輕質(zhì)環(huán)保餐具拾取裝置設計畢業(yè)設計論文開題報告.doc

山東建筑大學畢業(yè)設計開題報告表班級： 機械108 姓名：高超設計題目輕質(zhì)環(huán)保餐具拾取裝置設計一、選題背景和意義（1）背景一次性餐具方便快捷的理念在快節(jié)奏的生活中使其變得尤為重要。最近幾年，隨著環(huán)保意識的加深，一次性快餐盒也已由泡沫飯盒轉(zhuǎn)向環(huán)保飯盒，越來越受到人們的歡迎，尤其是上班族的青睞。同時，塑料由于具有毒性較低、熔點較高、可塑性強、生產(chǎn)簡便及相對成本較低等特點，因而成了制造一次性快餐盒的主流材料。如PP塑料飯盒，PP是指聚丙烯，具有極好的機械性能和熱性能，特別適合加熱飯菜的包裝應用。而PS聚苯乙烯，剛硬而脆，無毒，無味，特別適合冷凍食品包裝如糕點或沙拉等。出現(xiàn)眾多材料生產(chǎn)依次性餐盒的同時，餐具的生產(chǎn)加工過程也受到了人們的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，我國每年消耗的一次性餐盒大約有150億個。而一次性餐盒的加工過程也成為了關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對于一次性餐具的生產(chǎn),餐具加工公司已經(jīng)初具規(guī)模,機械化生產(chǎn)也被廣泛應用,但是一次性餐具的生產(chǎn)過程中有些環(huán)節(jié)仍然需要人工的參與,一次性餐具生產(chǎn)搬運堆放就是一個鮮明的例子。在一次性餐盒的加工生成后的整理堆放過程中，每個加工機器都需要人工將產(chǎn)品從成品槽取出，然后移到堆放位置跺好，整個過程非常簡單，但又是機械性的操作。一方面工人機械工作，非常單調(diào)。另一方面，耗費勞動力，增加生產(chǎn)成本。對一次性餐具碼垛機器人的研究將克服人工生產(chǎn)操作的難題,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化。（2）意義本次課題設計工作主要是針對碼垛機器人的設計，結(jié)合參考文獻，通過對現(xiàn)有碼垛機器人了解及理解，結(jié)合自己所學知識，運用簡單的機械結(jié)構(gòu)完成一定的搬運堆放，初步設計一種適合批量生產(chǎn)使用的一次性餐具碼垛機器人。對于本次課題設計的意義，進一步了解和探討碼垛機器人的工作原理及其內(nèi)部工作條件，改進原有生產(chǎn)過程中的弊端，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進一次性餐具加工的快速批量化生產(chǎn)。同時，還希望在做本次畢業(yè)設計的過程中通過不斷地查找資料、分析資料；不斷的使用、學習繪圖軟件與仿真軟件；不斷學習已學過的專業(yè)知識及了解新的專業(yè)知識，在鞏固所學知識的基礎(chǔ)上，進而更進一步去了解本專業(yè)和拓寬自己的知識面，為日后的就業(yè)和工作需要打下一定的知識基礎(chǔ)。二、課題關(guān)鍵問題及難點該課題將根據(jù)委托方聊城某廠的要求設計一款其現(xiàn)有設備上應用的一次性餐具生產(chǎn)的自動上下料裝置，主要技術(shù)指標為：1.設計一款可用于按一定流程搬運餐具的碼垛裝置，該裝置可對一次性環(huán)保餐具進行拾取和疊放； 2.該拾取裝置的執(zhí)行件采用步進電機、電磁鐵；3.該拾取裝置采用地面放置模式； 4.系統(tǒng)的控制部分選用單片機和計算機聯(lián)動。根據(jù)設計要求以及生產(chǎn)實際，碼垛機械手臂的定位點以及碼垛機器人運行步驟的要求需要精確。一次性餐盒生產(chǎn)完成后，碼垛機械手取出餐盒的方式需要采用特定的方式，技能穩(wěn)定又能保證快捷。機械手取出餐盒到餐盒的垛疊過程需要一個輸送裝置完成。本課題研究的難點:1、 碼垛機械手的運行時間要與餐盒加工裝置的運行時間保證對應。2、 碼垛機械手取餐具的裝置要保證可靠。3、 輸送裝置要設計合理。4、 圖紙的設計以及描繪復雜。三、調(diào)研報告（或文獻綜述）文獻綜述一次性餐具方便快捷的理念在快節(jié)奏的生活中使其變得尤為重要.對于一次性餐具的生產(chǎn),餐具加工公司已經(jīng)初具規(guī)模,機械化生產(chǎn)也被廣泛應用,但是一次性餐具的生產(chǎn)過程中有些環(huán)節(jié)仍然需要人工的參與,一次性餐具生產(chǎn)搬運堆放就是一個鮮明的例子。對一次性餐具碼垛機器人的研究將克服人工生產(chǎn)操作的難題,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化。對于碼垛機器人,國內(nèi)外都有大量的研究. 從20世紀60年代,國外開始研究工業(yè)機器人,碼垛機器人是伴隨著工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展誕生的,日本、德國、美國等發(fā)達國家的研究已取得一定成果。日本和瑞典是最早將工業(yè)機器人技術(shù)用于物體的碼放和搬運。20世紀70年代末日本第一次將機器人技術(shù)用于碼垛作業(yè)。1974年,瑞典ABB公司研發(fā)了全球第一臺全電控式工業(yè)機器人IRB6,主要應用于工件的取放和物料的搬運。除此之外,德國、意大利、韓國等國家工業(yè)機器人的研發(fā)水平也相當高。隨著計 算機技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)以及人工智能控制等技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,日本、德國、美國、瑞典、意大利、韓國等國家在包裝碼垛機器人的研究上做了大量工作, 相應推出了自己的碼垛機器人,如日本的FANUC和OKURA以及FUJI系列,德國的KUKA系列,瑞典ABB系列等。德國、瑞典以及日本等國家的碼 垛機器人一般為46軸機器人,主要由固定底座、連桿、連桿臂、臂部、腕部以及末端執(zhí)行器組成,見圖1。機器人主體多采用優(yōu)質(zhì)輕巧的鑄鋁材料制造和連桿式 關(guān)節(jié)型的機構(gòu)形式,均利用CAD和FEM有限元技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計,具有較高的機械性能和抗震能力驅(qū)動系統(tǒng)均采用模塊式數(shù)字化AC伺服電機和RV減速器,取消了腕部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和平衡塊,大大優(yōu)化了整機結(jié)構(gòu);針對不同類型的產(chǎn)品和包裝件,還設計 了真空吸持、夾持、叉式等多種形式的智慧末端執(zhí)行器。這些先進碼垛機器人最顯著的技術(shù)特點就是采用了基于PC的開放式控制系統(tǒng),令機器人能夠高速、精準、 穩(wěn)定可靠地運行。如瑞典ABB公司為IRB系列碼垛機器人研發(fā)了主動安全軟件和被動安全軟件,可對機器人的運動和載荷情況進行監(jiān)控;電子穩(wěn)定路徑功能可確 保機器人在考慮加速度、阻力、重力、慣性等條件的同時,遵循預定運行路徑;主動制動系統(tǒng)可以確保機器人維持運行路徑的同時對制動予以控制,被動安全功能可 實現(xiàn)機器人進行負載識別?；诰W(wǎng)絡的軟件工具用于遠程聯(lián) 機、診斷和生產(chǎn)監(jiān)控;還專門配備了機器視覺引導系統(tǒng),用于引導機器人完成拆垛和檢查工作。目前,國外碼垛機器人技術(shù)及應用特點體現(xiàn)在以下幾個方面: 1)碼垛機器人本體采用新結(jié) 構(gòu)。廣泛采用有限元、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代化設計方法,機器人大臂采用非平行四邊形單連桿機構(gòu),工作空間有所增加,本體自重進一步減小,更加靈巧。先 進的RV減速器和強大的關(guān)節(jié)交流伺服電機,提高了機器人的運動精度、平穩(wěn)性和跟蹤精度。針對不同操作對象和工作要求,開發(fā)了配備力覺、觸覺傳感器的多種結(jié) 構(gòu)型式的智能末端執(zhí)行器,可實現(xiàn)多種產(chǎn)品的包裝、搬運、碼垛、拆垛等作業(yè),并確保對產(chǎn)品不會造成損壞。 2)控制系統(tǒng)性能優(yōu)越。基于PC的控制系統(tǒng)體積越來越小型化,實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制,具備網(wǎng)絡通信功能,程序容量大,可控制的軸數(shù)可達27根。采用多功能、大屏幕的示教盒,機器人編程方式以示教編程方式為主。 3)國外碼垛機器人廣泛應用在包裝、物流、食品、飲料、化工、建筑、醫(yī)藥等行業(yè),可完成食品、藥品、啤酒飲料等多種產(chǎn)品的裝箱、搬運、碼垛、拆垛等作業(yè),實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造企業(yè)生產(chǎn)自動化,大大提高了生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益。中國對于碼垛機器人的研究也逐漸開始，碼垛機械手在石化、化工生產(chǎn)中廣泛應用。我國的工業(yè)機器人從上世紀8O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)，目前已基本掌握了機器人的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(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1 30多臺套噴漆機器人在20余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線站上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人也已應用在汽車制造廠的焊裝在線。起初，從總體來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外相比還有一定的差距，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領(lǐng)域狹窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外相比仍有差距；在應用規(guī)模上，安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200多臺，僅占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。形成以上現(xiàn)象的主要原因是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，我國的機器人生產(chǎn)都是迎合客戶的要求，即“一個客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本高，而且質(zhì)量和可靠性 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)品進行全面規(guī)劃，完善系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。目前，在通貨膨脹、人力成本逐漸升高的經(jīng)濟背景下，從現(xiàn)有國內(nèi)餐具加工工業(yè)的發(fā)展趨勢來看，機器人需求量將相當可觀。業(yè)界給出高度評價和關(guān)注。 在近10年的時間里,我國涌現(xiàn)出一批具有較強實力的專家企業(yè)、產(chǎn)業(yè)基地和科研院校。沈陽新松機器人自動化股份有限公司為滿足客戶特定 環(huán)境下的需求,成功開發(fā)了碼垛機器人系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學于2004年推出的1600型基于FFS的高速高精度稱重包裝碼垛生產(chǎn)線,采用全新結(jié)構(gòu)型式與原 理的新型全自動稱重、包裝、機器人碼垛生產(chǎn)線,生產(chǎn)能力可達1600包/小時以上。 上海交通大學機器人研究所攜手沃迪包裝科技有限公司開發(fā)出了新一代TPR系列碼垛機器人,具有獨特的線性四連桿機構(gòu),采用高強度鋁合金制造的節(jié)能環(huán) 保手臂,生產(chǎn)能力可達1600包/小時?；诠I(yè)PC的控制器系統(tǒng)以及碼蘇海新等人開發(fā)了新型工業(yè)碼垛機器人,其主體結(jié)構(gòu)是基于平衡吊原理的七桿機構(gòu),具有4個自由度;開發(fā)了一種基于IPC和PMAC的模塊化分布式控制 系統(tǒng),集主機通訊、運動控制、后臺任務處理等垛現(xiàn)場3D仿真和自動干涉檢測,大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。李成偉等人研究設計了一種4自由度并聯(lián)關(guān)節(jié)式搬運碼垛機器人,只需更換手爪,即可對硬紙箱、塑料箱、袋狀物、盒裝物等搬運碼垛。控制系統(tǒng)設計采用了基于PC的模塊化分布式控制結(jié)構(gòu),上位機采用普通工業(yè)PC,實現(xiàn)監(jiān)控和作業(yè)管理,下位機采用PMAC運動控制卡和PLC可編程控制器,實現(xiàn)運動規(guī)劃和控制。 20世紀90年代中期至今,青島、玉溪等卷煙廠采用碼垛機器人對其卷煙成品進行碼垛作業(yè),節(jié)省了大量人力,減少了煙箱破損。碼垛機器人配備條碼識別 器可以實現(xiàn)2種以上品牌產(chǎn)品的碼垛;利用真空吸盤可以實現(xiàn)成品拆垛;利用圖像識別系統(tǒng)和多功能機械手,實現(xiàn)了各種輔料托盤的識別和抓取,完成卷煙輔料的搭 配作業(yè)。目前,青島啤酒、燕京啤酒、廣州珠江啤酒、東莞雪花啤酒等知名大型啤酒生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用全自動、半自動碼拆垛設備和機器人系統(tǒng),碼垛 效率得到了極大提高,現(xiàn)在的設備基本可以完成4800060000瓶/小時的碼垛要求。新技術(shù)、新設備、新材料不僅可幫助企業(yè)根據(jù)各自的需求和企業(yè)文化開發(fā)個性化的產(chǎn)品和包裝，而且可以降低原材料、設備和生產(chǎn)能耗等成本，增加企業(yè)的產(chǎn)品競爭力。從國外碼垛機器人的研究現(xiàn)狀看，目前的研究正處于大規(guī)模使用推廣階段，我國在這方面的研究正處在自主研發(fā)和使用的起步階段。要想碼垛機器人在我國物流包裝行業(yè)推廣開來，必須對我國國慶和行業(yè)現(xiàn)狀進行攝入廣泛的調(diào)查研究，針對企業(yè)生產(chǎn)情況、客戶要求以及碼垛機器人存在的問題與不足，研究開發(fā)碼垛機器人的新功能、新特點，以適應企業(yè)生產(chǎn)的實際情況，并積極探索碼垛機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。另外，高負載型機器人、并聯(lián)機器人、多智能體調(diào)控技術(shù)、遠程遙控、網(wǎng)絡化機器人控制技術(shù)以及機器視覺稿精度檢測盒引導，將是工業(yè)機器人及其在包裝碼垛方面的重點發(fā)展方向。在不久的將來，碼垛機器人技術(shù)會越來越完善和成熟，在國家政策的支持下，機器人軟、硬件研發(fā)力度及人才隊伍建設不斷加大，機器人知識的廣泛普及，將使碼垛機器人廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。與此相同，一次性餐具碼垛機器人也將會進入一個全新的發(fā)展階段。參考文獻1李允文.工業(yè)機械手設計M.北京:機械工業(yè)出版社,1996.2李金泉，楊向東，付鐵碼垛機器人機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設計M北京：北京理工大學出版社2011.3胡洪國，高建華，楊汝清碼垛技術(shù)綜述J組合機床與自動化加工技術(shù)2000，(6)：9-12.4 李金泉，段冰蕾，李忠明.新型碼垛機器人工作空間及影響系數(shù)分析J.北京郵電大學學報.2011，（6）：12-13.5 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機械手臂增設伸長壓縮臂，一方面能夠提供距離保障，又能完成碼垛過程。一、取件機械手方案一：機械手臂升降氣缸移動氣缸 機械手的移動通過移動氣缸和升降氣缸組合實現(xiàn)。當餐具盒生產(chǎn)后，移動氣缸運行，機械手臂到達餐盒位置，抓取餐盒，升降氣缸上升到一定位置，移動氣缸移動將餐盒取出。此方案中需要運用兩個氣缸，運動過程配合緊密。取件機械手方案二：旋轉(zhuǎn)機構(gòu)機械手臂此方案機械手臂可以定點旋轉(zhuǎn)，當餐具生產(chǎn)后，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，機械手臂轉(zhuǎn)到餐具上方，手臂伸展抓取餐具，手臂彎曲將餐具提起，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)使餐具取出。