注射机专用辅助夹取机构的设计开题报告 52.docx

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注射机专用辅助夹取机构的设计开题报告52

毕业设计（论文）开题报告

题目：

注射机专用辅助夹取机构的设计

1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）

1.1题目背景、研究意义

日常生活中许多塑料制品都是经过模具用注塑机注射成型，随着塑料制品的应用范围不断扩大，为配合注射成型产品自动化生产需要和提高产品质量和生产效率，注塑机专用辅助夹取机构逐渐成为许多厂家提升产品的竞争力的一种重要手段和必然选择，本课题针对于此研究并设计一种注塑机专用辅助夹取机构-悬臂式机械手。

该机械手是能够模仿人体上肢的部分功能[1]，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。

注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。

[2]

注塑机专用机械手的组成一般由执行系统、驱动系统、控制系统等组成。

执行系统机械手抓取或者释放制品，实现各种操作运动的系统，由臀部，腕部和手部等部件组成，驱动系统为执行系统各部件提供动力系统，有气动，液压，电动及机械等形式，目前比较常用的是气动和液压两种形式，气动式速度快，结构简单，成本低，有较高的重复定位精度；液压式臂力大，可实现连续控制，定位精度高，但容易漏油而污染制品。

控制系统，通过对驱动系统进行控制，使执行系统按照预定的工作要求进行操作，并对执行系统的动作造行修正的系统，一般包括位置检测装置和程序控制部分，通常采用点位控制和连续轨迹控制两种方式。

1.2机械手在国内外的发展及现状

机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

（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。

）1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm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，定位误差小于±1毫米。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

应用案例如下：

1）德国AST机器人公司安装的180台机械手，其中约60%装在铸造厂

2）Y815型主从控制关节式机械手适用于工作直径近10m、高3.2m的球面空间范围。

此台机械手在第二汽车制造厂铸造三厂使用。

3）英国铸铁研究协会的液压关节式机械手，起重力为3000KN，液压抓勾回路中装有液压蓄能器，在主回路压力波动时能维持抓力。

4）PM500型机械手第二汽车制造厂铸造一厂该机械手是德国KLEIN公司制造的,，安装在一车间二次落砂鳞板处,从鳞板上将缸机械盖、刹车毅等铸件抓起放于斗子里,将缸休抓起挂在悬链上。

我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：

70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。

在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。

今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。

目前国内已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人以应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的差距，如：

可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，品种规模多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量可靠性也不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

[6].[7]

1.3机械手的发展趋势及前景

机械手发展近几年有如下几个趋势：

[5]

1.3.1重复高精度

精度是指机器人、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有关。

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。

重复精度比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等

1.3.2模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。

模块化拼装的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油管的导向系统装置,使机械手运动自如。

模块化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,是机械手的一个重要的发展方向。

1.3.3无给油化

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。

1.3.4机电一体化

由“可编程序控制器-传感器-液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。

而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

随着科学与技术的发展,机械手的应用领域也不断扩大.目前,机械手不仅应用于传统制造业如采矿,冶金,石油,化学,船舶等领域,同时也已开始扩大到核能,航空,航天,医药,生化等高科技领域以及家庭清洁,医疗康复等服务业领域中.如,水下机器人,抛光机器人,打毛刺机器人,擦玻璃机器人,高压线作业机器人,服装裁剪机器人,制衣机器人,管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人,作战机器人,侦察机器人,哨兵机器人,排雷机器人,布雷机器人等军用机器人都是机械手应用的典型。

机械手广泛应用于各行各业.而且,随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩,未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活,其市场将繁荣兴旺[7][10]

2.主要研究内容、拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.1主要设计内容：

1）运动功能设计：

即自由度设计，应尽可能的灵活运动和大的工作空间，分析各运动的性质以及排列顺序等。

2）传动功能设计：

机械手操作机是由若干个构件组成的多自由度空间机构，传动功能中驱动器安排和机构要合理。

3）机械结构设计：

满足强度和刚度情况下，要充分考虑机器人的结构紧凑、重量轻、体积小等特点。

同时满足装卸方便，便于维修、调整。

基本参数：

抓重：

机械手抓取制品的额定重量或载荷

2.2研究方案

注塑用机械手在抓取制品及喷洒脱模剂时一般采用如下的工作步骤：

机械手手臂下降并引发注塑机开模-注塑机顶出注塑制品并向机械手发出顶出信号—机械手伸入模腔中抓取制品-机械手想模腔喷洒脱模剂—机械手上升离开模腔—机械手向注塑机发出闭模信号并引发注塑机闭模—机械手移动到指定位置处放下制品—机械手回复到原位准备进行下一次动。

2.2.1坐标形式的确定[8]

表2.1各坐标系比较表

坐标形式

工作原理

优点

缺点

直角坐标

直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。

由于直线运动易于实现．全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。

这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。

因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

圆柱坐标

圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。

这种机器人构造比较简单，承载能力高，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

精度较低

球坐标

球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。

这种机器人结构简单、成本较低，主要应用于搬运作业。

其工作空间是一个类球形的空间。

精度相比之下较低

承载能力低

关节型

关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的

关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。

相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。

此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等

关节型最大工作半径3m，不适合大距离空间工作，或放置到直线运动单元上。

承载能力低，有几种规格5~20Kg

其简图如图2.1：

[9]

图2.1各种坐标形式的运动简图

a.直角坐标式b.圆柱坐标式c.球坐标式d.关节式

由于本机械手在工作时手臂具有升降、收缩及回转运动，而圆柱坐标具有占地面积小、动作范围大，承载力高等特点，这就刚好满足工件的整个搬运要求下，综合各种因素，因此采用圆柱坐标形式。

机械手示意图如图1.2所示：

方案一

1.大臂2.升降液压机3.大梁4.自重式抓手5.工件

方案二

图2.2机械手传动示意图

按照抓取工件的要求，本机械手有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。

以上俩方案都可以完成本设计要求的动作，但作比较，方案二的设计更为灵活，更为优势。

2.2.2机械手的驱动方式的选择[10]

机械手的驱动系统一般可分为液压驱动，气压驱动和电力驱动等三类，也可以根据工作要求采用上述三种类型的但合系统来完成驱动。

表二驱动比较表

驱动形式

优点

缺点

液压驱动系统

液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。

适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。

液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。

【11】

气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。

适用于中、小负荷的机器人中采用。

因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中。

抓重力低。

【12】

电动驱动系统

低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。

这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。

由于大多数电机后面需安装精密的传动机构。

直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高

气压驱动的优点：

（1）根据机械手的负载量来确定驱动系统的类型，一般来说，重负载的可选择电力驱动系统，轻负载的可选择气压驱动系统。

（2）对于作点位控制的注塑机械手多采用气压驱动系统。

 （3）对于需要采用伺服控制的机械手多采用液压驱动系统或电力驱动系统。

综合考虑采用气压驱动。

2.2.3执行机构

注塑机专用机械手的手部是用来直接抓取注塑制品的部件。

由于注塑制品的形状，大小，重量及表面特征等方面存在着差异，因此注塑机械手的手部有多种形式，一般可分为夹持式和吸附式两种。

夹持式手部的主要形式为夹钳式，常用于抓取不易破碎或变形的制品，它对所抓取的制品的形状有较大的适应性。

夹持式手部由手指，传动机构和驱动装置组成。

对于夹持式手部，进行设计选用时主要考虑以下几点：

（1）手部应具有适应的夹紧力和驱动；

（2）手指应具有足够的开关范围；

（3）手指对制品应具有一定的夹持精度；

（4）手部对制品应具有一定的适应能力，且要求手部能耐受注塑制品刚从模腔中取出时的高温及腐蚀性。

3.重点及难点，前期已开展工作

重点：

保证各个结构之间的相互合理配合，使之能连续工作，有节奏，安全地成产。

难点：

机械手大臂的设计与计算，机械手抓手的设计与计算，机械手传动和驱动的设计计算，以及各个过程参数的确定，绘制图形。

已经展开的工作：

读书馆借书，网上查询有关书籍和资料，了解设计的大致方向，了解上料机械手的大体结构和工作原理。

4.工作方案及进度计划

1～2周：

调研，查阅相关资料，着手开题报告；

3～4周：

总体设计以及方案论证，深化方案具体实施步骤，完成开题报告；

5～6周：

分析机械手工况，确定机械手的载荷，并根据工况确定计算准则；

7～8周：

机械手的具体方案设计；

9～10周：

机械手的参数总体计算以及校核，准备中期检查；

11～12周：

机械手的结构设计以及分析；

13～14周：

完成装配图设计，验证校核；

15～16周：

撰写毕业论文以及外文资料的翻译；

17～18周：

修改毕业论文及准备毕业答辩；

5指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）

指导教师：

年月日

6所在系审查意见：

系主管领导：

年月日

参考文献

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