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生產(chǎn)實習報告
學(xué) 院 名 稱： 機 械 與 汽 車 工 程 學(xué) 院
專 業(yè) 班 級：
姓 名 :
學(xué) 號：
指 導(dǎo) 教 師：
實 習 日 期：
生產(chǎn)實習是我們機械專業(yè)學(xué)習的一個重要環(huán)節(jié)是將課堂上學(xué)到的理論知識與實際相結(jié)合的一個很好的機會對強化我們所學(xué)到的知識和檢測所學(xué)知識的掌握程度有很好的幫助。了解工廠的工業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù) 制造大、 中、小型各類零部件的機床的工作過程工作原理以及生產(chǎn)加工各類零部件的 流程。實習前認真聽從安排進行參觀學(xué)習。 實習期間 認真聽取工廠師傅和老師的講解了解各車間的安全細則和規(guī)章學(xué)習師傅給我們講解的各類大型、中型機器的工作原理和操作規(guī)范及各種產(chǎn)品的工藝過程 并與所學(xué)理論知識進行對比獲益匪淺。
一、 生產(chǎn)實習的目的
生產(chǎn)實習是本科教學(xué)計劃中非常重要的一個實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的與任務(wù)如下：
（1）使學(xué)生了解和掌握基本的生產(chǎn)知識，驗證、鞏固和豐富已經(jīng)學(xué)過的課程內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習打下基礎(chǔ)。
（2）讓學(xué)生了解本專業(yè)范圍現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)組織形式、管理模式、先進的生產(chǎn)設(shè)備和先進的制造技術(shù)。
（3）培養(yǎng)學(xué)生用工程技術(shù)的觀點和方法去研究問題、分析問題、解決問題。
（4）訓(xùn)練學(xué)生從事專業(yè)技術(shù)工作及管理工作所必須的各種基本技能和實踐動手能力
（5）培養(yǎng)學(xué)生熱愛勞動、不怕苦、不怕累的工作作風。
生產(chǎn)實習的基本要求：
（1）了解自動化生產(chǎn)與裝配線；
（2）了解典型機構(gòu)的工作原理及典型部件的裝配工藝過程；
（3）了解典型零件的結(jié)構(gòu)特點和機械加工工藝過程；
（4）了解典型零件的毛坯制造工藝及熱處理工藝；
（5）了解典型零件加工所需的設(shè)備、工裝和量具；
（6）了解企業(yè)所用的先進制造技術(shù)；
（7）了解企業(yè)技術(shù)文檔資料的編寫方式；
（8）了解企業(yè)的組織機構(gòu)、生產(chǎn)管理情況和物流模式；
（9）了解知名企業(yè)的理念和文化氛圍。
二、 實習的時間、地點和內(nèi)容
1.2014年2月19日上午上海工具廠有限公司：
上海工具廠有限公司是中國工具行業(yè)唯一的國家一級企業(yè)和自營出口基地企業(yè)，有五十多年專業(yè)生產(chǎn)各類刀具的歷史。主要產(chǎn)品有孔加工刀具、螺紋刀具、硬質(zhì)合金刀具、齒輪刀具、銑鉸刀具、拉削刀具、刀柄刀桿、量具及各類非標異型刀具。
上工是國內(nèi)刀具生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)品品種最齊全、整體配套能力最強的工具制造企業(yè)之一。公司下屬7個產(chǎn)品工廠、1個輔助工廠，同時擁有近20家品牌合作企業(yè)，擁有各類產(chǎn)品生產(chǎn)線40多條。公司培育了一批對刀具設(shè)計、制造理解非常透徹的專業(yè)工程技術(shù)人員、專業(yè)制造技術(shù)人員、以及經(jīng)驗豐富的生產(chǎn)操作人員。公司注重加強技術(shù)改造、工藝改進和工藝創(chuàng)新，累計從德國、美國、澳大利亞、丹麥等國引進了近百臺“精、大、稀”數(shù)控加工設(shè)備，建成了具有當代國際先進水平的螺紋類刀具、硬質(zhì)合金刀具、涂層類刀具等現(xiàn)代化產(chǎn)品生產(chǎn)線。
? ? ? 上工在行業(yè)內(nèi)率先將《卓越績效評價準則》貫徹應(yīng)用于生產(chǎn)制造過程，注重規(guī)模制造、精益制造、品質(zhì)制造，具備為客戶提供“量身定做”及“交鑰匙”專業(yè)服務(wù)的產(chǎn)品專業(yè)化設(shè)計制造能力。 “上工制造”已經(jīng)服務(wù)于航空航天、汽車制造、模具制造等高端制造業(yè)領(lǐng)域，同時正在同豐田汽車、AW等世界知名企業(yè)進行合作，先進的制造能力和穩(wěn)定的品質(zhì)控制能力得到了客戶的一致好評和充分肯定。
本次參觀了各種刀具主要是鉆頭的生產(chǎn)加工，師傅更是熱情的為我們講解并演示了刀具的加工與各種機床的特點。
2.2014年2月19日下午同濟大學(xué)
同濟大學(xué)（Tongji University）是歷史悠久、聲望卓越、享譽海內(nèi)外的世界著名高等學(xué)府，也是收生標準最嚴格的中國大學(xué)之一。教育部、國家海洋局和上海市政府共建高校，國家 “2011計劃”、“211工程”、“985工程”、“111計劃”和“珠峰計劃”建設(shè)高校，教育部評選的中國十所世界著名大學(xué)之一，全國首批卓越法律人才教育培養(yǎng)計劃、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃、卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)計劃項目試點高校。教育部直屬副部級的全國重點大學(xué)之一，全球大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展合作聯(lián)盟、國際設(shè)計藝術(shù)院校聯(lián)盟、21世紀學(xué)術(shù)聯(lián)盟、卓越聯(lián)盟領(lǐng)頭高校，中美“10+10”合作高校，中歐工程教育平臺中方秘書處高校，中俄工科大學(xué)聯(lián)盟合作高校，同濟—伯克利工程聯(lián)盟高校。同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院來源于同濟醫(yī)工學(xué)堂時期的機電科（1912年6月）。1987年11月，機械工程學(xué)院正式成立。2012年3月，學(xué)院更名為機械與能源工程學(xué)院，學(xué)院下設(shè)機械電子工程研究所、機械設(shè)計與理論研究所、現(xiàn)代制造技術(shù)研究所、制冷與熱工程研究所、暖通空調(diào)與燃氣研究所、熱能與環(huán)境工程研究所及工業(yè)工程研究所等七個研究所，專業(yè)基礎(chǔ)教育部和機械工程綜合實驗中心，先進城市能源及建筑環(huán)境控制與安全綜合實驗中心。另有教育部重大工程施工技術(shù)裝備工程研究中心，建設(shè)部同濟大學(xué)環(huán)衛(wèi)機械研究所，建設(shè)部同濟大學(xué)中法煤氣培訓(xùn)中心，上海建設(shè)機器人工程技術(shù)研究中心。
本次參觀了汽車試驗室，學(xué)長為我們詳細介紹了各種儀器的原理及運作方式。
3.2014年2月20日上午上海機床廠有限公司
上海機床廠有限公司是中國最大的精密磨床制造企業(yè)；在國內(nèi)磨床業(yè)處于主導(dǎo)地位；產(chǎn)品的品種最為齊全，產(chǎn)品應(yīng)用的領(lǐng)域范圍最廣泛；國內(nèi)磨床產(chǎn)品的市場占有率第一?，F(xiàn)為中國機床工具協(xié)會理事長單位和中國磨床分會理事長單位。主要產(chǎn)品有：外圓磨床、平面磨床、軋輥磨床、曲軸磨床、雙端面磨床、花鍵軸磨床、磨齒機、螺紋絲桿磨床、凸輪軸磨床等各類普通、數(shù)控、大型、專用等磨床。
本次參觀了各種機床設(shè)備，師傅更是熱情的為我們講解并演示了各種機床的特點；并上了安全課。觀看了軸套車間、磨床、花鍵加工、大型機床床身、加工中心等。
4.2014年2月20日下午上海柴油機股份有限公司
近六十年來，上柴公司始終遵循"為社會進步創(chuàng)造新動力、本數(shù)據(jù)來源于百度地圖，最終結(jié)果以百度地圖數(shù)據(jù)為準。為用戶致富提供好產(chǎn)品"的企業(yè)宗旨，鍥而不舍地致力于專業(yè)柴油機的研發(fā)、生產(chǎn)和制造。產(chǎn)品遍布載重汽車、客車、工程機械、船舶、移動式電站等領(lǐng)域，并遠銷50多個國家和地區(qū)。公司主導(dǎo)產(chǎn)品，東風牌135（G128）、D114、C121系列柴油機，“2000年，“東風”牌柴油機被評為“中國馳名商標”2002年和2005年
上柴公司是中國內(nèi)燃機行業(yè)內(nèi)無可爭議的技術(shù)領(lǐng)先者。技術(shù)中心被首批列入國家級技術(shù)中心；建有企業(yè)博士后工作站。有國內(nèi)領(lǐng)先的制造工藝水平，具有集群化、重構(gòu)功能的柔性生產(chǎn)線。2005年，上柴成立了由一大批國內(nèi)外頂尖專家加盟的業(yè)內(nèi)第一家企業(yè)工程研究院，使上柴的技術(shù)研發(fā)體系邁入了世界先進水平。上柴公司將主動融入全球化產(chǎn)業(yè)鏈，以自身的強勢，參與全球化的產(chǎn)業(yè)鏈競爭。
上柴公司投資數(shù)億元引進了一流的生產(chǎn)線，有高精尖設(shè)備300多臺（套）。公司不斷加大新產(chǎn)品開發(fā)力度，斥資4億元人民幣興建了現(xiàn)代化的D114發(fā)動機制造廠，在秉承了上柴公司近50年發(fā)動機制造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備，已具備首期年產(chǎn)10萬臺的生產(chǎn)能力。D114生產(chǎn)基地現(xiàn)已被列為“上海市工業(yè)旅游景點”，成為對外開放參展的一個樣板工廠。上柴公司已形成了105、D114、121、P11C、J08C、135/G128六大系列，300多個變型產(chǎn)品的完整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并遠銷50多個國家和地區(qū)。達到歐Ⅱ排放標準的D6114B型柴油機和天然氣發(fā)動機也已經(jīng)批量投放市場，滿足工程機械和車用等動力設(shè)備配套的需要和每一位用戶的個性化要求。
5.2014年2月21日上海交通大學(xué)
上海交通大學(xué)（Shanghai Jiao Tong University）簡稱上海交大（SJTU），是位于中國上海市的一所具有理工特色，涵蓋理、工、醫(yī)、經(jīng)、管、文、法等9個學(xué)科門類的教育部直屬理工類性全國重點大學(xué)，中國首批七所211工程和全國首批九所985工程院校之一。國家“111計劃”和“珠峰計劃”重點建設(shè)的研究型大學(xué)，中國大學(xué)“九校聯(lián)盟”成員，也是Universitas 21（大學(xué)的國際性協(xié)會）的創(chuàng)建成員之一。
交大創(chuàng)造了中國近現(xiàn)代發(fā)展史上的諸多“第一”：中國最早的內(nèi)燃機、最早的電機、最早的中文打字機等；新中國第一艘萬噸輪、第一艘核潛艇、第一艘氣墊船、第一艘水翼艇、自主設(shè)計的第一代戰(zhàn)斗機、第一枚運載火箭、第一顆人造衛(wèi)星、第一例心臟二尖瓣分離術(shù)、第一例成功移植同種原位肝手術(shù)、第一例成功搶救大面積燒傷病人手術(shù)，第一個大學(xué)翻譯出版機構(gòu)，數(shù)量第一的地方文獻，國內(nèi)第一位歐洲科學(xué)院人文社科院士等，都凝聚著交大師生和校友的心血智慧。
6.2014年2月24日7410兵工廠
7410兵工廠位于安徽省巢湖市，主要是維修和改造67式水陸兩棲作戰(zhàn)坦克還有各型號的6X6裝甲車同時也兼制造6X6裝甲車具體型號不明。7410兵工廠位于安徽省巢湖市，乘坐1路車可以到達，主要是維修和改造67式水陸兩棲作戰(zhàn)坦克還有各型號的6X6裝甲車同時也兼制造6X6裝甲車具體型號不明，7410工廠后山有個很大的風洞是用來儲備坦克和裝甲車的，前面的大池子是用來實驗改造好的67式水陸兩棲作戰(zhàn)坦克。
七四一〇工廠主要是維修和改造67式水陸兩棲作戰(zhàn)坦克還有各型號的6X6裝甲車。工廠主要產(chǎn)品有：神功牌ZDY、ZLY、ZSY三系列硬齒面圓柱齒輪減速器；DBY、DCY二系列硬齒面圓錐圓柱齒輪減速器；NGW行星減速器系列；QJR、QJS、QJRS、起重機系列減速器；水泥磨機減速器JDY、MBY、MCD等系列，糖廠壓榨機傳動減速器、橡塑機械密煉機擠出機配套齒輪箱、煤礦掘進機減速器、鋁鑄軋機雙行星減速機、冷拔機減速器、微張力減徑機減速機、定徑機主減速機、軋鋼機齒輪箱、軋銅機齒輪箱、卷取機、開卷機、飛剪以及各類大型非標減速器和軋機成套機列加工服務(wù)。
7.2014年3月4日合肥長源液壓股份有限公司
合肥長源液壓股份有限公司系專業(yè)從事各類液壓元件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售業(yè)務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)已形成年產(chǎn)各類液壓元件80萬臺（套）的生產(chǎn)能力，業(yè)務(wù)規(guī)模位居國內(nèi)同行前列?，F(xiàn)為中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會常務(wù)理事單位。
長源公司主要產(chǎn)品包括液壓泵（馬達）、液壓閥和液壓油缸三大類，涵蓋了液壓系統(tǒng)的動力元件、控制元件和執(zhí)行元件，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械、工程機械及專用車輛等領(lǐng)域。公司產(chǎn)品系列規(guī)格較全，共200多個系列、4,500余種規(guī)格，具有較強的綜合配套供應(yīng)和服務(wù)能力，是國內(nèi)少數(shù)具有完整液壓系統(tǒng)元件研發(fā)生產(chǎn)能力的企業(yè)之一。
公司技術(shù)力量雄厚，生產(chǎn)裝備先進，擁有省級企業(yè)技術(shù)中心，各類技術(shù)人員300余人，其中高級工程師14名。通過不斷加大研發(fā)投入，公司自主研發(fā)形成了一系列居于國內(nèi)領(lǐng)先水平的核心技術(shù)和成果；先后獲得國家專利59項，其中發(fā)明專利4項；近年來，公司先后有30項產(chǎn)品通過安徽省新產(chǎn)品新技術(shù)鑒定， 主要技術(shù)指標處于國內(nèi)領(lǐng)先（先進）水平。 另外，公司還主持或參與了JB/T 7939-2010等5項行業(yè)標準的制訂或修訂工作。
三、 實習總結(jié)
通過下廠實習深入生產(chǎn)第一線進行觀察和調(diào)查研究獲取必須的感性知識和使學(xué)生叫全面地了解機械制造廠的生產(chǎn)組織及生產(chǎn)過程了解和掌握本專業(yè)基礎(chǔ)的生產(chǎn)實際知識鞏固和加深已學(xué)過的理論知識并為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。在實習期間通過對典型零件機械加工工藝的分析以及零件加工過程中所用的機床夾具量具等工藝裝備把理論知識和盛傳實踐相結(jié)合起來北洋我們的考察分析和解決問題的工作能力。通過實習廣泛接觸工人和聽工人技術(shù)人員的專題報告學(xué)習他們的好生產(chǎn)經(jīng)驗技術(shù)革新和科研成果學(xué)習他們在四化建設(shè)中的貢獻精神。通過參觀有關(guān)工廠掌握一臺機器從毛坯到產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程組織管理設(shè)備選擇和車間布置等方面的知識擴大知識面。通過記實習日記寫實習報告鍛煉與培養(yǎng)我們的觀察分析問題以及搜集和整理技術(shù)資料等方面的能力。在現(xiàn)場技工師傅工程師的指導(dǎo)和講解中我們對各類車床銑床鉆床 沖床磨床有了更進一步的了解。對應(yīng)于各種不同型號不同用途不同尺寸的零部件有各種不同類型的加工機床進行處理?；诮鸸嵙暺陂g我們所了解學(xué)習的各類機床的基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)操作 我們進一步了解了大型零部件的加工工藝 和粗制流程精加工流程裝備流程修改處理流程等加工流程。
整個參觀過程中同學(xué)們就一些機床的工作原理精度問題等方面的疑問請 教了指導(dǎo)師傅如磨床鉆床等機床具體的功能及其在生產(chǎn)過程中所處的位置和 需要對零部件做處理的方面。 老師在給我們解答疑問的同時也給大家講解了許 多關(guān)于公司經(jīng)營生產(chǎn)管理等方面的基本常識讓我們真正正確地認識一個大型 機械公司的生產(chǎn)流水線各類部門的職能各工種的職責各類技術(shù)要求同時 也拓展了我們對大型機器公司購置生產(chǎn)包裝銷售的流程公司經(jīng)營管理 等方面的常識。我們對各類機器的功能型號及操作規(guī)范等都做了詳細的記錄 對比。 末了 我們就各自對公司的參觀疑問和看法做了初步的交 流和討論取人之長補己之短對整個機器廠和參觀過程做了初步的簡短總結(jié) 并結(jié)合各自在金工實習期間所掌握和了解的機床機床知識交流了各自對某些機 器的改裝改進或存在的缺陷等方面的觀點看法。 通過這次實習我們了解了現(xiàn)代機械制造工業(yè)的生產(chǎn)方式和工藝過程。熟悉工程材料主要成形方法和主要機械加工方法及其所用主要設(shè)備的工作原理和典型結(jié)構(gòu)、工夾量具的使用以及安全操作技術(shù)。了解機械制造工藝知識和新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備在機械制造中的應(yīng)用。 在工程材料主要成形加工方法和主要機械加工方法上具有初步的獨立操作技能。在了解、熟悉和掌握一定的工程基礎(chǔ)知識和操作技能過程中培養(yǎng)、提高和加強了我們的工程實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。 經(jīng)過這次實習讓我們明白做事要認真小心細致不得有半點馬虎。同時也培養(yǎng)了我們堅強不屈的本質(zhì)不到最后一秒決不放棄的毅力培養(yǎng)和鍛煉了勞動觀點、質(zhì)量和經(jīng)濟觀念強化遵守勞動紀律、遵守安全技術(shù)規(guī)則和愛護國家財產(chǎn)的自覺性提高了我們的整體綜合素質(zhì)。
很快我們就要步入社會面臨就業(yè)了就業(yè)單位不會像老師那樣點點滴滴細致入微地把要做的工作告訴我們更多的是需要我們自己去觀察、學(xué)習。不具備這項能力就難以勝任未來的挑戰(zhàn)。隨著科學(xué)的迅猛發(fā)展新技術(shù)的廣泛應(yīng)用會有很多領(lǐng)域是我們未曾接觸過的只有敢于去嘗試才能有所突破有所創(chuàng)新。就像我們接觸到的車工雖然它的危險性很大但是要求每個同學(xué)都要去操作而且要作出成品這樣就鍛煉了大家敢于嘗試的勇氣.工實習帶給我們的不全是我們所接觸到的那些操作技能也不僅僅是通過幾項工種所要求我們鍛煉的幾種能力更多的則需要我們每個人在實習結(jié)束后根據(jù)自己的情況去感悟去反思勤時自勉有所收獲使這次實習達到了他的真正目的。
明確校外實習的目的在于通過理論與實際的結(jié)合、學(xué)校與社會的溝通進一步提高學(xué)生的思想覺悟、業(yè)務(wù)水平尤其是觀察、分析和解決問題的實際工作能力以及待人接物與外界溝通的能力以讓我培養(yǎng)成為具有較強實踐能力、良好職業(yè)道德、高技能、高素質(zhì)的能夠主動適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)的復(fù)合型人才。校外實習、工學(xué)結(jié)合是現(xiàn)代職業(yè)教育的一種學(xué)習模式是把生產(chǎn)勞動和社會實踐相結(jié)合的一種人才培養(yǎng)模式。其基本形式是學(xué)校與企事業(yè)用人單位合作培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生通過工學(xué)交替完成學(xué)業(yè)。從一名學(xué)生到一名工人的角色轉(zhuǎn)變。十幾年的校園生活令我們思想單純同時感到其生活乏味和升學(xué)的壓力這使得他們向往社會、向往工作渴望獨立的開拓一片天地發(fā)揮了自己的才智。
常言道工作一兩年勝過十多年的念書。實習時刻雖然不長可是我從中學(xué)到了良多常識關(guān)于做人干事做學(xué)問?！霸趯W(xué)校里學(xué)的不是常識而是一種叫做自學(xué)的能力”。加入工作后才能深刻體味這句話的寄義。參觀中我發(fā)現(xiàn)做任何事不能單蠻干應(yīng)合理應(yīng)用各類常識來解決問題同時也要注重團隊合作。任何一個廠都有一套嚴酷慎密的出產(chǎn)系統(tǒng)在系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)都是緊緊相扣每個環(huán)節(jié)的工作人員都應(yīng)該嚴酷遵守規(guī)章軌制。年青不是用來揮霍的而是我們拼搏的成本。我不想無所作為終了今生。所以我會一向朝著我的方針走去。連結(jié)一顆曠達積極進取的心相信“蒼天不負有心人”。
我是學(xué)機械設(shè)計的在書本上學(xué)過良多理論常識似乎通俗易懂但從未付諸實踐過也許等到真正需要用時才會體味到難度我們在老師那兒那里或書本上看到過良多出色的工具似乎垂手可得也許親臨其境或親自上陣才能意識到自己能力的欠缺和常識的匱乏。在實習時代我拓寬了視野增添了見識體驗到社會競爭的殘酷而更多的是但愿自己在工作中堆集各方面的經(jīng)驗為未來自己走創(chuàng)業(yè)之路做籌備。作為我在踏出社會之前的為數(shù)不多的幾回實踐中此次的實踐簡直給以了我良多。此后我將繼續(xù)站在負責的工作立場尊貴的思惟憬悟進一步完美和充實自己爭奪在往后的進修中更好的完美自己在往后的實踐中更好的運用自己的常識未來做一名對社會有用的人。
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
設(shè)計（論文）題目 四自由度SCARA機器人的機械設(shè)計
學(xué)院名稱
專 業(yè) （班 級）
姓 名
學(xué) 號
指 導(dǎo) 教 師
系（教研室）負責人
一、選題的背景意義和主要內(nèi)容
1.選題的背景
SCARA機器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向。另一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2，及移動關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=f(φ1,φ2,z)，如圖所示。這類機器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1型SCARA機器人運動速度可達10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。
SCARA系統(tǒng)在x,y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性特別適合于裝配工作，例如將一個圓頭針插入一個圓孔，故SCARA系統(tǒng)首先大量用于裝配印刷電路板和電子零部件；SCARA的另一個特點是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動和取放物件，如集成電路板等。
如今SCARA機器人還廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。它的主要職能是搬取零件和裝配工作。它的第一個軸和第二個軸具有轉(zhuǎn)動特性，第三和第四個軸可以根據(jù)工作的需要的不同，制造成相應(yīng)多種不同的形態(tài)，并且一個具有轉(zhuǎn)動、另一個具有線性移動的特性。由于其具有特定的形狀，決定了其工作范圍類似于一個扇形區(qū)域。SCARA機器人可以被制造成各種大小，最常見的工作半徑在100毫米至1000毫米之間，此類的SCARA機器人的凈載重量在1千克至200千克之間。
2.意義
工業(yè)機器人的應(yīng)用對于改變傳統(tǒng)生產(chǎn)模式 全面提升企業(yè)的綜合競爭力具有重大作 隨著我國加入WTO和經(jīng)濟全球化的發(fā)展市場競爭變得更加劇烈，迫切需要用我國制造業(yè)進行大規(guī)模的技術(shù)改造和設(shè)備更新,因而對工業(yè)機器人技術(shù)和自動化生產(chǎn)設(shè)備的需求也將不斷增加,但我國機器人產(chǎn)業(yè)步伐較慢工業(yè)機器人長期大量依賴進口。從國外引進的機器人自動化生產(chǎn)設(shè)備不僅價格昂貴，而且使用效果很不理想，由此嚴重制約了我國制造業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計 2004年以前已經(jīng)引進的自動化生產(chǎn)設(shè)備中有近一半處于不能正常運行的狀態(tài)其中問題較大的占 33% 根本不能使用的高達16%造成這種問題的主要原因包括國外自動化系統(tǒng)不適合國內(nèi)企業(yè)的工藝現(xiàn)狀，系統(tǒng)選型不合理、缺乏足夠的售前和售中技術(shù)支持，售后服務(wù)跟不上等；而機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封閉是導(dǎo)致機器人價格昂貴售后服務(wù)不完善、機器人技術(shù)發(fā)展緩慢的根本原因，因此研究和設(shè)計自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人具有非常重要的意義。
3、課題研究的主要內(nèi)容
四自由度SCARA機器人是由大臂、小臂、Z向直線運動和轉(zhuǎn)動組成的平面關(guān)節(jié)型機器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于搬運、裝配等任務(wù)。本課題通過對不同實現(xiàn)方案進行比較（例如：在設(shè)計第三、四自由度時，使用滾珠絲杠＋滾珠花鍵軸，或者集成的滾珠絲杠滾珠花鍵軸），使用三維設(shè)計軟件，對SCARA機器人的典型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并重點設(shè)計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)。
主要內(nèi)容：
1. 翻譯英文資料，了解SCARA機器人的發(fā)展狀況；
2. 學(xué)習SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機械設(shè)計和繪圖軟件；
3. 進行伺服電機、諧波減速器的選型；
4. 完成論文或設(shè)計說明書。
二、國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展狀況
1、國外工業(yè)機器人發(fā)展狀況
在國外，工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。國外專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）和國際機器人聯(lián)合會（IFR）的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭[1]。
在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機器人自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設(shè)備的集成供應(yīng)商。目前，日本、意大利、德國、歐盟、美國等國家產(chǎn)業(yè)工人人均擁有工業(yè)機器人數(shù)量位于世界前列，全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。
2、國內(nèi)工業(yè)機器人的發(fā)展
我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代，與發(fā)達國家相比起步稍晚。其發(fā)展過程大致可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實用化期。上世紀90年代末期，中國投資建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地，包括沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實自動化設(shè)備有限公司、北京機械工業(yè)自動化研究所機器人開發(fā)中心、海爾機器人公司等。我國工業(yè)機器人市場主要集中在航空航天、汽車、汽車零部件、摩托車、電器、工程機械、石油化工、電力等行業(yè)。
而今經(jīng)過幾十年的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，中國機器人產(chǎn)業(yè)從無到有，由弱變強，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。目前我國已生產(chǎn)出部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù)；工業(yè)機器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)；機器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)；運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達到或接近世界水平。
雖然中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。中國的工業(yè)機器人應(yīng)用數(shù)量仍然偏少，且主要依賴從日本、瑞典、德國、意大利、美國進口。其中，日本約占64%，歐洲約占36%。制造商主要有FANUC、Yaskawa、ABB、COMAU、KUKA和Staubli等。從市場占有率來說，無法相提并論。工業(yè)機器人很多核心技術(shù)，當前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要瓶頸。
3、國內(nèi)發(fā)展趨勢
中國工業(yè)機器人在“七五”、“九五”、“十五”期間研究取得了較大進展，我國在關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，應(yīng)用遍及各行各業(yè)，但進口機器人占了絕大多數(shù)?？茖W(xué)院機器人“十二五”規(guī)劃研究目標：開展高速、高精、智能化工業(yè)機器人技術(shù)的研究工作，建立并完善新型工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)；研究高速，高精度工業(yè)機器人控制方法并研制高性能工業(yè)機器人控制器，實現(xiàn)高速，高精度的作業(yè)；針對焊接，噴涂等作業(yè)任務(wù)，研究工業(yè)機器人的智能化作業(yè)技術(shù)，研制自動焊接工業(yè)機器人，自動噴涂工業(yè)機器人樣機，并在汽車制造行業(yè)，焊接行業(yè)開展應(yīng)用示范。
國家下一步的發(fā)展思路，將發(fā)展以工業(yè)機器人為代表的智能制造，以高端裝備制造業(yè)重大產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展工程為平臺和載體，系統(tǒng)推進智能技術(shù)、智能裝備和數(shù)字制造的協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)我國高端裝備制造的重大跨越。具體分兩步進行：第一步，2012～2020年，基本普及數(shù)控化，在若干領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化，為我國制造模式轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)；第二步，2021～2030年，全面實現(xiàn)數(shù)字化，在主要領(lǐng)域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造業(yè)的國際競爭優(yōu)勢。
工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機器人的研究開發(fā)與生產(chǎn)是使我國從制造業(yè)大國走向制造業(yè)強國的重要手段和途徑。未來幾年，國內(nèi)機器人研究人員將重點研究工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)，高速高精度控制，智能化作業(yè)，形成新一代智能化工業(yè)機器人的核心關(guān)鍵技術(shù)體系，并在相關(guān)行業(yè)開展應(yīng)用示范和推廣。
（1）工業(yè)機器人智能化體系結(jié)構(gòu)標準
?。?）工業(yè)機器人新型控制器技術(shù)
（3）工業(yè)機器人智能化作業(yè)技術(shù)
?。?）成線成套裝備技術(shù)
?。?）系統(tǒng)可靠性技術(shù)
三、思路方案
本課題設(shè)計四自由度SCARA機器人，四自由度SCARA機器人是由大臂、小臂、Z向直線運動和轉(zhuǎn)動組成的平面關(guān)節(jié)型機器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點。本課題通過對在設(shè)計第三、四自由度時，使用滾珠絲杠＋滾珠花鍵軸，或者集成的滾珠絲杠滾珠花鍵軸的比較，結(jié)合實驗室的機器臂參考，使用三維設(shè)計軟件，對SCARA機器人的典型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并重點設(shè)計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)。根據(jù)機器人控制要求、工作原理及工作環(huán)境，確定機器人總體方案。在充分分SCARA機器人工作過程后，應(yīng)把每個關(guān)節(jié)總分總考慮。完成整個課題所需做的工作大致如下：
1.翻譯英文資料，了解SCARA機器人的發(fā)展狀況；
2. 學(xué)習SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機械設(shè)計和繪圖軟件；
3. 進行伺服電機、諧波減速器的選型；
4. 設(shè)計SCARA機器人的整體機械結(jié)構(gòu)；
5. 在設(shè)計Z向直線運動和轉(zhuǎn)動機構(gòu)時，擬采用滾珠絲杠滾珠花鍵軸的方案。并對局部機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計；
6. 繪制SCARA機器人的三維圖、二維裝配圖和零件圖；
7. 對所完成的課題進行分析、歸納及綜合，撰寫畢設(shè)論文；
8. 提交電子版所有資料：翻譯資料、圖紙、程序、文檔和畢設(shè)論文。
畢業(yè)設(shè)計計劃流程圖
進行伺服電機、諧波減速器的選型
翻譯文獻
了解發(fā)展現(xiàn)狀
設(shè)計SCARA機器人的整體機械結(jié)構(gòu)
查閱課題相關(guān)資料
局部機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計
學(xué)習應(yīng)用軟件硬件的基本技能
運用Pro/E（SolidWorks）進行三維建模與裝配
分析模擬整體性能
撰寫畢設(shè)論文
提交
主要參考：
1. 中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟信息網(wǎng)（http://www.cinic.org.cn）
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3. 王田苗.全力推進我國機器人技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007（2）：17-23.
4. 付京遜．機器人學(xué) 控制·傳感技術(shù)·視覺·智能 [M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社．1989．
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7. 程?。甋CARA機器人的設(shè)計及運動、動力學(xué)的研究 [D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2008．
8. ?？得鳎赟CARA控制系統(tǒng)的運動控制 [D]．碩士學(xué)位論文，南京理工大學(xué)．2008．
9. 方?。甋CARA機器人運動控制器設(shè)計及應(yīng)用研究 [D]．吉林大學(xué)碩士論文，2007．
指導(dǎo)教師評語：（建議填寫內(nèi)容：對學(xué)生提出的方案給出評語，明確是否同意開題，提出學(xué)生完成上述任務(wù)的建議、注意事項等）
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
使用柔性IPMC微夾持器的軸孔裝配SCARA
文章信息
文章歷史：于2012年8月6日收到初稿 于2012年11月21日收到修改稿 于接受2012年12月10日采納 于2012年12月22日在網(wǎng)站發(fā)布
關(guān)鍵詞：軸孔裝配 SCARA IPMC微夾持器 柔性裝配
摘要：因為總是有兩個配合零件之間存在位置誤差，所以采用機器人裝配是困難的。順應(yīng)性被以兩只基于微夾持器的離子聚合物金屬復(fù)合材料（IPMC) 手指的形式加入選擇順應(yīng)性裝配機器手臂（SCARA）。該微夾持器被整合在一個SCARA機器人末端執(zhí)行器的位置。軸孔相互作用解析建模和基于它需要通過IPMC校正橫向和角誤差的力是計算出的。比例微分（PD）控制器旨在促使IPMC在裝配之前獲得校正軸位置的期望的力。通過開發(fā)一個IPMC微夾持器來進行仿真和實驗，并通過它來分析軸在孔中的各種裝配情況。實驗結(jié)果表明，通過IPMC添加的順應(yīng)性有助于軸孔裝配。
1. 簡介
在電子工業(yè)中裝配是一個重要的過程,涉及到很多相關(guān)行業(yè)，其中一小部分如一個引腳,芯片,接頭等都必須插入一個孔或套筒接合器中[1,2]。人類擅長組裝但機器人今天仍然很難組裝組件。當有兩部分時,總會在特定位部分出現(xiàn)錯誤。這些錯誤來自機器人或其控制系統(tǒng)/集成傳感器、制造誤差等。因此,一些合規(guī)設(shè)備是需要適應(yīng)這些機器人裝配中的錯誤。為了克服這個問題, Dechev 等人、Huang 、 Fukuda 等人 和 Havlik分別研究了不同類型的手腕或爪。這些設(shè)備大多是被動的組裝,合規(guī)機制實現(xiàn)了微型機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 在機器人線束裝配的電連接和柔順裝配遠程中心等。為確保精確,這些設(shè)備因為不同類型的錯誤而不能主動控制。因此,在單個軸孔誤差校正問題對于成功的裝配仍然是一個挑戰(zhàn)性的問題。主動柔性機構(gòu)可以幫助控制系統(tǒng)來補償失調(diào)，也可以在軸孔裝配中提供的自我調(diào)整和錯誤修正。在這方面,一些研究人員已經(jīng)研究了可以適用于機器人裝配的主動裝配和基于智能材料的柔性設(shè)備。Rabenorosoa 等人[7]研究了鐵路指導(dǎo)任務(wù),安排微裝配使用基于兩個柔性手指微夾鉗處理，而Lumia和Shahinpoor (8 - 10)已經(jīng)開發(fā)出一種離子聚合物金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)(IPMC)微夾持器。IPMC材料用作柔順的執(zhí)行機構(gòu)掌握和操作靈活的微粒/剛性對象。該微夾持器非常適合于工業(yè)操作，例如，建筑微系統(tǒng)的微機電元件及生物微操作任務(wù)，例如，細菌和細胞處理。Jain等人[11-13] 為顯微操作在不同的平臺開發(fā)了基于柔順微夾持器的IPMC, 如起重機械手，搬運零件微型工廠測試床，及進行過IPMC分析和裝配誤差估計的性4桿裝配機構(gòu)。這些夾具的主要優(yōu)勢是,他們是驅(qū)動電壓只有 (0 - 3 V DC)。其控制過程是很容易的，他們更適合用來控制裝配過程中產(chǎn)生的誤差。
在本文中，我們提出一種新的基于使用選擇順應(yīng)性裝配機器手臂（SCARA）柔性裝配IPMC。本文的主要內(nèi)容是：
（a）為基于軸孔裝配的SCARA設(shè)計一個柔順I(yè)PMC微夾持器。
（b）在裝配過程中使用通過一個比例微分（PD）控制系統(tǒng)糾正軸錯誤的柔順微夾持器來控制軸的位置和方向。
本文的目標是設(shè)計一個使用IPMC的柔性軸孔裝配機制，使軸的定位可以通過IPMC微夾持器主動控制。這個裝配通過SCARA機器人來完成。在理想的條件下，當軸插入孔中，軸在裝配時繞其定點轉(zhuǎn)動和翻轉(zhuǎn)。這個旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫向誤差和角誤差。為了克服這些誤差, 基于IPMC柔性微夾持器被設(shè)計成使用兩個IPMC的手指，一個伺服電機和一架。兩個IPMC手指負責控制軸并通過電壓校正橫向位移。在夾持器中集成一個伺服電機，它負責在實驗中測量軸的角誤差。該微夾持器是安裝在SCARA機器人端部執(zhí)行器的位置。通過SCARA機器人將被微夾持器固定的軸插入孔，在校正裝配之后與孔緊密配合。利用梁理論和伯努利–歐拉方程推導(dǎo)IPMC微夾持器的數(shù)學(xué)模型，其中軸是由兩個IPMC微夾持器固定。還要利用校正橫向和角偏差的IPMC微夾持器建立一個在軸孔裝配時估計誤差的數(shù)學(xué)模型。施加到IPMC手指的電壓被采用PD控制系統(tǒng)控制著。比例和微分是根據(jù)它們的需要調(diào)整。實驗證明，柔性IPMC微夾持器能夠補償裝配過程中的誤差。同時還發(fā)現(xiàn)，與非柔性裝配相比柔性裝配有高的裝配成功率。這些貢獻都是新的，并被引用到新一代的裝配微機器人中，使我們能在執(zhí)行裝配任務(wù)中主動控制機器人的IPMC手指。
在過去，一些研究人員用不同的方法分析了軸孔裝配的問題。Arai[14] 分析了不同類型的軸孔裝配概念，例如方形軸與方孔、圓軸配圓孔等。通用的方法進行三維靜態(tài)模型，研究了不同的問題。Pai et al. [15]專注于機器人手在指定空間位置執(zhí)行任務(wù)的不確定性和柔性。為了執(zhí)行軸孔裝配，為機器人研究合適的柔性中心。Li [16]為軸孔問題設(shè)計了混合控制器。一種使用混合通信順序進程語言混合控制程序(HCSP)。Liao等人[17]已經(jīng)使用拉格朗日方法開發(fā)出一種一般形式方程影響模型讓工業(yè)機械手執(zhí)行軸孔裝配。獲取和利用的研究系統(tǒng)參數(shù)如何影響的軸裝配的沖擊力和偏離角和倒角孔的SCARA機器人的碰撞方程。Haskiya等人[ 18 ]都專注在一個不準確解決方案，像機器人定位和軸插入孔。為了解決這個問題，是用一小軸孔裝配倒角的無源組件的方法。Pauli等人 [19]著重于處理連續(xù)的視覺反饋感知動作周期的伺服過程的影像式傳感器。本研究的主要目的是運用伺服機制確定相機的功能，例如：攝像機的光軸，以及主動地改變視圖，如為操作期間檢查對象的形狀。Cheng等人[20]對一種新的可有效地彌補多邊形裝入軸的方向和偏差的裝配任務(wù)被動柔順中心裝置的發(fā)展做出了貢獻。Fei等人[21]提出了多軸裝配的三維幾何及力/力矩分析。接觸力被螺旋理論在三維空間中描繪出來。Zohoor等人[22]描述了自動化軸孔裝配的動態(tài)分析。獲得相對于孔的軸線方向的軸小廣義不等式方程沒有楔形的情況。還研究了在動態(tài)情況下的無干擾的廣義不等式。Okumura等人[23]討論了用于估計預(yù)測方法機器人裝配系統(tǒng)裝配誤差的交配部分和三維空間中的基部的位置和方向，使用兩個高速CCDS測量。所提出的方法的基本思想是利用一個SCARA機器人進行裝配操作。Wang等人[ 24 ]研究了PD控制器對微裝配系統(tǒng)獲得更好的動態(tài)響應(yīng)，模糊邏輯技術(shù)用于調(diào)諧的控制器增益。Gauthier等人 [ 25 ]分析了液體表面張力對微操作力測量的影響下。提出了一種方法來計算力測量擾動，并作為操作過程中頂端垂直位移，尖端的半徑，液體表面張力和接觸角的變量。Tao等人[26]提出一種主動縮放控制方法，可以根據(jù)位置動態(tài)調(diào)整自由度，然后作用于微對象裝配。該方法是基于人工勢場法。對所提出的系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性進行了研究。Sariola等人[27]討論了混合微裝配技術(shù)，它結(jié)合了微操作機器人和水液滴的自對準。一個微型機器人系統(tǒng)的實驗測試裝置的開發(fā)，對微裝配要研究其中四個重要參數(shù)，如機器人的屈服，性能，精度和速度。
最近，Su等人[28]對 偏心軸孔高精度的裝配提出一個新的無傳感器控制策略?？梢娗闆r運轉(zhuǎn)狀態(tài)分析是把偏心軸孔高維結(jié)構(gòu)空間分解成兩個低維結(jié)構(gòu)空間。Park等人[29]專注于在空間軸孔裝配中使用使用力/力矩傳感器（FT）進行接觸狀態(tài)分析，并對高精度自動裝配自動化機器人的主要問題進行了論述。Yaqi等人[30]在MEMS軟件中用IPMC設(shè)計出一種兩指微夾持器。該裝置在裝配中主要用于抓取和操縱微小零件。與天所的模型，有限元模型的開發(fā)和機電行為的微夾持器模擬。利用Tadokoro的模型，有限元模型被開發(fā)并且微夾持器的機電運動被模擬。
本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第2.1節(jié)介紹了使用柔性IPMC微夾持器的軸孔裝配SCARA的設(shè)計。在2.2節(jié)中，對裝配過程中抓物體，論述了IPMC手指建模和誤差估計模型；并在2.3節(jié)建立模型了。在裝配過程中，PD控制系統(tǒng)是用來彌補失調(diào)。這些誤差是通過IPMC電壓獨立控制，并且也對IPMC電壓進行論述。仿真結(jié)果在第3節(jié)。第4節(jié)論述了為論證基于使用柔性IPMC微夾持器軸孔裝配的SCARA的實驗測試裝置。在5節(jié)中，對結(jié)果進行了討論，得出的結(jié)論是在6節(jié)。
2. 基于柔性裝配的IPMC模型及設(shè)計
2.1基于軸孔裝配SCARA柔性IPMC微夾持器的設(shè)計
SCARA基本設(shè)計基于軸孔裝配使用IPMC微夾持器如圖1所示。SCARA機器人是一種4軸工業(yè)機器人具有四個自由度（自由度），四個環(huán)節(jié)三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)連接?；贗PMC柔性微夾持器集成在SCARA機器人的末端執(zhí)行器的位置。
圖1.使用IPMC微夾持器的基于軸孔裝配的SCARA示意圖
圖2. SCARA軸孔裝配IPMC微夾持器示意圖
這些一致微夾持器被設(shè)計成使用IPMC的手指，如圖2所示的設(shè)計。這是由兩個IPMC條、一個伺服電機和一個支架組成。一個離子帶有一個自由度，能夠通過施加小電壓（0-3VDC)在一個方向上彎曲。通過給予相反的電壓使夾持操作可以達到在相反方向的第二離子帶彎曲。因此，當軸被IPMC指抓住時，兩個IPMC指可以通過施加電壓獨立地控制橫向位移和角位移。這個分析結(jié)合了橫向誤差和角誤差。通過IPMC微夾持器校正橫向位移誤差和角位移誤差后，由SCARA機器人來完成裝配。
2.2 柔性微夾持器IPMC指的數(shù)學(xué)模型
為了增加SCARA機器人在裝配中的柔性，微夾持器被制成兩個IPMC條。這些特制的IPMC取自美國的環(huán)境機器人公司（ERI）。 它有一層兩面融合黃金電極（5-10μM）的全氟離子交換聚合物膜（Nafion-117）。作為制造過程的一部分，這是進一步的化學(xué)基礎(chǔ)聚合物涂層與金屬離子構(gòu)成的金屬基復(fù)合材料[ 31 ]，如圖3所示。這些系統(tǒng)主要是基于離子遷移和再分配的大分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電場。這些聚合物可以在空氣中或在水中操作。他們吸收空氣中的水以保持濕潤和增強的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的陽離子遷移率。建議工作條件，IPMC在正常室溫空氣中工作。在這種情況下，所施加的電壓影響的陽離子在細胞膜中的分布，并迫使陽離子向陰極遷移。陽離子分布的這種變化產(chǎn)生兩薄層，一層在陽極附近另一層在陰極邊界附近。電壓（電位差）使得離子在離子群帶中轉(zhuǎn)移，并驅(qū)動離子帶。一個IPMC還具有靈活的行為，因它較小的彎曲剛度通過施加一個小的電壓（0-3 V）產(chǎn)生較大的撓度。在彎曲過程中，在IPMC頂端產(chǎn)生一個力。這個力在尖用于保持對象和裝配過程中糾正錯誤。對每一個IPMC手指的建模，一條板保持懸臂結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
IPMC條板具有末端曲率與曲率半徑和自由長度。端曲率是從頂部的一端到另一端懸臂結(jié)構(gòu)底梁的最大位移。端曲率與懸臂梁的曲率半徑的關(guān)系可寫為： (1)
圖3. IPMC的致動機理示意圖[31]
為了用每一個IPMC手指施加的電壓找到瞬時彎矩，采用懸臂梁理論。
瞬時彎矩寫為：Mi/Ii = Ei/Ri （2）
其中，Ei是Young的IPMC彈性模量，Ii是IPMC的轉(zhuǎn)動慣量。
使用（1）和（2）中曲率半徑的值我們得到：Mi = Ei × Ii × κi.
通過電壓試驗每一個板條的人端曲率分別被找出。為了找出這個曲率，我們首先給IPMC（0-3V）的電壓。這得運行五秒，IPMC偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)收集五次。五個實驗的平均值繪制如圖5（a)所示。電壓關(guān)閉后，IPMC不會重復(fù)相同偏轉(zhuǎn)路徑。它表現(xiàn)為滯后1毫米。使用此偏轉(zhuǎn)特性，最終曲率使用方程（1）描述，如圖5（b)所示。它表現(xiàn)為線性關(guān)系，假定為：
κi= Ki × Vi （4）
Ki是IPMC指的路徑的常數(shù)，并取決于IPMC的材料表現(xiàn)。
把（4）中端曲率的值代入（3）中，我們得到：Mi = Ei × Ii × Ki × Vi. （5）
為產(chǎn)生所需反作用力(F),可以通過假設(shè)懸臂結(jié)構(gòu)均勻長度（Li) 如下：
F = Mi/Li （6）
用（5）中IPMC的力矩值取代（6），得到：
F = Ei × Ii × Ki × Vi/Li. （7）
對兩個IPMC指的力方程可以加1和2后綴分別表示。
第一個IPMC指方程可表示為：F1 = Ei × Ii × Ki1 × Vi1/Li1 （8）
Ki1是第一個IPMC指的路徑常數(shù)，Vi1是加給第一個IPMC指的電壓，Li1是第一個IPMC指的長度。
對第二個IPMC指方程表示為：F2 = Ei × Ii × Ki2 × Vi2/Li2 （9）
Ki2是第二個IPMC指的路徑常數(shù)；Vi2是加給其上的電壓；Li2是其長度；Ei是彈性模數(shù)；Ii是每個IPMC指的轉(zhuǎn)動慣量。
為找出每個IPMC值得偏轉(zhuǎn)角(φ),我們考慮在每只指自由端施加一力矩的懸臂梁。（圖4（a））。彎矩和曲率小部分（ds）努利–歐拉方程可表示為：
dφ/ds = Mi/Ei × Ii. （10）
通過分離變量并結(jié)合IPMC的長度，得到：
0φdφ=0LiMi/Ei×Ii×ds (11)
φ=Mi×Li/Ei×Ii (12)
其中φ表示弧度。
2.3裝配過程中的誤差估計模型
用兩只IPMC指夾住軸，柔度可通過橫向彈簧常數(shù)（Kxi)和恒定角彈簧（Kθi)建立理想化模型；如圖6所示。因為IPMC只有一個彎曲自由度，角彈簧常數(shù)被假定為零。因此，橫向彈簧常數(shù)用于IPMC裝配的主動控制。這有助于橫向誤差和角誤差有源校正，而被動組件糾正這些錯誤在[ 32 ]中。裝配誤差的分析是在二維進行。一個圓形的點被表示為一個柔順中心。
圖4.IPMC指的懸臂結(jié)構(gòu)
（a)偏轉(zhuǎn)特性 (b) 端曲率特征
圖5.IPMC指性能試驗
圖6.IPMC抓的等校模型示意圖
數(shù)學(xué)符號與單位如下：
l IPMCIPMC的橫向剛度系數(shù)(N/m) = Kxi
l IPMC的角剛度系數(shù)（N / m）= Kθi
l 從力作用位置到軸尖端的距離=Lgi
l 初始側(cè)向位移（m）=εi
l 初始角誤差（m）=θi
l 裝配誤差（m）= e
l 孔槽的位置倒角(°) = αi
l 軸直徑（m）= d1
l 軸半徑（m)=r1
l 孔直徑（m)=D1
l 孔半徑（m)=R1
l 兩IPMC指反作用力（N)=F1，F(xiàn)2
l 柔性支持力（N）=Fx
l 作用于軸端的力矩（Nm)=M
l 軸與支撐倒角之間的接觸摩擦力（N)= ?Ni
l 接觸摩擦力法向分量(N）=μi ?Ni
l 摩擦力的反作用力（N）= f1i, f2i
l 軸質(zhì)量（Kg)=W
l IPMC質(zhì)量（Kg)=mi
l 阻尼系數(shù)(N/ms-1)=bi
l 比例控制增益=Kp
l 微分控制增益=Kd
在裝配過程中，橫向位移（Ui）包括初始側(cè)向位置位移（εi）和角誤差（θi），如圖7（a）所示。在倒角位置接觸后，新的橫向位置位移（Uo）和角誤差位置（θo)如圖7（b）所示。在柔性裝配中支持力（Fx）大約在軸力的作用端點產(chǎn)生力矩(M)，圖8所示。這個支持力被柔性IPMC的兩個反作用力（F1和F2）和接觸摩擦力平衡。接觸摩擦力在軸和孔的接觸位置產(chǎn)生一個合成摩擦力(μi?Ni)，產(chǎn)生兩個分力水平，接觸摩擦力分量(f1i)和垂直接觸摩擦力分量(f2i)如圖9所示。這就在柔性裝配中通過平衡IPMC在軸接觸點的反作用力產(chǎn)生靜態(tài)平衡。
在軸裝配（無接觸）的初始條件中，就在相對于孔軸線的支撐點的初始橫向位移(εi)和初始角誤差(θi)而言具有橫向位移（Ui），如下：
Ui = εi + Lgiθi （13）
（a）初始條件（無接觸） （b）倒角交叉條件（接觸后）
圖7.軸孔裝配中的誤差
圖8.使用柔性IPMC裝配中力矩圖
圖9.接觸IPMC時作用于軸的力自由體受力圖
在倒角的交叉點（圖6（b)），橫向位移：Uo = Lgiθo ? (zi/ tan αi) + εi (14)
zi是初始接觸，θo是角位移。
用（13）和（14），我們可以把橫向誤差(Ui ? U0)表示為：
e = Ui ? U0 = (zi/ tan αi) ? Lgi(θ0 ? θi) （15）
靜平衡，柔性支持力（Fx）被IPMC的側(cè)向剛度系數(shù)（Kx)平衡，
Fx = Kxi(Ui ? U0) = Kxie （16）
力作用位置的力矩（M)可寫為：M = KxiLgi(Ui ? U0) （17）
為糾正這些錯誤，我們必須找到投訴支撐力（Fx）的平衡力和力矩的合規(guī)中心。兩個IPMC的力的位置（F1和F2）和接觸摩擦力（?1i和?2i）如圖9所示。當軸接觸槽位置，接觸摩擦力分量為：
?1i= ?Ni (Sinαi ? μi Cosαi) (18)
?2i = ?Ni (Cosαi + μi Sinαi) （19) ?Ni正常的表面摩擦力。
為找摩擦力，軸被IPMC指在IPMC傾斜角度(φ1 和φ2)（圖9）出支撐著。
從力的平衡方程，我們有：F1sinφ1 + F2sinφ2 + W = ?2i (20)
W是軸軸的重量。
通過平衡（19）和（20），我們得到的：
F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W =?Ni (cosαi + μi sinαi)
?Ni= F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W/(cosαi + μi sinαi) （21）
將此值代入（18），我們得到：
?1i = (F1 sinφ1 + F2 sinφ2 + W)(sinαi?μi cosαi)/(cos αi + μi sin αi) （22）
在靜力平衡條件下，水平接觸摩擦力分量（?1i）平衡經(jīng)軸產(chǎn)生的柔性支撐力（Fx）。根據(jù)軸反力可表示為：Fx =?1i = Kxie （23）
替代（22）中的?1，得到：
Fx = (F1sinφ1 + F2sinφ2+W)(sinαi?μicosαi)/(cosαi+μisinαi). （24）
再次，從（23）和（24）中的到一個誤差項
e = Fx/Kxi
e =(F1sinφ1+F2sinφ2+W)(sinαi?μicosαi)/Kxi×(cosαi+μisinαi) （25）
圖10.表示IPMC作為一個彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)
為了確定致動IPMC的電壓，系統(tǒng)建模為一個彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)質(zhì)量的IPMC（mi），側(cè)向剛度系數(shù)（Kxi）和阻尼系數(shù)（b）如圖10所示。
柔性支撐力（Fx）負責校正裝配過程中由于在倒角位置IPMC的反作用力（F1和F2）產(chǎn)生的橫向位移和角誤差。這種柔性支撐力可以通過施加適當?shù)腎PMC電壓來控制；控制電壓通過PD控制器提供。運動方程可以寫為：
mie+bie+KXie=FX (26)
e表示包含IPMC反作用力的誤差項。
我們現(xiàn)在使用的PD控制律，根據(jù)比例控制增益（kp）和微分控制增益kd計算所需的力，如下：
Fx= -kp-kde (27)
根據(jù)（26）等于（27）得到：
mie+bie+Kxie=-kpe-kde
mie+（bi+kd)e+(Kxi+kp)e=0
mie+b'e+k'e=0 (28)
其中，b'=bi+kd,k'=Kxi+kp.從（28）式很明顯，通過分別選擇控制增益Kp和Kd，我們可以開發(fā)一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。要實現(xiàn)一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)滿足的臨界阻尼狀態(tài)[ 33 ]。這個IPMC的控制電壓在短時間內(nèi)糾正軸的偏差。因此，與其他系統(tǒng)相比較，在軸孔裝配過程中PD控制系統(tǒng)更適合控制IPMC指。
3. 模擬結(jié)果
在本節(jié)中，我們討論了軸孔裝配的IPMC微夾持器的模擬結(jié)果。
3.1. PD控制器的增益的計算
為找尋找控制增益（kp和kd） IPMC的橫向剛度系數(shù)（Kxi)通過實驗計算出來。給一個IPMC加最大電壓（3V）。相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)力數(shù)據(jù)通過引導(dǎo)實驗收集得到。在試驗過程中，IPMC指放于懸臂模式，用于測量力的負載電池被放在IPMC頂端下面；如圖11所示。研究發(fā)現(xiàn)，力與變形幾乎成線性關(guān)系。因此，IPMC的橫向剛度系數(shù)等于0.068N/m。
找到IPMC剛度系數(shù)后，使用MATLAB軟件計算控制器增益參數(shù)kp和kd。質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)的基本傳遞函數(shù)通過IPMC質(zhì)量（mi=0.00042 Kg）、阻尼系數(shù)（bi=0.1N/ms-1）及剛度系數(shù)（Kxi=0.068N/m)。為獲得臨界阻尼系統(tǒng)，PD控制器調(diào)至kp=28,kd=0.1。系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖12所示。它表明，臨界阻尼狀態(tài)下的響應(yīng)時間（0.01秒）和穩(wěn)定時間（0.04秒）。該控制器符合我們的目的。
3.2. 評估微夾持器誤差校正和力特性
為評估IPMC微夾持器的性能，每個IPMC指被假定為固定的具有均勻長度的懸臂結(jié)構(gòu)。通過使用兩個手指組成一個微夾持器夾住軸。在軸被IPMC指抓持時，電壓從0V逐步地加到3V。認為摩擦系數(shù)是（0.2）?？紤]到這些情況，下面的輸入?yún)?shù)在軸孔裝配時寫在MatLab-2008軟件程序里。
l 軸直徑（d1)=5.0mm
l 孔直徑（D1)=6.5mm
l 倒角（αi）=45°
l 塑料銷釘和孔之間的接觸摩擦系數(shù)（μi）=0.2
l 裝配時間（t)=3s
l 第一個IPMC指傾角（φ1）=1 rad
l 第二IPMC指傾角(φ1)=1 rad
l IPMC側(cè)向彈簧剛度(Kxi)=0.068N/m
l 每一個IPMC指長度（Li1和Li2）=40mm
l 每一個IPMC的楊氏模量(Ei)=140MPal
（a）尖端力響應(yīng)測試設(shè)置 （b）響應(yīng)力實驗數(shù)據(jù)
圖11.IPMC力學(xué)性能分析實驗
圖12.PD控制系統(tǒng)下的IPMC系統(tǒng)響應(yīng)
圖13.IPMC微夾持器夾持特性
l 每個IPMC的轉(zhuǎn)動慣量=6.6×10-15m4(Ii=112×b（寬)×h3(厚)）
l 每個IPMC的寬b=10mm
l 每個IPMC的厚h=0.2mm
l 初始觸電（zi)=1mm
l 每個IPMC的電壓（Vi1和Vi2）=0-3V
l 每個IPMC的路徑常數(shù)（Ki1和Ki2）=5.6
l 軸重量（W）=0.00012Kg
l 力的作用點到軸端位置的距離（Lgi）=60mm
l 比例控制增益（kp）=28
l 微分控制增益（kd）=0.1
使用這些參數(shù)，我們分析了以下軸孔裝配特性：
（i） 抓持特性：在模擬過程中，IPMC微夾持器執(zhí)行以下步驟：
l 首先，通過在每個手指所需位置施加不同的電壓使IPMC抓住軸。
l 其次，根據(jù)需要給每個IPMC施加不同的電壓（0-3V）來糾正誤差。它取決于位置 的軸孔的位置。IPMC手指抓持特征如圖13所示?？梢钥吹?，物體從右邊（RHS)移動到左邊（LHS），孔朝左。所以，IPMC轉(zhuǎn)向?qū)⑤S向左移動。這糾正橫向誤差。最初，軸心在0.0075m處，糾正之后在x軸0.0050m處。
（ii）受力特點：特征力隨時間的曲線如圖14所示。可以看到，IPMC在0.5s內(nèi)產(chǎn)生尖端力。在3V時獲得最大抓持力1.2mN。
圖14.每個IPMC指力特性
3.3 裝配誤差評估
通過IPMC指糾正橫向位移后，軸到達孔倒角的位置。SCARA機器人把軸插入孔。在插入過程中，軸相對于x軸偏6.7°（最大），軸傾向特點如圖15所示。在校正之后在2.9s內(nèi)軸的方向從最大位置6.7°到達垂直位置。在此期間，軸相對于Y軸旋轉(zhuǎn)，這也由IPMC電壓控制。
裝配誤差的估計，如圖16所示。這個誤差由橫向誤差和角誤差組成，從圖看出，當軸裝入孔時，通過IPMC指把誤差從4.467mm減小到最低2.831mm。實現(xiàn)裝配誤差減少36.62%。IPMC微夾持器允許在減小這種誤差后由SCARA機器人來軸孔裝配。
圖15. 在裝配過程中，與槽接觸后軸的傾角特性
圖16.裝配誤差
4.實驗測試設(shè)備
一種使用柔性IPMC微夾持器軸孔裝配的SCARA測試設(shè)備如圖17所示。包括以下設(shè)備：
（a）柔性IPMC微夾持器
（b）SCARA機器人
（c）誤差測量視覺系統(tǒng)
每個設(shè)備的描述如下：
（a）柔性IPMC微夾持器：基于微夾持器的柔性IPMC安裝在SCARA機器人（型號：MTAB Quest）末端執(zhí)行器的位置，如圖17（b）。每個IPMC指定制尺寸（40mm×10mm×0.2mm, 定制：ERI,USA）。這些都是單獨由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）卡（制造：PCI 1720U）通過接口與電腦和功率放大器提供1-3V電壓激活。（圖17（a））。由Visual C++編譯一個程序，根據(jù)需要獨立地給每個IPMC指施加1-3V電壓，控制彎曲。在實驗中，一個伺服電機(型號: HS 85 MG)被安置在微夾持裝置中來產(chǎn)生角誤差；這個角誤差也由IPMC手指校正。伺服電機由伺服控制器控制（型號：ATmega1280／V）。伺服控制器工作電壓的要求直流5 V，接線示意圖如圖18所示。
（b）SCARA機器人：通過柔性微夾持器校正橫向和角誤差后，由SCARA機器人完成裝配（圖17（b））。SCARA機器人每個動作重復(fù)精讀和分辨率分別是±0.3mm和0.1°，它們也會在裝配中引起誤差。一個塑料軸和孔物件用來裝配，孔的直徑為6.5毫米，并有1.5毫米倒角。因此，橫向位移可以在軸接觸角位置時測量。為找到成功裝配概率，在實驗中采用不同尺寸軸（例如5.0mm，5.5mm及6.0mm）。
（c）測量誤差的顯示系統(tǒng)：視覺系統(tǒng)是用照相機1（制造：Logitech，型號：HDc910）。這臺相機可以采取10像素的圖像并與計算機連接用于測量裝配的誤差，如圖17（c）。用于從圖像編碼中獲得實驗數(shù)據(jù)的圖像處理算法是用Visual C++編譯的。軸的橫向位移由裝在軸孔裝配前面的相機2（制造：Logitech，型號：HD c910）完成。它也安裝在微夾持器前面，并與計算機相連接。這種基于視覺的（反饋）的閉環(huán)控制有效地測量IPMC的誤差。方格紙放在裝配后面，所以軸的橫向位移可以在操作過程中被顯示出來，如圖19。為攝像機標定的目標，每一幀都被捕獲，并且直徑的兩端（6.5mm）分布209個像素。因此，一個像素等于約0.0311毫米；這個數(shù)據(jù)是用來找出不同的裝配參數(shù)。這種視覺系統(tǒng)在這樣的軸孔裝配中提供反饋，可能是最可行的解決方案。使用視覺系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，它可以提供一個有效的IPMC的位置/方向反饋。它可以跟蹤的高分辨率圖像的精度，圖像處理的速度是非?？斓?，它是非接觸、無沖擊和振動影響的系統(tǒng)。在過去，一些創(chuàng)造者已經(jīng)使用一種視覺系統(tǒng)有效地控制IPMC機器人設(shè)[35–37]。
（a）IPMC測試設(shè)備 （b）SCARA機器人設(shè)備 （c）顯示設(shè)備
圖17. SCARA軸孔裝配實驗測試設(shè)備
圖18. SCARA型軸孔裝配測試裝置示意圖
圖19.設(shè)備安裝細節(jié)
在試驗過程中，下列步驟已經(jīng)執(zhí)行。
第一步 柔性IPMC微夾持器安裝在SCARA機器人末端執(zhí)行器的位置。
第二步 借助SCARA機器人軟件，SCARA機器人設(shè)置在初始位置（600,0,230）；操作程序在SCARA機器人手冊中[ 38 ]。
第三步 IPMC抓住軸，并由DAC和使用的計算機代碼的IPMC控制電路操控。根據(jù)情況，通過DAC給每個通道IPMC微夾持器施加1-3V范圍電壓，使之從左（LHS）向右（RHS）橫向移動，反之亦然。
第四步 視覺系統(tǒng)是用來估計誤差。在視覺系統(tǒng)中，兩個相機（1和2）被安裝在不同位置，并與計算機連接。橫向位移和裝配誤差可以根據(jù)這些相機得到。通過相機2根據(jù)裝配之后軸心到孔心的距離得到橫向位移。同樣，裝配誤差也使用相機1根據(jù)軸中心與孔中心之間插入前后的距離找到。
第五步 在裝配實驗過程中，不同軸角對準誤差是由伺服電機產(chǎn)生。這個誤差是由IPMC微夾持器校正。
第六步 倒角位置糾正橫向和角方向后，由SCARA機器人完成插入；裝配就實現(xiàn)了。
5.結(jié)果與討論
5.1 柔性微裝配性能實驗
在實驗過程中，通過不同的電壓控制IPMC微夾持器橫向和角對齊校正橫向和角對齊。分別地給一手指2V電壓另一指3V。連續(xù)的步驟如圖20所示，這是通過攝像機1和2捕獲的。為找橫向誤差，軸在相機2前從左（LHS）向右（RHS）移動，連續(xù)的步驟如圖20（i）所示。
作為測量目的，軸的軸線和方格紙上畫的軸（在背面）初始條件時保持相同，所以紙上軸線的軸位置和孔軸線清晰可見。在第一步驟中，軸由IPMC抓著。在接下來的步驟中，當我們給IPMC施加電壓時軸從先前的位置向孔中心輕微移動。之后，軸在第三步和第四步到達倒角位置。在第五個位置，軸轉(zhuǎn)向孔位置中心，在第六步軸被SCARA機器人插入孔。
為找到裝配錯誤，軸在孔中的位置通過相機可以看到，如圖20（ii）所示。這里，把藍色標記放在軸中心紅色標記放在孔中心。在第一步，我們這么放置相機1，所以軸心和孔心清晰可見。在第二步，當我們給每個IPMC施加電壓時，軸從左到右移動。之后，在第三四步軸接觸倒角位置。在第五步，軸到達孔中心附近。軸心和孔心再一次幾乎重合；在第六步，SCARA機器人完成插入動作。
橫向位移定義為相對于孔的中心位置的初始軸中心位置和校正后相對于孔中心位置的軸中心位置之間的距離。裝配誤差減少定義為軸中心位置相對于孔中心位置在裝配前后的距離。
裝配誤差減少百分比計算公式為：
（軸插入前相對于孔中心的位置 -軸插入后相對于孔中心的位置）/軸插入前相對于孔中心的位置× 100
當軸由SCARA機器人IPMC微夾持器插入孔時，機器人的插入速度在裝配中非常重要，因為軸接觸孔倒角時IPMC指的力平衡倒角的反作用力并進行裝配。方程式（20）必須滿足正確裝配。因此，裝配在不同速度下完成如圖21。從圖中看到，8-12m/min是最佳裝配速度。在實驗中也能看到最合適度速度是8m/min，它滿足方程（20）。在8m/min時最大裝配誤差從2.265mm減少到0.3477mm。
為了測試IPMC微夾持器對軸角對準的校正，預(yù)先由伺服電機制造一個角度對準誤差。然后再轉(zhuǎn)動軸之后由SCARA機器人和IPMC微夾持器執(zhí)行裝配操作。在實驗中，伺服電機分別旋在（順時針和逆時針）0.25、0.5、0.75、和1.0°來制造初始失準角。實驗數(shù)據(jù)的收集和繪制如圖21所示。圖22（a）和（c），當我們旋轉(zhuǎn)微夾持器在0.25°任一方向時橫向位移校正，垂直裝配執(zhí)行。微夾持器逆時針方向旋轉(zhuǎn)0.25°時，裝配誤差最大減少達到46.04%。
在試驗過程中，當軸被插入孔時，軸的行為受柔順中心的位置影響，如圖23所示。柔性中心的位置與橫向和角誤差相關(guān)。在運動過程中，柔性中心大約在軸頂端。這表明在純橫向位移情況時第二種情況下，軸在接觸到倒角位置后在一個方向變化并轉(zhuǎn)動。這是裝配誤差中的組合效果；這是因為接觸力對軸施加側(cè)向力和力矩。兩者都是由IPMC電壓校正。
為分析裝配中不同尺寸軸情況，幾個實驗使用了不同軸尺寸（如5.0mm，5.5mm和6.0mm）與恒定孔直徑（6.5）。為找出每一種情況下的結(jié)果的標準偏差，進行了五個實驗，五個值的平均值在表1中給出了。可以看到垂直裝配在軸徑5mm或5.0mm時是可能的。裝配標準偏差至少需要軸徑5.0mm，因為軸和孔之間的間隙足夠裝配。在軸徑為6mm時，由于IPMC的低剛度不能進行完美的垂直裝配。
（a）IPMC抓持軸時軸的初始位置（b）軸朝著孔中心的輕微位置（c）軸朝著孔中心的第三位置（d）軸朝著孔中心的第四位置（e）軸朝著孔中心的第五位置（f）最后軸的插入位置
（i）使用相機2得到的IPMC微夾持器從初始位置到最終位置的橫向位置
（a）軸初始位置（b）軸向孔中心輕微移動（c）三、軸在接觸角的插入位置（d）四、軸在接觸角的插入位置（e）五、軸在孔中心附近的插入位置（f）軸插入孔的最終位置
（ii）使用相機1獲得的從初始軸位置到裝入位置的裝配估計誤差
（a）橫向位移 （b）裝配誤差
圖21.SCARA機器人不同的插入速度的裝配
（a）橫向位移糾正 （b）微夾持器順時針方向旋轉(zhuǎn)時的裝配誤差
（a）橫向位移糾正 （b）微夾持器逆時針方向旋轉(zhuǎn)時的裝配誤差
圖22.微夾持器在不同角度旋轉(zhuǎn)時的裝配誤差
表1
IPMC微夾持器柔性裝配
序號
例
減少誤差（mm）
標準偏差
備注
1
直徑為5mm，孔直徑6.5mm
0.4226
0.0086
裝配完成
2
直徑為5.5mm，孔直徑6.5mm
0.4392
0.0186
裝配完成
3
直徑為6.0mm，孔直徑6.5mm
0.5634
0.228
裝配未完成
5.2非柔性裝配的性能實驗
為比較柔性與非柔性裝配，我們有一個剛性剛性夾子（非柔性）裝配實驗。在非柔性裝配中，鋼軸由SCARA機器人末端夾著，如圖24。
裝配操作，根據(jù)以下步驟進行：
一、SCARA機器人被初始化到啟動位置。
二、SCARA機器人手抓通電后，軸由其末端抓持 。鋼軸和布置孔放在適當?shù)难b配位置，這樣軸就可以很容易的插入到倒角位置。在裝配過程中，使用不同尺寸軸（如5.0mm、5.5mm和6.0mm）及恒定直徑（6.5mm）倒角深度1.5mm的孔，如圖25所示。
三、在視覺系統(tǒng)中，只用相機1捕捉裝配誤差。裝配誤差由軸心位置相對于孔心位置在插入前后的不同計算。每個軸徑記錄五組實驗數(shù)據(jù)。
四、由SCARA機器人插入軸，進行不同的裝配。
誤差平均減少和標準偏差隨柔性裝配相似情況比較并計算。這張表中，非柔性裝配與柔性裝配比較變化更多，標準偏差在每組中也很高。這是因為末端執(zhí)行器不具有靈活性也沒有誤差的補償能力。
這兩種情況下的成功裝配操作的概率（柔性裝配和非柔性裝配）總結(jié)在表3中。從這表中，可以看到在軸徑為5.0mm孔徑6.5mm時更適合裝配。柔性裝配成功率（99.99%）比非柔性裝配成功率（99.79%）高。這表明柔性裝配能夠補償誤差（橫向和角）。它的實現(xiàn)是因為末端執(zhí)行器是由具有主動柔性的IPMC帶組成。
因此，結(jié)果表明，IPMC條有助于柔性裝配，通過控制各IPMC電壓校正誤差。IPMC微夾持器在裝配中通過增量式PD控制器施加0-3V小范圍電壓控制裝配誤差方面起著重要作用。IPMC反作用力也能在裝配過程中的小型零件操作中平衡失調(diào)。這些能力表現(xiàn)了實現(xiàn)軸孔裝配的新型柔性機構(gòu)在工業(yè)應(yīng)用中的潛力。
圖24.SCARA端部執(zhí)行器非柔性裝配
圖25.不同尺寸鋼軸
表2
SCARA端部執(zhí)行器非柔性裝配
序號
例
減少誤差（mm）
標準偏差
備注
1
軸徑5mm孔徑6.5mm
0.9654
0.0020
完成裝配
2
軸徑5.5孔徑6.5mm
0.8354
0.0078
完成裝配
3
軸徑6.0徑6.5mm
0.85042
0.0266
未成裝配
表3
柔性和非柔性裝配概率總結(jié)
序號
軸徑
正確裝配概率（%）
剛性（%）
柔性（%）
1
5.0mm
99.99
99.79
2
5.5mm
99.98
99.21
3
6.0mm
99.97
97.33
6. 結(jié)論
在本文中，討論了一種在使用柔性IPMC微夾持器的機器人裝配中校正裝配誤差的方法。主要貢獻是在裝配中引入基于IPMC微夾持器的視覺控制。在軸孔SCARA裝配中，零件的橫向位移和轉(zhuǎn)角需要被夾持器校正。此校正由IPMC微夾持器完成，因為IPMC具有靈活性和柔性性。IPMC的剛度在尖端反力控制中起著重要作用。當零件配合到倒角位置時，IPMC的反力平衡接觸摩擦力。IPMCS的剛度隨著改變輸入電壓而變化。使用PD控制器建立了數(shù)學(xué)模型，通過增益調(diào)節(jié)控制IPMC手指以構(gòu)建一個穩(wěn)定的系統(tǒng)和實現(xiàn)垂直裝配。實驗結(jié)果證明，IPMC的表現(xiàn)是線性的，因此用一個線性模型來近似它。因為裝配時間很短，它并不受IPMC固有問題的影響，如干燥、滯后和松弛。視覺系統(tǒng)迅速檢測IPMC的位置/方向，然后進行校正（通過PD控制器）；與復(fù)雜的自適應(yīng)控制器和學(xué)習控制器相比這是一個更簡單的方法。從SCARA機器人的軸裝配實結(jié)果看，視覺系統(tǒng)顯示柔性MC微夾持器有助于誤差校正和裝配。通過比較柔性和非柔性裝配結(jié)果發(fā)現(xiàn)柔性裝配的概率更高。實驗結(jié)果表明，IPMC微夾持器的誤差補償能力可以提高工業(yè)機器人軸孔裝配的性能（如SCARA）。
致謝
第一作者感謝編輯、IR中央機械工程研究所（中央機械工程研究所）、Durgapur、WB、印度給予許可發(fā)表該章。對該工作財政支持的CSIR、New Delhi、印度在第十一屆五年計劃“模塊化可新配置的微型制造系統(tǒng)(MRMMS) (批準號： NWP-30)”為原型開發(fā)。作者還要感謝Anupan Sana、 Biswanath Panda 和 Arun先生對在IIT Kanpur各種實驗工作的幫助。
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