机械设计毕业设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告题目电极接头输送线机械手设计

专业机械设计制造及其自动化

学号081310306

学生穆雄

指导教师杨彬久

答辩日期

1．课题来源及研究的目的和意义

电极是熔焊时用以传导电流，并使填充材料和母材熔化或本身亦作为填充材料而熔化的金属丝(焊丝，焊条)、棒(石墨棒，钨棒)。电极材料的种类很多，常用的是碳电极。

电极接头是用于电极之间连接的产品，它的原料主要是炭及石墨材质。电极接头是炭素行业的主要产品,其规格多、批量大、精度要求高。电极接头的好坏直接影响冶炼中的效率。如接头不过关可能会造成电极脱落及影响炼钢的材质。如何提高接头的产品,其质量,生产效率,减轻劳动强度,减少中间环节,是接头加工的一大课题。

电炉炼钢电极所用的圆柱形电极接头,在使用过程中,往往因电极表面气化严重而导致尾部电极丝扣外露而不得不把剩余的电极敲掉,这就使电极消耗增加。采用锥形接头代替圆柱形接头,主要特点是电极根部阴螺纹处壁厚增加近三分之一。这样当电极接头处表面氧化变细、但仍有相当壁厚可以继续支持尾部电极使其不致掉扣脱落,尾部电极也不用敲掉或者在刚通电时不易震断,从而改善电极使用性能,可以继续冶炼。但采用锥形接头必须与粘结剂配套进行，否则容易脱扣造成电极折断。采用锥形电极接头后总耗降低了，电板脱扣损失也减少了。所以本文设计的系统目的是加工锥形电极接头。

锥形电极接头的加工工序一般是：切断专机将棒状毛坯按规定尺寸切成段—端面定心孔专机将切断机切成的圆柱形料段加工成半成品—双锥面专机将端面定心孔专机加工成的半成品加工成双锥形—梳刀铣螺纹专机将双锥面专机加工成的双锥形加工成成品。目前,各炭素企业在锯床切料后,还要增加铣端面工序,既费工、费料,又增大成本。且锯床都很简易,使用硬质合金镶齿圆锯,切速低。上料、送料、卸料都要人工搬运，效率低,劳动强度大,精度不易保证。为了保证电极接头的加工质量，在设计电极接头加工线的时候，要充分考虑各方面的因素，结合现在的新技术，减少经济，劳动力和时间成本。考虑到生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。为此本文主要研究电极接头输送线机械手的设计，此生产线采用了由PLC控制的机械手代替原始劳动力，减少了工人的劳动时间和劳动量。

作为正在进行毕业设计的本科生来说，研究次课题的意义主要有：

1.1 掌握机械装备工程设计的一般方法及一般规律。能够综合运用机械设计、机械制造等基础知识解决工程实际问题。

1.2 掌握并灵活运用CAD数字建模技术、CAE运动学分析与柔性分析等先进设计方法，使学生获得工程设计和科学研究的初步训练。

1.3 培养学生综合运用理论知识去分析问题和解决实际问题；培养学生探求真理的创新精神和创造能力。

2．国内外的研究现状及分析

2.1 电极接头的现状及发展

追溯电极连接结构的发展, 已经历了几个阶段。最初是凹凸式连接, 不用专门接头, 接着发展为圆柱形接头连接, 后又改为现在普遍使用的两头锥形、每寸三扣螺纹接头。目前, 国外又提出和采用了每口寸四扣螺纹并加长接头的结构形式。石墨电极接头用于连接两根石墨电极，对于石墨电极接头的材质要求要高于石墨电极本体，石墨电极接头的尺寸虽然小于石墨电极本体，但通过石墨电极接头的电流与通过石墨电极本体的电流是相同的，这就要求其有较低的电阻率，同时也由于尺寸较小而又承载着连接两根电极的作用，这就要求其有较高的抗折强度。现有石墨电极接头材料的制造方法是通过使用优质石油焦和煤沥青混合压型，经过两次浸渍三次焙烧，再经石墨化处理才能制成材料成品。其缺点是制造方法复杂、周期长、能源消耗高，制成的材料成品强度差，在使用过程中容易造成折断。对超高功率石墨电极生产来说，接头使用性能的特殊性决定了其应具有更为优异的理化性能，生产中的工艺控制也更趋严格。尽管各石墨电极企业对此有大致相同的认知，在生产过程中给予了严格的质量把关，但接头的总体质量仍然不能令人满意，与国外接头存在一定的差距。实际上从各项质量指标来看，国内与国外接头并无较大的差距，某些指标甚至要优于国外的接头，对钢厂用户调查后反映出的主要问题是质量波动较大、不稳定。由于石墨电极接头直径小，在炼钢中承载着比本体更大的应力，这要求接头应具有更为优异的理化性能。同时，已能本土化的φ550mm、φ600mm超高功率石墨电极的接头还存在技术和工艺上的不成熟，质量不稳定。影响炼钢的材质。

2.2 机械手的研究现状与发展

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手，这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络

技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

机械手作为一种能仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更是目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置

和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

2.3 国内外PLC的研究现状

PLC（Programmable Logic Controller），是可编程逻辑控制器。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。PLC自1969年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC 和DCS 等，实现生产过程的综合自动化。PLC使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。并且能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。

3．主要研究内容

本论文研究内容为圆锥形电极接头输送线机器手的设计，开发一运输机器手系统，主要实现以下功能：

(1)实现6个工位的接头搬运

(2)动作顺序：下降→夹紧→上升→输送进→下降→夹紧松→上升→输送退。

(3)每2分钟内有一次循环

(4)夹持工件范围φ250～φ500

4. 研究方案

本设计目的是为了电极接头输送线服务，次输送线共6个工位，需5个专机加工，机械手抓取工件后移至下一工位。机械手主要由机械结构部分和电气液压部分组成，机械结构部分由行车装置，起落装置，执行装置组成。液压系统主要由起落油缸，行程油缸和推动油缸组成。整个系统由液压驱动，由PLC控制电磁阀和霍尔开关来控制整个行程。经调查研究，结合国内外现状，我拟设定次研究的方案如下：

4.1机械手机械结构设计

(1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构

(2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。

(3)根据零件的类型、结构和所受载荷、分析零件可能的失效形式，从而确定零件的设计准则

(4)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择适当材料（见机械设计手册中机械工程材料选择之黑色金属材料部分）

(5)根据设计准则进行有关的计算，确定出零件的基本尺寸

(6)根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计

(7)细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算

(8)画出零件的工作图，并写出计算说明书

4.2液压系统的设计

液压系统主要由起落油缸，行程油缸和推动油缸组成，本部分主要完成这三种油缸的设计校核。

4.3控制系统的设计

一种设备的机械设备的设计首先要考虑机械结构的设计，机械手的机理是更方便的把加工件进行运输，既能控制方便，又能减少费用。所以要采取最优的驱动设备和传动设备。为了便于速度快，可控性能好，精度高，综合考虑，暂采用电气系统控制。

4.4输送线机器手运输工艺的设计

采用自动锥形接头加工线，生产线中的加工工件，分别在主机中加工，而输送专机也就是电极接头输送线机械手进行各主机间的工件输送。

4.5机械手运动过程的设计

电极接头输送线机器手需要完成：下降→夹紧→上升→输送进→下降→夹紧松→上升→输送退这一系列动作。这一系列动作由PLC来控制，液压系统做为动力装置。机器手的设计需要夹持工件范围是Φ250~Φ500，每2分钟循环一次。

4.6液压和电气设计

液压系统在液压系统作为系统的动力装置在工作中完成对工件的夹紧、提升、送料返回等待的工作，分别用三个液压缸来完成。

5．研究方案及进度安排，预期达到的目标

5.1 毕业实习（实习报告）

5.2 收集与课题相关的中外文资料，熟悉课题背景，撰写开题报告，完成英文翻译

5.3 进行方案论证，初步设计，绘制草图，编制程序及进行初步计算，完成英文翻译

5.4 绘制装配图、电器原理图（液压系统图）和主要零件工作图

5.5 撰写毕业设计说明书

5.6 毕业答辩

6．主要参考文献

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