精锻自动生产线,将加热后的坯料从运输车上取下搬运到立式精锻机上。机械手固定安装在JD100立式精锻机前,要求机械手抓取工件时,满足被握持的工件形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等要求。2.论文要求(设计参数):1)抓重:60公斤2)坐标形式:圆柱坐标3)自由度数:4个4)最大工作半径:1700mm5)手臂最大中心高:2300mm6)手臂运动参数:手臂伸缩范围 0-500mm手臂伸缩速度 伸出176mm/s 缩回233mm/s 0-600mm手臂升降速度 上升100mm/s 下降150mm/s手臂升降范围 0-600mm手臂回转范围 0-200(实际使用为95 ) 手 臂 回 转 速 度 60/s 7)手腕运动参数:手腕回转范围:0-180 手腕回转速度:201/s3.个人工作重点:采用三维设计软件完成立式精锻机自动上料机械手的设计,包括机械手总装结构设计、机械手手部、腕部、臂部结构设计、机械手升降机构的结构设计,同时编写设计说明书,完成英文翻译工作。4.时间安排及应完成的工作:第1周:布置毕设任务第2周:根据题目查阅文献第3周:准备开题报告材料第4周:撰写开题报告,准备开题答辩第5周: 查阅文献进行方案设计第6周:根据方案完成结构设计第7周:零件三维设计和建模第8周:零件三维设计和建模第9周:零件三维设计和建模第10周:将三维零件进行装配,完成装配图第11周:完善装配图和零件图第12周:完成设计说明书和英文翻译第13周:完善设计说明书和英文翻译第14周:上交材料,答辩5.应阅读的基本文献:1天津大学编写组编. 工业机械手设计基础. 天津:科学技术出版社2徐元昌工业机器人M,北京:中国轻工业出版社,1986:1-97.3中国机械工程学会塑性工程学会锻压手册M,第3册,北京:机械工业出版社,2007:641-6884李允文工业机械手设计M,机械工业出版社,1996.5.5孙志礼等. 机械设计M. 沈阳: 东北大学出版社.6齐进凯. 气动机械手的结构设计、分析及控制的研究D.东华大学,2006.7陈幼平,马志艳,袁楚明,周祖德六自由度机械手三维运动仿真研究J,计算机应用研究,2006(6)P205-2078贺炜,李剑玲,丁毅,李体仁,夏田立卧两用凸轮式换刀机械手的设计J,机械制造,2003(7)9严学高,孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社,199210邢启恩,宋成芳著. SolidWorks 2008 三维设计基础与典型范例. 北京:电子工业出版社,2008,5.指导教师签字:XX教研室主任意见:同意签字:XX 2017年12月14日教学指导分委会意见:同意签字:XX 2017年12月15日 学院公章进度检查表第-1周工作进展情况选定课题:立式精锻机自动上下料机械手三维设计,同时对于课题进行一定的熟悉,了解其功能。并根据课题查阅关于自动上下料机械手的相关参考文献,了解机械手的作用以及其应用、发展趋势。定下设计参数与初步的结构选定方案,同时撰写本课题开题报告,进行开题报告的答辩。2018年01月10日指导教师意见根据课题查阅关于自动上下料机械手的相关参考文献,了解了机械手的作用以及其应用、发展趋势,掌握了立式精锻机自动上下料机械手的有关内容,技术路线可行,时间进度安排合理,较好地完成了开题阶段的任务。指导教师(签字):XX 2018年01月11日第 2周工作进展情况查阅相关资料,并初步设计自动上料机械手的回转定位结构,手臂伸缩、升降结构、手腕和夹紧结构以及中间座结构的基本方案,并进行二维零件图以及装配图初步绘制,撰写设计说明书至方案设计部分2018年01月10日指导教师意见根据毕业设计进度计划,初步设计了自动上料机械手的回转定位结构、手臂伸缩、升降结构、手腕和夹紧结构以及中间座结构的基本方案,撰写设计说明书此部分初稿,并进行了二维零件图以及装配图初步绘制,完成了进度计划相关部分。指导教师(签字):XX 2018年03月16日第 5周工作进展情况完成液压原理图,机械手中间部件装配图,机械手手臂升降、伸缩、回转结构、夹持式手部、手腕部件以及油缸的二维装配图。对机械手的夹持式手部作受力计算分析并且得出夹紧力,利用夹紧力算出夹紧缸尺寸;计算安全力矩得出液压缸所需压力。并初步进行机械手各结构的三维建模。2018年04月10日指导教师意见根据毕设任务计划,完成了液压原理图、机械手中间部件装配图,机械手手臂升降、伸缩、回转结构、夹持式手部、手腕部件以及油缸的二维装配图。进行了机械手的夹持式手部作受力计算,并初步进行机械手各结构的三维建模。指导教师(签字):XX 2018年04月11日第 8周工作进展情况完成所有二维装配图纸,液压原理图纸。设计并校核完机械手的零部件及各结构的分析,并绘制完成机械手大部分的零部件的三维建模, 完成立式精锻机自动上料机械手的设计说明书初稿。2018年05月01日指导教师意见完成了二维装配图纸、液压原理图纸;完成了机械手的零部件及各结构的校核;完成了机械手手腕和手部零部件的三维建模;完成了立式精锻机自动上料机械手的设计说明书初稿。指导教师(签字):XX 2018年05月02日第 11周工作进展情况完成机械手所有的三维装配以及所有的二维图纸,立式精锻机自动上料机械手三维设计说明书撰写完毕,英文文献翻译完毕。2018年05月19日指导教师意见完成机械手所有零部件的三维装配体,生成了二维图纸,完成设计说明书和英文文献翻译。准备毕业答辩。指导教师(签字):XX 2018年05月21日第周工作进展情况年月日指导教师意见指导教师(签字):年月日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真,刻苦努力,作风严谨33遵守纪律自觉遵守学校有关规定,主动联系指导教师,接受指导32开题报告内容详实,符合规范要求53任务完成按时、圆满完成各项工作任务44过程管理评分合计12 过程管 理评语 该生在毕业设计过程中态度认真,刻苦努力,积极主动地分析问题和解决问题,主动联系指导老师,遇到问题,积极主动地查阅资料,并能解决问题。通过查阅相关文献资料,很好地完成了开题报告,开题报告内容详实,论述清晰,格式规范,同时很好地完成了文献综述。从方案设计、结构设计、三维建模整个毕设过程,都能够独立思考,认真完成了中期检查,符合进度计划的要求。设计说明书论述清晰,分析、计算过程准确,结构合理,很好地完成了毕业设计任务。指导教师签字:XX日期:2018-05-22指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107指导教师评分合计14 指导教 师评语 XX同学的毕业设计题目符合培养目标要求,具有研究价值和实践意义,难度适宜,工作量饱满,有一定的创新性。该生有较强的综合运用知识能力、文献资料检索能力、计算机应用能力、科研方法运用能力和分析问题解决问题的能力。论文文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构合理,撰写格式、图表等符合规范要求,论述清晰,该生具有中文表达与外语能力。在整个毕业设计过程中,该生态度较为端正,按时完成阶段性任务,同意该生参加毕业答辩。指导教师签字:XX日期:2018-05-22评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107评阅人评分合计14 评阅人 评语 论文以立式精锻机自动上料机械手为设计内容,主要完成了机械手的机械结构和液压驱动系统的设计。论文选题具有较高的工程应用价值,题目难度适中,工作量饱满。论文的设计思路清晰,计算流程较为完备,表明该生具有比较扎实的专业知识基础,具备应用专业知识解决实际工程问题的能力。论文文字表述流畅,文献分析合理,软件使用熟练。论文计算准确,流程完整,结果合理,设计过程较为完备。论文结构明晰,写作规范,图表详细,符合论文写作规范。该生已达到本科生培养目标要求,建议准予答辩。评阅人签字:XX评阅人工作单位:XX日期:2018-05-22答辩纪录 学生姓名:XX专业班级:XX毕业论文(设计)题目: 立式精锻机自动上料机械手三维设计答辩时间:2018年05月 日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长): XX委员(组员): XXXX辩小组)成员答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1:图上零件运动关系是怎样的?主从运动是什么?回 答: 定位油缸进行定位,定位后,手臂伸出并回转,通过液压系统带动夹钳式手部进行工件夹取主运动为手臂运动,从运动为手部运动。问题2:说明图内的运作原理,顺序回 答: 定位油缸带动手臂伸缩机构,手臂移动之后手腕回转,再进行手爪的抓取问题3:装配图中方框的含义是什么回 答: 在进行绘制时,由于使用复制命令,没有复制原方框,导致此处方框无意义。是画图的失误,抱歉。问题4:轴的轴向是如何固定的回 答: 利用一对滚动轴承进行定位问题5:12H7是什么意义回 答: 孔的直径为12mm,基孔制配合,公差为7级记录人: 2018年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理107答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据107选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力107答辩委员会评分合计32 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间,工作努力,态度比较认真,能遵守各项纪律,表现一般。 能按时、全面、独立地完成与毕业设计有关的各环节工作,具有一定的综合分析问题和解决问题的能力。 论文立论正确,理论分析无原则性的错误,解决问题方案比较实用,结论正确。 论文使用的概念正确,语句通顺,条理比较清楚。 论文中使用的图表,设计中的图纸在书写和制作时,能够执行国家相关标准,基本规范。 能够独立查阅文献,外语应用能力一般,原始数据搜集得当,实验或计算结论准确可靠。 答辩过程中,能够简明地阐述论文的主要内容,回答问题基本正确,但缺乏深入地分析。答辩成绩: 32答辩委员会主任:XX2018年05月30日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分12指导教师评分14评阅人评分14答辩委员会评分32总分72成绩等级C成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章: XX审核人签章: XX一、选题依据1、论文(设计)题目立式精锻机自动上料机械手三维设计2、研究领域三维设计,机械设计,液压传动3、论文(设计)工作的理论意义和应用价值我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:具有和人手臂相似的动作功能, 可在空间抓放物体,或进行其它操作的机械装置。机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。理论意义:其一,对于机器人的研制,尤其仿人机器人的研究应用,必将对机器人行业起到积极的促进作用;其二,仿人机械手的研发隶属于制造业,其研制成功与推广,可以增加就业,创造经济价值;其三,其技术的实现可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化,提升产品技术含量和附加值,从而促进我国制造业相关技术领域的发展。应用价值:机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现代机器人,它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着我国经济的腾飞,国家在工业方面也得到了迅猛发展,机械手作为工业生产中非常重要的一种工具,对其技术的不断突破也变得日趋重要。目前,机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。随着工业自动化发展的需要,机械手在工业应用中越来越重要。特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中,以及笨重、单调、频繁的操作代替人作业。本课题研究的机械手主要用于立式精锻机,针对轴类零件精锻自动生产线,将加热后的坯料从运输车上取下搬运到立式精锻机上。机械手固定安装在 JD100 立式精锻机前,要求机械手抓取工件时,满足被握持的工件形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等要求。4、目前研究的概况和发展趋势工业机械手的第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,它是一10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。虽然上述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。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 Unimation-Vic.arm 型工业机械手, 装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业。联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。我国工业机械手的研究与开发起步较晚,比欧美要晚 30 年左右,起步于上世纪70 年代,1972 年我国第一台机械手在上海开发成功,随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划开始,我国政府更加加大了对工业机器人的重视程度, 并且为此项目投入了大量的资金,在众多学者及研究人员的参与下,研究开发并且制造了一系列的工业机器人,其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人, 广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人,大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人,沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器,都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时,一系列的机器人关键部件也被开发出来,如机器人专用轴承,减震齿轮,直流伺服电机,编码器等。目前工业机械手在国内主要是逐步扩大应用范围,重点发展铸造、热处理方面的机械手,以减轻劳动强度,改善作业条件,在应用专用机械手的同时,相应的发展通用机械手,有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构,设计成典型的通用机构,所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构,即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造,又便于更换工件,扩大应用范围。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能的机械手,并考虑与计算机连用,逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多,发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料,以及点焊、喷漆等作业,它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外,国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力,能反馈外界条件的变化,作相应的变更。如位置发生稍许偏差时, 即能更正并自行检测,重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪(即距离传感器)以及微型计算机。工作时电视照相机将物体形象变成视频信号,然后送给计算机,以便分析物体的种类、大小、颜色和位置,并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作,通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用,然后伸向前方,抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制,达到自动调整握力的大小。总之,随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合,从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。随着机械手的发展,人们也对机械手的应用与发展提出了更高的要求,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;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;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,机电气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” 进到高度的“反馈控制”,大大提高了系统的可靠性。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题机械手总装结构设计,机械手驱动结构的设计,机械手手部、腕部、臂部结构设计,机械手升降机构的结构设计,机械手的驱动控制。2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)(1)选择机械手基本形式;(2)采用合适的坐标式实现相关功能;(3)设计自动上料机械手的驱动机构;(4)选定机械手手部抓取的方案、腕部的回转范围、速度及机构的选定,臂部回转,升降,伸缩的方案及结构的选定;(5)对总体的布局及装配设计;(6)对机械手内的零件进行疲劳强度以及接触应力的安全系数校核。3.本论文(设计)预期取得的成果(1)一套完整的立式精锻机自动上料机械手三维模型以及其二维零件图、装配图(2)一份立式精锻机自动上料机械手的设计说明书(3)一篇外文文献翻译三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);采用三维设计软件完成立式精锻机自动上料机械手的设计,包括机械手总装结构设计、机械手手部、腕部、臂部结构设计、机械手升降机构的结构设计。本设计的机械手用于轴类零件精锻自动生产线上,将加热后的坯料从运输车上取下搬运到立式精锻机上。机械手固定安装在 JD100 立式精锻机前。设计参数:(1)抓重:60 公斤(2)坐标形式:圆柱坐标(3)自由度数:4 个(4)最大工作半径:1700mm(5)手臂最大中心高:2300mm(6)手臂运动参数:手臂伸缩范围 0-500mm手臂伸缩速度 伸出 176mm/s缩回 233mm/s0-600mm手臂升降速度 上升 100mm/s下降 150mm/s手臂升降范围 0-600mm手臂回转范围 0-200(实际使用为 95 ) 手臂回转速度 60/s(7)手腕运动参数:手腕回转范围:0-180 手腕回转速度:201/s2. 论文(设计)进度计划第 1 周:布置毕业设计任务确定立式精锻机自动上下料机械手三维设计的选题第 2 周:根据立式精锻机自动上下料机械手三维设计的课题查阅相关参考文献第 3 周:准备自动上下料机械手开题报告材料第 4 周:撰写本课题开题报告,准备开题答辩第 5 周:查阅关于机械手的文献并进行自动上下料机械手的方案设计第 6 周:根据方案完成自动上下料机械手的结构设计第 7 周:自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 8 周:自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 9 周:自动上下料机械手中部分零件三维设计和建模第 10 周:将完成的机械手的三维零件进行装配,完成自动上下料机械手装配图第 11 周:完善并修改自动上下料机械手的装配图及其零件图第 12 周:完成自动上下料机械手的设计说明书和英文文献的翻译第 13 周:完善并修改自动上下料机械手的设计说明书和英文文献的翻译第 14 周:上交自动上下料机械手说明书,英文文献的翻译及其三维装配图、零件图等所有材料,并进行论文答辩四、需要阅读的参考文献1 张俊.基于视觉定位的自动上下料机械手系统研究D.石家庄:石家庄铁道大学,2012.2 郭洪武.浅析机械手的应用和发展趋势J.中国西部科技,2012,11(10):3+12.3 冯崇.工业机器人运动分析及控制研究D.洛阳:河南科技大学,2015.4 吴振彪,王正家.工业机器人第二版M.武汉:华中科技大学出版社,2006.5 刘奇.浅谈工业机械手的设计措施J.技术与市场,2017,24(11):178.6 张 金 萍 . 基 于 自 动 上 料 机 械 手 的 液 压 传 动 系 统 设 计 J. 制 造 业 自 动化,2013,35(21):153-156.7 欧洋,高祯,李连强.工业机械手结构设计分析J.工业控制计算机,2017,30(06):81-82.8 丁锦宏,张慧.可编程控制器在数控车床自动上料机械手中的应用J.常州信息职业技术学 院学报,2014,13(05):17-19.9 龚仲华.论工业机器人、数控机床和机械手J.机床与液压,2016,44(15):30-32+91.10熊幸明,曹才开.一种工业机械手的 PLC 控制J.微计算机信息,2006,22(11):120-122.11李斌.钣金冲压自动上下料机械手的研究与开发J.现代制造技术与装备,2017(02):49-50.12濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计第九版M.北京:高等教育出版社,2006.13王战中,张俊,季红艳.自动上下料机械手运动学分析及仿真J.机械设计与制造,2012(05):244-246.14赵罘,杨晓晋,刘玥.SolidWorks 机械设计从零开始 2014 中文版M.北京:电子工业出版社,2014.15 Alberto Brunete,Ernesto Gambao,Jukka Koskinen,Tapio Heikkil,Stefan Anton.Hard material small-batch industrial machining robotR.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.In press,corrected proof.Nov.17th,2017.16 AliMarwan,MilanSimic,FadiImad.Calibrationmethodforarticulatedindustrial robotsR.Procedia Computer Science.Volume 112,2017,1601-1610.17 Alexandr Klimchik,Alexandre Ambiehl,Sbastien.Efficiency evaluation of robots in machining applications using industrial performance measureR.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing.Volume 48,December 2017,12-29.附:文献综述或报告文献综述机械制造自动化是制造业在长期发展中追求的目标之一,采用自动化技术,不仅可以大大降低劳动强度,还可以提高产品质量,让企业更加适应市场,提高竞争力。因此,机械手便是机械制造自动化所追求的一种高科技自动生产设备。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人,也是最早出现的现代机器人,它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。目前, 机械手的种类大至可按驱动方式分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。随着我国经济的腾飞,国家在工业方面也得到了迅猛发展, 机械手作为工业生产中非常重要的一种工具,对其技术的不断突破也变得日趋重要, 随着制造业发展,机器人技术的应用越来越普遍,劳动成本的增高和制造业自动化、智能化的进程加快进一步加快了工业机器人的研究和应用。机械手由三大部分(机械部分,传感部分,控制部分)及六个子系统(驱动系统,机械结构系统,感受系统,机器人-环境交互系统,人机交互系统,控制系统)所组成。从 1960 年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始,即为以后的各类机械手打下了基础,到现在为止美国的宇航局(NASA)、哈佛大学和耶鲁大学, 日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作,国防科技大学、哈尔滨工业大学也研制出了多指灵巧手。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿人型机器人灵巧手”,2006 年 5 月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会,以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏,并率先进入了国际市场。由此可见,目前多数国家和企业高校都在对仿人机械手进行研究与设计。在对机械手进行设计时,首先要根据所得的参数进行设计。不同的驱动方式会有不同的使用功能,所产生的压力大小,安全性能,气动元件工作压力高低也有差异。此外,还要充分考虑到维修便捷性,造价成本,操作产生的噪音等问题。传统机械手大多采用机械传动方式,由于机械式传动系统中包含变速箱、驱动桥等体积较大部件使得机械手体积大、运动不稳定。驱动方式一般分为液压驱动和气压驱动两种,液压传动系统因具有体积小、重量轻、可以实现无级变速且调速范围宽、低速稳定性好等特点。但液压驱动也存在缺点如密封问题较大、只适用于重载、低俗驱动的机器人等。气压驱动系统具有输出功率大、响应速度较高、控制简单直接的优点,便于减少可能错误环节,减少误差,提高精准度。但其精度低,阻尼效果差,低速、控制难度过大, 控制成本过高,实现高精度控制不易。白城职业技术学院张金萍教授在对自动上料机械手的液压传动系统设计中,基于自动上料机械手作业环境特点,从经济性、可控性、可靠性等角度考虑,采用了双泵供油四轮对称驱动方案。系统主要由 1 个变量轴向柱塞双联泵和 4 个斜盘式轴向柱塞变量马达和行星减速器组成的车轮马达组成。采用 X 型连接。该液压系统主要由双联变量泵、变量马达、补油泵、变量油缸、安全阀、单向阀、溢流阀等组成。作为闭式回路,当液压马达进行正反转转换时,工作油路的高低压也将会发生互换,因此在油路的两个方向都必须设置安全阀,用来双向限制系统的最高工作压力。此外,系统中还设置了压力切断阀,当闭式回路中出现异常高压时,压力切断阀将高压端与油箱连通,保证液压系统的安全。因此,其可靠性、稳定性较高,可以自动实现前进、后退、快慢的控制、无级变速且调速范围宽。由于组成此系统零件都较为常见,因此,降低了制造成本与控制成本。在控制系统上,工业机器人一般都有独立的控制器、驱动系统和操作界面,可进行手动、自动操作和编程,因此,它是一种可独立运行的完整设备,可通过自身的控制系统来实现所需的功能。整个机械手的控制,可以根据该机械手的工作特点,采用步进顺序控制方式,使程序简化,便于调试。常州信息职业技术学院的丁锦宏,张慧在可编程控制器在数控车床自动上料机械手中的应用一文中,介绍了数控车床自动上料机械手的工作要求和结构,分析了步进电机的控制原理和实现方法,提出了基于 PLC 的控制系统方案。根据机械手的工作过程,设计了顺序控制功能图。机械手在送料位置时,手爪中心( 即工件中心) 的位置精度取决于转臂的旋转精度和气缸的位置精度。一般,气缸的位置控制是利用行程开关来实现,但这种方法的定位精度较差。该机械手使用步进电机定位系统控制转臂的旋转,提高手爪的定位精度。PLC 对步进电机的控制有三个方面。一是电机转角控制,转角与所输入的控制脉冲数成正比; 二是电机转速控制,该机械手转臂的旋转速度等于步进电机的转速,而步进电机的转速取决于输入脉冲的频率;三是电机旋转方向控制,步进电机的转向通过改变步进电机各绕组的通电顺序来实现。因此,根据实际情况,选取合适的转速,从而确定 PLC 输出的脉冲频率。系统选用三菱 FX1N-14MR-0001 PLC 作为控制器,选用安川 CA4050 步进驱动器、安川 42HD0402 步进电机作为控制对象;用三菱 PLC 作为控制核心, 采用步进电机以及气缸实现了数控机床上料机械手的控制方案。在车床加工的同时进行取料,并在靠近上料位置等待取料结束,从而缩短上料时间。操作人员只需在计算机控制界面完成相关工作参数的设置即可对机械手进行控制。利用机械手来实现自动上下料功能,进而实现整个生产线的自动化,提高生产效率,节约人力资源。李斌在钣金冲压自动上下料机械手的研究与开发一文中,通过利用齿轮齿条传动机构来代替其自动滑块机构,配备有传送带、电机来实现左右移动的功能。将电机固定在机架传动侧,通过齿轮齿条传动借助导轨,实现机械手在水平和竖直方向上的运动。目前该系统可以完成对 2mm 厚、3kg 重的板料完成冲压工作。整个生产线在运行过程中送料精度高,同时运行过程较为平稳,并无太大噪音产生。由此可以看出,机械手运行自动化程度高,性能可靠,稳定性,效率高,操作简便,控制精准, 有着良好的动态性能。基于机械手的作用及功能,需要详细分析机械手的结构,并运用 D-H 参数法建立该机械手的运动学方程。与此同时,对于材料的疲劳强度以及接触强度进行安全校核,机械中各零件力的传递,总是通过两零件的接触来实现。除了共形面相接触的情况外,大量存在着异性曲面相接触的情况;同时,由于机械手内零件材料疲劳强度的特性,因此需要对零件的材料极限应力进行安全系数的校核以及接触应力的校核。对机械手进行正运动学和逆运动学分析,通过计算验证并校核。同时利用 SolidWorks 进行三维建模。Solidworks 的配置功能可以开发和管理一组有着不同尺寸、零部件或者其他参数的模型,运用配置可以的单一的文件中对零件或者装配图生成多个设计变化。系列零件设计表可以通过所提供的制定参数,对配置进行驱动,以构建多个不同配置的零件或装配体。随着我国工业化进程的加快,物料的移动、材料上下搬运、零部件的组装已经成为各个行业都普遍存在的加工环节。以自动上料机械手实现这些环节的自动化对提高所有行业的加工效率都具有重要作用。不过现在还存在一系列问题,例如:价格昂贵, 实时性不理想,设备笨重,并且大都停留在实验阶段,这些都制约其在实际当中的应用。目前,工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面,但是无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。这也是我国目前工业机械手还需改进之处。11指导教师评阅意见(对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅)审核签字:年月日意见教研室主任意见签字:年月日学院教学指导委员会意见签字:年月日公章:附录一 外文译文机械手生产设计的进化和发展摘要信息物理系统的出现已经在机器人协作制造的背景下提高了利用率。完成这样要求的一种方法是通过制造更便宜的,更加容易制造的机器人,它们能够通过中小企业进行制造。为了解决这个问题,本实验利用了快速原型机制造技术开发能够通过信息物理生产系统开发的可定制机器人操作器。因此,本研究有助于设计连接型和快速原型机器人。这种方法同时考虑了实现机器人机械手所需的软件和硬件的发展。此外,生成设计,一种被用来进化和人工智能为基础的方法,用于设计机器人关节之间的链接模块。该组件已被定义为理想的设计并且通过此方法,它可以有利于与快速原型耦合的生成设计方法的大部分。本文还探讨了基于因特网控制技术的机器人机械手的控制结构在信息物理系统中的贯彻。1.介绍1.1信息物理系统CPPS由自主合作系统(例如智能机器)和子系统(例如智能工厂)组成。它们依靠着情境而来互相联系。在所有生产层次上,从过程级到工厂级和生产级。实施CPPS的主要驱动因素之一是生产系统的连续适应性和进化的需要,不断变化的生产系统需求可以追溯其起源于易变的客户行为和不断发展的产品。需要适应顾客的需要也就暗示着生产系统需要利用有高效率的生产系统同时也适应制造环境的需要。由于机器人提供高效率和精确性,同时不牺牲灵活性,信息物理生产系统的出现带来了机器人的增加利用。也就是说,随着协作和连接机器人的出现,机器人的发展趋势正在发生变化。这一趋势在达沃斯世界经济论坛上也得到了强调,它将先进的机器人识别为工业4.0背后的主要技术驱动力之一。1.2合作和可联系的机器人技术这就是说,这并不意味着人类将完全从车间中移除。事实上,在详细的研究和实验的基础上,菲佛认为,在将来的车间内,人类的经验将仍然是需要的。由此可见,人类和机器人在制造业合作的需求将在未来几年内增加。为了证实这一说法,布鲁斯对机器人公司的关键管理者进行了讨论,并基于这种CIN对这种日益增长的需求的反应,实际上可以看出所有主要机器人制造商是如何引入他们的阵容的。为了在CPPS中贯彻实施,这些机器人需要容易地连接到控制制造操作的控制系统。CPPS的核心是分散或局部控制。这种本地化的CPPS是通过使用具有嵌入式处理和联网能力的机器来实现的。这些能力拥有着分布式认知控制的第三个特性。这种分布式控制越来越受欢迎,具有使用认知处理来分析从机器传感器收集的数据的能力,这允许对CPPS控制的分散。持续适应的需求也推动了实施插装生产概念方法的发展。插装生产允许根据生产需要从生产系统中添加和移除生产系统的不同元件。这种插头和生产的概念也允许模块化生产系统的开发。正如几位作者所解释的,Schleipen等人、OnRi和MaEDA。插装的概念不仅必须支持机械功能,而且还需要开发新的和改进的软件和控制范例。1.3机器人的民主化大公司有专门的开发团队,也有实现这些技术的投资潜力。据国际机器人联盟(International Federation for Robotics)报道,2015年全球机器人销量增长了15%,达到253,748台,创造了一年以来的最高水平。这些先进的制造技术同样也不能被说成中小企业,尽管中小企业比大公司占了最大的比例。因此,如果正如Sommer所描述的那样,中小企业并不是工业4.0的第一个受害者,那么就有必要使机器人技术的使用民主化。技术的民主化是指更多的人快速获得技术的过程。满足这一需求的一种方法是通过开发更廉价和更可定制的机器人来促进机器人的实现,这些机器人可以很容易地由中小型企业实现。由于中小型企业对工业4.0技术的投资意愿较低,提供更便宜的机器人可能会增加机器人的使用。此外,使机器人易于连接和训练也可以解决中小型企业对机器人使用和实现的任何保留。这些方法同时提供了一个机器人平台的可能性,可以为中小企业广泛变化的需求定制,也会增加机器人技术和工业4.0技术。1.4实验目标为了应对这些挑战,本研究旨在利用快速原型技术开发可定制的机器人操作器,这些技术可以在信息物理生产系统中实现。为了尽量减少机械手的重量和成本,这种方法利用了一种生成设计技术来设计机器人关节之间的连接。生成设计是一种进化和人工智能方法,并在第2节中进一步讨论。其他处理类似的方法也在第3节中提出。第4节描述了用于开发机器人机械手的方法。第5节给出原型设计和实现。本研究的结论和未来工作将在第6节提出。2 生成设计生成设计并不是一个新概念,它有时被称为进化设计,它指的是在这个计算过程中使用的搜索技术和进化算法。在参考文献11中,本特利和韦克菲尔德描述了一个原型设计系统,该系统使用一种遗传算法从零起点进化出新的概念设计。在这种方法中,原型系统创建了新的设计,并使用遗传算法对这些设计进行迭代优化。遗传算法利用了这些原理。在自然中发现的进化首先产生一个解决方案,然后“复制”最适合的解决方案。通过随机交叉和变异操作将这些适合父母的基因型组合起来,生成后代。宾利和韦克菲尔德的设计系统由三个要素组成:在设计过程中,适当地表示实体对象,使计算机能够有效地操纵候选设计。xA改进的遗传算法从零进化出这样的代表设计。xEvaluation软件指导演进过程。正如参考文献12所解释的,概念设计过程可以作为一个优化过程提出。为了达到一个解决方案并确定一组规则,以评估针对特定设计问题的解决方案的适用性。这些方法充分利用了进化计算的创造性,以便发现可能没有被人类设计者发现的解决方案。因此,这种设计技术可以用来提高设计开发对人类设计师的支持,同时在设计过程的中心保持设计师。Krish在其生成设计过程中也描述了这种协同开发方法。Krish解释了设计师如何明确定义约束信封,其中定义了解决方案的几何可行性。正如Sun等人所解释的,使用这种进化技术进行设计自动化不仅可以提高设计的功能,而且还可以减少开发时间,降低成本,特别是在设计复杂组件时。3 当前发展状况在本节中,作者展示了与本研究主题相关的艺术状态。使用生成设计。生成设计的一个应用在一个具有相对复杂特征的典型微球端铣刀的设计中得到了解释。通过生成设计方法对该产品进行分析,生成所需运动轴的数量和性质。本研究在设计一种新型五轴激光机的过程中进行了分析。另一个应用是Lee的一个进化系统用于自动机器人设计。这项工作探索了不同的设计问题,从机器人的简单行为控制器,到复杂的行为控制器,最后是完成一个完整的机器人系统,包括控制器和物理结构。生成设计的一个有趣的应用是Saravanan等人在机器人夹子的设计中获得了最优的几何尺寸。基于他们实验的成功,本研究的作者得出结论,这项工作为进一步研究如何利用智能技术解决复杂的工程优化问题打开了方便之门。生成设计也被用来优化3D打印应用。其中一种方法是asadio - eydivand等在骨组织工程中使用3D打印支架。本研究成功地利用进化算法探索不同的3D打印参数。正如Onal等人所解释的那样,打印机器人的能力为现代的、真实的机器人应用程序引入了一种快速且低成本的制造方法。采用3D打印技术开发基于折纸结构的机器人。虽然这些机器人目前还没有合适的工业应用,但它们展示了3D打印技术的实用性,以成本效益的方式打印复杂结构,同时为新的创新设计打开了大门。Bulgarelli等也采用了类似的方法,开发了一种低成本、开源的3D打印技术的机器人手。本研究采用的一种有趣的方法是,开发的硬件和软件都是在线提供的,以促进社区的进一步改进。开源社区为了促进机器人的民主化。Armesto等实际上认为,3D打印技术的广泛应用使机器人社区有机会接触到更广泛的公众。本研究实际上提出了一种用于工程教育的低成本可打印机器人的设计。在文献综述中,作者可以得出结论,没有办法将3D打印的机器人与在CPPS中使用的生成设计方法结合起来。如第1节所述,这种方法将降低实现成本,从而维持机器人的民主化,从而支持中小型企业执行CPPS。4 支撑着生成设计的过程为了保证CPPS的即插即用概念,需要使用一种方法来考虑信息网络透视图。因此,为了开发这样的系统,需要采用一种方法。本文对几种设计方法进行了综述。虽然它们都突出了CPPS的多个透视图,但这些都没有说明从需求到最终设计的设计过程。这种缺乏CPPS的设计方法也得到了Fisher等人的强调。因此,设计了基本的设计周期26。该设计过程如图1所示,因此在本研究中使用,以开发网络连接的机器人机械手。CPPS设备的这个设计过程描述了从目标(需求)到方法(经过批准的设计)的设计周期。在这一设计过程中,设计者可以利用人工智能的生成设计技术来自动化设计合成、模拟和评估活动。也就是说,这并不能消除设计过程中的设计师。本研究提供的设计过程是一个人在循环系统。因此,虽然设计过程的一些活动可能是自动化的,但最终决定批准设计的还是设计师。图1 一个CPPS设备的生成设计周期此外,设计周期说明了在CPPS的合成设计过程中,物理和网络组件是如何被考虑的。此外,为了满足系统的要求,CPPS设备还必须使用可实现技术,如可配置性、模块化、可诊断性和可连接性。5 原型的设计和实现5.1物理组件的设计物理组件设计过程导致机器人机械手的物理接口。物理系统设计利用一组机器人关节模块,其中一些模块由一个链路模块连接。机器人机械手一旦产生和装配,本质上就是一个铰接机器人,如图2所示。机械手是在关节模块中使用步进电机驱动的。5.1.1可构成设计为了满足不同工业应用的定制要求,通过选择、添加和移除关节和链路模块来配置物理机器人机械手设计。机器人机械手的主要结构如图2所示,其自由度为6。这意味着机械手是由六个关节组成的,每个关节都是一个转动关节。六自由度确保末端执行器能够到达机械手工作空间内的任何位置和方向。采用不同的步进电机尺寸和齿轮比,以最大限度地提升1.5公斤的负荷。5.1.2 3d打印设计由于机器人的机械手主要是快速原型,在原型制作过程中需要考虑几个因素和限制因素。融合沉积模型(FDM)和立体成像(SLA)作为快速成型的过程。这个过程是根据每个部分的几何形状来选择的。其中一个侧面有重要几何形状的部件是使用SLA的3D打印的,例如特别设计的齿轮。把重要的几何形状与支撑材料放在一起,对保持几何形状是很重要的。图2 机械手的装配模型另一方面,在一个侧面有一个平面的部分是用FDM印刷的,那一面被放在了印刷床上。当3D打印部件在内部和不可到达的部分需要支撑材料时,也鼓励使用FDM。在这些情况下使用可溶性支架,使支架材料在后处理过程中易于移动。在设计3D打印时,考虑的一个重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模的同时,设计了几个部件,以使壁厚达到最小。这第一步导致了寻找其他可能的减肥方法。这包括减少连接模块的直径,导致所有内部部件也变得更小,因而更轻。5.2生成设计另一种减轻重量的方法是在不必要的大体积的零件上制造出洞。因此,如第1.4节所述,连接机器人关节的链接模块是选择性的,作为演示生成设计使用的理想案例研究。在Autodesk发明人CAD系统中使用形状生成器函数实现了生成设计练习。5.2.1构建容量和设计约束第一步是创建部件模型的构建卷或近似。一个圆柱形的形状被用作链接模块的原始构建卷。在定义了构建卷之后,下一步是定义隔离区域。生成设计过程在创建引导形状时不会修改这些区域。最后给出了应用于该零件的约束和力。然后在自动模拟临时设计解决方案时使用这些标准,以评估每个解决方案满足设计需求的能力。基于机器人机械手的设计,本案例研究使用的标准是在中轴线上可以承受的力。图3所示的模型说明了应用于链路模块的初始构建量和设计约束。需要注意的是,这个物理组件的设计是为了通过电力驱动的线路而需要的隔离区域。5.2.2形状的生成根据指定的设计标准,在Autodesk Inventor中运行了一个形状生成器研究。该算法生成的网格如图4所示。图3 生成设计约束图4 由生成设计过程产生的网格网格可以作为设计者的指导。通过剪切、挤压和其他特性编辑来修改构建卷模型。设计师的编辑改变了。从近似到组件设计的生成设计。5.2.3结果生成设计练习的结果如图5所示。这种设计保持了相同的结构完整性,但在重量和建造时间上都大大减少了,因此也降低了机器人操纵器的整体成本。5.3 网络组件设计5.3.1要求该设备控制系统的设计目标是鼓励与其他系统的集成,并鼓励系统集成商进一步开发。集成必须以简单和快速的方式在硬件和软件领域进行。系统必须基于标准化或开源软件控制和开发工具。为了维护一个民主的设计,控制硬件必须基于商业上的货架部件(COTS),从而实现低成本的解决方案。图5 生成设计的训练结果5.3.2工业因特网基于因特网硬件的工业网络作为控制系统的骨干。有多个相关的工业因特网协议,为这个解决方案选择的是EtherCAT。EtherCAT是一个基于标准因特网物理层(Ethernet PHY)的工业网络。网络是确定性的,可以在实时环境中使用。它支持比其他工业网络更短的周期,这使得它适合运动控制应用。除了适当的性能,EtherCAT还提供了其他因素,使它适合用于机器人技术民主化的系统。当网络建立在因特网的基础上时,他们通常需要一个托管的网络交换机,每一个EtherCAT设备都有两个因特网PHYs,通过一个daisy链配置来连接它们,如果一个环形网络拓扑足够的话,就可以消除对网络交换机的需求。此外,EtherCAT的从属设备负责控制网络的时间,而不需要专门的主网络控制器。因此,EtherCAT网络中的主设备可以使用通用COTS Ethernet网络接口卡(NIC),从而降低实现以太网络的成本。使用标准的NIC可以通过使用任何具有基本以太网功能的设备来实现EtherCAT主机,这包括使用一个树莓Pi,开发人员认为合适。EtherCAT是一种开源技术,它鼓励开发硬件和软件来使用这种技术。5.3.3 机器人控制如图6所示,机器人控制器基于ATMega2560,通过Arduino/Genuino开发平台开发。除了与Arduino开发解决方案所需的低成本之外,庞大的用户群对各种项目做出贡献,缩短和简化了微控制器开发周期。如图6所示,单片机通过微芯片的LAN9252接口连接到EtherCAT网络。使用SPI通信的从设备的EtherCAT控制器。基于LAN9252的Arduino平台的COTS附加组件(shield)是由AB&T Srl生产的。机器人控制器从它的EtherCAT主机接收联合位置数据,然后从联合位置转换到所需的脉冲来驱动步进电机。图6 机械手的控制6 结论因此,该研究为设计连接的快速原型机械机器人提供了一种方法。这种方法考虑了实现机器人操作器所需的软件和硬件开发。此外,这种方法演示了生成设计,一种进化和人工智能方法,来设计机器人关节之间的连接。该链接模块被认为是利用生成设计的优点和快速原型设计的理想组件。本文还探讨了一种基于以太网控制技术的机器人机械手控制结构,用于网络物理生产系统的实现。未来的工作将包括对机器人机械手的测试,以确定系统的准确性和重复性,并确定进一步改进的领域。附录二 外文原文
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