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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：凸輪軸機床的工件輸送機構(gòu)的設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012年 12 月 25 日
1.畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1題目背景
在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線零件的輸送是非常重要的工作之一，隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，目前，這一工作已由機械手的自動搬運逐漸替代傳統(tǒng)的人工完成。機械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn),機械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題設(shè)計一種在七工位凸輪軸加工機床上應(yīng)用的機械手,用于實現(xiàn)工件的輸送。明確機械手的功能、技術(shù)參數(shù)、工作原理、主要結(jié)構(gòu)及特點。要求結(jié)構(gòu)簡單、抓取重量大、開合行程長、運行可靠,從而提高生產(chǎn)效率。
1.2研究意義
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備【1】。他的特點是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛【2】。因此，進(jìn)行凸輪軸機床的工件輸送機械手的研究設(shè)計具有重要意義。我感覺設(shè)計所需要的知識僅課堂所學(xué)的是完全不夠的，但正是這樣，才更能鍛煉自己，才更富有挑戰(zhàn)，我想在這次的設(shè)計中我一定會盡全力做好的！
1.3國內(nèi)研究的情況
我國的工業(yè)機械手的研究研發(fā)開發(fā)始于20世紀(jì)70年代左右。1972年我國的第一臺工業(yè)機械手開發(fā)制造于上海，隨著全國各省都開始研制和研發(fā)應(yīng)用機械手。如今我國正從一個“制造型大國”向“制造型強國”邁進(jìn)，中國的制造業(yè)正在面臨著與國際接軌、世界接軌、參與國際分工的巨大工作和挑戰(zhàn)當(dāng)中，這將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力和活力【3】。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的不斷提高，中國的機械手已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛普遍的應(yīng)用。已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機械手的應(yīng)用也越來越多。在未來幾年，我國將在傳感技術(shù)、激光技術(shù)、工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中機械手將會被廣泛應(yīng)用，因此這些技術(shù)會使機械手的應(yīng)用更為高效、高質(zhì)，運行成本將更低【4】。據(jù)一系列現(xiàn)象證據(jù)表明，今后機械手將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
1.4國外研究情況
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品[5]。機械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。在此基礎(chǔ)上美國通過不斷改進(jìn)完善，研制出一系列新的機械手，美國的研制十分注意提高機械手的可靠性，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，降低其成本。德國從1970年開始在制造行業(yè)中應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型的機械手后，便開始大力進(jìn)行機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個；1976年大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究費用42%；1979年日本機械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。使用機械手最多的行業(yè)是汽車工業(yè)，其次是電機、電器和電子行業(yè)。到目前在日本工作的工業(yè)機械手已有100萬臺左右。第二代機械手設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多[6]。
2.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
2.1主要內(nèi)容
2.1.1了解凸輪軸機床工作原理，工業(yè)機器人的發(fā)展及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用；
2.1.2明確該機械手的規(guī)格參數(shù)，分析其組成和工作原理；
2.1.3完成該機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要部件的設(shè)計計算；
2.1.4應(yīng)用軟件繪制所設(shè)計機械手的裝配圖。
2.2研究方案
2.2.1凸輪軸機床的工作原理
如圖1所示零件為凸輪軸。凸輪軸是發(fā)動機中的重要零件之一，其通常是由具有多段高次曲線型面的非圓輪廓面組成，其升程、轉(zhuǎn)角與砂輪半徑之間存在非線性關(guān)系，且大部分凸輪軸屬細(xì)長軸類零件。而凸輪軸加工精度和質(zhì)量直接影響到發(fā)動機的質(zhì)量、廢氣排放、使用壽命、節(jié)能和效率。圖2是某型號發(fā)動機的凸輪軸示意圖，其法蘭面上的孔系的加工是在一臺臥式單面七工位的機床上完成的,該機床用一個多軸頭在5個加工工位上完成了5道加工工序。在加工工位之前有一個零件裝卸工位,為了在裝卸工位卸下工件,必須解決工件的返回問題。為此,我們設(shè)計了機械手在五個加工工位之后的等待工位抓取工件,并實現(xiàn)工件的返回。如圖3所示,工位Ⅰ是裝卸工位,工位Ⅶ是機械手抓取工位,凸輪軸從Ⅰ工位通過步伐式棘爪輸送機構(gòu)依次自動輸送至Ⅱ~Ⅶ工位,而機械手用來實現(xiàn)工件由Ⅶ工位返回至Ⅰ工位。
圖1 凸輪軸 圖2 凸輪軸示意圖
圖3 各工位布局圖
2.2.2機械手總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
如圖4所示，機械手裝置安裝在機床的側(cè)面，機械手大臂的回轉(zhuǎn)運動，靠液壓缸2通過齒輪、齒條機構(gòu)來實現(xiàn)。機械手小臂的升降，由油缸1驅(qū)動。手爪4的開合動作由液壓缸3驅(qū)動的連桿、滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)。為了確保機械手大臂回轉(zhuǎn)輸送時，隨行夾具在此時是平面平行移動，采用了平行四邊形機構(gòu)。機械手的動作順序是：機械手在等待工位(抓取工件工位)等候—機械手小臂下降—手爪收攏抓取隨行夾具—小臂上升—大臂回轉(zhuǎn)至裝卸料工位—小臂下降—手爪放松—小臂上升—大臂回轉(zhuǎn)至等待工位等候。機械手的動作全部采用液壓驅(qū)動，電氣控制。
(1）機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計
(2）機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計
(3）機械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計
(4）機械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計
如圖5所示，手爪是用來抓取工件的，要求其結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，操作方便。
(5）機械手機械傳動機構(gòu)的設(shè)計
(6）機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計
圖4 機械手結(jié)構(gòu)圖 圖5 手爪示意圖
2.3研究方法
2.3.1首先閱讀畢業(yè)設(shè)計題目和任務(wù)書，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，做出初步規(guī)劃設(shè)計方案，積極開展調(diào)研論證；
2.3.2向指導(dǎo)老師咨詢有關(guān)問題和登陸中國知網(wǎng)查閱資料文獻(xiàn)；
2.3.3對機械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，畫出草圖；
2.3.4結(jié)合自己熟悉的制圖軟件，對其進(jìn)行深入的實踐；
2.3.5完善繪圖，請指導(dǎo)老師修改。
3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
3.1 研究的重點及難點
機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其傳動機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計；機械手零件設(shè)計及其裝配關(guān)系；機械手的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點和受力分析。
3.2前期已展開的工作
3.2.1查找和閱讀大量期刊、書籍、報紙及優(yōu)秀碩士論文分析相關(guān)數(shù)據(jù)；
3.2.2初步擬定了整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案；
3.2.3學(xué)習(xí)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)知識；
3.2.4在學(xué)校電子閱覽室查找了有關(guān)機械手的外文翻譯。 4.完成畢業(yè)論文的工作步驟與時間安排（按周次填寫）
（1）1—3周：調(diào)研并收集資料；
（2）4—6周：明確該機械手的規(guī)格參數(shù)，分析其組成和工作原理；
（3）7—9周：完成該機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算；
（4）10—12周：完成該機械手的裝配圖；
（5）13—15周：完成論文撰寫，準(zhǔn)備答辯。
5.指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、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
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打印；其他格式與畢業(yè)論文要求相同。
2）開題報告由各系集中歸檔保存。
3）開題報告引用參考文獻(xiàn)注釋格式可參照附錄E“畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻(xiàn)樣式”執(zhí)行。不進(jìn)入正文，可以作為附件放在開題報告后面。
參考文獻(xiàn)
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６
畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
題目：凸輪軸機床的工件輸送機構(gòu)的設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2013年 3 月 20 日
1.設(shè)計（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
本階段的主要任務(wù)是完成了外文文獻(xiàn)的翻譯工作，對機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了更深層次的分析和理解，包括機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)受力的分析，大概了解了機械手結(jié)構(gòu)在選用過程中所依據(jù)的原則。
1.1在參考大量文獻(xiàn)資料的情況下，證實了開題報告中所提出的的機械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可行。原因是其滿足了結(jié)構(gòu)簡單、抓取量大、開合行程長、運行可靠的原則。
1.2機械手主要運動部分由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、后兩臂及手爪組成，臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作范圍大。
1.3機械手整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 機械手整體結(jié)構(gòu)圖
1.4設(shè)計整體為3個自由度。分別為：
（1）手爪相對于小臂的回轉(zhuǎn)；
（2）小臂相對于大臂的回轉(zhuǎn)；
（3）大臂相對于機架的回轉(zhuǎn)。
1.5設(shè)計的工作原理如下：
機械手在抓取工位等待，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使機械手的小臂的升降油缸將手爪下降到取料位置。手指開合的活塞桿下端聯(lián)接一連桿滑塊機構(gòu)，當(dāng)活塞上下移動時，連桿滑塊機構(gòu)使兩手指合攏。這是，小臂的油缸活塞上升，將工件提升到預(yù)訂高度后，行程開關(guān)發(fā)信號，使大臂回轉(zhuǎn)。此后，小臂下降，將工件準(zhǔn)確地放到上下料位置，然后手指張開將工件松開。小臂上升，大臂反方向回轉(zhuǎn)復(fù)位。
1.6手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)特點,機械手手指采用平移型雙手雙指式手指來夾持工件的兩端,其手指通過連接架與手指開合油缸端部相連接,如圖2所示。
圖2 手部結(jié)構(gòu)圖
1.7大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計
依靠帶齒輪的無桿活塞油缸,通過齒輪-齒條機構(gòu)實現(xiàn)大手臂的回轉(zhuǎn)。如圖3所示,調(diào)整固定在回轉(zhuǎn)立柱體上的兩個可調(diào)定位擋塊1,可保證大手臂回轉(zhuǎn)定位的準(zhǔn)確;調(diào)整油缸端蓋處的兩個死擋鐵螺釘3,使它與齒條活塞端部剛剛接觸或留有約0·1mm左右的間隙,以控制大手臂的回轉(zhuǎn)角度,大手臂回轉(zhuǎn)到等待工位和上下料工位的動作信號分別由兩個行程開關(guān)2發(fā)出。在無桿活塞油缸的兩端部,均設(shè)有節(jié)流緩沖裝置,以減小機械手在到達(dá)始、末兩位置時由于慣性所產(chǎn)生的沖擊,保證大手臂的定位穩(wěn)定可靠。
圖3 大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖
2.存在問題級解決措施：
2.1確定大體參數(shù)
（1）抓重：15千克
（2）自由度數(shù)：3個
（3）小臂升降范圍：0—200mm
（4）大臂回轉(zhuǎn)范圍：0—90°
（5）手爪夾持范圍：0—100mm
2.2大臂相對于機架的回轉(zhuǎn)應(yīng)采取什么方式傳動？
由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高負(fù)載能力。對機械手的傳動機構(gòu)的一般要求有：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕。
（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時，角度變形要小，這樣可以提高固有頻率，并大大減小低頻振動。
（3）回差要小，即由止轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長，價格低。
為了減小機構(gòu)運行過程中的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸的運動。
齒形帶的傳動比計算公式為：
i=N1/N2=Z1/Z2
2.3不能熟練使用制圖軟件，致使工作無法正?？焖龠M(jìn)行。其次，對機械手結(jié)構(gòu)理解的還不是很到位等。
通過與同學(xué)的探討及老師的指點，使我對自己的畢業(yè)設(shè)計有了更深一步的認(rèn)識。我深深明白了設(shè)計與實際要緊密結(jié)合，要多動頭腦，勤思考，平時還要多練習(xí)軟件。
3.后期工作安排：
（1）翻閱資料，查找公式；
（2）計算并核算選型；
（3）繪制設(shè)計相關(guān)的零件圖和裝配圖；
（4）撰寫畢業(yè)論文，交給老師審閱；
（5）準(zhǔn)備答辯。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打??；其他格式要求與畢業(yè)論文相同。
2）中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。
4
設(shè)計和開發(fā)一個競爭低成本四自由度機器人手臂
作者：Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon,Ricardo Salgado
接收于2011年10月19日，2011年11月7日修訂，2011年11月15日接受
文摘：
這項工作的主要焦點是設(shè)計、開發(fā)和實施低成本、強控制、有競爭力的機器人手臂。設(shè)計四自由度和才華橫溢的機器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。機器人手臂配備有伺服電機來做手臂之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動作。伺服電機包括編碼器,以至于沒有控制器實現(xiàn)。我們控制機器人使用的虛擬儀器,它執(zhí)行逆運動學(xué)計算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌葘σ粋€單片機,驅(qū)動伺服電機的功能修改位置、速度和加速度。測試和驗證的機器人手臂結(jié)果顯示它正常工作。
關(guān)鍵詞：
機器人手臂,低成本，設(shè)計，驗證，四自由度,伺服馬達(dá),Arduino機器人控制，虛擬儀器機器人控制
1.介紹
機器人術(shù)語實際上是定義為研究、設(shè)計和使用機器人系統(tǒng)制造[1]。機器人通常用于執(zhí)行不安全的,危險的,高度重復(fù),和不愉快的任務(wù)。他們有很多不同的功能,如物料搬運、裝配、電弧焊、電阻焊、機床裝載和卸載功能、繪畫、噴涂等。
主要有兩種不同的機器人:服務(wù)機器人和工業(yè)機器人。服務(wù)機器人是機器人運行的半或全自主執(zhí)行服務(wù)有用的福祉人類和設(shè)備,不包括制造業(yè)務(wù)[2]。工業(yè)機器人,另一方面,是由ISO正式定義為可編程在三個或三個以上軸的自動控制和多功能的機械手[1]。工業(yè)機器人的目的是實現(xiàn)材料、零件、工具或?qū)ｉT的設(shè)備通過變量編程動作來執(zhí)行各種任務(wù)。一個工業(yè)機器人系統(tǒng)不但包括工業(yè)機器人而且包括任何設(shè)備和/或傳感器需要機器人來執(zhí)行其任務(wù)以及測序或監(jiān)控通信接口。2007年世界市場增長了3%,其中大約有114000個新安裝的工業(yè)機器人。2007年底約有一百萬工業(yè)機器人在使用中,相比之下,估計有50000服務(wù)機器人對工業(yè)使用[3]。
由于使用的工業(yè)機器人手臂的增加,一個進(jìn)化的話題開始試圖模仿人類的動作在一個細(xì)節(jié)模式。例如一群學(xué)生在韓國做了一個機械手臂的設(shè)計創(chuàng)新,考慮到跳舞的手,舉重,中國書法寫作和顏色分類[4]。另一組工程師在美國發(fā)展八自由度機器人手臂。這個機器人能夠掌握很多形狀對象從一筆一個球和模擬人類的手[5]。在太空中,航天飛機遠(yuǎn)程控制器系統(tǒng),稱為SSRMS或創(chuàng)意,和它的繼任者是例子,多自由度機器人手臂,已經(jīng)被用來執(zhí)行各種任務(wù),如檢查航天飛機的使用的一種專門部署與相機和傳感器連接在末端的執(zhí)行器和衛(wèi)星部署和從航天飛機的貨艙檢索策略[6]。
在墨西哥,科學(xué)家有望設(shè)計和開發(fā)許多機器人手臂,墨西哥政府估計,在墨西哥大約有11000個機器人手臂用在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而,專家認(rèn)為,最奢華的機器人手臂不僅是高質(zhì)量的,而且要準(zhǔn)確、可重復(fù)性和粗短的成本。
大多數(shù)機器人設(shè)置為一個操作的教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下,一個訓(xùn)練有素的操作者(程序員)通常使用便攜式控制裝置(一個示教器)教機器人其任務(wù)手動。機器人的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩階段的項目的一部分,這就需要一個移動機器人能夠運輸工具從庫房到工業(yè)電解槽。在這個階段,該項目開展的科技大學(xué),墨西哥蒙特雷,主要關(guān)注的是設(shè)計,發(fā)展和實施一個工業(yè)機器人手臂粗短的成本、準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。設(shè)計四自由度和才華橫溢的機器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。
2.機械設(shè)計
機械設(shè)計的機器人手臂是基于機器人機械手和一個人類的手臂具有相似的功能[6 - 8]。這樣一個機械手的鏈接進(jìn)行連接接頭允許轉(zhuǎn)動運動和鏈接的機械手被認(rèn)為形成一個運動鏈。業(yè)務(wù)結(jié)束的運動鏈機械手稱為末端執(zhí)行器或結(jié)束臂工具，它類似于人類的手。圖1顯示了自由體對機械設(shè)計的機械臂。如圖所示,末端執(zhí)行器不包括在設(shè)計中，因為商用夾具已被使用。這是因為,末端執(zhí)行器是一種最復(fù)雜的系統(tǒng)的部分,反過來, 比建造它更容易經(jīng)濟使用在商業(yè)中。
圖2顯示了工作區(qū)域的機械手臂。這是典型的工作空間有四自由度(4自由度)機械手臂。機械設(shè)計僅限于4自由度主要是因為這樣一個設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和復(fù)雜的機器人有競爭力。因此,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)活動受到限制,旋轉(zhuǎn)完成約兩軸肩和周圍只有一個在手肘和手腕,見圖1。
機械臂關(guān)節(jié)通常由電機驅(qū)動。伺服電機的選擇,因為它們包括編碼器自動提供反饋到汽車和相應(yīng)的調(diào)整位置。但是,這些汽車的缺點是,旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度,大大降低了胳膊達(dá)到的區(qū)域和可能的位置[9]。選擇伺服電機基于最大扭矩所需的結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載。在目前的研究中,這些材料用于結(jié)構(gòu)丙烯酸。
圖1：自由體的機器人手臂 圖2：工作區(qū)域的機械手臂。
圖3顯示了用于負(fù)荷計算力線圖。進(jìn)行的計算只對關(guān)節(jié)最大的負(fù)載,因為其他關(guān)節(jié)會有相同的運動,即電動機可以移動鏈接沒有問題。計算考慮了電動機的重量,約50克,除了電動機的重量在聯(lián)合B,因為它進(jìn)行鏈接英航。圖4顯示了力圖在鏈接CB,其中包含關(guān)節(jié)(B和C)具有最高負(fù)荷(攜帶鏈接DC和ED)和計算進(jìn)行了如下。
值用于計算轉(zhuǎn)矩：
Wd = 0.011 kg (重量鏈接DE)
Wc = 0.030 kg (重量鏈接CD)
Wb = 0.030 kg (重量鏈接CB)
L = 1 kg (負(fù)載)
Cm = Dm= 0.050 kg (電動機重量)
LBC = 0.14 m (長度鏈接BC)
LCD = 0.14 m (長度鏈接CD)
LDE = 0.05 m (長度鏈接DE)
執(zhí)行力的總和在Y軸,使用負(fù)載如圖4,和解決為CY和CB,見方程(1)-(4)。類似地,執(zhí)行時刻的總和在C點,方程(5)和B點,方程(6),得到扭矩在C和B,方程(7)、(8),分別為。
所選擇的伺服電機,根據(jù)計算結(jié)果,是Hextronik HX12K,扭矩280/盎司。這個電動機是推薦的,因為它比其他任何相同規(guī)格電動機更便宜。因為我們需要更多的扭矩在聯(lián)合B,見方程(8),我們使用兩個電動機在B點符合轉(zhuǎn)矩要求；然而,一個電動機對于其他關(guān)節(jié)是足夠的。使用兩個電動機聯(lián)合B是比使用一個560/盎司大的電動機便宜很多。在圖5中的其他相關(guān)特征的電動機,他們可以在130毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換60度并擁有47.9克。
一旦最初尺寸的機器人手臂和電動機被定義,設(shè)計進(jìn)行使用SolidWorks平臺；設(shè)計應(yīng)該仔細(xì)考慮亞克力板的厚度和其他每個碎片會被附加到哪里。用來制造機器人的這個亞克力是在1/8的厚度薄鋼板中被選中,因為它方便加工且更少的重量與良好的阻力。
在設(shè)計過程中，我們遇到了一些困難，由于強烈的方式，加入薄丙烯酸部分。這是需要工具來燃燒，并加入丙烯酸，并且不是小組認(rèn)為，機械交界處的螺釘和螺母的基礎(chǔ)上，將遠(yuǎn)強于其他的替代品，如膠水為例。為了做到這一點，一個小的功能的設(shè)計允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。這個過程的結(jié)果是在圖6中顯示的三維設(shè)計。
設(shè)計結(jié)束，每個部分在滿量程卡紙印刷，然后我們核實了所有的裝配尺寸和接口。反過來，我們建立了第一個原型的機器人手臂。接著，對上述機器人手臂的部分被加工的丙烯酸系片材，使用圓鋸和皮膚工具。因為在一個專業(yè)的車間進(jìn)行機器人手臂的部分太小，它不容易實現(xiàn)這樣小和精確的切割，對部分詳細(xì)說明做了專業(yè)研討。
在組裝機器人部件與電機的過程中，很少有問題彈出。關(guān)鍵點無法抗拒緊固，反過來，可能會出現(xiàn)故障，因此，加強這些點被考慮在內(nèi)。上述機器人手臂的最終結(jié)果在圖7中所示。
圖3：機械手臂力線圖 圖4：力圖鏈接CB
圖5：伺服電動機
3．機器人手臂逆運動學(xué)
為了驗證正確的定位的機器人手臂，逆運動學(xué)進(jìn)行計算。這種計算被用于獲得通過使用在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)從給定的位置，如在圖8中所示的每個電機的角度。每個電機將有一個特定的功能：位于在A的電機中的y軸的最終元件的位置，電動機B和C在x軸和z軸的最終元件的位置。
問題是簡化使用xz平面,如圖9所示。在這下面的已知值定義[9]: 使用三角關(guān)系,如圖9所示,電動機角度得到θ2和θ1,見方程(9)和(10)。電動機B的是要使用θ1和電動機C將要使用θ2。用于電機的角度A的計算，如在方程（11）中看到。這些計算，得到的伺服電機的角度并依次他們采取的行動，以移動整個結(jié)構(gòu)的特定位置。
4.末端選擇
端部執(zhí)行器可能是系統(tǒng)的最重要和最復(fù)雜的部分之一。明智的是，這是很容易使用一個商業(yè)和經(jīng)濟建設(shè)。端部執(zhí)行器，主要是根據(jù)應(yīng)用程序和任務(wù)，機器人手臂的完成而變化，它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機器人手臂在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇的末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主應(yīng)用程序的處理，因此，我們的最終建議類型的執(zhí)行器，如在圖10中示出的叼紙牙。請注意，端部執(zhí)行器的控制由一個伺服電機，反過來，總伺服電機用于我們的機器人手臂5移動的結(jié)構(gòu)的電機。
5.機器人手臂控制
機器人手臂可以自主或手動控制。在手動模式下，一個訓(xùn)練有素的操作者（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教手動做任務(wù)的機器人。在這些編程會話機器人的速度很慢。在當(dāng)前的工作中，我們封閉了這兩種模式。
所提出的機器人手臂的控制基本上包括三個層次：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個基于計算機的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運動學(xué)的靈活性，除了它也可以被實現(xiàn)在全手動模式。在圖11中所示的電子控制設(shè)計。
采用的微控制器是帶有命名為“Arduino的”開發(fā)/編程板的Atmega368，如圖12所示。是非常類似于C的編程語言，但有助于控制的I / O端口，定時器，串行通信的的幾個libraryies。該微控制器的選擇，因為它具有低的價格，這是很容易重新編程，編程語言是簡單，和中斷是可用于這個特定的芯片。
使用的驅(qū)動程序是一個六聲道微型的大師伺服控制器板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機，TTL串口，用于與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器，內(nèi)部腳本的自包含的，無主控制器應(yīng)用程序。這個控制器中，如在圖13中所示，包括一個0.25μs分辨率用于位置和內(nèi)置的速度和加速度控制。
6.測試和驗證
進(jìn)行測試，以驗證的機器人的臂和它的組件。睪丸覆蓋的特定元素和整個系統(tǒng)的，如在圖17中示出。對于單片機，發(fā)生在測試的軟件的微控制器通過發(fā)送不同的命令和檢查的輸出連接到伺服電機，打開或關(guān)閉根據(jù)命令。
伺服電機進(jìn)行測試之后通過不同的直接脈沖發(fā)送到每個伺服馬達(dá)和驗證移動到正確的位置的響應(yīng)。我們使用了一個馬克知道在哪里的初始位置，并通過與微控制器發(fā)送信號，反過來，它被解釋由伺服和編碼器所提供的信號相比，導(dǎo)致確定電機的最終位置到所需的位置的轉(zhuǎn)動。在這個測試中，伺服電機是不一致的機器人手臂系統(tǒng)，因為不正確的極化。
伺服電機驅(qū)動器也使用Labview軟件測試將命令發(fā)送到微控制器發(fā)送特定的命令來驅(qū)動一臺電機連接改變位置。重要的是要注意到，在項目開始的選擇，不同的伺服電機驅(qū)動器和微控制器之間的通信相關(guān)的幾個問題的出現(xiàn)。所以，我們選擇的驅(qū)動程序，它允許直接從計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)到它與只有一個USB線，所以在手動控制的執(zhí)行的情況下，所以單片機只會被用在案例的實現(xiàn)手動控制。
進(jìn)行其他測試，以驗證了整個系統(tǒng)的功能，如在圖18中示出。通過引入一個特定的位置在Labview的接口和測量的參考點之間的距離的最后一點，以便核實：從逆到直接運動學(xué)正確的轉(zhuǎn)換，在指定的角度之間的關(guān)系的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生這些測試電機。
機器人手臂的測試和驗證是需要細(xì)長的時間，因為需要多次迭代的任務(wù)之一。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯誤的角度的計算，錯誤校正電機，與物理的角度和位置的測量的問題，以及因過載而預(yù)期不會燃燒的伺服電機之一。
7.結(jié)果和討論
機器人手臂在不同的工作條件下，結(jié)果如下：
7.1伺服電機運動范圍
得到的伺服電動機的限制，因為這種類型的電機包含規(guī)范，它具有小于180度的跨度。所有電機的實際的范圍被認(rèn)為是在范圍125 - 142度，如表1中所示。這清楚地表明，實際操作機器人手臂的從旁觀者情況下不同。
7.2電流消耗
電流消耗取決于負(fù)載和機器人臂的運動的類型。在目前的研究中，有4個級別的電流消耗。
8.結(jié)論
本文介紹了機器人的手臂，這有天賦完成簡單的任務(wù)，如光材料處理的設(shè)計，開發(fā)和實施。機器人手臂的設(shè)計和建造由丙烯酸材料伺服電機，執(zhí)行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動作。伺服電機包括編碼器，使得沒有控制器實施，但是，電動機的旋轉(zhuǎn)范圍是小于180°的跨度，從而大大減小由臂和可能的位置達(dá)到的區(qū)域。限于四個自由度的機器人手臂的設(shè)計，因為這樣的設(shè)計使大部分必要的運動和保持競爭力的成本和復(fù)雜性的機器人。不包括末端執(zhí)行器的設(shè)計，因為市售夾具使用，因為它是非常容易和經(jīng)濟的使用不是建立一個商業(yè)。
在設(shè)計過程中，我們遇到了一些困難，由于強烈的方式，加入薄丙烯酸部分。用螺釘和螺母的基礎(chǔ)上的機械結(jié)，并為了實現(xiàn)這一點，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母，而無需擰入薄的丙烯酸層。
控制的機器人手臂，三種方法實現(xiàn)的：一個微控制器，一個驅(qū)動器，和一個基于計算機的用戶界面。此系統(tǒng)具有獨特的特性，可以在編程和控制方法，它是采用逆運動學(xué)的靈活性，除了它也可以被實現(xiàn)在全手動模式。這個機器人手臂是便宜得多的可用機器人手臂與他人的對比，也可以控制它的運動從一臺計算機，使用Labview接口。
幾個進(jìn)行測試，以驗證其中睪丸覆蓋的特定??元件和整個系統(tǒng)的機器人臂，在不同的操作條件下的結(jié)果表明的機器人手臂值得信任。
8
凸輪軸機床的工件輸送機構(gòu)的設(shè)計
摘 要
在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線零件的輸送是非常重要的工作之一，隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，目前，這一工作已由機械手的自動搬運逐漸替代傳統(tǒng)的人工完成。機械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn),機械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。本課題設(shè)計一種在七工位凸輪軸加工機床上應(yīng)用的機械手,用于實現(xiàn)工件的輸送。明確機械手的功能、技術(shù)參數(shù)、工作原理、主要結(jié)構(gòu)及特點。要求結(jié)構(gòu)簡單、抓取重量大、開合行程長、運行可靠,從而提高生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵字：機器人；抓取裝置；工業(yè)機械手；手爪
CAM shaft of machine tool workpiece conveying mechanism design
Abstract
In the modern enterprise production process, the delivery of parts of the production line is one of the very important work, with the development of production automation, this work by the automatic handling of the robot gradually replace the traditional manual. Reduce labor intensity and difficulty, improve work efficiency and quality, reduce production costs, the emergence of robot made ??outstanding contributions to the development of the robot has played a pivotal role in the development of enterprises and income-generating. The robot is imitating the action of manpower, the robotic device used to automatically capture, handling or operation to achieve a given program, track and requirements.The industrial robot is a high-tech automated production equipment developed in recent decades. The design of this project an application in the the seven stations camshaft machine tools, robots, used to implement the delivery of the workpiece. Clear function of the robot, the technical parameters, it works, the main structure and characteristics. Requirements of the structure is simple, grab the weight, opening and closing stroke, reliable operation, thereby enhancing production efficiency.
Keywords: robot ；grasping device；industrial manipulator； gripper
II
目 錄
1 緒論 1
1.1題目背景 1
1.2研究意義 1
1.3國內(nèi)研究的情況 1
1.4國外研究情況 2
1.5本課題研究的主要內(nèi)容 2
1.5.1凸輪軸機床的工作原理 2
1.5.2機械手總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 3
2 機械手的總體設(shè)計 5
2.1機械手的設(shè)計原則 5
2.2機械手的座標(biāo)型式與自由度 6
2.2.1確定大體參數(shù) 6
2.3機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 6
2.4機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 7
2.5機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 7
2.6機械手的控制方案設(shè)計 7
2.7機械手的主要技術(shù)參數(shù) 7
3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 9
3.1.1手指的形狀和分類 9
3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題 9
3.1.3手部夾緊液壓缸的設(shè)計 10
4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
4.1手腕的自由度 14
4.2手腕的驅(qū)動力矩的計算 14
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 14
4.2.2回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動力矩計算 16
4.2.3手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 17
5 手臂液壓缸的尺寸設(shè)計與校核 19
5.1手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計與校核 19
5.1.1手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計 19
5.1.2尺寸校核 19
5.1.3導(dǎo)向裝置 19
5.1.4平衡裝置 20
5.2手臂升降液壓缸的尺寸設(shè)計與校核 20
5.2.1尺寸設(shè)計 20
5.2.2尺寸校核 20
5.3手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計與校核 21
5.3.1尺寸設(shè)計 21
5.3.2尺寸校核 21
6 機械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 23
6.1可編程序控制器的選擇及工作過程 23
6.1.1可編程序控制器的選擇 23
6.1.2可編程序控制器的工作過程 23
6.2可編程序控制器的使用步驟 24
6.3機械手可編程序控制器控制方案 24
6.3.1控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 25
結(jié) 論 26
致 謝 27
參考文獻(xiàn) 28
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 29
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 30
IV