工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告.doc

開題報告工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計系別：機(jī)械與汽車工程系專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師姓名、職稱：完成日期 2014 年 1 月 15 日畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告選 題工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手及其控制系統(tǒng)設(shè)計院 系吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)械與汽車工程系專 業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 本選題的意義及國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r：1、 本選題的意義：工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。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)和國家的競爭力等諸多方面有著舉足輕重的地位。而機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一；是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分；是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的高度重視。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。因此選擇此課題不僅能夠豐富知識，開闊眼界，而且可以將書本上的理論知識應(yīng)用于實踐。實踐出真知，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所謂紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有通過實踐才能使自己找到薄弱環(huán)節(jié)，查漏補(bǔ)缺。 2、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r： 1954年，美國人戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利要點為借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，使其實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，被稱為示教在現(xiàn)機(jī)器人，現(xiàn)有機(jī)器人基本上都是該控制方式。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engel Berger創(chuàng)建了世界上第一個機(jī)器人公司Unimation公司，并參與設(shè)計了第一臺Unimate機(jī)器人。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機(jī)器人，手臂控制由一臺專用計算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶和完成180個工作步驟。與此同時，另一家美國公司AMF公司也開始研制工業(yè)機(jī)器人。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為，這兩種機(jī)器人是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺與觸覺就是典型的代表。這些技術(shù)的發(fā)展推動了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱之為智能機(jī)器人。水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機(jī)器人的技術(shù)擴(kuò)散和滲透到各個領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機(jī)器機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱，這也說明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。美國的機(jī)器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在19671974年的幾年時間里，由于政府對機(jī)器人發(fā)展重視度不夠，且機(jī)器人處于發(fā)展初期， 價格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國機(jī)器人協(xié)會、制造工工程師協(xié)會積極主動的進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)推廣工作，且美國為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場多變的需求，以機(jī)器人為核心的柔性自動化生產(chǎn)線恰好有這些優(yōu)點，所以機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(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年代的實用化時期，以及80年代的普及、提高期3個基本階段。在1967年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國引進(jìn)機(jī)器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國Unimation公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)機(jī)器人。1970年，日本機(jī)器人實現(xiàn)國產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人時期。幾年后，美國反而要向日本進(jìn)口機(jī)器人。1983年，美國從日本進(jìn)口機(jī)器人占進(jìn)口機(jī)器人總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面，機(jī)器人發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長速度和產(chǎn)品競爭能力的不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，是日本汽車及電子產(chǎn)品生產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大幅降低，從而使日本汽車能夠以廉價的絕對優(yōu)勢進(jìn)軍號稱“汽車王國”的美國市場。據(jù)統(tǒng)計，2007年日本機(jī)器人的銷售額為5850億日元，其中出口額達(dá)到3730億日元。日本推動機(jī)器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，同時海外的汽車制造商也開始積極地引進(jìn)日本機(jī)器人?，F(xiàn)在，日本機(jī)器人主要用于汽車制造業(yè)和電子機(jī)械產(chǎn)業(yè)，而電子機(jī)械產(chǎn)品中的電子零件封裝、半導(dǎo)體封裝、無塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機(jī)器人銷售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機(jī)器人的總量為美國的7倍。 我國工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)1970年初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。1970年我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入80年代后，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(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)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。從90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國的工業(yè)機(jī)器人又在實踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。雖然中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業(yè)機(jī)器人很多核心技術(shù)，當(dāng)前我們尚未掌握，這是影響我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。研究內(nèi)容：本課題將設(shè)計一臺四自由度的工業(yè)機(jī)器人，將會被用作自動送料裝置。主要工作部件及設(shè)計重點就是機(jī)械手。第一，本人將設(shè)計該機(jī)器人的底座、大臂、小臂以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)和模型；第二，再設(shè)計出適合于該機(jī)器人的驅(qū)動、傳動方式，以期構(gòu)成其的結(jié)構(gòu)平臺。最后，在此基礎(chǔ)上再將其控制系統(tǒng)設(shè)計出來，由下面幾個步驟組成：數(shù)據(jù)采集卡和伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設(shè)計以及控制軟件的設(shè)計。其中重點要加強(qiáng)控制軟件的可靠性和機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性，最終要實現(xiàn)的目標(biāo)包括：關(guān)節(jié)的伺服控制和制動問題、實時監(jiān)測機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況、機(jī)器人的示教編程和在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。研究方法、手段及步驟：1、 研究機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并繪制機(jī)械零件圖和裝配圖2、 機(jī)械手驅(qū)動、傳動方式的選擇3、 控制系統(tǒng)模式的選擇4、 研究所選控制系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建5、 控制系統(tǒng)軟件的選擇及操作6、 誤差與性能提升分析參考文獻(xiàn)：1、 工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社2、機(jī)電傳動控制 華中科技大學(xué)出版社3、工業(yè)機(jī)器人圖冊 機(jī)械工業(yè)出版社4、機(jī)電一體化實用手冊 科學(xué)出版社5、控制電氣及應(yīng)用 清華大學(xué)出版社6、C語言程序設(shè)計教程 華南理工大學(xué)出版社7、機(jī)械制造裝備設(shè)計 機(jī)械工業(yè)出版社8、電工與電子技術(shù) 高等教育出版社9、機(jī)電一體化技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社10、機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社11、大學(xué)C+程序設(shè)計教程 高等教育出版社12、大學(xué)Visual C+程序設(shè)計案例教程 高等教育出版社13、Industrial robot technology Oxford Press14、Craig, John J. Introduction to robotics15、Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 200516、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig