汽车前后桥半轴套管装焊线搬运机械手手爪的设计与仿真
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毕业设计(论文)开题报告题目： 汽车前后桥半轴套管装焊线搬运机械手手爪的设计与仿真开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中参考文献“注释格式”的要求书写。4 年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2005年11月26日”。1.毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义）1.1背景工业机械手是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机械手以来,机械手技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。工业机械手作为现代制造业主要的自动化设备,已经广泛应用于汽车、工程机械、电子信息、家电等各个行业,进行焊接、装配、搬运、加工等复杂作业。在日本、欧美等国得到广泛的应用,我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,进行系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程1-5。工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成6。执行机构包括，手部、腕部、臂部、行走机构。驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序7-8。1.2国内外相关研究情况(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例9-10。1.3研究意义工业制造领域：主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的。军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。医疗领域：机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。宜用机器人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医生在病人的血管内灭杀病毒11。提高生产过程中的自动化程度。实现材料的传送，工件的装卸，刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而提高劳动生产率降低生产成本；改善劳动条件，避免人身事故；在恶劣环境下，高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或者毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，机械手代替人完成作业，使劳动条件得以改善12。工业机器人是近年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的结合13。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究内容根据组合机构的运动学原理，针对汽车“前后桥半轴套管装焊线”上装卸搬运工件的机械手设计一专用手爪，同时，运用三维建模软件完成该机构的装配模型并进行运动仿真分析。技术指标：（1）抓重30kg；（2）手指夹持范围：65-85mm；（3）手腕回转范围0-180。2.2方案拟定2.2.1手部设计（1）初步分析机械手抓重为30kg，按工业机械手的分类，属于中型。被搬运抓取对象为半轴套管，如下图一所示为棒料毛坯，图二为半轴套管。长度200mm400mm。手部直接与工件接触，为设计重点。腕部连接手部与手臂，要求回转运动，因此选用具有单自由度的回转液压缸驱动结构，紧凑，灵活。臂部是机械手的主要执行部件。作用是支撑腕部和手部，并带动部件在空间运动。考虑到臂部设计的要求。选用双导向杆手臂伸缩结构与双作用液压缸。其特点为手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑14。图1 汽车半轴套管毛坯 图二 汽车半轴套管 图二汽车半轴套管（2）拟定方案a.手部设计手部设计时考虑的几个问题1) 应具有足够的的夹紧力和驱动力。考虑所夹取的工件重量之外，还应考虑在传送过程中所产生的惯性和振动，以免在工作过程中松动脱落。所以应保证足够的夹紧力。2) 应具有一定的开闭角。两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3) 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。4) 应保证手抓的夹持精度。为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。5)考虑被抓取对象的要求。根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件为圆柱形，故手指形状设计成V型。如下图四。图四 手抓简图b. 手部特点 工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或者执行作业的部件。工业机器人手部有以下一些特点。1) 手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。2) 手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以不具备手指；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊具等。3) 手部的通用性比较差。工业机器人的手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能抓握一种工件或几种在形状、尺寸、质量等方面相近似的工件，只能执行一种作业任务。4) 手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于臂部，那么，工业机器人机械系统的三大件就是机身、臂部和手部。手部是决定整个工业机器人作业完成好坏、作业柔性好坏的关键部件之一15。c. 手部的分类由于手部要完成的作业任务繁多，手部的类型也多种多样。根据其用途，手部可分为手爪和工具两大类。手爪具有一定的通用性，它的主要功能是抓住工件、握持工件、释放工件。工具用于进行某种作业。根据其夹持原理，手部又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。很明显我们这里应该选用机械钳爪式。机械钳爪式手部按夹取的方式，可以分为内撑式和外夹式两种。两者的区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作的方向相反。本次设计采取外夹式。夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件15。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。本次选用滑槽杠杆式机构。2.2.2 运动学仿真 （1）初步分析机械手机构方面设计完成以后，就是运动仿真的设计。要实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先解决的问题。要引入齐次坐标变换，推导出坐标变换方程，利用D-H参数法，进行机器人的位姿分析16。运动仿真模块是用于建立运动机构模型，分析其运动规律。它可以进行机构的干涉分析，跟踪零件上各点的运动轨迹，分析整个运动机构中零件的速度、加速度和受力等情况。运动仿真的分析结果可以作为依据用来指导结构或者零件的优化设计，比如加长或缩短某一构件的力臂、调整凸轮型先等。优化修改之后可以再次用运动仿真模块分析，很方便地进行反复分析和优化，从而得出最优的设计结果。运动仿真最显而易见的优点是能够把运动情况最直观和形象地展现出来，能够让大家对运动机构有一个具体的认识；同时它给设计人员带来了极大的方便，它可以大大提高设计效率，降低设计成本17。（2）方案拟定对机械手的方案设计进行运动学分析，用D一H方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解;用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度;然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。选择Pro/E软件建模，对机械手及其手抓的三维造型和装配，并进行运动学仿真，得到机械手各个部位的速度、加速度、角速度、角加速度在X、Y和Z方向上随时间变化的曲线图,并对其结果进行分析18。3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作3.1重点机械手抓手部的设计与仿真3.2难点（1）机械手抓运动仿真（2）Pro/E仿真3.3前期展开工作（1）收集阅读大量相关资料，期刊文献。（2）研究已经发表的相关论文找准大概方向，确定大概方案；（3）撰写开题报告，准备开题答辩4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）（1）13周：调研并收集资料；（2）36周：确定该机构的设计方案和整体结构；（3）711周：完成该机构的结构设计计算；（4）1215周：完成改机械手手碗与手部的装配图、装配模型和运动分析；（5）16-18周：完成论文撰写，准备答辩。注：1、正文：宋体小四号字，行距22磅。2、开题报告装订入毕业设计（论文）附件册。参考文献1郭洪红.工业机器人技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2006.2 周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.3 刘极峰,易际明.机器人技术基础M.北京:高等教育出版社,2006.4 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 45 J. J. Craig, Introduction to Robotics. New York: Addison-Wesley,1989.6金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用，20017 A. Piazzi and A. Visioli, “Global minimum-jerk trajectory planning ofrobot manipulators,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 47, pp. 140149,Feb. 2000.王承义. 机械手及其应用. 机械工业出版社，1981.8
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