棉花色纤维分拣机器人【8张图/18000字】【优秀机械毕业设计论文】

文档包括:
说明书一份。44页。18000字左右。
任务书一份。
开题报告一份。
答辩PPT一份。
外文翻译一份
SW三维图一份。

图纸共8张，如下所示
A3-装配体.dwg
A3-大关节.dwg
A3-带钩弹簧.dwg
A3-滑环.dwg
A3-球面.dwg
A3-吸棉口.dwg
A3-小关节.dwg
A3-中关节.dwg

摘 要

目前，由于棉花色纤维分拣作业的复杂性，分拣自动化程度仍然很低。国内棉花色纤维分拣作业基本上还是靠手工完成。进入21世纪，劳动力不仅成本高，而且还不容易得到。因此，发展机械化分拣技术，研究开发棉花色纤维分拣机器人，具有重要的意义。
国内外对于棉花色纤维分拣机器人仍处于研究开发试验阶段，其实用化、商品化的进程仍很艰巨，主要原因之一就是机器人具体的结构设计与分析存在不足。为此，本文在前人研究的支持下，进行了棉花色纤维分拣机器人机械手的结构设计与分析，提出了一种三自由度串联关节型棉花色纤维分拣机械手，开发了几种末端执行器结构形式，并确定了最佳结构方案。具体研究内容如下:
首先，分析了国内外棉花色纤维分拣机器人的研究现状，针对现有主要机型结构设计上存在的不足，提出了棉花色纤维分拣机械手结构设计的基本原则，在此基础上，通过对棉花色纤维分拣工作的调研，分析了机器人分拣色纤维的具体特点，提出了一种三自由度串联关节型棉花色纤维分拣机器人机械手。基于作业要求，利用CAD技术对本棉花色纤维分拣机械手的结构参数进行了分析，随后建立了优化模型，利用MATLAB编程得到了机械手结构参数的优化解。从实用化角度考虑，提出了机器人整体的结构方案和控制方案，具体设计了末端执行器的结构。
其次，采用笛卡尔坐标系，通过D-H齐次坐标变换建立了机械手的运动学模型，并对正运动学进行了求解。利用矢量积法求解了机械手的雅可比矩阵，建立了机械手关节位置与末端执行器位移的瞬时对应关系。由前面的具体结构设计出发，利用三维实体建模软件solidworks建立机械手的实体样机模型。
再次，通过MATLAB编程对本棉花色纤维分拣机器人机械手工作空间进行了数值解的描绘;用前述的CAD模拟方法结合机械手结构参数的优化解做出了工作空间的主剖面图。在保证零件刚度和强度的要求下，标准零件用45号钢，而其它非标零件采用铸造形式制成故选用HT200。
最后，利用11.0版Analysis对所设计的棉花色纤维分拣机器人的机械手进行有限元分析，对其进行力、模态等分析，总结出其在所加力下个方向的变形及在所给模态下的模态振型图。

关键词:色纤维分拣，机械手，末端执行器，运动学，轨迹规划，有限元分析

ABSTRACT

At present, the automation Cotton color fiber sorting is still very low,because Cotton color fiber sortin is a complex work. In the 21 st century, not only the high cost of labor, and not readily available. Therefore, the development of mechanized sorting technology, research and development of robot Cotton color fiber sorting are of great significance.
Robots for Cotton color fiber sorting are still in the phase of research and development, the commercialization of the process is still very difficult, one of the main reasons is that the robot's specific structure are weak in design and analysis.Previous studies support the structural design and analysis of the cotton color fiber sorting robot manipulator, a three-DOF serial articulated manipulator of cotton color fiber sorting, and developed several end of the actuator structureform, and to determine the best structure of the program. The detailed contents are as follows:
First of all, the research status of domestic and foreign cotton color fiber picking robot, shortcomings in the existing structural design of the main models, the basic principles of color cotton fiber sorting robot structure design, and on this basis, throughcolor fiber sorting work in cotton research, analysis of the specific characteristics of the robot sorting color fiber, a three degree of freedom serial joint cotton color fiber sorting robot manipulator. Based on operational requirements, analysis of the structural parameters of the fiber of this cotton color sorting robot using CAD technology, followed by the establishment of the optimization model, the optimal solution of the structural parameters of the robot using MATLAB programming. Considered from a practical point of view, the structure of the robot as a whole program and control program, the specific design of the structure of the end of the actuator.
Second,the use of Cartesian coordinate system,the robot’s kinematic model established by the DH homogeneous coordinate transformation,and Forward Kinematics is solved.Vector product method for solving the manipulator Jacobian matrix,the establishment of a joint position of the robot and the end of the actuator displacement instantaneous correspondence between.Starting from the front of the concrete structure design,the use of 3D solid modeling software solidworks entity robot prototype model.
Third,the color of this cotton fiber sorting robot manipulator work space through MATLAB programming depiction of the numerical solution; the aforementioned CAD simulation method combined with the structural parameters of the robot optimal solution is to make the main section of the work space. To ensure that the requirements of part stiffness and strength, standard parts, 45 steel, and other non-standard parts made of cast in the form so the selection HT200.
At last,the use of finite element analysis 11.0 Analysis on cotton color fiber picking robot designed robot, its force, modal analysis, summed up its deformation under the direction of the afterburner and to modal, modal shape map.

KEY WORDS: Color fiber picking, robot end effector, kinematics, trajectory planning, finite element analysis 

目 录

第1章 概 述 1
1.1 机器人的发展历史 1
1.1.1 早期的自动机 1
1.1.2 近似与机器人有关的装置 3
1.1.3 机器人的创始 3
1.1.4 机器人技术的发展情况 4
1.2 机器人发展的现状和趋势 8
1.2.1 我国的机器人研究及应用现状 8
1.2.2 机器人的智能化发展 9
1.2.3 机器人技术的应用领域扩大 9
第2章 棉花异性纤维分拣机器人整体机构设计 10
2.1 棉花异性纤维分拣机器人的主要研究内容 10
2.2 棉花色纤维分拣机器人的主要技术性能与指标 10
2.3 分拣机器人机构选型原则 10
2.4 棉花异性纤维分拣机器人机械手的型综合 12
2.5 棉花分拣机器人机械手的尺寸综合 12
2.5.1 机械手尺寸综合方法概述 12
2.5.2 基于棉包分布空间的棉花分拣机械手结构参数的CAD模拟 13
2.5.3 棉花分拣机械手结构参数MATLAB优化解 16
第3章 机械手的结构设计及运动学分析 18
3.1 机械手的结构及各部分尺寸设计 18
3.2 机器人运动学概述 20
3.3 棉花异性纤维分拣机器人机械手运动学分析 22
3.4 运动学正解 22
第4章 机械手关节的有限元分析 25
4.1 有限元分析简介 25
4.1.1 有限运分析 25
4.1.2 有限元模型 25
4.1.3 自由度（DOFS） 25
4.1.4 节点和单元 26
4.1.5 单元形函数 26
4.2 机械手关节的有限元分析 27
4.2.1 关节的网格划分 27
4.2.2 关节力的分析 29
4.2.3 模态分析 30
第5章 总结与展望 32
参 考 文 献 33
致 谢 34
附 录 35
附录1：棉花色纤维分拣机器人整体结构设计优化程序 35
附录2：机械手运动学正解程序 37

题目 棉花异性纤维分拣机器人的设计——机械手设计
设计（论文）任务和要求 
一．主要研究内容
棉包中的异性纤维尤其是色纤维的机器筛检较为困难，现在基本上是采用人工分拣的方法完成，采用智能机器人抓取、判别、分放是发展趋势。机器人设计是当前机械设计领域的热点研究方向，本课题依据棉包尺寸大小，进行总体结构规划，并根据棉包尺寸设计合理的机械手，满足抓取对象的空间轨迹覆盖。
二．主要技术性能与指标
① 开松棉包尺寸2*2*1m3；
② 机器人可以移动、转向、升降，机械手能够对棉包分布空间全覆盖；
③ 机械手抓取负载小于500g。
三． 任务与要求
1） 通过阅读参考资料，学习并掌握机器人学的相关知识；现场参考调研，了解棉花色纤维分拣工作的工作方式并撰写开题报告；
2） 机器人结构总体方案设计，根据查阅的资料提出若干解决问题的方案并加以讨论；
3） 进行机械手（末端抓取机构）部分的设计，做出必要的计算与说明。（①机械手指的结构设计；②色检系统的结构设计）；
4） 完成零件图（机械手、手指张闭升降螺杆等零件不少于6张）、装配图1张；
5） 编写设计说明书一份。字数不少于1.5万字，并要求计算机打印；
6） 翻译一篇英文资料，译文应不少于三千汉字。
四．实施进度安排
1） 收集分析相关技术文献，翻译外文翻译，确定设计方案； 3 周
2） 理论研究与分析； 6 周
3） 完成设计图纸绘制； 5 周
4） 完成论文说明书撰写。 4 周
指导教师签名:
论文（设计）题目 棉花色纤维分拣机器人的设计——机械手设计
选题的意义：
棉花中夹带的异性纤维比例虽小,但危害却很大. 
1、在纺纱加工过程中难以清除，在除杂工序中会被拉断或分梳成更短、更细的纤维，形成大量纤维状细小疵点。 
2、纺纱时，这些疵点极易造成细纱断头，降低工作效率。 
3、织布染色后，会在布面出现各种色点，严重影响布面外观质量。
异性纤维检测系统用于检测和清除棉花中的异性纤维,能有效克服手工挑拣效率低、产品质量难以控制等一系列缺点.在轧花工艺中采用异性纤维检测系统,可以大大提高产品质量,降低成本.但由于国外产品价格高,又不适合国内的生产状况，所以如何高效率地剔除棉花中的杂质越来越受到纺织厂家的关注。
研究综述（前人的研究现状及进展情况）： 
美国原子能委员会的阿尔贡研究所为了解决代替人处理放射性物质的问题，于1947年研制了遥控机械手；1984年又开发了电气驱动的机械式主从机械手，解决了对放射性材料的远距离操作问题。
1951年，美国麻省理工学院（MIT）成功开发了第一代数控机床 ，并进行了与NC机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。
1954年，美国人乔治?德沃尔最早提出了工业机器人的方案，设计并研制了第一台可编程序电气工业机器人样机，并于1961年申请了该项机器人专利。
20世纪60年代初美国Consolidated Control公司与Devol合并成立了Unimation公司。1962年定型生产了Unimate工业机器人。同时，美国“机床与铸造公司”设计制造了另一种可编程的工业机器人Versation。这两种型号的机器人以“视教在现”的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送、焊接、喷漆等作业，他们在工作中反映出来的经济效益、可靠性、灵活性，令其他发达国家工业界为之倾倒。于是，Unimate和Versation作为商品开始在世界市场上销售。
1970年，第一次国际工业机器人会议在美国举行，工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域进一步扩展。同时，基于不同应用场合的各种坐标系统、各种结构机器人相继出现。
西德Kuka公司生产了一种电焊机器人，采用关节式结构和程序控制；瑞士RETAB公司生产了一种涂漆用机器人；日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。1967年，日本丰田纺织自动化公司购买了第一台Versation机器人，1968年，川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人生产技术，开始了日本机器人发展的时代。
在我国，1985年先后在几个国家级学会内设立了机器人专业委员会，以组织和开展机器人学科的学术交流，促进机器人技术的发展。1987年，在北京首届国际机器人展览会上，我国展示了10余台自行研制的工业机器人。
工业机器人技术的发展趋势是：（1）提高运动速度和动作精度，减少质量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块组合化；将机器人的回转、伸缩、俯仰和摆动等各种功能的机械模块、控制模块和检测模块组合成不同结构和用途的机器人。（2）开发新型结构，如微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和灵巧手；研制新型的行走结构，以适应各种作业需要。（3）研制各种传感器检测装置，如视觉、触觉、听觉和接近觉，用传感器获取有关工作对象和外部环境信息来完成模式识别，并采用专家系统进行问题求解、动作规划，组成计算机控制系统，使机器人能够准确抓住方位在变化的物体能自动避开障碍物，也可根据不同对象自主决定夹持力的大小，并能判断抓取工件的质量。
1993年，中国人工智能学会智能机器人学会成立，成功地举办了几次全国性的学术会议。机器人专业刊物，如机器人、机器人技术与应用等，也陆续出版发行。现代化机器人还将应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成与融合技术以及纳米技术等。21世纪的机器人智能水平将会更高。
论文（设计）写作提纲：
第 1章 绪论
第2章 棉花色纤维分拣机器人的整体结构设计
第3章 棉花色纤维分拣机器人机械手的结构设计及运动学分析
第4章 机械手关节的有限元分析
第5章 总结与展望
致谢
参考文献
附录
诚信声明

特色与创新之处：
1、优化设计对棉花色纤维机器人的整体结构及尺寸进行设计；
2、设计带有关节的机械手来实现棉花色纤维的分拣；
3、对机械手列D—H方程并进行运动学分析；
4、利用Analysis对机械手进行有限元分析。

拟采用的研究方法和技术路线：
1、利用优化设计对机器人整体结构进行设计，其中采用auto CAD、solidworks 以及matlab软件进行设计。
2、对机械手进行机构及尺寸的设计。
3、对所设计的机械手列D—H方程并求解。
4、利用Analysis对所设计的机械手的关节进行有限元分析。
技术路线：
1.机器人主体机构的运动分析
2.机器人各部件及外形尺寸的确定；
3.机械手的运动分析及运动轨迹的确定；
4.机械手各部件的尺寸确定；
5.机械手三维组装分析。
研究工作进度安排：
1） 收集分析相关技术文献，翻译外文翻译，确定设计方案； 3 周
2） 理论研究与分析； 6 周
3） 完成设计图纸绘制； 5 周
4） 完成论文说明书撰写。 4 周
参考文献目录：
书籍 《机械原理》——孙桓、陈作模（高等教育出版社第六版）
《机械设计》——濮良贵（高等教育出版社第八版）
《solidworks机械设计教程》——王贯超、蒋娟娜（中国纺织出版社）
《MATLAB7.0使用指南》——苏金明、王永利（电子工业出版社）
《画法几何》——陈翔鹤（西安交通大学出版社）
《材料力学》——刘鸿文（高等教育出版社）
《机械结构设计》——卢耀祖 郑惠强 张氢（同济大学出版社）
《机器人灵巧手—建模、规划与仿真》——张玉茹 李继婷 李剑锋（机械工业出版社）
《机器人学—运动学、动力学与控制》——宋伟刚（科学出版社）
《自动化机械设计》——尚久浩 张淳 李思益 （中国轻工业出版社）
期刊 《 喷浆机器人手臂结构设计》-----《冶金矿山设计与建设》 1999年05期
《机器人手臂运动精度综合分析》------《机械设计与制造》 1998年02期 
《 棉花中异性纤维的多光谱检测》---- 清华大学学报（自然科学版）
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