第1个回答 2010-12-05
开题报告
一、设计题目
卧式加工中心的机械手升降机构
二、课题研究的目的、意义
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
1）以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
2）以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
三、国内外现状和发展趋势
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用
自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工序加工不可缺少的装置, 主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组成。机械手和驱动装置是两个关键部分, 根据驱动装置的不同, 自动换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式, 其中以凸轮式用得较多。发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械手主要采用凸轮式, 我国加工中心技术起步较晚, 对自动换刀机械手研究较少。进入20 世纪90 年代后, 北京机床研究所、大连组合机床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。迄今为止, 我国制造的加工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的。其主要原因: 一是国内生产的换刀机械手质量较差, 成本也不低; 二是进口换刀机械手价格虽然较高, 但在整个加工中心中所占份额不大。作为加工中心的配套技术, 自动换刀机械手的研究和开发将直接影响到我国自动化生产水平的提高, 从经济上、技术上考虑都是十分必要的。
立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用20 世纪90 年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(A u2tomat ic Too l Changer)。换刀装置作为加工中心的重要组成部分, 其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间, 提高生产率, 降低生产成本, 进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
四、研究内容及方案拟定
各已知的参数和要求如下：
①机械手装置的行程：1260mm；
②机械手重：m1=40kg；
③刀具的最大质量：m2=10kg；
④机械手的回转及装卸刀具装置质量：m3=200kg；
⑤换刀时间：t1=3s；
⑥刀具的升降时间：t2=6s。
机械手基本形式的选择：
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
(1)直角坐标型机械手;
(2)圆柱坐标型机械手;
(3)球坐标(极坐标)型机械手;
(4)多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小,能够较容易地实现凸轮轴加工机床的运动要求。
（5）机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
（6） 机械手的工艺流程: 机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进（小车）→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退（小车）→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位
控制系统的选择：1.考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.
2.国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。
3.气动机械手的工作流程如下：
（1） 当按下机械手启动按钮之后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动作。
（2） 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。
（3） 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。
（4） 手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。
（5） 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。
（6） 手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。
（7） 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。
（8） 手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。
（9） 手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。
（10） 立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作。
（11） 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。
（12） 手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。
（13） 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。
（14） 手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。
（15） 手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。完成一次循环，然后重复以上循环动作。
按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作。
电动机的选择：
本系统采用110BF 反应式步进电机为执行元件, 其步距角为每步0.75o , 整个控制系统硬件组成如图：
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件, 广泛应用于工业控制系统中。其机械角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例, 通过改变电脉冲频率可在大范围内进行调速; 同时, 该电机还能快速启动、制动、反转和自锁; 此外, 步进电机易于实现与计算机或其它数字元件接口, 适用于数字控制系统。
步进电机通电相序的方向控制以软件代替环形脉冲分配器, 实现对相序的直接控制, 各相脉冲输出由并行口直接控制, 将控制字(步进电机各相通断电顺序) 从内存中读出, 然后送到单片机并行口中输出, 从而实现步进电机的正、反转。使用这种方案不仅简化了系统的硬件线路, 降低了成本,而且还可以根据控制系统的需要, 灵活地改变步进电机的运行方式。采用三相六拍步进电机, 电机正转时通电顺序为:A - AB- B- BC- C- CA - A; 反转时的通电顺序为:A - AC- C- CB- B- BA - A。此外, 控制进给脉冲的频率, 改变单片机输出端口状态代码(输出字) 之间的间隔时间, 即可调整电机的转速, 实现刀盘的加速-恒速- 减速之间的转换, 从而缩短换刀时间, 提高换刀效率。
应收集的资料及参考文献:
⑴金属切削机床与数控机床 张俊生主编 1994年8月第一版
⑵数控机床的结构与传动 北京航空学院机械加工教研室编 1977年9月第一版
⑶数字控制技术与数控机床 杨有君主编 1999年10月
⑷实用数控机床技术手册 1993年8月第一版
⑸现代数控机床结构设计 王爱玲主编 1999年9月
⑹现代数控机床 毕承恩 丁乃建等 1991年12月第一版
⑺试谈数控机床加工中心的结构设计 机械制造出版社 1994年1月
五、进度安排
1、2010.3.1～3.14 毕业设计调研，完成科技译文及开题报告；
(科技译文不少于3000汉字)
2、2010.3.15～6.6 完成总体设计、零部件设计、控制电路设计等；
（完成4张零号图，要求CAD出图；具体落实到每个人内容
有所不同，时间段相同）
3、2010.6.7～6.20 完成设计（论文）说明书
（40～60页，要求打印）；
4、2010.6.21～6.25 评审、答辩。
（给出成绩及评语，注意答辩时间2010年6月15——20日，
请在15日前完成所有任务）
六、参考文献
1.《机械设计手册》（1-5卷） 徐灏 主编 机械工业出版社
2．《简明实用机械手册》（第二版） 上海市机械工程学会 编机械工业出版社
3.《汽车构造（下册）》陈家瑞主编 机械工业出版社
4．《机械设计图册》 成大先 主编 化学工业出版社
5．《机械设计》（第六版）西北工业大学濮良贵、纪名刚 主编 高等教育出版社
6．《机械制造装备设计》 冯辛安 主编 机械工业出版社
7．《现代机构手册》（上、下册）孟宪源 主编 机械工业出版社
8．《机械设计常用元器件手册》（上、下册） 刘仁家等编 机械工业出版社
9．《机床课程设计指导书》吉林工业大学机床教研室 宋在明 陶永兰 编 1997.2
10.《几何量公差与检测》（第三版）甘永立 主编 上海科学技术出版社
11.《新编液压工程手册(上,下册)》 雷天觉 北京理工大学出版社本回答被网友采纳