汽车钢板弹簧淬火机器人机械系统设计开题报告

题目：汽车钢板弹簧淬火机器人机械系统设计开题报告
1    毕业论文综述
1.1题目背景
本课题是为弹簧淬火配套而设计的淬火机器人。工业机器人是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
机器人可以代替人进行繁重、危险的劳动，显著减轻了工人的劳动强度和工作负担，大大改善了劳动条件，提高了劳动生产率和自动化水平。在高空裸导线的接线中，以前都需要操作人员攀高接线，劳动强度大、安全性不可靠；而无攀爬式全自动高空接线机器人能够代替工人进行高空作业，避免了工作中潜在的各种危险，同时提高了工作效率，并且减少了高压输电线路的电流损耗，也为低碳经济提供了一个新的探索方案。该设计经济实用性高，具有光明的发展前景。 [资料来源：www.doc163.com]

1.2研究意义
汽车钢板弹簧的加工质量对于汽车的减震和消除噪音有着很大的影响。传统的钢板弹簧淬火时主要靠人力完成。而淬火机器人的出现能够改善高温作业的劳动条件并提高弹簧淬火的质量和效率。 
在一切追求人性化的今天，越来越多繁重、危险和高难度的工作，开始采用机器人（包括机械手）来代替人类完成。无论在国外还是国内，高空接线这种工作都已经考虑运用机器人技术。人类的很多不足都能够通过机器人来弥补，这样不仅节省了人力，而且降低了风险，同时也让机器人得到充分的利用。目前，无攀爬式全自动高空接线机器人还没有真正投入使用，但由于其显著的优越性，即高效率、安全性高、经济性强等，正在被越来越多的专家学者研究试验，前景可观。
1.3国内外相关研究情况
随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系统，甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型工业专用机器人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2007年，东京Denki大南京师范大学硕士学位论文学的Hideto SHIMIZU等人设计了小型工业专用机器人HOAP-3，身高60cm，重8. 8Kg，共有28个自由度，有一个强大的视觉处理系统。006年，西班牙Politecnica de Valencia大学的Albero和Blanes等人设计了具有高性能分布式控制系统的桌面型淬火机器人YABIRO，高55cm，重4Kg，共27个自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图所示。该机器人使用了多个嵌入式系统，主控制系统使用了嵌入式个人计算机和实时Linux操作系统，具有非常强大的数据处理能力；主、从控制系统以及传感器之间使用dual-CAN总线通信。

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我国从80年代中期才开始研究工业专用机器人[20，21] ，国防科技大学1988年研制成功我国第一台平面型六自由度的淬火机器人，能实现前进、后退和上下楼梯；之后又现了实验室环境中的全方位行走，1995年，实现了动态步行。
2000年11月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可以模拟人类行走与基本操作功能的拟人工业专用机器人Pioneero。
    2002年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开始研究开发拟人机器人THBIP，共32个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极拳等，并具有视觉及语音识别功能[3]。
    淬火机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到复杂动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。
目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。
    国外公司的淬火机器人产品不但价格昂贵而其对学生编程能力要求很高（例如：熟悉LINUX、VC等编程语言），根本不适合我国的淬火现状。 很多淬火机器人的应用是以竞赛为形式，而机器人竞   赛毕竟只是针对少数学生而言的，大多数的学生在日常学习中并没有合适的淬火机器人产品。  机器人的结构设计对整个控制系统的性能有很大的影响 因此其结构的合理与精心设计是整个控制系统实现的关键之一" ；
2  本课题研究的主要内容和采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本课题研究的主要内容
主要研究内容：
1、了解汽车钢板弹簧淬火机器人机相关的国内外发展状况；
2、分析并确定该机器人总体设计方案；
3、详细设计各部分内容；
4、对所做的机器进行合理评价。
2.2拟采用的研究方案
(1)根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：
(a)承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。
(b)生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。
(c)通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业[9]。 [资料来源：http://Doc163.com]
(2)按功能分类：
(a)专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。
(b)通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。
(c)示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。
(3)按驱动方式分：
(a)液压传动机械手
(b)气压传动机械手
(c)机械传动机械手
(4)按控制方式分：
(a)固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。
(b)可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变[10-15]。
1、在广泛调研的基础上，熟悉机器人的应用的现场环境，明确设计目标。 [资料来源：Doc163.com]
2、选择出该淬火机器人的机构方案，并对其进行运动学逆界，证明所选方案可行。
3、设计出结构，并在图纸上绘制出机器人的装配图。
最大夹持力60kg，圆柱坐标形式行走式，前后最大移动距离600mm,手臂最大伸缩距离200mm，最大行走速度1m/s.                                                         
                                   
明确输出构件所需要的运动规律：利用所学机械原理的知识及一些关于机器人的设计知识选定或者设计出该淬火机器人的结构方案，并利用运动学分析对该方案进行运动学逆解，证明其可行。
   利用所学的知识及其它一些参考文献，估计出车体驱动电机的功率，选择电机，最后设计进行校核。
本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。

3,设计方案:
方案一：液压传动机械手连续轨迹控制
    是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。    它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
方案二:机械传动机械手点位控制
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大， 齿轮控制精度高，适合精密仪器使用。1、 [来源：http://www.doc163.com]
    它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
主要设计方式如下：
(1) 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。
(2) 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。
(3) 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
(4) 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。
(5) 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用[7]。
方案草图如下：
 
综上所述，本次设计采用方案二。

3  本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
3.1研究的重点与难点
全面考虑现有机械手零部件地强度、刚度、工艺性、经济性和维护性等方面要求任何零部件的机构和尺寸，除去考虑它的强度刚度外，还应该综合考虑零件本身及整个部件的工艺性要求、经济性要求、使用要求等才能确定。

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    1. 手部(或称抓取机构)：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。
    2. 传送机构(或称臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。
    3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。
    4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。
    5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。
3.2前期已开展的工作
接受毕业设计课题，根据课题内容了解课题研究的现状，并进行实地考察，完成开题报告;
确定机器人方案。

4  完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）
第1--2周（2017.10.30-11.12）：教师填写任务书，制定指导计划；                                                         [资料来源：https://www.doc163.com]
第3--4周（2017.11.13-11.24）：学生完成开题报告，进行开题检查；
实习周（2017.11.25-2018.3.4）：学生撰写论文，准备中期检查；
第5—8周（2018.3.5-4.1）： 学生基本完成论文，进行中期检查；                            
第9--13周（2018.4.2-5.6）：学生完成论文，教师指导检查；                                
第14周（2018.5.7-5.13）：学生提交论文，指导教师评分；                                             
第15周（2018.5.14-5.20）：学生答辩，成绩评定；
5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）
                          
系主管领导：                 年   月   日
注：1）正文：宋体小四号字，行距20磅。2）开题报告由各系集中归档保存。
3）开题报告引用参考文献注释格式可参照附录E“毕业设计（论文）参考文献样式”执行。不进入正文，可以作为附件放在开题报告后面。
参考文献
[1] 包志军，马培荪. 淬火机器人到仿人型机器人的研究历史及其问题[J].机器人, 1999(4):312-319.
[2] 龟田秀司. 仿人机器人[M]. 管贻生译. 北京:清华大学出版社, 2007.
[3] 徐凯. 仿人机器人步态规划算法及其实现研究[D]. 北京:清华大学工学硕士学位论文, 2006.
    [4] 胡凌云，孙增沂. 双足机器人步态控制研究方法综述[J]. 计算机研究与发展，2005.
[5] 石宗英，徐文立，冯元馄等. 仿人型机器人动态步行控制方法[J]. 机器人, 2001.
[6] 胡洪志. 仿人步行机器人的运动规划方法研究[D]. 国防科技大学研究生院学位论文, 2002. [资料来源：http://doc163.com]
[7] 王勇. 基于被动动力式的淬火机器人研究现状[J]. 机械工程师，2005.
[8] 付成龙，陈恳. 双足机器人稳定性与控制策略研究进展[J]. 高技术通讯, 2006.
[9] 刘森，慕春棣，赵明国. 基于AVR式系统的拟人机器人控制器的设计[J].北京:清华大学学报(自然科学版),2008.
[10] 杨晶东，黄庆成，洪炳铭. 双足足球机器人实时避障导航系统研究[J].机器人, 2005.
[11]黄伟.PLC在汽车钢板弹簧淬火中的应用[J].新疆钢铁,2000(02):39. [资料来源：https://www.doc163.com]