工业机器人机械手及其控制系统设计开题报告

开题报告

工业机器人机械手及其控

制系统设计

系 别： 专

业

名

称：

机械与汽车工程系 机械设计制造及其自动化

毕业论文（设计）开题报告

选 题 吉林大学珠海学院机械与汽车工程系 工业机器人机械手及其控制系统设计 院 系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 本选题的意义及国内外发展状况： 1、 本选题的意义： 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高新技术。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用。工业机器人在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等诸多方面有着举足轻重的地位。而机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一；是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分；是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的高度重视。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件；电气方面由交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。因此选择此课题不仅能够丰富知识，开阔眼界，而且可以将书本上的理论知识应用于实践。实践出真知，实践是检验真理的唯一标准，所谓纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，只有通过实践才能使自己找到薄弱环节，查漏补缺。 2、 国内外发展状况： 1954年，美国人戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利要点为借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，使其实现动作的记录和再现，被称为示教在现机器人，现有机器人基本上都是该控制方式。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂控制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆和完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人。它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，这两种机器人是世界上最早的工业机器人。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉与触觉就是典型的代表。这些技术的发展推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称之为智能机器人。水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术扩散和渗透到各个领域，便形成了各式各样的新机器——机器人化机器。当前，与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。美国的机器人技术一直处于世界领先水平。在1967—1974年的几年时间里，由于政府对机器人发展重视度不够，且机器人处于发展初期， 价格昂贵，适用性不强，所以发展缓慢。此后，由于美国机器人协会、制造工工程师协会积极主动的进行机器人技术推广工作，且美国为了高效生产，适应市场多变的需求，以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好有这些优点，所以机器人技术得以迅猛发展。日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期，以及80年代的普及、提高期3个基本阶段。在1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国引进机器人。1968年，日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议，引进机器人。1970年，日本机器人实现国产化。从此，日本进入了开发和应用机器人时期。几年后，美国反而要向日本进口机器人。1983年，美国从日本进口机器人占进口机器人总数的78%。日本政府和企业一直充分信任机器人，大胆使用机器人。在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量、降低产品成本方面，机器人发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，是日本汽车及电子产品生产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大幅降低，从而使日本汽车能够以廉价的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场。据统计，2007年日本机器人的销售额为5850亿日元，其中出口额达到3730亿日元。日本推动机器人发展的主要原因是向海外发展的日本企业数量逐渐增加，同时海外的汽车制造商也开始积极地引进日本机器人。现在，日本机器人主要用于汽车制造业和电子机械产业，而电子机械产品中的电子零件封装、半导体封装、无尘室、组装等领域占了日本机器人销售额的一半。现在日本拥有机器人的总量为美国的7倍。 我国工业机器人起步于上世纪1970年初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1970年我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。 研究内容： 本课题将设计一台四自由度的工业机器人，将会被用作自动送料装置。主要工作部件及设计重点就是机械手。第一，本人将设计该机器人的底座、大臂、小臂以及执行机构机械手爪的结构和模型；第二，再设计出适合于该机器人的驱动、传动方式，以期构成其的结构平台。最后，在此基础上再将其控制系统设计出来，由下面几个步骤组成：数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计。其中重点要加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终要实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 研究方法、手段及步骤： 1、 研究机械手的机械结构，并绘制机械零件图和装配图 2、 机械手驱动、传动方式的选择 3、 控制系统模式的选择 4、 研究所选控制系统的构成及搭建 5、 控制系统软件的选择及操作 6、 误差与性能提升分析 参考文献： 1、 工业机器人技术 西安电子科技大学出版社 2、机电传动控制 华中科技大学出版社 3、工业机器人图册 机械工业出版社 4、机电一体化实用手册 科学出版社 5、控制电气及应用 清华大学出版社 6、C语言程序设计教程 华南理工大学出版社 7、机械制造装备设计 机械工业出版社 8、电工与电子技术 高等教育出版社 9、机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 10、机械技术基础 机械工业出版社 11、大学C++程序设计教程 高等教育出版社 12、大学Visual C++程序设计案例教程 高等教育出版社 13、Industrial robot technology Oxford Press 14、Craig, John J. Introduction to robotics 15、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 2005 16、Introduction to Robotics Mechanics and Control - Third Edition - John J. Craig