压铸产品取件机器人结构设计及强度分析 开题报告

1、中国海洋大学本科毕业设计开题报告题 目压铸产品取件机器人结构设计及强度分析院、 系 工程学院机电系 专 业 机械设计制造及其自动化(年级)2021级 学生姓名 边增华 学 号 080242021001 指导教师 穆为磊 教务处制表 2021年4 月 2 日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值课题来源本课题为导师自拟课题，研究内容为压铸产品取件机器人结构设计及强度分析。研究背景及意义机器人英文为Robot，实际是由捷克文Robota意为苦力，劳仆而来，1920年由捷克的一个科幻内容的话剧而得名1。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等

2、多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备2。随着科学技术的不断开展，工业机器人在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具3。从国家层面来讲，工业机器人的开展水平不仅仅是一个国家制造业水平和科技水平的重要标志，更是重塑我国制造业竞争优势的重要工具和手段。伴随着近年来国内制造业升级的需求及工业自动化的开展，工业机器人在越来越多的领域得到了广泛应用。在制造业中，如在机械加工、焊接、上下料、及仓库堆垛等作业中，机器人正在逐步取代人工作业。压力铸造由于其生产效率高，生产出的产品外表粗糙度好，结构强度大等

3、优点，在我国制造业中应用广泛。在压铸生产过程中，压铸合金的熔化与保温，压铸型的预热，涂料的喷涂，压铸机工作，压铸件清理等环节都会产生烟尘、有害气体、油滴、油污、噪声和热辐射等，这些污染物对生产一线的工人们身体健康造成极大危害。压铸车间环境如图1所示。除此之外，人工取件不仅工作效率低，人工本钱高，而且每天数千次的重复动作极易导致工人出现健康问题。图 2 采用机器人压铸车间图1传统压铸车间因此为了保障工人的身体健康和降低工人的劳动强度，采用压铸取件机器人替代工人具有重要的应用价值。本文正是基于此目的研制了一款可用于压铸车间自动取件的六轴关节式工业机器人。目前，不少大型工厂已经采用工业机器人取代人工

4、作业。如图2所示为采用工业机器人之后的压铸车间，采用机器人取代人工之后，生产效率提高，所需工人数量减少，并且工人现在只需要操纵机器人完成工作即可，大大减轻了劳动强度。二、文献综述国内外研究现状、开展动态；查阅的主要文献国内外研究现状国内工业机器人研究现状我国的业机器人研究起步于20世纪70年代初期,1972年,中国科学院沈阳自动化所开始了机器人的研究工作6、7。1985年,工业机器人被列入了国家“七五科技攻关方案研究重点,其目的是在工业机器人的根底技术、根底零件开发、搬运、喷涂和挥接机器人的开发研究等五个方面取得进展。从90年代初期起,在国家“863方案支持下,我国第一台高性能精密装配智能型机

5、器人“精密一号在上海交通大学诞生,它的诞生标志着我国已具有开发第二代工业机器人的技术水平。“九五期间,沈阳新松机器人自动化股份、哈尔滨搏实自动化设备、一汽集团涂装技术开发中心等确立为智能机器人主题产业化基地8、9。“十五期间是我国机器人产业开展的一个关键转折点。经过多年的研究开发,我国的机器人技术已日趋成熟,而我国在这个期间却没存很好的抓住这个时机,使得机器人开展又进入了一个低谷,失去了一次人力开展机器人产业的难得机遇6。图1.2 2005-2021年中国工业机器人销量2021年，中国已成为仅次于日本的全球第二大机器人市场。尽管中国的机器人购置量在2021年仅有小幅上升，到达23000 台，但

6、中国是全球增长最快的市场。2005年至2021年期间，工业机器人的销售量以年均25%左右的速度高速增长。未来几年中国经济将继续保持较高增长率增长。据国际机器人联合会IFR发布的报告数据，2021年中国工业机器人销量将较2021年增长9%，约达25000台。20212021年中国工业机器人销量年均增长率将达15%，至2021年工业机器人销量将达38000。中国的机器人研究缺乏根底工业的支持,智能机器人需耍许多的伺服电机和各种各样的传感器,需要许多种电子元件和特殊材料等,我国目前还主要依靠国外进口。目前我国所拥有的机器人,其中国产仅仅占 20%,其余都是从日本、美国、韩国等40多个国家引进的。对于

7、中国的工业机器人企业来说,主要有广州数控、沈阳新松在国产机器人领域有一定的市场份额,能够与国际知名机器人品牌相抗衡。但整体上,国产工业机器人技术水平依旧相对落后。国外工业机器人开展现状目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系，日系中主要有FANLUC、OTC、松下、安川、川崎重工等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS以及瑞典的ABB。2021年世界工业机器人的需求增长较2021年有所放缓，但机器人销量仍然继2021年后创出历史第二高，销量约为15.9万台，仅比2021年的历史最高销量略微下降4%；2021年世界工业机器人销量到达16.2万台，较2021年增长2%；20212

8、021年世界工业机器人销量年均增长率约为6%，至2021年世界工业机器人销量有望到达19万台。目前，日本、韩国和德国的工业机器人密度工业机器人密度是指：在制造业中每1万名雇员所拥有的工业机器人的数量介于270到400之间，而中国的工业机器人密度约为20左右，也远低于世界平均水平58。美国是机器人的发源地，早在1962年就研制除了世界上第一台工业机器人，但是美国方面处于就业考虑并没有将工业机器人列入重点开展工程，反而是劳动力短缺的日本，后来居上，占据了工业机器人的霸主地位。从1967年日本由川崎重工业公司从美国引进机器人及其技术,并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特机器人开始算起,经过短短

9、十几年的不懈努力,80年代中期 始,日本开始成为了世界上机器人技术最为成熟的国家,并且一直延续至今,日本工业机器人的开展得益于战后劳动力骤减,也受益于汽车在2021年销售的工业机器人的总数里,日本占据总销售的72%,日本不仅仅是工业机器人最大的生产国,也是工业机器人最大的销售国10。作为SCARA工业机器人全球市场占有率第一品牌,精工爱普生集团于日前在东京发布了新款H8机器人,该机器人是其水平多关节(SCARA)机器人H旗舰系列的首款机型,适用于自动化装配、输送,可搬运重量高达8公斤。爱普生工业机器人在电子和汽车行业生产线的输送和零件装配方面应用广泛,并一贯以高速、精准、操控稳定著称,为满足生

10、产厂家提升产量的需求,H系列的性能参数也到达了一个新的水平。除了具有爱普生强大的智能运动控制技术,H系列机器人还装载了 QMEMS传感器。这些技术使机器人实现了更高效的搬运能力与更小巧紧凑的机身设计的完美结合,并赋予机器人高速、低振动的特点。从整体上来说,我国机器人产业还很薄弱,机器人研究仍然任重而道远。在我国市场上的机器人总量,仅占全球机器人总量很小的一局部。究其原因,很大程度是由于自主品牌不够,开展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急,由于机器人是最典型的机电一体化、数字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进装备制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会开

11、展起着越来越重要的作用。因此，我们国内企业应抓住中国制造业转型的历史机遇，加快国内机器人及相关产业的开发，争取早日到达乃至超越国际先进水平。工业机器人开展趋势当代工业机器人技术开展一方面表现在工业机器人应用领城的扩大和机器人种类的增多;另一方面表现在机器人机械系统性能的提高和控制系统的智能化。前者是指应用领域的横向拓宽,后者是在性能及水平上的纵向提高。机器人应用领城的拓宽和性能水平的提高二者相辅相承、相互促进。应用领城的扩大对机器人不断提出断的要求,推动机器人技术水平的提高。反过来,机器人性能与智能水乎的提高,又使扩大机器人应用领域成为可能。进一步提高工业机器人的运动精度。工业机器人是一种多关

12、节开链式结构,这就决定了机器人存在刚度不高的特点。此外因为存在尺寸误差和传动间隙,以及机器人手臂末端误差放大的问题,所以现在机器人的定位和运动的精度指标还不是很完美。较高精度的数控机床而言,工业机器人的精度还有很大的差距。这些都限制了在精密装配及其它精密作业领域工业机器的使用。除了精密作业要求高精度机器人以外,采用离线编程的工业机器人系统也要求该机器人要具有足够高的定位精度和运动精度。进一步提高机器人工作精度的主要方法是:选择伺服驱动电机配合无隙传动的减速机构作为机器人的驱动系统,进一步提高机器人的加工精度与装配精度11。2.误差补偿:通过实时检测对机器人运动误差进行实时修正。提高机器人手的灵

13、活度和避障能力。当前常用的机器人手的灵活度的都不够高,即手臂末端到达某一工作点时,操作臂能保持的姿态是有限制的,必须能有较大的灵活度与较强的避障能力。例如当用喷涂机器人喷涂车身内外表时,要求机器人能将车身内外表的各个角落都喷上漆,必须要有高灵活度机器人的手才行。另外,在有限空间及有障碍的复杂环境中作业的机器人,例如在核电站工作的机器人,也要求其具有高灵活度的机器人手臂。为了提工业机器人手臂的灵活度,主要是采用具有冗余自由度的机器人手臂和在机器人手臂机构上采用球铰关节或可双向弯曲的手臂。3.提高工业机器人的运动速度和响应频率:为了提高机器人工作效率,那么就必须提高机器人响应频率和运动速度。这方面

14、,对装配工业机器人来说尤为重要。为实现这一目标,一方面可以使用具有高强度的材料或者轻质材料(如碳纤维复合材料)来制造机器人的操作机,以到达减轻本体重量和提高机械系统的动态特性的目的,另外也可以采用其它高性能驱动电机或电机直接驱动的方式,从控制和驱动方面入手,提高机器人系统的响应频率与运动速度12。参考文献：1  孙汉卿,吴海波.多关节机器人原理与维修M.北京.国防工业出版社,2  3  马光,申桂英.工业机器人的现状及开展趋势J.组合机床与自动化加工技术,2002.(3):48-504  5  6  陈佩云,金茂菁,曲忠萍.我国工业机

15、器人开展现状J.机器人技术与应用.2001,1:2-57  Wang T, Lei X,Chou W. The development of robot technology in ChinaM. IntelligentRobotics and Applications, Springer, 2021, 1-9.8  黄军英.日本机器人技术开展浅议J.科技管理研究.2021,28(2)9  李良椅,麦军.韩国机器人产业政策研究J.机器人技术与应用.2021(006):6-910李瑞峰.中国工业机器人产业化开展战略J.航空制造技术.2021,9:711毕胜.国内外工

16、业机器人的开展现状J.机械工程师.2021,7:5-712Brogardh T. Present and future robot control developmentan industrial  perspectiveJ.Annual Reviews in Control. 2007,31(1):69-79三、研究内容学术设想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题或技术1主要研究内容本课题主要研究内容为压铸件取件机器人结构设计及强度分析，并实际制作样机。本文中所设计的工业机器人为六自由度关节式机器人，主要由腰部、大臂、小臂及腕关节组成，所要解决的关键问题为各关节伺服电机及减速器的

17、选型及关节结构件的设计。2学术设想及思路1通过查阅与工业机器人有关的资料，初步了解工业机器人的结构及运动原理。2研究现有典型工业机器人如ABB、安川工业机器人的参数，及考虑到工厂实际应用时所需满足的条件，确定压铸产品取件机器人的相关性能参数，如关节运动速度等。 同时考虑压铸机的尺寸及运动路径，在此根底上，大致确定机器人各杆件的几何参数。3在初步完成工业机器人的机械本体设计的根底上，进行驱动方式的选择，为保证机器人的运动精度，采用安川伺服电机与RV减速机和谐波减速机的组合。通过对工作行程确实定及各关节加速度、转动惯量等的计算初步选定伺服电机及减速器的型号。4根据电机与减速的结构，对机器人的零部件

18、内部空间做出了调整，完善了机器人本体结构的设计并绘制草图。5采用Solidwoks软件进行各零部件三维建模并进行装配，并进行动态仿真来检查各零部件之间是否发生干预。6运用ANSYS软件对机器人关键部件如腰部关节、大臂进行有限元分析，并根据分析结果对机器人杆件优化，以确保设计参数符合实际需求。7运用D-H参数法建立六轴工业机器人的数学模型，确定各连杆的参数，并推导出运动学正、反解的方程。在此根底上，运用Matlab软件验证正、反解方程的正确性。拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法：(1) 文献检索法：通过查阅国内外有关工业机器人的论文，对于工业机器人的开展现状及各局部结构有初步了解。(2) 类比法：对已有成熟工业机器人产品进行研究，并根据已有产品的参数来确定所研制的取件机器人的相关参数。(3) 模型法：通过三维软件建立机器人模型并进行仿真，大大缩短了设计时间及工作量。技术路线：背景及意义绪论国内研究现状国外研究现状运动参数确定传动方案设计零部件设计建立三维模型ANSYS