開題報(bào)告：平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PAGE7PAGE開題報(bào)告姓名:學(xué)號:學(xué)院:專業(yè):指導(dǎo)教師:填表日期:設(shè)計(jì)題目平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)類型基礎(chǔ)理論選題來源指導(dǎo)教師科研項(xiàng)目國家項(xiàng)目應(yīng)用研究√部省(市)項(xiàng)目開發(fā)研究學(xué)校項(xiàng)目生產(chǎn)單位自擬√1.課題背景：1.1工業(yè)機(jī)器人概述由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)”。隨著近年來新技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，如從事噴漆、焊接、裝配、搬運(yùn)等工作。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一種以機(jī)械技術(shù)為載體，并結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、控制技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的綜合性高新技術(shù)。1.2工業(yè)機(jī)器人的分類按照幾何結(jié)構(gòu)，工業(yè)機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型、平面關(guān)節(jié)型五種。直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，機(jī)器人在X、Y、Z軸上的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立。該機(jī)器人控制簡單、精度高，但操作范圍小、占地面積大、運(yùn)動(dòng)速度低、密封性差。圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型的部件位置由一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)確定。該機(jī)器人工作范圍較大，且計(jì)算簡單，手臂可伸入腔式工件內(nèi)部，但手臂能到達(dá)空間有限，不能到達(dá)近立柱或近地面的空間。球坐標(biāo)型球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)來確定部件位置。該機(jī)器人工作范圍大，但坐標(biāo)復(fù)雜，難以控制。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型該機(jī)器人的關(guān)節(jié)皆為旋轉(zhuǎn)式，類似于動(dòng)物手臂，工作范圍較為復(fù)雜。平面關(guān)節(jié)型平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的代表為SCARA機(jī)器人，采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使機(jī)器人在水平面做預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，再采用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)使機(jī)器人的執(zhí)行部件做垂直運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在X-Y平面具有較大柔性，沿Z軸具有較強(qiáng)剛性。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人常用于裝配和碼垛作業(yè)，也用于搬運(yùn)、噴涂、焊接、擰螺絲等作業(yè)。2.發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展最具影響力的國家為美國和日本。美國是最早研制工業(yè)機(jī)器人的國家，1958年，“工業(yè)機(jī)器人之父”創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺Unimate機(jī)器人。美國的AMF公司于同時(shí)也開始了工業(yè)機(jī)器人Versatran的研制，Versatran主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸。21世紀(jì)初，微軟公司推出MicrosoftRoboticsStudio機(jī)器人，使機(jī)器人向模塊化、統(tǒng)一化的趨勢發(fā)展。日本機(jī)器人的發(fā)展，經(jīng)過了20世紀(jì)60年代的搖籃期、70年代的實(shí)用化期、80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，日本的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量及制造技術(shù)都處于世界領(lǐng)先地位。我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代。我國在“七五”計(jì)劃將機(jī)器人列入了國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容。目前，我國已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件技術(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)鍵元件和器件，并開發(fā)出噴漆、焊接、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人。此外，我國在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國際前沿領(lǐng)域，逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。自第一臺工業(yè)機(jī)器人問世至今，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向各個(gè)行業(yè)滲透，機(jī)器人的功能與類型也逐漸被豐富。目前，機(jī)器人已深入到人類生活的多個(gè)方面，機(jī)器人與人類科技的進(jìn)步和文明發(fā)展已形成了緊密聯(lián)系。2.2發(fā)展趨勢隨著工業(yè)機(jī)器人的普及以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)總體向著智能化、模塊化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。從工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)來看，未來將探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比；從控制技術(shù)方面，將重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面將更加友好；未來還將使用多傳感系統(tǒng)來進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能度和適應(yīng)性；此外，仿人和仿生物機(jī)器人也將取得進(jìn)一步發(fā)展。3.設(shè)計(jì)內(nèi)容:3.1設(shè)計(jì)任務(wù)（1）設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一種用于某裝配線的工業(yè)機(jī)器人，將工件從一條輸送帶搬運(yùn)到另一條與之平行的輸送帶，并將工件裝配到與之配套的底座，工件外形尺寸為80mm×60mm×60mm，重量為1kg，表面材料為合金鋼。兩輸送帶之間距離為1000mm，高度差70mm（包括工件配套底座高度）。根據(jù)工作內(nèi)容與工作環(huán)境，確定該機(jī)器人的類型為平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人。（2）參數(shù)：自由度：4（其中3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，1個(gè)移動(dòng)自由度）最大持重：10kg（包括末端執(zhí)行件）最大動(dòng)作范圍：大臂：±100°，（臂長400mm）小臂：±120°，（臂長220mm）腕部：旋轉(zhuǎn)±90°，垂直移動(dòng)距離100mm重復(fù)位置精度：XYZ:±0.05mmR:±0.01°最高速度：大臂、小臂合成：6400mm/s腕部轉(zhuǎn)動(dòng)：1800°/s腕部移動(dòng)：320mm/s驅(qū)動(dòng)方式：伺服電機(jī)3.2設(shè)計(jì)方案（1）總體方案該平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)如圖3.2.1所示：其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)底座、一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大臂與一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的小臂、再加上用來連接末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的腕部。腕部的軸在繞其自身的軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也在垂直方向進(jìn)行移動(dòng)；末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一個(gè)夾持器，用來夾持工件。

圖3.2.1平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)圖該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖3.2.2所示：在X-Y平面的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制，腕部在垂直方向的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制。

圖3.2.2平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡圖（2）各傳動(dòng)鏈傳動(dòng)方案大臂：大臂在X-Y平面繞一根軸做擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自于電機(jī)。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，且大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)需要較大轉(zhuǎn)矩，故采用一個(gè)齒輪減速箱對其減速，低速級傳動(dòng)軸通過鍵與大臂連接，并將轉(zhuǎn)矩傳遞到大臂帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。小臂：小臂的運(yùn)動(dòng)與大臂相似，其目的為增加機(jī)器人的工作范圍與靈活性。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，由于傳動(dòng)鏈位于懸臂梁上，為減輕重量，采用帶傳動(dòng)來降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩。由于臂的擺動(dòng)角度需要精確控制，故傳動(dòng)帶選為同步帶。腕部：腕部的運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)，垂直方向的移動(dòng)用于上下料動(dòng)作，腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)為了使末端執(zhí)行件（卡爪）在正確地位置夾取工件。轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)鏈與小臂相似，電機(jī)提供動(dòng)力，再以同步帶傳動(dòng)來降低轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)；垂直方向的移動(dòng)主要由滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，電機(jī)經(jīng)同步帶減速之后，帶動(dòng)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)使絲杠螺母作垂直方向的移動(dòng)，從而使與絲杠螺母連接的腕部主軸作垂直方向的運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)：末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為卡爪，卡爪的夾持力由氣缸提供。3.3技術(shù)路線（1）結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，擬定出該工業(yè)機(jī)器人的工作內(nèi)容及工作環(huán)境；（2）根據(jù)機(jī)器人工作內(nèi)容，參考并分析現(xiàn)有產(chǎn)品，設(shè)計(jì)出總體結(jié)構(gòu)，繪出草圖；（3）由總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)其功能的傳動(dòng)方案，繪出草圖；（4）根據(jù)草圖，由末端執(zhí)行件開始，沿著傳動(dòng)路線逐步向后推，確定傳動(dòng)方案中的各零部件，并對其進(jìn)行計(jì)算與校核；（5）繪制出裝配圖、零件圖；（6）由裝配圖與零件圖的具體數(shù)據(jù)，修改相應(yīng)的計(jì)算內(nèi)容；（7）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。3.4工作量：CAD繪圖：折合A0圖紙不少于6張（不少于3張裝配圖）設(shè)計(jì)計(jì)算說明書：1-1.5萬字，其中包含電機(jī)的選擇與校核、齒輪的計(jì)算與校核、軸的計(jì)算與校核、軸承的選擇與計(jì)算、同步帶輪的計(jì)算、滾珠絲杠的計(jì)算、氣缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算、卡爪夾持力的計(jì)算等，另外還包含機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算。外文翻譯：大于3萬字符4.課題難點(diǎn)及可能遇到的問題（1）傳動(dòng)方案的合理選擇及基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（2）平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人相關(guān)參數(shù)的計(jì)算（3）零件在空間布置時(shí)可能遇到干涉等問題（4）關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算（5）零部件的計(jì)算和校核（6）部分重要參考資料收集困難（7）預(yù)期方案可能不可行或存在不合理之處，需返工修改主要參考書目：[1]邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社.2011[2]鄭文緯,吳克堅(jiān)主編.機(jī)械原理.北京：高等教育出版社.2012[3]廖希亮,吳鳳芳,劉素萍編.機(jī)械制圖.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2009[4]馮緯明主編.理論力學(xué).北京：國防工業(yè)出版社.2012[5]馮緯明主編.材料力學(xué).北京：國防工業(yè)出版社.2013[6]王先逵主編.機(jī)械制造工藝學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2013[7]甘永立主編.幾何公差與測量.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2010[8]秦大同主編.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2011[9]郭洪紅編.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社.2008[10]孫樹棟主編.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社.2006[11]柳洪義,宋偉剛編著.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).北京：冶金工業(yè)出版社.2002[12]殷際英,何廣平編著.關(guān)節(jié)型機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社2003[13]韓建海主編.工業(yè)機(jī)器人.武漢：華中科技大學(xué)出版社.2009[14](俄)索羅門采夫主編.工業(yè)機(jī)器人圖冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1993[15]陳定方主編.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2013[16]黃玉美主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社.2008[17]馮清秀，鄧星鐘編著.機(jī)電傳動(dòng)控制.武漢：華中科技大學(xué)出版社.2011[18]劉延俊主編.液壓與氣壓傳動(dòng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2012設(shè)計(jì)寫作計(jì)劃（20XX年12月24日至20XX年6月7日）各階段工作時(shí)間論文（設(shè)計(jì)）各階段工作內(nèi)容及要求檢查方式檢查情況2014.12.24-2014.12.292014.12.30-20XX.1.420XX.1.5-20XX.1.2620XX.1.27-20XX.2.2820XX.3.1-20XX.3.1520XX.3.16-20XX.3.3120XX.4.1-20XX.4.1520XX.4.16-20XX.4.3020XX.5.1-20XX.5.1520XX.5.16-20XX.5.3020XX.5.30-20XX.6.7確定設(shè)計(jì)題目,收集相關(guān)資料整理和篩選相關(guān)資料,并制定初步方案，擬定出傳動(dòng)原理圖與設(shè)計(jì)草圖，準(zhǔn)備開題答辯根據(jù)草圖，初步完成各項(xiàng)計(jì)算完善計(jì)算部分，整理前期工作內(nèi)容，為中期答辯整理部分資料初步繪制總裝圖，根據(jù)裝配圖具體尺寸修改相應(yīng)的計(jì)算內(nèi)容完善總裝圖并完成其他裝配圖的繪制，并翻譯部分外文文獻(xiàn)整理前期工作內(nèi)容，準(zhǔn)備并完成中期答辯，根據(jù)答辯情況修改設(shè)計(jì)方案繪制部分零件圖，完成外文文獻(xiàn)的翻譯繪制零件圖，編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書檢查并修改設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，整理工作內(nèi)容出圖、打印說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核開題答辯導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核中期答辯導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核導(dǎo)師考核畢業(yè)答辯指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師簽