中频感应熔炼炉自动上料机研究与设计开题报告

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1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1设计的目的及意义

感应加热炉是一种将工频50H_Z交流电转变为中频（300H_Z以上至1000H_Z）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生涡流。由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，该加热方式优点为升温速度快、氧化少。但是工人靠近工作的加热炉会对工人的身体造成损伤，所以需要机器代替人工。本次设计就是为感应加热炉设计一套自动化上下料装置。设计的重点在于机械手。

工业机器人，也被称为机械手，其应用范围涉及多个领域。夹持机构通常安装于机器人的末端，直接和工件接触，因此，工业机器人的性能与夹持机构的性能密切相关^[1]。

越来越多的工业机器人设备被附加到计算机数控机床上，以实现更高的效率和更低的人工成本。此时，最关键的技术是在机器人与数控控制器之间建立通信^[2]。

现今，有些工厂的工人还在做一些恶劣环境下的搬运工作，生产效率十分低下，并且劳动强度较大。为了提高其生产效率，降低生产成本，实现上下料工作的自动化，使其能够更好的适应现代化大生产的需要，本文将结合机器人技术，尝试用机器人系统代替人工操作^[3]。机器人技术已经较为成熟，而本次设计中的物料搬运如果交给人工，会带有一定的危险性，对人体有危害，因此搬运工作的机器自动化成为必然。本设计充分考虑上下料机器人的工作环境以及搬运过程具体工艺的需求，并以此为基础开发出一套结构简单，使用方便，并充分采用模块化、标准化通用配件的夹持机构，以期实现整个上料、下料、加工过程的自动化。

本文通过设计一种回火炉液压搬运机械手，可以有效的减轻工人的劳动强度，降低高温及热辐射对人体产生的伤害，通过伺服驱动和 PLC 控制技术可有有效的提高设备的自动化程度，同时加以改装， 还可以通过进一步升级改造完成多工位连续自动控制的热处理工艺流程，通过伺服驱动和 PLC 控制技术还可以进一步提升设备的自动化程度，控制稳定、运行状态良好，具有一定的推广与应用价值同时完成多工位连续自动控制，具有一定的应用价值^[4]。

1.2国内外的研究现状

对于工业机器人来说，搬运物料是其抓取作业方式中较为重要的应用之一。工业机器人作为一种具有较强通用性的作业设备，其作业任务能否顺利完成直接取决于夹持机构，因此机器人末端的夹持机构要结合实际的作业任务以及工作环的要求境来设计，这导致了夹持机构结构形式的多样化^[5]。根据结构与功能方面的不同能够把夹持机构分成以下三类：机械式、吸附式以及专用装置（如喷嘴、焊枪等）^[6]。

夹持机构通常安装于工业机器人的腕部或者手臂的专用机械接口上。 夹持机构性能的优劣直接决定这工业机器人的工作效率。一方面，工业机器人的工作环境不尽相同，有的甚至十分复杂，而要使其能够像人类一样在其中自如的开展工作，就必须要有一个灵活、敏捷的夹持机构；另一方面，为了使机器人的作业活动更安全、可靠，就要求夹持机构必须能够稳定的夹住工件并完成各种任务^[7]。所以，在设计夹持机构时要同时兼顾以上两个方面的要求，如此方可使设计出来的装置更合理，这就需要我们对其进行更为深入的研究和分析。夹持机构主要是用于握持物件，而被握持的物件均有着一定的差异，比如材料、形状、性能、重量、粗糙度等，这就要求夹持机构的结构做出一定的改变以适应不同的握持物件，其工作原理自然也会发生改变^[8]。

目前，机器人的夹持机构主要用于医疗、搬运、装配等行业，其研究方向可以归纳为以下几个方面^[9][10]：

① 简单的夹持机构

该类夹持机构主要用于夹持形状规则的工件，应用范围较小。然而因其结构简单、费用较低，目前使用较为广泛。

② 多夹持机构系统

该类夹持机构的抓取对象通常不止一个，且每个夹持对象之间均有着较大的差异。其优点是即使抓取对象的形状发生改变，机器人依然能够通过改变夹持机构将其成功抓取，能有效防止因抓取对象的改变而导致机器人终端设备抓取失败的情况出现。其缺点也相当明显，即：结构过于复杂，机器人腕部负载呈几何倍数增加。

③ 柔性夹持机构系统

该类夹持机构的特点是执行抓取作业任务时，其夹持中心是移动的而非固定不变的，因此可以抓取形状不规则的物体，然而因其无法准确控制抓取物体的空间位姿，所以不适宜用于执行装配任务，在实际生产应用中有着很大的局限性。

④ 仿人灵巧夹持机构系统

该装置的结构特点是与人类的手掌十分接近，在执行抓取任务时可以通过多个彼此独立的关节在工作空间里做有限的移动或者转动来实现的，此外还可在执行抓取任务的同时调整被抓取对象的位置。经验表明，在执行抓取任务时，适度的调整能够显著的改善机器人执行作业任务的准确性。仿人灵巧夹持机构的机械结构以及控制系统都较为复杂，然而因其着十分广阔的应用前景，国内的很多大学和机构已经纷纷展开相关研制工作。如北京航空航天大学已成功研制出三指九关节灵巧手，该装置通过远距离驱动九个电机带动钢丝绳的运动来完成抓取任务，其不但能够抓取不同形状、材质的物体，而且能够主宰复杂细微的环境里完成精密装配任务。三指九关节灵巧手是我国在夹持机构的研制这一领域最先进技术的代表，甚至已经能够和国际上最先进的技术相提并论。然而因其控制系统结构均较为复杂，因此尚未被大众接受。

⑤ 智能型夹持机构系统

日本机械实验室已经成功研制出智能型机器人，这种机器人能够在黑暗的环境中探测出物体的外形，这依赖于其手指强大的识别功能，能够像人手一样识别出物体的大小与形状。持除此之外，日本 Toshiba 也成功研制出一种智能型机器人夹持机构，这种装置的手指上安装有一种触觉传感器，因此能够较为准确的接触被抓取对象。

总而言之，夹持机构的种类和结构是多种多样的，然而有些技术尚处于起步阶段，无法投入使用，有待于进一步的开发研究。所以，结合我国国情，不断优化目前常用的夹持机构的性能，研制开发结构简单、安全可靠、价格低廉的新型夹持机构是我们的主要任务。

青岛黄海学院的葛伟伟针对井下搬运机械手进行了设计和仿真研究，针对煤矿井下物料搬运的特点及流程 ，设计了一种搬运机械手，包括六部分结构，可以实现井下的自动化的物料搬运及存储，节省人力，大大提高了工作效率；根据实际承载的力学平衡计算 ，完成了货叉架的受力分析与计算，在安全系数下对货叉架结构进行校核计算；根据机械手实现动作的方式选择液压动力，完成了对液压缸的设计计算；通过基于 Solid Works 的 有限元分析 ，对货叉架的刚度与强度进行校核计算，校核结果均在许用范围之内，满足使用要求^[11]。

台达集团为提升包装机上下料机台效率设计了一种5轴scara机械手方案。该方案基于 PC 控制，方便实现机器手路径算法，有助扩展视觉、网络、存储、通讯等功能，同时扩大现有 SCARA 的应用范围。这种 5 轴 SCARA 机械手方案提供更高级的运动控制整合能力，提升台达 IPC 和总线型伺服驱动产品的影响力^[12]。

总而言之，夹持机构的种类和结构是多种多样的，然而有些技术尚处于起步阶段，无法投入使用，有待于进一步的开发研究。所以，结合我国国情，不断优化目前常用的夹持机构的性能，研制开发结构简单、安全可靠、价格低廉的新型夹持机构是我们的主要任务。