機械手開題報告

時間：2024-04-26 09:13:03 飛宇開題報告我要投稿

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機械手開題報告（精選5篇）

　　我們眼下的社會，報告不再是罕見的東西，我們在寫報告的時候要注意涵蓋報告的基本要素。為了讓您不再為寫報告頭疼，下面是小編幫大家整理的機械手開題報告，僅供參考，大家一起來看看吧。

機械手開題報告（精選5篇）

　　機械手開題報告 1

　　機械手是近幾十年發展起來一種高科技自動化生產設備，它對穩定、提高產品質量、提高生產效率、改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用，隨著工業機械化和自動化的發展以及氣動技術自身的一些優點，氣動機械手已經廣泛應用在生產自動化的各個行業。本文就氣動機械手的應用現狀和發展前景作了簡單概述。擴展我們的知識面和專業面，可以加強對自己的思維訓練和能力培養，還可以填補空白，提高生產效率，很大的現實意義。

　　關鍵詞：氣動機械手；研究方向；發展趨勢

　　1.機械手國內外發展現狀

　　工業機械手最早應用在汽車制造工業，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環境中工作：代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用與制造業中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業。工業機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統可組成柔性制造系統和計算機集成制造系統，實現生產自動化。隨著生產的發展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。

　　工業機械手是在第二次世界大戰期間發展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，它是一種主從型的控制系統。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的；1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數控示教再現型機械手。運動系統仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產工業機械手。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統也是示教再現型。雖然這2種機械手出現在六十年代初，但都是國外機械手發展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業機器人相繼在生產中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業。聯邦德國機器制造業是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業：聯邦德國Kuka公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制；日本是工業機器人發展最快，應用國家最多的國家，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業機械手應用最多的國家之一。前蘇聯自六十年代開始發展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助性工作。

　　我國工業機械手的研究與開發始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業機器人的發展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發并且制造了一系列的工業機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC——PWM等等。

　　我國的工業機械手發展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業機械手的同時，相應的發展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。可以將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。

　　2.機械手構成與分類機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。

　　手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。

　　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。

　　3.氣動機械手的應用現狀

　　由于氣壓傳動系統使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環境下工作”’。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩、可靠、節能和不污染環境、容易實現無級調速、易實現過載保護、易實現復雜的動作等優點。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業、半導體及家電行業、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業等。

　　現代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應用之一。

　　在彩電、冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的'氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統，采用了平穩加速的SIN氣缸。

　　氣動機械手用于對食品行業的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等。

　　4.發展前景及方向

　　4.1重復高精度

　　精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數地重復運行機器人來測定。隨著微電子技術和現代控制技術的發展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統的成套化。氣動機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業和軍事工業等。

　　4.2模塊化

　　有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發展方向。

　　智能閥島的出現對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。因為智能閥島本來就是模塊化的設備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。

　　4.3無給油化

　　為了適應食品、醫藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節省潤滑油、不污染環境，而且系統簡單、摩擦性能穩定、成本低、壽命長。

　　4.4機電氣一體化

　　由“可編程序控制器-傳感器-氣動元件”組成的典型的控制系統仍然是自動化技術的重要方面；發展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統的可靠性。

　　而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。

　　5.課題研究的目的、意義：

　　在機械工業中，應用機械手的意義可以概括如下：

　　一、以提高生產過程中的自動化程度

　　應用機械手有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。

　　二、以改善勞動條件，避免人身事故

　　在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業，使勞動條件得以改善。

　　在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。

　　三、可以減輕人力，并便于有節奏的生產

　　應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節拍，便于有節奏的進行工作生產。

　　綜上所述，有效的應用機械手，是發展機械工業的必然趨勢。

　　機械手開題報告 2

　　1.設計（或研究）的依據與意義

　　十字軸是汽車萬向節上的重要零件，規格品種多，需求量大。目前，國內大多采用開式模鍛和胎模鍛工藝生產，其工藝過程為：制坯→模鍛→切邊。生產的鍛件飛邊大，鍛件加工余量和尺寸公差大，因而材料利用率低；而且工藝環節多，鍛件質量差，生產效率低。

　　相比之下，十字軸冷擠壓成形的具有以下優點：

　　1、提高勞動生產率。用冷擠壓成形工藝代替切削加工制造機械零件，能使生產率大大提高。

　　2、制件可獲得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷擠壓十字軸類零件的精度可達ITg---IT8級，表面粗糙度可達Ra0．2～1．6。因此，用冷擠壓成形的十字軸類零件一般很少再切削加工，只需在要求特別高之處進行精磨。

　　3、提高零件的力學性能。冷擠壓后金屬的冷加工硬化，以及在零件內部形成合理的纖維流線分布，使零件的強度高于原材料的強度。

　　4、降低零件成本。冷擠壓成形是利用金屬的塑性變形制成所需形狀的零件，因而能大量減少切削加工，提高材料的利用率，從而使零件成本大大降低。

　　2.國內外同類設計（或同類研究）的概況綜述

　　利用切削加工方法加工十字軸類零件，生產工序多，效率低，材料浪費嚴重，并且切削加工會破壞零件的金屬流線結構。目前國內大多采用熱模鍛方式成形十字軸類零件，加熱時產生氧化、脫碳等缺陷，必然會造成能源的浪費，并且后續的機加工不但浪費大量材料，產品的內在和外觀質量并不理想。

　　采用閉式無飛邊擠壓工藝生產十字軸，鍛件無飛邊，可顯著降低生產成本，提高產品質量和生產效率：

　　（1）不僅能節省飛邊的金屬消耗，還能大大減小或消除敷料，可以節約材料30%；由于鍛件精化減少了切削加工量，電力消耗可降低30%；

　　（2）鍛件質量顯著提高，十字軸正交性好、組織致密、流線分布合理、纖維不被切斷，扭轉疲勞壽命指標平均提高2~3倍；

　　（3）由于一次性擠壓成型，生產率提高25%.

　　數值模擬技術是CAE的關鍵技術。通過建立相應的數學模型，可以在昂貴費時的模具或附具制造之前，在計算機中對工藝的全過程進行分析，不僅可以通過圖形、數據等方法直觀地得到諸如溫度、應力、載荷等各種信息，而且可預測存在的缺陷；通過工藝參數對不同方案的對比中總結出規律，進而實現工藝的優化。數值模擬技術在保證工件質量、減少材料消耗、提高生產效率、縮短試制周期等方面顯示出無可比擬的優越性。

　　目前，用于體積成形工藝模擬的商業軟件已有“Deform”、“Autoforge”等軟件打入中國市場。其中，DEFORM軟件是一套基于有限元的工藝仿真系統，用于分析金屬成形及其相關工業的各種成形工藝和熱處理工藝。DEFORM無需試模就能預測工業實際生產中的金屬流動情況，是降低他的制造成本，縮短研發周期高效而實用的'工具。二十多年來的工業實踐清楚地證明了基于有限元法DEFORM有著卓越的準確性和穩定性，模擬引擎在大金屬流動，行程載荷和產品缺陷預測等方面同實際生產相符保持著令人嘆為觀止的精度。

　　3.課題設計（或研究）的內容

　　（1）完成十字軸徑向擠壓工藝分析，完成模具總裝圖及零件圖設計。

　　（2）建立十字軸徑向擠壓成形模具的三維模型。

　　（3）十字軸徑向擠壓成形過程數值模擬。

　　（4）相關英文資料翻譯。

　　4.設計（或研究）方法

　　（1）完成十字軸徑向擠壓成形工藝分析，繪制模具總裝圖及零件圖。

　　（2）建立十字軸徑向擠壓成形模具的三維模型。

　　（3）完成十字軸徑向擠壓成形過程數值模擬。

　　（4）查閱20篇以上與課題相關的文獻。

　　（5）完成12000字的論文。

　　（6）翻譯10000個以上英文印刷符號。

　　5.實施計劃

　　04-06周：文獻檢索，開題報告。

　　07-10周：進行工藝分析、繪制模具二維圖及模具三維模型設計。

　　11-13周：進行數值模擬。

　　14-16周：撰寫畢業論文。

　　17周：進行答辯。

　　機械手開題報告 3

　　一、本課題的目的及意義，研究現狀分析

　　1.目的和意義

　　液壓機(又名：油壓機)利用帕斯卡定律制成的利用液體壓強傳動的機械。油壓機由主機及控制機構兩大部分組成。油壓機主機部分包括機身、液壓缸及充液裝置等。動力機構由油箱、高壓泵、低壓控制系統、電動機及各種壓力閥和方向閥等組成。動力機構在電氣裝置的控制下，通過泵和油缸及各種液壓閥實現能量的轉換，調節和輸送，完成各種工藝動作的循環。

　　液壓機作為一種通用的無屑成型加工設備，其工作特點一是動力傳動為“柔性”傳動，不像機械加工設備一樣動力傳動系統復雜，這種驅動原理避免了機器過載的情況;二是液壓機的拉伸過程中只有單一的直線驅動力，沒有“成角的”驅動力，這使加工系統有較長的生命期和高的工件成品率。

　　液壓機因具有結構簡單、工藝適應性強、環境污染小等其他設備不可替代的性能特點，被廣泛應用于汽車制造、航空航天、國防、電力電子、塑料、機械、冶金和輕工等國民經濟的各個領域。影響液壓機質量的因素很多，其中液壓機本體的設計水平起著重要的作用。液壓機本體是液壓機的重要組成部分，其重量約占整機重量的60%以上。液壓機本體的設計水平，對液壓機的制造成本、技術性能和使用壽命有著決定性的影響。我國液壓機本體的設計水平還比較落后，研究關于液壓機本體的設計方法，對提高我國液壓機的整體設計水平、增強相關企業的生存和發展能力具有重要的現實意義。

　　通過對本課題的設計，可進一步加深對所學基礎理論、基本技能的理解與運用，并逐步系統化;可培養獨立工作、解決問題的能力，進而達到培養獨立獲取新知識的能力;通過文獻檢索等基本技能的訓練，掌握撰寫技術報告的能力;通過設計過程的訓練，培養刻苦鉆研的科學態度及團隊協作能力，為以后工作時的產品開發、技術改進打下堅實基礎，在將來的實際生產中靈活處理質量、生產率和成本之間的關系，能獲得良好的經濟效益。

　　2.研究現狀

　　在我國，液壓行業已形成了門類齊全，有一定生產能力和技術水平，初具規模的生產科研體系。目前全國約有近300家企業，還有液壓研究室(所)，國家級液壓元件質量監督檢測中心以及國家重點實驗室。我國液壓工業重視同國外企業進行有效的經濟和技術合作，近年來先后從國外引進了很多液壓元件和液壓系統等制造技術，為提高產品水平和生產能力起了重要作用。目前已和美國、日本、德國共同建立了某些合資企業，這些企業將推動我國液壓工業的發展。

　　在國外，液壓工業的發展速度高于機械工業。為了滿足用戶的需要，主機品種日益增多，產品更新速度加快，相應要求液壓元件增加品種，實現多樣化，因而液壓件屬于大批量生產的產品相對減少，大部分屬于成批或小批生產。為適應這種動向，國外生產方式也有所變化。

　　國內、外有些廠家采用可編程控制器控制方式，如天津鍛壓機械廠有近54%的產品裝有pm。通過采用pth控制，使系統的控制性能和可靠性大大提高。丹麥的紅血們公司采用siemnes的可編程控制器，實現對壓力和位移的控制。而與國外發展情況相比，國內極少有采用工業控制機控制方式的產品，成熟的產品是采用可編程控制器的控制方式。

　　3.液壓機技術的發展趨勢

　　走向二十一世紀的液壓技術不可能有驚人的技術突破，應當主要靠現有技術的改進和擴展，不斷擴大其應用領域以滿足未來的要求。主要的發展趨勢將集中在以下幾個方面：(1)減少能耗，充分利用能量;(2)泄漏控制;(3)污染控制; (4)主動維護，提高故障診斷水平;(5)機電一體化;(6)液壓cad技術。

　　二、本課題的基本任務、擬解決的主要問題，及其實現途徑、方法和手段

　　1.基本任務

　　設計是從液壓機的性能和動作要求入手，并以國內的質量和技術性能接近設計要求的液壓機為基礎，研究國外的'先進機床，設計一液壓機滿足設計參數要求，該液壓機可用作折邊機或成型機，也可用于成型材料的壓制翻邊，以及粉末制品、塑料、玻璃鋼、絕緣材料橡膠等的壓制成型。為完成一般的壓制工藝，要求液壓缸能實現“快速下行—慢速加壓—保壓—快速回退”的工作循環。

　　2.要解決的主要問題

　　(1)液壓機的機械結構設計，內容包括：總體結構設計、擠壓結構設計及計算、機架結構設計及計算

　　(2)液壓機液壓系統設計，內容包括：液壓系統方案設計、液壓系統的參數計算、液壓元件的選擇、液壓系統性能驗算

　　3.實現途徑、方法和手段

　　(1)液壓機的機械結構設計：收集、查閱典型的液壓機機械結構，到實驗室進行測繪，根據現有的液壓機尺寸進行類比設計。

　　(2)液壓機液壓系統設計：首先通過資料收集、查閱熟悉國內外通用液壓機的原理及典型結構，然后根據設計參數及要求初步擬定設計方案，確定液壓泵的類型及調速方式，選用執行元件，通過對常用的基本回路進行分析比較后利用類比的方法來最后確定液壓系統原理圖。利用相關手冊完成液壓系統參數計算，液壓元件的選擇等設計內容。

　　三、完成本課題所需工作條件(如工具書、計算機、實驗、調研等)，可能遇到的問題以及解決的方法和措施

　　1.所需要的工作條件

　　(1)工具書，如《機械設計手冊》、《中小型液壓機設計計算》等

　　(2)計算機及相關軟件。autocad軟件、西門子s7-300plc應用軟件等。

　　(3)網絡資源

　　2.可能遇到的問題

　　(1)對軟件的使用不夠熟練，有些功能不會使用。

　　(2)因缺乏經驗，在設計過程中有些問題處理不當。

　　(3)缺乏與設計相關的參考資料。

　　3.解決的方法和措施

　　(1)經常進行軟件操作來熟悉軟件功能。

　　(2)虛心向老師和同學請教解決部份問題。

　　(3)通過圖書館借閱或購買相關的參考書籍、資料。

　　(4)借助網絡資源獲得相關資料及參考材料。

　　四、已查閱參考文獻目錄

　　[1]天津市鍛壓機床廠.中小型液壓機設計計算[m].天津：天津人民出版社，1977

　　[2]俞新陸.液壓機[m].北京：機械工業出版社，1982

　　[3]楊培元，朱福元.液壓系統設計簡明手冊[m] .北京：機械工業出版社，1994

　　[4]許福玲陳堯明.液壓與氣壓傳動(第三版)[m].北京：機械工業出版社。

　　[5]王文斌.機械設計手冊(第三版)[m].北京：機械工業出版社。

　　[6]濮良貴紀名剛.機械設計(第八版)[m].北京：高等教育出版社。

　　[7]成大先.機械設計手冊(第五版)[m].北京：化學工業出版社。

　　[8]周世昌.液壓系統設計圖集[m].北京：機械工業出版社，8-52

　　[9]廖常初.大中型plc編程及應用[m].北京：機械工業出版社。

　　[10]馮太合.西門子s7-300系列plc及應用軟件step7[m].廣州：華南理工大學出版社。

　　五、進程安排

　　序號時間要求應完成的內容(任務)提要

　　1、20xx年3月8日-20xx年3月26日調研、收集資料，熟悉課題內容，完成開題報告

　　2、20xx年3月29日-20xx年4月2日畢業設計論證、開題

　　3、20xx年4月3日-20xx年4月16日液壓機總體結構設計、擠壓結構設計及計算，繪制主要零部件圖

　　4、20xx年4月19日-20xx年4月23日機架結構設計及計算，繪制液壓機裝配圖

　　5、20xx年4月26日- 20xx年5月7日液壓機液壓系統設計，繪制液壓系統原理圖

　　6、20xx年5月10日-20xx年5月14日液壓機控制系統設計，編寫、調試plc程序

　　7、20xx年5月17日-20xx年5月21日中期檢查，填寫中期檢查表

　　8、20xx年5月24日-20xx年5月28日編寫、調試plc程序

　　9、20xx年5月31日-20xx年xx月xx日整理資料，編寫設計說明書

　　10、20xx年6月7日-20xx年6月11日提交初稿、修改、定稿及打印

　　11、20xx年6月14日-20xx年6月18日答辯前準備

　　12、20xx年6月21日-20xx年6月25日畢業設計答辯

　　機械手開題報告 4

　　課題名稱：MK2110數控磨床模擬與床身優化設計

　　課題背景：(標題按小四黑體)

　　隨著全球經濟一體化的形成，整個機床行業的市場競爭必將愈演愈烈。目前，國內機床產品的技術水平還相對落后，就設計方法而言，尚處于經驗、靜態和類比的傳統設計階段，對動力學模擬和結構動態特性考慮得不多，動態優化軟件使用率也相對較低。新產品開發缺少結構動力學建模和優化的動態設計方法，就很難提高機床質量和生產效率。中國的機床制造行業的形勢將變得更為嚴峻，將面臨更為強大的競爭對手，如果我們的機床制造企業還沒有先進的設計制造手段作為技術支撐，仍然抱著傳統的設計方法不放，那么靠什么與對手競爭?如何在國外高檔機床大舉進攻中國市場的嚴峻形勢下，保留住中國機床原有的半壁江山?然而可喜的是，國內己有許多制造企業和科研院所認識到了這一點，高檔機床的設計制造是戰略行業，中國不能在這種行業上受制于人，必須加快先進動態設計技術向具體產品開發的應用轉移。東南大學、天津大學和昆明理工大學等高校在這方面己進行了研究，取得了一定的成果。為此，本畢業設計以MK2110數控磨床的數學模型為基礎，著重對磨床的動力學和床身的結構優化設計進行了細致的研究。(小四宋體)

　　課題內容：

　　1.提出：對于高速磨床來說，磨削精度是影響磨削質量的關鍵因數，而電主軸芯在磨削過程中的運動變形又是影響磨削精度(如表面磨削波紋等)的重要因素。用傳統的剛性體來模擬電主軸芯的運動難以精確地模擬實際工況下變形情況，若不考慮柔性體的影響，將會存在很大的誤差。所以，有必要用柔性體代替剛性體對電主軸芯進行動力學。磨床床身是磨床的重要基礎件，起著支撐工件、工作臺、床頭箱和內圓磨削裝置關鍵部件的作用。它的動態特性和靜態特性直接影響磨床的加工精度和工件的表面粗糙度，關系到磨床是否能安全可靠的工作及整機的使用壽命。因此有必要了解床身結構本身具有的剛度特性和動態特性，對其進行優化設計，以提高磨床整體的動靜態性能。

　　2.解決方法：虛擬樣機技術是在設計階段就對設計的產品進行性能測試，從而使生產出來的產品最大可能的滿足設計目標。通過運用ADAMS軟件對剛性體和柔性體模型整體進行動力學仿真。運用有限元ANSYS軟件對床身進行靜剛度分析和模態分析，通過改變床身內部筋板布局對其進行結構優化。有限元(Finite Element Analysis)的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的'物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析。

　　3.設計內容：針對該磨床進行力學分析，應用動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態下運動學與動力學模擬分析，并應用有限元軟件ANSYS進行靜剛度分析、模態分析和結構優化。其中靜剛度分析主要是研究磨床床身在固定載荷的作用下的變形及應力狀況，這對掌握機床的機械特性大有幫助;其次，床身結構的動態特性是影響磨床產品性能的關鍵因素之一，而研究其動態特性的方法主要是進行模態分析，主要內容是確定磨床床身的震動特性既固有頻率和主振型，它們是承受動載荷的重要參數;最后是通過改變磨床床身內部筋板布局，分析各布局的動靜態特性，進行結構優化。

　　課題意義：

　　建立一個真正反映結構系統動態特性的磨床動力學模型，僅僅是進行結構動態優化設計的先決條件，而不是最終的目的。動態設計的最終目的，是利用系統的動力學模型以期獲得一個具有良好的靜、動態性能機床結構產品設計方案。通過對磨床進行力學分析，應用動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態下運動學與動力學模擬分析，通過虛擬試驗和測試，在產品開發階段就可以幫助設計者發現設計缺陷，并提出改進方案。應用有限元分析ANSYS，對床身進行靜力學分析和模態分析，可以通過變形云圖，查看結構的薄弱環節以及結構固有頻率，通過對薄弱環節的分析，提出解決方案，優化結構。

　　文獻綜述

　　國內外研究現狀：

　　目前，磨床的動特性分析主要以有限元法為主，隨著計算機技術的發展，普遍采用通用的工程有限元軟件進行建模、優化與仿真計算，所建的模型由試驗數據進行修正。我國機床工業至今仍與國外存在著技術上的差距，不少國外機床在樣本中標明他們的床身、立柱等基礎件經過了有限元分析，因而具有優異的動、靜剛度、熱變形等性能，但我國的機床樣本中做的很少。不過我國高校、研究所等單位已經擁有了這方面的技術資源。

　　美國Catholic大學GBiabchi等進行了機床的動態設計與控制相結合的研究，Michigan大學的T.Jiang和M.Chiredast在應用有限元法和動態分析的基礎上，利用數學模型來模擬機床結構的聯接形式，建立了機床整機的動力學模型，并對機床結合面聯接件的位置與數量進行了拓撲優化設計。

　　陜西理工學院侯紅玲等在對機械系統進行運動學分析時，將ANSYS與ADAMS兩個軟件結合使用，可以精確模擬整個系統的運動，取得動力學仿真結果。ADAMS軟件是著名的機械系統動力學仿真分析軟件，分析對象主要是剛體，但與ANSYS軟件結合使用可以考慮分析零部件的彈性，同樣ADAMS的分析結果可為ANSYS分析提供相應的邊界條件。這些工作對于支持并加快提升企業的自主技術創新能力具有一定的意義。

　　東南大學的陳新、孫慶鴻在ANSYS軟件上建立高精度內圓磨床M2120A整機結構動力學模型和動力學分析。在建模過程中，分別采用體單元、彈簧—阻尼單元和3D梁單元、三維接觸單元模擬主要零部件、轉子系統和結合部【8-9】，該方法采用有限元法，用商品化軟件進行建模和分析，全部采用軟件中的現有單元，其效率和精度高。

　　湯文成等【10-12】對床身結構的靜、動態特性進行分析和優化設計，通過分析和研究得出改變床身的筋板類型和布局設計是提高床身床身結構的靜、動態特性的有效手段，并且提出了以導軌的振動變形量作為床身結構設計的主要依據，建立了床身的結構模型，以床身的結構參數為設計變量，各設計變量對床身動態性能貢獻加權作為結構優化設計的目標函數，最后得到最優的床身設計方案，同時在機床的參數化設計等方面進行了有益的嘗試。

　　通過以上的綜述可以看出，應用ADAMS軟件對機床結構動態特性的研究基本以機床單件或部分子結構的組合為對象，從整機的角度建立包括主軸轉子系統在內的整機完整的動力學模型進行研究相對較少，而且運用柔性體理論對磨床整體進行動力學仿真分析也不多見，大部分還是剛性體仿真。另外，對床身進行優化設計時還是局限于改變筋板橫向或徑向數目進行優化設計。

　　參考文獻：

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　　9.陳新，機床結構的動力學模型建立及其動態優化設計[D]，黑龍江：哈爾濱工業大學碩士論文.1987

　　10.湯文成等，機床大件結構的拓撲優化設計[J]，東南大學學報，1996(5) :35～38

　　11.湯文成，工程結構分析的現狀與應用的若干問題[J]，計算機輔助設計與制造，1996(10):17～19

　　12.湯文成，板厚對機床床身的動靜特性的影響[J]，制造技術與機床，1997(3) :28～31

　　研究內容:

　　針對MK2110數控內圓磨床，應用多體動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態下剛性體動力學仿真。將電主軸芯柔性化，進行工作狀態下柔性體動力學仿真。應用有限元軟件ANSYS對磨床床身進行靜力學分析、模態分析和結構優化。其中靜力學分析主要是研究磨床床身在最大工作載荷的作用下的變形及應力狀況，這對掌握機床的機械特性大有幫助;另外床身結構的動態特性是影響磨床產品性能的關鍵因素之一，通過模態分析研究其動態特性，確定磨床床身的振動特性和主振型，它們是承受動載荷的重要參數;最后對磨床床身進行結構優化，通過改變床身內部筋板布局，分析各種布局的振動特性和靜態特性，選擇最優的方案。

　　研究計劃：

　　第一周：資料收集與文獻檢索

　　第二周：英文資料翻譯

　　第三周：編寫開題報告

　　第四周：提交開題報告

　　第五周：學習軟件與建立磨床三維建模

　　第六周：學習軟件與建立磨床三維建模

　　第九周：動力學分析

　　第十周：動力學分析

　　第十一周：結構分析

　　第十二周：結構優化分析

　　第十三周：編寫論文

　　第十四周：編寫論文

　　第十五周：編寫論文

　　第十六周：提交論文并完成答辯

　　特色與創新

　　1.利用ADAMS軟件對MK2110磨床進行動力學仿真，絕大多數研究還是主要應用ANSYS作分析。

　　2.運用了先進的三維建模軟件實現對復雜模型的建立，彌補了有限元分析軟件ANSYS建模功能的不足。

　　3.將電主軸芯柔性化，對整體進行動力學仿真。

　　4.針對ANSYS軟件不適合機械動力學分析,ADAMS軟件不適合有限元分析的狀況,將ANSYS和ADAMS兩種分析軟件結合起來對柔性體進行仿真分析。

　　5.在有限元分析過程中綜合運用了靜剛度分析，模態分析等常用分析方法。

　　6.提出新的改變筋板布局的方式，對床身進行優化設計。

　　機械手開題報告 5

　　一、本課題研究的背景及意義

　　1、背景（課題涉及到的技術國內外研究現狀）

　　逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設計模型，并在此基礎上對已有的產品進行剖析、理解和改進，是對已有設計的再設計。

　　從廣義講，逆向工程可分以下三類：

　　（1）實物逆向：它是在已有產品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。

　　（2）軟件逆向：產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規范和標準、管理規范和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術軟件；只有實物而無技術軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術軟件。

　　（3）影像逆向：設計者既無產品實物，也無技術軟件，僅有產品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設計者要通過這些影像資料去構思、設計產品，該種逆向稱為影像逆向。

　　目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。

　　逆向工程的數據測量技術是通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何形狀數字化。

　　現有的數據采集方法主要分為兩大類：

　　（1）接觸式數據采集方法接觸式數據采集方法包括使用基于力的擊發原理的觸發式數據采集和連續式掃描數據采集、磁場法、超聲波法。

　　（2）非接觸式數據采集方法非接觸式數據采集方法主要運用光學原理進行數據的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。

　　逆向工程的數據處理技術是逆向工程的一項重要的技術環節，它決定了后續CAD模型重建過程能否方便、準確地進行。根據測量點的數量，測量數據可以分為一般數據點和海量數據點；根據測量數據的規整性，測量數據又可以分為散亂數據點和規矩數據點；不同的測量系統所得到的測量數據的格式是不一致的`，且幾乎所有的測量方式和測量系統都不可避免地存在誤差。因此，在利用測量數據進行CAD重建前必須對測量數據進行處理。數據處理工作主要包括：數據格式的轉化、多視點云的拼合、點云過濾、數據精簡和點云分塊等。

　　逆向模型重建技術在整個逆向工程中，產品的三位幾何模型CAD重建是最關鍵、最復雜的環節。

　　目前使用的造型方法主要有：

　　（1）曲線擬合造型：用一個多項式的函數通過插值去逼近原始的數據，最終得到足夠光滑的曲面。

　　（2）曲面片直接擬合造型該方法直接對測量數據點進行曲面片擬合，獲得曲面片經過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型。

　　（3）點數據網格化網絡化實體模型通常是將數據點連接成三角面片，形成多面體實體模型。

　　2、意義

　　隨著計算機技術的發展，CAD技術已成為產品設計人員進行研究開發的重要工具，其中的三維造型技術已被制造業廣泛應用于產品及模具設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發制造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數據類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產品的實物模型。設計人員需要通過一定的途徑，將這些實物信息轉化為CAD模型，這就應用到了逆向工程技術（ReverseEngineering）。

　　逆向工程技術與傳統的正向設計存在很大差別。而逆向工程則是從產品原型出發，進而獲取產品的三維數字模型，使得能夠進一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進技術對其進行處理。不同之處在于設計的起點不同，相應的設計自由度和設計要求也不相同。一般來說，產品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容：

　　（1）新零件的設計，主要用于產品的改型或彷型設計。

　　（2）已有零件的復制，再現原產品的設計意圖。

　　（3）損壞或磨損零件的還原。

　　（4）數字化模型的檢測，例如檢驗產品的變形分析、焊接質量等，以及進行模型的比較。

　　逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經成為制造業信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。

　　二、本課題的文獻綜述

　　1、逆向工程

　　1980年始歐美國家許多學校及工業界開始注意逆向工程這塊領域。1990年初期包括臺灣在內，各國學術界團隊大量投入逆向工程的研究并發表成果。逆向工程的硬件最早是運用仿制加工設備，制作出來的成品品質粗糙。后來有接觸式掃瞄設備，運用探針接觸工件取得產品外型。再來進一步開發非接觸式設備，運用照相或激光技術，計算光線反射回來的時間取得距離。

　　逆向工程軟件部分品牌包括Surfacer（Imageware）、ICEM、CopyCAD、RapidForm等。逆向軟件的演進約略可區分為三個階段。十一年前在逆向工程上，只能運用CATIA等CAD/CAM高階曲面系統。市場后來發展出兩套主流產品約在七、八年前技術成熟，廣為業界引用。到最近四年來，發展出不同以往的逆向工程數學邏輯運算，速度快。

　　目前，逆向工程，逆向工程的應用已從單純的技巧性手工操作，發展到采用先進的計算機及測量設備，進行設計、分析、制造等活動，如獲取修模后的模具形狀、分析實物模型、基于現有產品的創新設計、快速仿形制造等。軟件的逆向工程是分析程序，力圖在比源代碼更高抽象層次上建立程序的表示過程，逆向工程是設計的恢復過程。逆向工程工具可以從已存在的程序中抽取數據結構、體系結構和程序設計信息。

　　2、三維造型：

　　三維造型：CAD的三維造型有三種層次的建立方法，即線框、曲面和實體，也就是分別對應于用一維的線，二維的面和三維的體來構造形體。通過計算機輔助設計建立的立體的、有光的、有色的生動畫面，虛擬逼真地表達大腦中的產品設計效果，比傳統的二維設計更符合人的思維習慣與視覺習慣。三維造型技術從最初的三維CAD已發展到目前專用的基于特征造型的三維軟件，常用軟件有UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E、3DSmax等。

　　3、快速成型：

　　快速成型（RP）技術是九十年代發展起來的一項先進制造技術，是為制造業企業新產品開發服務的一項關鍵共性技術，對促進企業產品創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力有積極的推動作用。自該技術問世以來，已經在發達國家的制造業中得到了廣泛應用，并由此產生一個新興的技術領域。

　　RP技術是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的。不同種類的快速成型系統因所用成形材料不同，成形原理和系統特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"，類似于數學上的積分過程。形象地講，快速成形系統就像是一臺"立體打印機"。

　　參考文獻：

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　　[12]盛忠起，蔡光起。逆向工程及曲面重置技術【J】。機械設計與制造，2001，28（4）：35—38

　　三、課題研究的方法及內容

　　本課題是逆向工程在鼠標設計與制造中的應用，本設計選用UG軟件根據鼠標的點云數據進行鼠標的模型重建并用FDM對其進行快速成型加工的過程，在根據點云逆向設計中，結合設計需要進行了必要的正向設計修正，以得到理想的設計結果。

　　設計內容貫徹數據采集、數據項預處理、文件讀取、邊界提取、曲面重構、實體生成、STL模型重構、快速成型機的操作和注意事項，并對建模過程及STL文件處理做了系統的論述。選用UGNx4.0軟件的UnigraphicsCAD/CAM/CAE系統提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從設計到加工真正實現了數據的無縫集成，從而優化了企業的產品設計與制造。由INSIGHT軟件進行的數據切片處理可直接傳送快速成型機，無需進行其他處理。

　　四、研究方案的具體設計

　　1、實體三維數據的獲得——掃描；

　　2、點云處理；

　　3、曲面重構；

　　4、實體建模：

　　（1）模型分析

　　（2）曲面造型

　　（3）實體外形修改

　　（4）各部件建模

　　（5）部件的裝配與干涉檢驗

　　5、基于INSIGHT快速成型切片的數據處理；

　　6、快速成型加工操作。