畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目： 沖床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)電信息系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2012年 12 月 25 日
一.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況）
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。[1]生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。[2]
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器 、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備。[3]特別適合于多品種，變批量的柔性生產(chǎn)。
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)，控制論，機(jī)構(gòu)學(xué)，信息和傳感技術(shù)，人工智能，仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力高，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的自動(dòng)化設(shè)備。[4]
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：[5]
1.工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降。
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三位一體化；
3.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
4.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
5.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真，預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。
6.當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。
7.機(jī)器人話機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國(guó)目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人以應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的差距，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，品種規(guī)模多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量可靠性也不穩(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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。[6].[7]
二、主要研究?jī)?nèi)容、擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：
在60噸沖床上，沖制各種型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子片，用機(jī)械手往沖床上送料。
1.抓重： 約1公斤
2.自由度數(shù)： 1個(gè)
3.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手臂回轉(zhuǎn)角度：600
手臂送料頻率：50～60次/分
2.2研究方案
2.2.1坐標(biāo)形式的確定[8]
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:
1）直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)．全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
3）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
4）關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
其簡(jiǎn)圖如下：[9]
各種坐標(biāo)形式的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
a.直角坐標(biāo)式 b.圓柱坐標(biāo)式 c.球坐標(biāo)式 d.關(guān)節(jié)式
由于本設(shè)計(jì)的機(jī)械手自由度為1， 所以，初步選定為圓柱坐標(biāo)式
2.2.2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式的選擇[10]
工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。
1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。【11】
2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)
器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中。【12】
3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。
由于本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，以及其他綜合因素，所以，初步選擇選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).【13】【14】
2.1.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件?！?5】
1）手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 因?yàn)樽ト〉牧慵殁k金件毛坯或成品件,使用吸附式手部。
2）手腕
是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng).一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求。應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)?！?6】
3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，手臂的調(diào)節(jié)采用手動(dòng)螺栓調(diào)節(jié)。【17】
手臂運(yùn)動(dòng)
基本運(yùn)動(dòng)
復(fù)合運(yùn)動(dòng)
直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即螺旋運(yùn)動(dòng)動(dòng))
兩直線運(yùn)動(dòng)的組合(即平面運(yùn)動(dòng))
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):如水平回轉(zhuǎn)、左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)
直線運(yùn)動(dòng):如伸縮、升降、橫移運(yùn)動(dòng)
兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合(即空間曲面運(yùn)動(dòng))。
4）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即初步定為可移式立柱?！?8】
2.1.4手部動(dòng)作【19】
手部是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手部運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手部夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手部結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手部有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
因?yàn)檩p小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。所以，初步使用氣流負(fù)壓式吸盤。
3、 重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作
重點(diǎn)：保證各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互合理配合，使之能連續(xù)工作，有節(jié)奏，安全地成產(chǎn)。
難點(diǎn)：機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算，機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算，機(jī)械手傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及各個(gè)過程參數(shù)的確定，繪制圖形。
已經(jīng)展開的工作：讀書館借書，網(wǎng)上查詢有關(guān)書籍和資料，了解設(shè)計(jì)的大致方向，了解上料機(jī)械手的大體結(jié)構(gòu)和工作原理。
四、工作方案及進(jìn)度計(jì)劃
1～2周：調(diào)研，查閱相關(guān)資料，完成開題報(bào)告；
3～4周：總體設(shè)計(jì)以及方案論證，深化方案具體實(shí)施步驟；
5～6周：分析機(jī)械手工況，確定機(jī)械手的載荷，并根據(jù)工況確定計(jì)算準(zhǔn)則；
7～8周：機(jī)械手的具體方案設(shè)計(jì)；
9～10周：機(jī)械手的參數(shù)總體計(jì)算以及校核，準(zhǔn)備中期檢查；
11～12周：機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及分析；
13～14周：完成裝配圖設(shè)計(jì)，驗(yàn)證校核；
15～16周：撰寫畢業(yè)論文以及外文資料的翻譯；
17～18周：修改畢業(yè)論文及準(zhǔn)備畢業(yè)答辯；
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[21] ClavelR D.a fast robot with parallel geometry. Sydney: Symposium on in dustrial robots( ISIR),1988:91-100.
[22] John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control．Second Edition.New York:Addison-Wesley Reading,1989
5 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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