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西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
題目: 曲軸搬運(yùn)機(jī)械手的研究與設(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) B070200
姓 名 蘇方立
學(xué) 號(hào) B07020024
導(dǎo) 師 曹巖
2010 年 11 月 17 日
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1.開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下,由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作前期內(nèi)完成。
2.開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式(可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載)填寫(xiě)并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N),完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。
3.開(kāi)題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上,參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇(不包括辭典、手冊(cè),其中外文文獻(xiàn)至少3篇),文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào),“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中《參考文獻(xiàn)“注釋格式”》的要求書(shū)寫(xiě)。
4. 年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě),例:“2008年11月26日”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)開(kāi) 題 報(bào) 告
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)
1.課題的目的與意義
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備,也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支,在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn),機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中起著積極作用,能部分的完成人工操作,能按照生產(chǎn)工藝的要求,遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸;本課題針對(duì)曲軸在兩個(gè)生產(chǎn)線之間的搬運(yùn)自動(dòng)化問(wèn)題,設(shè)計(jì)一機(jī)械手,以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。
2.國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期,1972年我國(guó)開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代后,隨著改革開(kāi)放的不斷深入,在高技術(shù)浪潮的沖擊下,我國(guó)機(jī)器人技術(shù)與研究得到了政府重視與支持?!捌呶濉逼陂g,國(guó)家投入資金,對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零件部件進(jìn)行攻關(guān),完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā),研究出了噴涂、點(diǎn)焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年,國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)開(kāi)始實(shí)施,經(jīng)過(guò)幾年的研究,取得了一大批科研成果,成功的研制出了一批特種機(jī)器人。
從20世紀(jì)90年代初期起,我國(guó)掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在實(shí)踐中前進(jìn)了一大步,先后研制了焊接、裝配、噴漆、切割、包裝等各種用途的工業(yè)機(jī)器人,并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程,形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地,為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。
目前,我國(guó)機(jī)器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方向:一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人;而是智能機(jī)器人;三是機(jī)器人化機(jī)械;四是以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng);五是多傳感器信息融合與配置技術(shù)[1]。
目前,國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具有視覺(jué)觸覺(jué)能力,甚至聽(tīng)想的能力。研究安裝各種傳感器,能把感覺(jué)到的信息反饋,使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。
國(guó)外也出現(xiàn)了第三代機(jī)械手,它能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)[2]。
3. 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等,應(yīng)用非常廣泛。
在現(xiàn)代工業(yè)中,生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高,現(xiàn)代化加工車間,常配有機(jī)械手,以提高生產(chǎn)效率,完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作??稍跈C(jī)械工業(yè)中,加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹,美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中,有75%是小批量生產(chǎn);金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下,零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出,裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性,工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有:注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序;機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料;澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用[3]。
4.工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
(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,平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。
(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)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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,控制柜日見(jiàn)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(jué)、力覺(jué)等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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(guò)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(jué)來(lái)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。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái),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(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步,在國(guó)家的支持下,通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān),目前己基本掌握了機(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(kāi)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)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用,弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)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)外比還有一定的距離,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;在應(yīng)用規(guī)模上,我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái),約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)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,“一客戶,一次重新設(shè)計(jì),品種規(guī)格多、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.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下,也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人,6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平,還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作,有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步,與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大,需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上,有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān),才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品,以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中[3]。
二.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
1.課題主要內(nèi)容和要求
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
1.了解工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用;
2.分析該機(jī)械手的傳動(dòng)原理;
3.完成該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
4.應(yīng)用軟件繪制所設(shè)計(jì)機(jī)械手的裝配和關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)圖。
2.選題理由及準(zhǔn)備情況:
該機(jī)械手主要用于工廠內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的拾取和搬運(yùn),以代替人的體力勞動(dòng)。
工業(yè)機(jī)械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)裝備,它綜合應(yīng)用了機(jī)械,電子,自動(dòng)控制,傳感技術(shù),人工智能,仿生學(xué)等等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí),以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它模仿人手的部分動(dòng)作,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置,可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè),在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn),尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。工業(yè)機(jī)器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè)和國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力等諸方面具有舉足輕重的地位。
采用工業(yè)機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn):第一,改善勞動(dòng)條件,逐步提高生產(chǎn)效率;第二,更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力,加快產(chǎn)品更新?lián)Q代;第三,提高零件的處理能力與產(chǎn)品質(zhì)量;第四,消除枯燥無(wú)味的工作,節(jié)約勞動(dòng)力;第五,提供更安全的工作環(huán)境,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,減少勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn);第六,減少機(jī)床損耗;第七,減少工藝過(guò)程中的工作量及降低停產(chǎn)時(shí)間和庫(kù)存;第八,提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)械手能代替人工操作,大大改善工人的勞動(dòng)條件,將操作工人從繁重、單調(diào)的工作環(huán)境中解放出來(lái),提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。
通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搜索以及查閱相關(guān)書(shū)籍、文獻(xiàn)、專利資料,我基本了解了工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè),也是自動(dòng)化程度要求高、競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈的行業(yè)。目前,汽車制造業(yè)是制造業(yè)所有行業(yè)中人均擁有工業(yè)機(jī)器人密度最高的行業(yè)。隨著居民消費(fèi)的水平提高,我國(guó)汽車業(yè)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期,國(guó)際汽車巨頭紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),與我國(guó)企業(yè)合資設(shè)廠或擴(kuò)大原有生產(chǎn)規(guī)模,國(guó)內(nèi)企業(yè)也紛紛轉(zhuǎn)型或加大對(duì)汽車行業(yè)的投資,整個(gè)行業(yè)增產(chǎn)擴(kuò)能增加了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。因此,我明確了研究發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸搬運(yùn)上線機(jī)械手的現(xiàn)實(shí)意義。研究目標(biāo):設(shè)計(jì)一臺(tái)程控型機(jī)械手代替人工工作,實(shí)現(xiàn)兩條生產(chǎn)線之間工件的搬運(yùn),降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,減少生產(chǎn)線上工人的數(shù)目,提高生產(chǎn)效率。
3.研究?jī)?nèi)容:
根據(jù)給定的工況條件和基本要求,從機(jī)械原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行具體的分析和設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)械手的傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等主要部件進(jìn)行選型和校核,并結(jié)合原理圖等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作方法和原理進(jìn)行描述。該機(jī)械手能完成如下的動(dòng)作循環(huán):手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂前伸→手臂下降→手指松開(kāi)→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
主要技術(shù)參數(shù)有:抓重——16kg;速度運(yùn)動(dòng)——小于0.1m/s;定位精度——±1mm
三.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn),前期已開(kāi)展工作
本課題研究的重點(diǎn)在于該機(jī)械手各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配。
難點(diǎn)在于根據(jù)被夾持的曲軸的參數(shù),對(duì)手部夾持力的計(jì)算與校核。
前期已查閱了大量的文獻(xiàn)資料,對(duì)工業(yè)機(jī)器人的知識(shí)有了一定的了解,理解了機(jī)械手的構(gòu)造原理和技術(shù),為開(kāi)展本次設(shè)計(jì)做了充分準(zhǔn)備。
四.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃(按周次填寫(xiě))
1-3周: 前期準(zhǔn)備,查閱資料,了解課題,準(zhǔn)備開(kāi)題答辯;
4-6周: 確定設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算;
7-11周: 完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配圖的繪制;
12-14周:完成三維建模,并進(jìn)行模型裝配;
15-17周:完善裝配模型,撰寫(xiě)畢業(yè)論文
18周: 畢業(yè)答辯。
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[17]D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation, Inc 2000.7
指導(dǎo)教師意見(jiàn)(對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)):
指導(dǎo)老師:
年 月 日
所在系審查意見(jiàn):
系主管領(lǐng)導(dǎo):
年 月 日