本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告
論 文 題 目：SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)學(xué) 院： 專 業(yè) 、班 級：機(jī)械設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名：
年 1 月 5 日 填
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求
開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）；
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過；
3. 開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5. 開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?
一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目
SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)
2. 研究領(lǐng)域
本設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠矫骊P(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機(jī)械裝配操作仍然是高度勞動(dòng)密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。以家電、家具裝配環(huán)節(jié)為例，螺紋連接所消耗的人力和工時(shí)可以達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)線消耗總量的 1/4 到一半以上。
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型(3P)、圓柱坐標(biāo)型(R2P)、球坐標(biāo)型(2R)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)的機(jī)器人，關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似于人手臂，其位置和姿態(tài)完全由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，即 SCARA 機(jī)器人可看作關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的特例。SCARA 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、安裝方便、具有很好的通用性，而且動(dòng)作迅速、定位精度高，此外，SCARA 機(jī)器人一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡單，編程方便。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配；操作簡單便利、高速精確；通用性強(qiáng)。體積小，可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
1948 年諾伯特·維納在其著作《控制論》里首次提出自動(dòng)化工廠的概念，闡述了機(jī)器人和控制體系互相結(jié)合的發(fā)展規(guī)律，為機(jī)器人的控制理論奠定了基礎(chǔ)。
20 世紀(jì) 50 年代初期，位于美國伊利諾州的阿貢實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了第一代遙控式機(jī)械手來操作放射性材料，避免了科學(xué)家受到輻射的侵害。同時(shí)代的喬治·德沃設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺(tái)可以通過程序控制的工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并提出技術(shù)方案，隨后申請了專利。兩年之后隨著串聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，其系統(tǒng)誤差的長期累積和空間定位精度低等因素促使人們第一次提出了示教再現(xiàn)的編程模式，并運(yùn)用數(shù)控技術(shù)和機(jī)械臂的結(jié)合制造出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，它的出現(xiàn)和新的編程理念使得重復(fù)定位精度遠(yuǎn)超絕對定位精度，其意義影響深遠(yuǎn)。1962 年，美國萬能自動(dòng)化公司研制了一臺(tái)名為Unimate 的機(jī)器人，它采用極坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，動(dòng)作靈活、伸縮自如。而早在 4 年前， 恩格爾伯格和喬治·德沃爾創(chuàng)立了第 1 家機(jī)器人公司 Unimation，恩格爾伯格因而被稱為機(jī)器人之父。
1968 年，日本川崎公司開始學(xué)習(xí)美國公司先進(jìn)的機(jī)器人制造技術(shù)，結(jié)合本國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景開發(fā)出了一系列成本低廉，實(shí)用性較好的機(jī)器人，為日本的工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供了極大的動(dòng)力和推動(dòng)作用，促使日本的工業(yè)制成品以物美價(jià)廉而暢銷全球市場。
從 1970 年開始，機(jī)器人應(yīng)用開始在各國工業(yè)領(lǐng)域掀起一波又一波浪潮。1973 年，ASEA 公司(現(xiàn)在的 ABB)推出了世界上第一個(gè)微型計(jì)算機(jī)控制、全部電氣化的
工業(yè)機(jī)器人 IRB 一 6，為了滿足弧焊的要求，它可以進(jìn)行連續(xù)的路徑移動(dòng)。1978 年， 日本教授牧野洋設(shè)計(jì)出了具有 4 個(gè)自由度的可選擇柔順裝配機(jī)械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列帶有觸覺、力覺和視覺的 PUMA 工業(yè)機(jī)器
人，它的出現(xiàn)把機(jī)器人技術(shù)帶入了智能化的時(shí)代，使得機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和時(shí)代要求緊密的結(jié)合在一起。
20 世紀(jì) 80 年代，隨著汽車制造業(yè)的崛起，工業(yè)機(jī)器人開始以 20%~40%的速率高速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)開始在汽車工業(yè)生產(chǎn)中推廣普及，這使得整個(gè)機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域變得越來越重要。1984 年機(jī)器人在全球各國的數(shù)量從最開始的不足
10 萬臺(tái)，穩(wěn)步上升到 1990 年接近 30 萬臺(tái)，其中帶有嗅覺、視覺、觸覺的高性能機(jī)器人成為了新研發(fā)機(jī)器人中的主要對象，并且促進(jìn)了機(jī)器視覺技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)的穩(wěn)步成長。1985 年美國的兩家公司率先開始在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域使用交流伺服技術(shù)，使得自動(dòng)化控制裝備性能進(jìn)一步提升。隨著裝配機(jī)器人在機(jī)器人領(lǐng)域所占比重越來越大，提高機(jī)器人的質(zhì)量和效率問題成為了各國機(jī)器人研究領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。20 世紀(jì)末，柔性裝配線研發(fā)成功，以日本為代表的各國開始廣泛發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，就此裝配機(jī)器人開始進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。
21 世紀(jì)以來，機(jī)器人在各國開始大范圍的投入使用，各國政府都加大了對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投資力度。美國政府從 2011 年開始先后投入 7000 萬美元發(fā)展本國的機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，并制定了“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”，力圖使美國的制造業(yè)重新占領(lǐng)市場高點(diǎn)。韓國在 2014 年提出到 2018 年完成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投資翻兩倍，機(jī)器人公司的數(shù)量增加一倍的目標(biāo)。歐盟則聯(lián)合其下屬的 180 個(gè)公司和科研機(jī)構(gòu)一起推出家用機(jī)器人研究計(jì)劃“ SPARC”。同年，英國政府也提出機(jī)器人戰(zhàn)略 RAS2020，目標(biāo)是在 2025 年使整個(gè)英國機(jī)器人產(chǎn)值在 1200 億美元左右。 我國的工業(yè)機(jī)器人研究始于 1960 年，先后發(fā)展了 50 多年，經(jīng)歷了從模仿到自主創(chuàng)新的各個(gè)階段。1972 年，我國立足于開發(fā)自己的第一代工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)入 80 年代后，機(jī)器人研究與開發(fā)和國家政策有機(jī)結(jié)合。86 年國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃正式提出，我國在機(jī)器人領(lǐng)域取得一系列重大科研成果，并結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)際情況陸續(xù)研制出一批工業(yè)機(jī)器人；如今以新松為代表的一批國內(nèi)企業(yè)開始推出自己品牌的機(jī)器人并逐步在市場推廣。時(shí)至今日，我國在機(jī)器人技術(shù)某些領(lǐng)域已接近國際前沿水平，但是在很多方面也面臨著不少問題。國產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品較為低端、主要以三軸和四軸機(jī)器人為主，主要用于搬運(yùn)和碼垛作業(yè)等。而高端制造業(yè)的機(jī)器人則長期受到國外的品牌的占據(jù)。由于機(jī)器人的關(guān)鍵制造技術(shù)和控制技術(shù)等核心問題沒有解決使得我國的機(jī)器人發(fā)展受到制約，加之國內(nèi)的生產(chǎn)機(jī)器人規(guī)模較小，使得國產(chǎn)機(jī)器人的生存空間受到了擠壓。2015 年 3 月國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造 2025》推動(dòng)中國制造業(yè)特別是高端制造業(yè)的發(fā)展，其中智能裝備和機(jī)器人技術(shù)作為今后重點(diǎn)支持的方向，這為提升國產(chǎn)機(jī)
器人的質(zhì)量和服務(wù)做好了鋪墊。
工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),使自動(dòng)擰螺絲向工業(yè)機(jī)械機(jī)械手方向發(fā)展,螺絲機(jī)具有操縱方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便、人機(jī)界面人性化等特點(diǎn)。主要是采用單軸與多軸機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行及單獨(dú)動(dòng)作的運(yùn)行方式,實(shí)現(xiàn)了控制響應(yīng)的快速性,并對擰緊扭矩及角度進(jìn)行測控,保證了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。螺絲機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：工業(yè)機(jī)械手、電動(dòng)螺絲刀、螺絲自動(dòng)上料系統(tǒng)和精裝夾具等附件。
在國外鎖螺絲設(shè)備早已應(yīng)用于汽車，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制開發(fā)出第一臺(tái)機(jī)械手，1978 年美國 Unimate 公司、斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，用小型電子計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行裝配作業(yè)，定位誤差在±1mm 內(nèi)。如美國試制一臺(tái)有觸覺和視覺的雙臂機(jī)械手，由于機(jī)械手有觸覺，所以不要求工件排列的位置很精確。若機(jī)械手在擰螺釘遇到阻力時(shí)，能將螺釘返回再擰。
當(dāng)前，在國內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機(jī)和半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。雖然手持式鎖螺絲機(jī)使螺絲輸送和鎖付一氣呵成，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力，但是手持式鎖螺絲機(jī)需要人員重復(fù)單調(diào)乏味的工作，容易劃傷產(chǎn)品外觀，造成成本增加。半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)主要是振盤式的，采用振動(dòng)盤氣動(dòng)元件作為驅(qū)動(dòng)部件，采用 PLC 或 MCU、傳感器和接近開關(guān)聯(lián)合控制。其工作流程是螺絲由驅(qū)動(dòng)部件振動(dòng)排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進(jìn)行鎖緊作業(yè)。
隨著自動(dòng)化工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率、質(zhì)量要求的不斷提高，在國際上自動(dòng)化裝配技術(shù)由人工裝配朝著半自動(dòng)化、全自動(dòng)化裝配的趨勢發(fā)展，SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站也在朝著半自動(dòng)化和全自動(dòng)化，便捷化，通用化的方向發(fā)展。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1. 重點(diǎn)解決的問題
（1） SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維設(shè)計(jì)；
（2） SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1） 擰螺絲 SCARA 機(jī)器人概況；
（2） 擰螺絲 SCARA 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案；
（3） SCARA 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇；
（4） SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
通過學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料掌握擰螺絲 SCARA 機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖，并與機(jī)械基礎(chǔ)和三維繪圖軟件相結(jié)合，設(shè)計(jì)出符合加工需求的擰螺絲SCARA 機(jī)器人，編寫設(shè)計(jì)說明書，形成機(jī)械手三維實(shí)體建模和平面圖紙一套。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
首先應(yīng)當(dāng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)相關(guān)書籍，進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)符合加工需求的擰螺絲 SCARA 機(jī)器人和控制系統(tǒng)流程圖；然后運(yùn)用三維繪圖軟件，進(jìn)行機(jī)械手三維實(shí)體建模，并將其轉(zhuǎn)換成平面圖紙一套；最后梳理和總結(jié)相關(guān)知識(shí)，編寫 SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)說明書。
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1 周：布置畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，講解設(shè)計(jì)內(nèi)容，查閱資料，了解課題；
第 2 周：查閱資料，撰寫開題報(bào)告；確定外文翻譯文章；
第 3 周：修改開題報(bào)告，撰寫文獻(xiàn)綜述；
第 4 周：完成外文翻譯，開題答辯；
第 5 周：工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)；
第 6 周：了解關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能；提出 SCARA 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； 第 7 周：關(guān)鍵零件參數(shù)計(jì)算和選擇；
第 8 周：步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、滾珠絲杠副的計(jì)算及選擇； 第 9 周：SCARA 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
第 10 周：SCARA 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；中期檢查； 第 11 周：SCARA 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；
第 12 周：SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 第 13 周：SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
第 14 周：整理設(shè)計(jì)資料，編寫設(shè)計(jì)說明書；
第 15 周：修改完善整套設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯；
第 16 周：評閱，修改，畢業(yè)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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文獻(xiàn)綜述
一、前言
工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機(jī)械裝配操作仍然是高度勞動(dòng)密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配；操作簡單便利、高速精確；通用性強(qiáng)。體積小， 可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
二、研究概況
目前，在世界制造業(yè)強(qiáng)國，如美國、德國、日本等國家的自動(dòng)裝配技術(shù)都達(dá)到了較高的水平，使得機(jī)械零部件的裝配組裝等工藝的精度，效率得到顯著提高。在國外鎖螺絲設(shè)備早已應(yīng)用于汽車，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。如美國試制一臺(tái)有觸覺和視覺的雙臂機(jī)械手，由于機(jī)械手有觸覺，所以不要求工件排列的位置很精確。若機(jī)械手在擰螺釘遇到阻力時(shí)，能將螺釘返回再擰。
當(dāng)前，在國內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置主要為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機(jī)和半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。其工作流程是螺絲由驅(qū)動(dòng)部件振動(dòng)排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進(jìn)行鎖緊作業(yè)。但是在國內(nèi)，上述半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)設(shè)備并沒有大面積推廣使用，歸結(jié)其原因有多種：(1)對螺絲尺寸要求極其嚴(yán)格，長度 5mm～ 18mm，直徑為 2.5mm～5mm，如果螺絲超出這個(gè)尺寸范圍基本上不能完成鎖付；(2)對螺絲的精度要求很高，如果達(dá)不到所要求的精度常常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備頻繁卡堵問題；(3) 專用性強(qiáng)，一種半自動(dòng)化螺絲機(jī)一般只能鎖付一種型號的工件，不能進(jìn)行通用性生產(chǎn)； (4)造價(jià)非常高昂，因?yàn)槭亲詣?dòng)化設(shè)備，所以這種產(chǎn)品的進(jìn)口價(jià)為 3~6 萬人民幣，國產(chǎn)的也近 2 萬元。
對此，國內(nèi)學(xué)者主要從螺絲鉗的扭矩測量與控制，專用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備等方面做了相關(guān)研究，并且也開發(fā)了一些專用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備。
三、工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系的特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型(3P)、圓柱坐標(biāo)型(R2P)、球坐標(biāo)型(2RP)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)的機(jī)器人,關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類似于人的手臂,其位置和姿態(tài)完全是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,而平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人,即為SCARA(Selective Complianee Assembly Robot Arm)機(jī)器人可看作關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的特例。SCARA 機(jī)器人具有四個(gè)關(guān)節(jié),三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)。它最顯著的特點(diǎn)是在水平方向上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性,而垂直方向具有很強(qiáng)的剛性,這種選擇性的柔性,被廣泛用于高效率的裝配作業(yè)中。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站主要由以下幾部分構(gòu)成：
（一）送料機(jī)構(gòu)
送料機(jī)構(gòu)一般包括振動(dòng)盤和螺釘輸送系統(tǒng)：振動(dòng)盤將散亂放入其料槽的螺釘進(jìn)行排列，使螺釘帽朝上呈豎直方向依次輸出；螺釘輸送系統(tǒng)則是將排列好的螺釘送到鎖絲尖頭部位。螺釘輸送一般采用吸取或吹取兩種方式。吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負(fù)壓輸送螺釘，它可以實(shí)現(xiàn)對大多數(shù)螺絲輸送。吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘，這種方式若要保證螺釘能正確輸送，螺絲總長和螺帽直徑比例就必須滿足一定的條件，一般要達(dá)到 1：1.3，最低不能低于 1：1.2。吹氣式和吸取式相比去掉了吸取的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)效率要比吸取式的高，因此只要當(dāng)螺絲的長度比例符合要求一般多采用吹氣式輸送，這樣就可以較大程度節(jié)省鎖絲耗時(shí)，提高鎖絲效率。
（二）SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。其中操作機(jī)(又稱執(zhí)行系統(tǒng)),包括末端執(zhí)行器、手腕、手臂及機(jī)座;驅(qū)動(dòng)單元由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測元件等組成;控制裝置包括檢測(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分,可用來控制驅(qū)動(dòng)單元,檢測其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求,并進(jìn)行反饋控制。此外,對于智能型機(jī)器人,應(yīng)配置人工智能系統(tǒng),一般包括感覺系統(tǒng)(硬件),通過各類傳感器來實(shí)現(xiàn)功能,和決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件),以實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。
平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人多用于裝配,要求動(dòng)作迅速,定位準(zhǔn)確,因此需要運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算,從而進(jìn)行操作機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì),這就包括:
(1) 重量輕、剛性好、慣性小的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
一般采用精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理的空間布局,如把驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)座上,就可減少臂部慣量、增強(qiáng)機(jī)身剛性;在不影響使用性能的情況下,各種部件盡量采用空心結(jié)構(gòu)。此外,材料的選擇對整機(jī)性能也是至關(guān)重要的。
(2) 精確傳動(dòng)軸系的設(shè)計(jì)、制造及調(diào)整技術(shù)
由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)無間隙、無空回、少摩擦、少磨損,提高剛性、精度、可靠性;各軸承采用預(yù)緊措施以保證傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性。
(3) 傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊且效率高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整技術(shù)由于在解決機(jī)械本體結(jié)構(gòu)問題時(shí),往往會(huì)對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出更高要求,有時(shí)還存在
多級傳動(dòng),因此要達(dá)到上述目的,常采用的方法有:鋼帶傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)無摩擦無間隙、高精度傳動(dòng);滾珠絲杠傳動(dòng),可提高傳動(dòng)效率且傳動(dòng)平穩(wěn),起動(dòng)和低速性能好,摩擦磨損小; 采用 RV 減速器,可縮短傳動(dòng)鏈。同時(shí)合理安排檢測系統(tǒng)位置,進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。
（三）鎖絲機(jī)構(gòu)
鎖絲結(jié)構(gòu)一般包括鎖附尖頭和擰螺釘機(jī)構(gòu)。鎖附尖頭是位于鎖絲頭部最下端的結(jié)構(gòu)部件，主要作用有兩點(diǎn)，一是用來對輸送管傳送過來的螺釘進(jìn)行初定位，使其能夠在 Z 軸方向保持豎直固定；二是能與擰螺釘機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確配合實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)南乱奇i進(jìn)。鎖附尖頭的手指式結(jié)構(gòu)形式具有可靠性好的特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。擰螺釘機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)螺釘下移鎖進(jìn)的動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用具有定轉(zhuǎn)矩的普通電動(dòng)螺絲刀,經(jīng)電路改造后裝在鎖絲結(jié)構(gòu)連接體中心。
（四）控制系統(tǒng)
機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能有記憶、示教、接口、坐標(biāo)設(shè)置、位置伺服和故障診斷等。機(jī)器人控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、示教盒、操作面板、硬盤存儲(chǔ)、數(shù)字和模擬量輸入輸出、打印機(jī)接口、傳感器接口、軸控制器、輔助設(shè)備控制、通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口等組成?，F(xiàn)階段機(jī)器人的控制體系結(jié)構(gòu)有兩種主要形式同時(shí)存在:一是象 Fanuc，Motoman 這樣的傳統(tǒng)機(jī)器人制造商繼續(xù)使用大型專有控制裝置，持有他們專有的控制體系結(jié)構(gòu);二是開放式通用運(yùn)動(dòng)控制體系結(jié)構(gòu)(比如基于 PC 機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu))，具有開放性、可移植性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，而且可以方便的添加網(wǎng)絡(luò)通信功能。許多新公司都在研究和嘗試基于 PC 的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，如 KUKA、ABB、NACHI 等?？刂祁I(lǐng)域常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：
(1) 點(diǎn)位控制與軌跡控制的雙重控制技術(shù)
一般為裝配機(jī)器人安裝高級編程語言和操作系統(tǒng),常用的編程方式是示教編程與離線編程。同時(shí),合理選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器功率和變速比、終端基點(diǎn)密度和基點(diǎn)插補(bǔ)方式, 以使運(yùn)動(dòng)精確、軌跡光滑。
(2) 裝配機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
由于機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制是一種關(guān)聯(lián)的、變參數(shù)的非線性控制,能使機(jī)器人末端
執(zhí)行器和作業(yè)對象或環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)符合給定要求。這種控制的關(guān)鍵在于選擇一種合適的控制算法。
(3) 誤差建模技術(shù)
在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中,機(jī)械制造誤差、傳動(dòng)間隙、控制算法誤差等會(huì)引起機(jī)器人末端位姿誤差。因此有必要對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,建立合理可靠的誤差模型,進(jìn)行公差優(yōu)化分配,對系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定并采用合適的誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
(4) 控制軟件技術(shù)
將諸如減振算法、前饋控制、預(yù)測算法等先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論嵌入到機(jī)器人控制器內(nèi)使機(jī)器人具有更精確的定位、定輪廓、更高的移動(dòng)速度、更短的調(diào)整時(shí)間,即使在剛性低的機(jī)器人結(jié)構(gòu)中也能達(dá)到無振動(dòng)運(yùn)動(dòng)等特性,有助于提高機(jī)器人性能。
四、本課題研究內(nèi)容
通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，我目前對 SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)這一題目有了一定的了解。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)主要由以下幾部分構(gòu)成：送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鎖絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 SCARA 機(jī)器人具有四個(gè)關(guān)節(jié),三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)。其本體結(jié)構(gòu)較為固定，對其本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是滿足工作要求和安全要求。對其關(guān)鍵零部件的選用如步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、滾珠絲杠副等也有了一定準(zhǔn)備。送料機(jī)構(gòu)一般采用吸取或吹取兩種方式，吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負(fù)壓輸送螺釘，它可以實(shí)現(xiàn)對大多數(shù)螺絲輸送；吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘。鎖絲機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，即將螺絲鎖死在需要裝配的零件或部件上，實(shí)現(xiàn)了既定的裝配作業(yè)。而控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵，良好的控制系統(tǒng)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)對螺絲的定時(shí)輸送，SCARA 機(jī)器人本體到達(dá)既定的坐標(biāo)位置和鎖絲機(jī)構(gòu)對螺釘?shù)逆i死。
但是我對這一課題的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，送料機(jī)構(gòu)、鎖絲機(jī)構(gòu)和 SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一些簡單的設(shè)想，但還不夠成熟。而控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目前我還沒有多少頭緒，我仍然需要加強(qiáng)知識(shí)的儲(chǔ)備和更深刻的學(xué)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)。
指導(dǎo)教師評閱意見（對選題情況、研究內(nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評 閱）
審核
意 教研室主任意見
見
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簽字： 年 月 日
學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見
簽字： 年 月 日公章：