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晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
課題名稱 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
系 部
專 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日
教研室主任（簽名） 年 月 日
XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)號(hào)
學(xué)生姓名
系部
專業(yè)年級(jí)
指導(dǎo)教師
職稱
設(shè)計(jì)（論文）題目
軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真
本課題國(guó)內(nèi)外研究背景及意義：
國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：
機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。
1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作，生產(chǎn)過(guò)程較為固定。
1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。第一批工業(yè)機(jī)器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬(wàn)能自動(dòng)”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。
1962 年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬(wàn)能搬動(dòng)”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。
近百年來(lái)發(fā)展起來(lái)的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來(lái)發(fā)展方向是有知覺(jué)、有思維、能與人對(duì)話。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺(jué)能力 , 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人 , 它不僅具有感覺(jué)能力 , 而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。
英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作 。
20世紀(jì)70年代，第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對(duì)外界環(huán)境實(shí)用階段，并開始普及。 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺(jué)能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī)器人能夠用自然語(yǔ)言與人對(duì)話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。到了90 年代, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 機(jī)器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機(jī)器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工工業(yè)、電子工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中, 弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已開始擴(kuò)大到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外, 各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了很大的進(jìn)展。
國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：
我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，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)套噴漆機(jī)器人在20多家企業(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)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊接線上。
目前，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200多家，擁有量為3500臺(tái)左右，其中國(guó)產(chǎn)占20％，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等40多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300臺(tái)套，機(jī)器人銷售額6.74億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47億元。
據(jù)專家對(duì)國(guó)內(nèi)542家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械３個(gè)行業(yè)的部分用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就全國(guó)而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多；其次是搬運(yùn)、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機(jī)器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人，其他機(jī)器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運(yùn)、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華錄一家就用了近３００臺(tái)，其次是搬運(yùn)和噴涂；工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。此外包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。
本課題的意義：
移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。機(jī)械臂是機(jī)器人的重要組成部分，他是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組合式機(jī)械臂是由若干直線機(jī)械臂（或稱一維機(jī)械臂）以不同夾角組合而成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在X-Y平面移動(dòng)，或在X-Y-Z空間定位等功能，以滿足不同場(chǎng)合下的需要。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)研究?jī)?nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題：
本課題研究的內(nèi)容：
（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解目前輪式移動(dòng)機(jī)器人及機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)。給出可滿足設(shè)計(jì)要求的方案（兩種以上）比較，論證每個(gè)方案的可行性、實(shí)用性和有效性，確定一個(gè)最佳方案；
（2）繪制機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，說(shuō)明各部分的功能、工作原理和特點(diǎn)；
（3）根據(jù)要求，建立機(jī)械臂的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計(jì)算公式；
（4）對(duì)機(jī)械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證其合理性；
（5）繪制相關(guān)的機(jī)械圖紙。包括零部件的加工圖和組裝圖。給出組裝調(diào)試的流程步驟及安全注意事項(xiàng)等相關(guān)說(shuō)明。
本課題擬解決的主要問(wèn)題：
本課題解決的主要問(wèn)題在于傳動(dòng)方案的擬定，組合式機(jī)械臂是由若干直線機(jī)械臂（或稱一維機(jī)械臂）以不同夾角組合而成，一維機(jī)械臂的傳動(dòng)，本課題擬定為絲杠傳動(dòng)，如下圖1為絲杠傳動(dòng)示意圖，它的X-Y-Z組合效果如圖2所示。
圖1
圖2
一維機(jī)械臂由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下沿滑座移動(dòng)，在X/Y/Z三個(gè)方向分別布置一個(gè)一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián)接座上的手爪在空間定位。
步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字化控制下能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動(dòng)方案更便于控制，相對(duì)于液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)，本傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行程更大，因此，本傳動(dòng)方案是一種較理想的傳動(dòng)方案。
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)研究方法、步驟及措施：
研究方法
1.1 重視系統(tǒng)的力學(xué)性能分析
以系統(tǒng)科學(xué)的思想為指導(dǎo)，以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，建立合理的力學(xué)模型。
1.2 重視總體的傳動(dòng)原理分析
采用合理的傳動(dòng)原理圖。
1.3 采用局部——整體——局部的分析方法
每個(gè)系統(tǒng)都有自己?jiǎn)为?dú)的功能，只有它們都能完成自己的功能時(shí)，才有可能整體的功能;在各個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)的整體時(shí)，整體就要發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，調(diào)配各個(gè)系統(tǒng)，使各個(gè)系統(tǒng)在整體的作用下，形成最優(yōu)的系統(tǒng)。
步驟：
第一周 了解整體設(shè)計(jì)及各子項(xiàng)目?jī)?nèi)容；查閱、收集和閱讀相關(guān)資料；明確設(shè)計(jì)方向，確定設(shè)計(jì)內(nèi)容。
第二周 工廠調(diào)研學(xué)習(xí)
第三周 同小組成員展開討論，擬定設(shè)計(jì)方案，完成設(shè)計(jì)草圖。
第四周 步進(jìn)電機(jī)選型及關(guān)鍵零配件設(shè)計(jì)計(jì)算。
第五周 用AutoCAD繪制裝配圖
第六周 用AutoCAD繪制裝配圖
第七周 用AutoCAD繪制零件圖
第八周 用AutoCAD繪制零件圖
第九周 用Pro/E進(jìn)行各零配件三維建模
第十周 用Pro/E進(jìn)行三維建模及仿真
第十一周 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
第十二周 編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
第十三周 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，形成畢業(yè)設(shè)計(jì)全部文件，準(zhǔn)備答辯。
第十四周 畢業(yè)答辯
措施：
做好畢業(yè)設(shè)計(jì)，前提必須了解研究目的和主攻方向，要進(jìn)行大量的資料收集以及計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，所以需要經(jīng)常去圖書館和機(jī)房查閱資料?？傮w思路如下：
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，結(jié)合老師指導(dǎo)對(duì)調(diào)研對(duì)象進(jìn)行初步分析；
參考資料，了解調(diào)研過(guò)程，根據(jù)具體要求對(duì)研究方案進(jìn)行構(gòu)思；
設(shè)計(jì)并畫出設(shè)計(jì)的機(jī)械部分視圖；
對(duì)方案進(jìn)行進(jìn)一步針對(duì)性修改，以增加其直觀性、可行性和實(shí)用性；
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是否可以進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）研究：
同意進(jìn)入論文研究階段
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
是否可以進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）研究：
同意進(jìn)入論文研究
教研室(系、研究所)主任簽名：
年 月 日
6