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任務書 論文(設計)題目：立式精鍛機自動上料機械手三維設計 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月20日 1.選題依據: 本課題研究的機械手主要用于立式精鍛機，針對軸類零件精鍛自動生產線，將加熱后的坯料從運輸車上取下搬運到立式精鍛機上。機械手固定安裝在JD100立式精鍛機前 ，要求機械手抓取工件時，滿足被握持的工件形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等要求。 2.論文要求(設計參數): 1）抓重：60公斤 2）坐標形式：圓柱坐標 3）自由度數：4個 4）最大工作半徑：1700mm 5）手臂最大中心高：2300mm 6）手臂運動參數： 手臂伸縮范圍 0-500mm 手臂伸縮速度 伸出176mm/s 縮回233mm/s 0-600mm手臂升降速度 上升100mm/s 下降150mm/s 手臂升降范圍 0-600mm 手臂回轉范圍 0-200（實際使用為95 ） 手 臂 回 轉 速 度 60°/s 7）手腕運動參數： 手腕回轉范圍：0-180° 手腕回轉速度：201°/s 3.個人工作重點: 采用三維設計軟件完成立式精鍛機自動上料機械手的設計，包括機械手總裝結構設計、機械手手部、腕部、臂部結構設計、機械手升降機構的結構設計，同時編寫設計說明書，完成英文翻譯工作。 4.時間安排及應完成的工作: 第1周：布置畢設任務 第2周：根據題目查閱文獻第3周：準備開題報告材料 第4周：撰寫開題報告，準備開題答辯第5周： 查閱文獻進行方案設計 第6周：根據方案完成結構設計第7周：零件三維設計和建模第8周：零件三維設計和建模第9周：零件三維設計和建模 第10周：將三維零件進行裝配，完成裝配圖第11周：完善裝配圖和零件圖 第12周：完成設計說明書和英文翻譯第13周：完善設計說明書和英文翻譯第14周：上交材料，答辯 5.應閱讀的基本文獻: [1]天津大學編寫組編. 工業(yè)機械手設計基礎. 天津：科學技術出版社 [2]徐元昌．工業(yè)機器人[M]，北京：中國輕工業(yè)出版社，1986：1-97. [3]中國機械工程學會塑性工程學會．鍛壓手冊[M]，第3冊，北京：機械工業(yè)出版社 ，2007：641-688． [4]李允文．工業(yè)機械手設計[M]，機械工業(yè)出版社，1996.5. [5]孫志禮等. 機械設計[M]. 沈陽: 東北大學出版社. [6]齊進凱. 氣動機械手的結構設計、分析及控制的研究[D].東華大學,2006. [7]陳幼平，馬志艷，袁楚明，周祖德．六自由度機械手三維運動仿真研究[J]，計算機應 用研究，2006（6）P205-207． [8]賀煒，李劍玲，丁毅，李體仁，夏田．立臥兩用凸輪式換刀機械手的設計[J]，機械制 造，2003（7）． [9]嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992 [10]邢啟恩,宋成芳著. SolidWorks 2008 三維設計基礎與典型范例. 北京:電子工業(yè)出版社 ,2008,5. 指導教師簽字： XX 教研室主任意見： 同意 簽字：XX 2017年12月14日 教學指導分委會意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學院公章 進度檢查表 第 -1 周 工作進展情況 選定課題：立式精鍛機自動上下料機械手三維設計，同時對于課題進行一定的熟悉，了解其功能。并根據課題查閱關于自動上下料機械手的相關參考文獻，了解機械手的作用以及其應用、發(fā)展趨勢。定下設計參數與初步的結構選定方案，同時撰寫本課題開題報告，進行開題報告的答辯。 2018年01月10日 指導教師意見 根據課題查閱關于自動上下料機械手的相關參考文獻，了解了機械手的作用以及其應用、發(fā)展趨勢，掌握了立式精鍛機自動上下料機械手的有關內容，技術路線可行，時間進度安排合理，較好地完成了開題階段的任務。 指導教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 2 周 工作進展情況 查閱相關資料，并初步設計自動上料機械手的回轉定位結構，手臂伸縮 、升降結構、手腕和夾緊結構以及中間座結構的基本方案，并進行二維零件圖以及裝配圖初步繪制，撰寫設計說明書至方案設計部分 2018年01月10日 指導教師意見 根據畢業(yè)設計進度計劃，初步設計了自動上料機械手的回轉定位結構、手臂伸縮、升降結構、手腕和夾緊結構以及中間座結構的基本方案，撰寫設計說明書此部分初稿，并進行了二維零件圖以及裝配圖初步繪制，完成了進度計劃相關部分。 指導教師(簽字)：XX 2018年03月16日 第 5 周 工作進展情況 完成液壓原理圖，機械手中間部件裝配圖，機械手手臂升降、伸縮、回轉結構、夾持式手部、手腕部件以及油缸的二維裝配圖。對機械手的夾持式手部作受力計算分析并且得出夾緊力，利用夾緊力算出夾緊缸尺寸；計算安全力矩得出液壓缸所需壓力。并初步進行機械手各結構的三維建模。 2018年04月10日 指導教師意見 根據畢設任務計劃，完成了液壓原理圖、機械手中間部件裝配圖，機械手手臂升降、伸縮、回轉結構、夾持式手部、手腕部件以及油缸的二維裝配圖。進行了機械手的夾持式手部作受力計算，并初步進行機械手各結構的三維建模。 指導教師(簽字)：XX 2018年04月11日 第 8 周 工作進展情況 完成所有二維裝配圖紙，液壓原理圖紙。設計并校核完機械手的零部件及各結構的分析，并繪制完成機械手大部分的零部件的三維建模， 完成立式精鍛機自動上料機械手的設計說明書初稿。 2018年05月01日 指導教師意見 完成了二維裝配圖紙、液壓原理圖紙；完成了機械手的零部件及各結構的校核；完成了機械手手腕和手部零部件的三維建模；完成了立式精鍛機自動上料機械手的設計說明書初稿。 指導教師(簽字)：XX 2018年05月02日 第 11 周 工作進展情況 完成機械手所有的三維裝配以及所有的二維圖紙，立式精鍛機自動上料機械手三維設計說明書撰寫完畢，英文文獻翻譯完畢。 2018年05月19日 指導教師意見 完成機械手所有零部件的三維裝配體，生成了二維圖紙，完成設計說明書和英文文獻翻譯。準備畢業(yè)答辯。 指導教師(簽字)：XX 2018年05月21日 第周 工作進展情況 年 月 日 指導教師意見 指導教師(簽字)： 年 月 日 過程管理評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 工作態(tài)度 態(tài)度認真，刻苦努力，作風嚴謹 3 3 遵守紀律 自覺遵守學校有關規(guī)定，主動聯系指導教師,接受指導 3 2 開題報告 內容詳實，符合規(guī)范要求 5 3 任務完成 按時、圓滿完成各項工作任務 4 4 過程管理評分合計 12 過程管 理評語 該生在畢業(yè)設計過程中態(tài)度認真，刻苦努力，積極主動地分析問題和解決問題，主動聯系指導老師，遇到問題，積極主動地查閱資料，并能解決問題。通過查閱相關文獻資料，很好地完成了開題報告，開題報告內容詳實，論述清晰，格式規(guī)范，同時很好地完成了文獻綜述。從方案設計、結構設計、三維建模整個畢設過程，都能夠獨立思考，認真完成了中期檢查，符合進度計劃的要求。設計說明書論述清晰，分析、計算過程準確，結構合理，很好地完成了畢業(yè)設計任務。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-22 指導教師評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 3 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 指導教師評分合計 14 指導教 師評語 XX同學的畢業(yè)設計題目符合培養(yǎng)目標要求，具有研究價值和實踐意義，難度適宜，工作量飽滿，有一定的創(chuàng)新性。該生有較強的綜合運用知識能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力、科研方法運用能力和分析問題解決問題的能力。論文文題相符，概念準確，分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理，結論明確；論文結構合理，撰寫格式、圖表等符合規(guī)范要求，論述清晰，該生具有中文表達與外語能力。在整個畢業(yè)設計過程中，該生態(tài)度較為端正，按時完成階段性任務，同意該生參加畢業(yè)答辯。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-22 評閱人評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 3 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 評閱人評分合計 14 評閱人 評語 論文以立式精鍛機自動上料機械手為設計內容，主要完成了機械手的機械結構和液壓驅動系統(tǒng)的設計。論文選題具有較高的工程應用價值，題目難度適中，工作量飽滿。論文的設計思路清晰，計算流程較為完備，表明該生具有比較扎實的專業(yè)知識基礎，具備應用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力。論文文字表述流暢，文獻分析合理，軟件使用熟練。論文計算準確，流程完整，結果合理，設計過程較為完備。論文結構明晰，寫作規(guī)范，圖表詳細，符合論文寫作規(guī)范。該生已達到本科生培養(yǎng)目標要求，建議準予答辯。 評閱人簽字：XX評閱人工作單位：XX日期：2018-05-22 答辯紀錄 學生姓名：XX 專業(yè)班級：XX 畢業(yè)論文(設計)題目： 立式精鍛機自動上料機械手三維設計 答辯時間：2018年05月 日 時 分 ~ 時 分 答辯委員會(答 主任委員(組長)： XX 委 員(組 員)： XX XX 辯小組)成員 答辯委員會(答辯小組)提出的問題和答辯情況 問題1：圖上零件運動關系是怎樣的？主從運動是什么？ 回 答： 定位油缸進行定位，定位后，手臂伸出并回轉，通過液壓系統(tǒng)帶動夾鉗式手部進行工件夾取 主運動為手臂運動，從運動為手部運動。 問題2：說明圖內的運作原理，順序 回 答： 定位油缸帶動手臂伸縮機構，手臂移動之后手腕回轉，再進行手爪的抓取 問題3：裝配圖中方框的含義是什么 回 答： 在進行繪制時，由于使用復制命令，沒有復制原方框，導致此處方框無意義。是畫圖的失誤，抱歉。 問題4：軸的軸向是如何固定的 回 答： 利用一對滾動軸承進行定位問題5：ф12H7是什么意義 回 答： 孔的直徑為12mm，基孔制配合，公差為7級 記錄人： 2018年05月24日 答辯委員會評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 自述總結 思路清晰,語言表達準確,概念清楚,論點正確,分析歸納合理 10 7 答辯過程 能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據 10 7 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語應用能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 10 7 答辯委員會評分合計 32 答辯委員會評語 XX同學在畢業(yè)設計工作期間，工作努力，態(tài)度比較認真，能遵守各項紀律，表現一般。 能按時、全面、獨立地完成與畢業(yè)設計有關的各環(huán)節(jié)工作，具有一定的綜合分析問題和解決問題的能力。 論文立論正確，理論分析無原則性的錯誤，解決問題方案比較實用，結論正確。 論文使用的概念正確，語句通順，條理比較清楚。 論文中使用的圖表，設計中的圖紙在書寫和制作時，能夠執(zhí)行國家相關標準，基本規(guī)范。 能夠獨立查閱文獻，外語應用能力一般，原始數據搜集得當，實驗或計算結論準確可靠。 答辯過程中，能夠簡明地闡述論文的主要內容，回答問題基本正確，但缺乏深入地分析。 答辯成績： 32 答辯委員會主任： XX 2018年05月30日 成績評定 項目分類 成績評定 過程管理評分 12 指導教師評分 14 評閱人評分 14 答辯委員會評分 32 總分 72 成績等級 C 成績等級按“A、B、C、D、F”記載 成績審核人簽章： XX 審核人簽章： XX 附錄一 外文譯文 機械手生產設計的進化和發(fā)展 摘要 信息物理系統(tǒng)的出現已經在機器人協(xié)作制造的背景下提高了利用率。完成這樣要求的一種方法是通過制造更便宜的，更加容易制造的機器人，它們能夠通過中小企業(yè)進行制造。為了解決這個問題，本實驗利用了快速原型機制造技術開發(fā)能夠通過信息物理生產系統(tǒng)開發(fā)的可定制機器人操作器。因此，本研究有助于設計連接型和快速原型機器人。這種方法同時考慮了實現機器人機械手所需的軟件和硬件的發(fā)展。此外，生成設計，一種被用來進化和人工智能為基礎的方法，用于設計機器人關節(jié)之間的鏈接模塊。該組件已被定義為理想的設計并且通過此方法，它可以有利于與快速原型耦合的生成設計方法的大部分。本文還探討了基于因特網控制技術的機器人機械手的控制結構在信息物理系統(tǒng)中的貫徹。 1.介紹 1.1信息物理系統(tǒng) CPPS由自主合作系統(tǒng)（例如智能機器）和子系統(tǒng)（例如智能工廠）組成。它們依靠著情境而來互相聯系。在所有生產層次上，從過程級到工廠級和生產級。 實施CPPS的主要驅動因素之一是生產系統(tǒng)的連續(xù)適應性和進化的需要，不斷變化的生產系統(tǒng)需求可以追溯其起源于易變的客戶行為和不斷發(fā)展的產品。 需要適應顧客的需要也就暗示著生產系統(tǒng)需要利用有高效率的生產系統(tǒng)同時也適應制造環(huán)境的需要。由于機器人提供高效率和精確性，同時不犧牲靈活性，信息物理生產系統(tǒng)的出現帶來了機器人的增加利用。也就是說，隨著協(xié)作和連接機器人的出現，機器人的發(fā)展趨勢正在發(fā)生變化。這一趨勢在達沃斯世界經濟論壇上也得到了強調，它將先進的機器人識別為工業(yè)4.0背后的主要技術驅動力之一。 1.2合作和可聯系的機器人技術 這就是說，這并不意味著人類將完全從車間中移除。事實上，在詳細的研究和實驗的基礎上，菲佛認為，在將來的車間內，人類的經驗將仍然是需要的。由此可見，人類和機器人在制造業(yè)合作的需求將在未來幾年內增加。為了證實這一說法，布魯斯對機器人公司的關鍵管理者進行了討論，并基于這種CIN對這種日益增長的需求的反應，實際上可以看出所有主要機器人制造商是如何引入他們的陣容的。 為了在CPPS中貫徹實施，這些機器人需要容易地連接到控制制造操作的控制系統(tǒng)。CPPS的核心是分散或局部控制。這種本地化的CPPS是通過使用具有嵌入式處理和聯網能力的機器來實現的。這些能力擁有著分布式認知控制的第三個特性。這種分布式控制越來越受歡迎，具有使用認知處理來分析從機器傳感器收集的數據的能力，這允許對CPPS控制的分散。 持續(xù)適應的需求也推動了實施插裝生產概念方法的發(fā)展。插裝生產允許根據生產需要從生產系統(tǒng)中添加和移除生產系統(tǒng)的不同元件。 這種插頭和生產的概念也允許模塊化生產系統(tǒng)的開發(fā)。正如幾位作者所解釋的，Schleipen等人、OnRi和MaEDA。插裝的概念不僅必須支持機械功能，而且還需要開發(fā)新的和改進的軟件和控制范例。 1.3機器人的民主化 大公司有專門的開發(fā)團隊，也有實現這些技術的投資潛力。據國際機器人聯盟(International Federation for Robotics)報道，2015年全球機器人銷量增長了15%，達到253,748臺，創(chuàng)造了一年以來的最高水平。 這些先進的制造技術同樣也不能被說成中小企業(yè)，盡管中小企業(yè)比大公司占了最大的比例。因此，如果正如Sommer所描述的那樣，中小企業(yè)并不是工業(yè)4.0的第一個受害者，那么就有必要使機器人技術的使用民主化。 技術的民主化是指更多的人快速獲得技術的過程。滿足這一需求的一種方法是通過開發(fā)更廉價和更可定制的機器人來促進機器人的實現，這些機器人可以很容易地由中小型企業(yè)實現。 由于中小型企業(yè)對工業(yè)4.0技術的投資意愿較低，提供更便宜的機器人可能會增加機器人的使用。此外，使機器人易于連接和訓練也可以解決中小型企業(yè)對機器人使用和實現的任何保留。這些方法同時提供了一個機器人平臺的可能性，可以為中小企業(yè)廣泛變化的需求定制，也會增加機器人技術和工業(yè)4.0技術。 1.4實驗目標 為了應對這些挑戰(zhàn)，本研究旨在利用快速原型技術開發(fā)可定制的機器人操作器，這些技術可以在信息物理生產系統(tǒng)中實現。為了盡量減少機械手的重量和成本，這種方法利用了一種生成設計技術來設計機器人關節(jié)之間的連接。生成設計是一種進化和人工智能方法，并在第2節(jié)中進一步討論。其他處理類似的方法也在第3節(jié)中提出。第4節(jié)描述了用于開發(fā)機器人機械手的方法。第5節(jié)給出原型設計和實現。本研究的結論和未來工作將在第6節(jié)提出。 2 生成設計 生成設計并不是一個新概念，它有時被稱為進化設計，它指的是在這個計算過程中使用的搜索技術和進化算法。在參考文獻[11]中，本特利和韋克菲爾德描述了一個原型設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種遺傳算法從零起點進化出新的概念設計。在這種方法中，原型系統(tǒng)創(chuàng)建了新的設計，并使用遺傳算法對這些設計進行迭代優(yōu)化。遺傳算法利用了這些原理。在自然中發(fā)現的進化首先產生一個解決方案，然后“復制”最適合的解決方案。通過隨機交叉和變異操作將這些適合父母的基因型組合起來，生成后代。賓利和韋克菲爾德的設計系統(tǒng)由三個要素組成: 在設計過程中，適當地表示實體對象，使計算機能夠有效地操縱候選設計。 xA改進的遺傳算法從零進化出這樣的代表設計。 xEvaluation軟件指導演進過程。 正如參考文獻[12]所解釋的，概念設計過程可以作為一個優(yōu)化過程提出。為了達到一個解決方案并確定一組規(guī)則，以評估針對特定設計問題的解決方案的適用性。這些方法充分利用了進化計算的創(chuàng)造性，以便發(fā)現可能沒有被人類設計者發(fā)現的解決方案。因此，這種設計技術可以用來提高設計開發(fā)對人類設計師的支持，同時在設計過程的中心保持設計師。Krish在其生成設計過程中也描述了這種協(xié)同開發(fā)方法。Krish解釋了設計師如何明確定義約束信封，其中定義了解決方案的幾何可行性。正如Sun等人所解釋的，使用這種進化技術進行設計自動化不僅可以提高設計的功能，而且還可以減少開發(fā)時間，降低成本，特別是在設計復雜組件時。 3 當前發(fā)展狀況 在本節(jié)中，作者展示了與本研究主題相關的藝術狀態(tài)。使用生成設計。生成設計的一個應用在一個具有相對復雜特征的典型微球端銑刀的設計中得到了解釋。通過生成設計方法對該產品進行分析，生成所需運動軸的數量和性質。本研究在設計一種新型五軸激光機的過程中進行了分析。 另一個應用是Lee的一個進化系統(tǒng)用于自動機器人設計。這項工作探索了不同的設計問題，從機器人的簡單行為控制器，到復雜的行為控制器，最后是完成一個完整的機器人系統(tǒng)，包括控制器和物理結構。 生成設計的一個有趣的應用是Saravanan等人在機器人夾子的設計中獲得了最優(yōu)的幾何尺寸?；谒麄儗嶒灥某晒?，本研究的作者得出結論，這項工作為進一步研究如何利用智能技術解決復雜的工程優(yōu)化問題打開了方便之門。 生成設計也被用來優(yōu)化3D打印應用。其中一種方法是asadio - eydivand等在骨組織工程中使用3D打印支架。本研究成功地利用進化算法探索不同的3D打印參數。 正如Onal等人所解釋的那樣，打印機器人的能力為現代的、真實的機器人應用程序引入了一種快速且低成本的制造方法。采用3D打印技術開發(fā)基于折紙結構的機器人。雖然這些機器人目前還沒有合適的工業(yè)應用，但它們展示了3D打印技術的實用性，以成本效益的方式打印復雜結構，同時為新的創(chuàng)新設計打開了大門。 Bulgarelli等也采用了類似的方法，開發(fā)了一種低成本、開源的3D打印技術的機器人手。本研究采用的一種有趣的方法是，開發(fā)的硬件和軟件都是在線提供的，以促進社區(qū)的進一步改進。開源社區(qū)為了促進機器人的民主化。Armesto等實際上認為，3D打印技術的廣泛應用使機器人社區(qū)有機會接觸到更廣泛的公眾。本研究實際上提出了一種用于工程教育的低成本可打印機器人的設計。 在文獻綜述中，作者可以得出結論，沒有辦法將3D打印的機器人與在CPPS中使用的生成設計方法結合起來。如第1節(jié)所述，這種方法將降低實現成本，從而維持機器人的民主化，從而支持中小型企業(yè)執(zhí)行CPPS。 4 支撐著生成設計的過程 為了保證CPPS的即插即用概念，需要使用一種方法來考慮信息網絡透視圖。因此，為了開發(fā)這樣的系統(tǒng)，需要采用一種方法。本文對幾種設計方法進行了綜述。雖然它們都突出了CPPS的多個透視圖，但這些都沒有說明從需求到最終設計的設計過程。這種缺乏CPPS的設計方法也得到了Fisher等人的強調。 因此，設計了基本的設計周期[26]。該設計過程如圖1所示，因此在本研究中使用，以開發(fā)網絡連接的機器人機械手。 CPPS設備的這個設計過程描述了從目標(需求)到方法(經過批準的設計)的設計周期。在這一設計過程中，設計者可以利用人工智能的生成設計技術來自動化設計合成、模擬和評估活動。也就是說，這并不能消除設計過程中的設計師。本研究提供的設計過程是一個人在循環(huán)系統(tǒng)。因此，雖然設計過程的一些活動可能是自動化的，但最終決定批準設計的還是設計師。 圖1 一個CPPS設備的生成設計周期 此外，設計周期說明了在CPPS的合成設計過程中，物理和網絡組件是如何被考慮的。此外，為了滿足系統(tǒng)的要求，CPPS設備還必須使用可實現技術，如可配置性、模塊化、可診斷性和可連接性。 5 原型的設計和實現 5.1物理組件的設計 物理組件設計過程導致機器人機械手的物理接口。物理系統(tǒng)設計利用一組機器人關節(jié)模塊，其中一些模塊由一個鏈路模塊連接。機器人機械手一旦產生和裝配，本質上就是一個鉸接機器人，如圖2所示。機械手是在關節(jié)模塊中使用步進電機驅動的。 5.1.1可構成設計 為了滿足不同工業(yè)應用的定制要求，通過選擇、添加和移除關節(jié)和鏈路模塊來配置物理機器人機械手設計。機器人機械手的主要結構如圖2所示，其自由度為6。這意味著機械手是由六個關節(jié)組成的，每個關節(jié)都是一個轉動關節(jié)。六自由度確保末端執(zhí)行器能夠到達機械手工作空間內的任何位置和方向。采用不同的步進電機尺寸和齒輪比，以最大限度地提升1.5公斤的負荷。 5.1.2 3d打印設計 由于機器人的機械手主要是快速原型，在原型制作過程中需要考慮幾個因素和限制因素。融合沉積模型(FDM)和立體成像(SLA)作為快速成型的過程。這個過程是根據每個部分的幾何形狀來選擇的。其中一個側面有重要幾何形狀的部件是使用SLA的3D打印的，例如特別設計的齒輪。把重要的幾何形狀與支撐材料放在一起，對保持幾何形狀是很重要的。 圖2 機械手的裝配模型 另一方面，在一個側面有一個平面的部分是用FDM印刷的，那一面被放在了印刷床上。當3D打印部件在內部和不可到達的部分需要支撐材料時，也鼓勵使用FDM。在這些情況下使用可溶性支架，使支架材料在后處理過程中易于移動。 在設計3D打印時，考慮的一個重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模的同時，設計了幾個部件，以使壁厚達到最小。這第一步導致了尋找其他可能的減肥方法。這包括減少連接模塊的直徑，導致所有內部部件也變得更小，因而更輕。 5.2生成設計 另一種減輕重量的方法是在不必要的大體積的零件上制造出洞。因此，如第1.4節(jié)所述，連接機器人關節(jié)的鏈接模塊是選擇性的，作為演示生成設計使用的理想案例研究。在Autodesk發(fā)明人CAD系統(tǒng)中使用形狀生成器函數實現了生成設計練習。 5.2.1構建容量和設計約束 第一步是創(chuàng)建部件模型的構建卷或近似。一個圓柱形的形狀被用作鏈接模塊的原始構建卷。在定義了構建卷之后，下一步是定義隔離區(qū)域。生成設計過程在創(chuàng)建引導形狀時不會修改這些區(qū)域。最后給出了應用于該零件的約束和力。然后在自動模擬臨時設計解決方案時使用這些標準，以評估每個解決方案滿足設計需求的能力?；跈C器人機械手的設計，本案例研究使用的標準是在中軸線上可以承受的力。 圖3所示的模型說明了應用于鏈路模塊的初始構建量和設計約束。需要注意的是，這個物理組件的設計是為了通過電力驅動的線路而需要的隔離區(qū)域。 5.2.2形狀的生成 根據指定的設計標準，在Autodesk Inventor中運行了一個形狀生成器研究。該算法生成的網格如圖4所示。 圖3 生成設計約束 圖4 由生成設計過程產生的網格 網格可以作為設計者的指導。 通過剪切、擠壓和其他特性編輯來修改構建卷模型。設計師的編輯改變了。 從近似到組件設計的生成設計。 5.2.3結果 生成設計練習的結果如圖5所示。這種設計保持了相同的結構完整性，但在重量和建造時間上都大大減少了，因此也降低了機器人操縱器的整體成本。 5.3 網絡組件設計 5.3.1要求 該設備控制系統(tǒng)的設計目標是鼓勵與其他系統(tǒng)的集成，并鼓勵系統(tǒng)集成商進一步開發(fā)。集成必須以簡單和快速的方式在硬件和軟件領域進行。系統(tǒng)必須基于標準化或開源軟件控制和開發(fā)工具。為了維護一個民主的設計，控制硬件必須基于商業(yè)上的貨架部件(COTS)，從而實現低成本的解決方案。 圖5 生成設計的訓練結果 5.3.2工業(yè)因特網 基于因特網硬件的工業(yè)網絡作為控制系統(tǒng)的骨干。有多個相關的工業(yè)因特網協(xié)議，為這個解決方案選擇的是EtherCAT。 EtherCAT是一個基于標準因特網物理層(Ethernet PHY)的工業(yè)網絡。網絡是確定性的，可以在實時環(huán)境中使用。它支持比其他工業(yè)網絡更短的周期，這使得它適合運動控制應用。除了適當的性能，EtherCAT還提供了其他因素，使它適合用于機器人技術民主化的系統(tǒng)。 當網絡建立在因特網的基礎上時，他們通常需要一個托管的網絡交換機，每一個EtherCAT設備都有兩個因特網PHYs，通過一個daisy鏈配置來連接它們，如果一個環(huán)形網絡拓撲足夠的話，就可以消除對網絡交換機的需求。此外，EtherCAT的從屬設備負責控制網絡的時間，而不需要專門的主網絡控制器。因此，EtherCAT網絡中的主設備可以使用通用COTS Ethernet網絡接口卡(NIC)，從而降低實現以太網絡的成本。使用標準的NIC可以通過使用任何具有基本以太網功能的設備來實現EtherCAT主機，這包括使用一個樹莓Pi，開發(fā)人員認為合適。EtherCAT是一種開源技術，它鼓勵開發(fā)硬件和軟件來使用這種技術。 5.3.3 機器人控制 如圖6所示，機器人控制器基于ATMega2560，通過Arduino/Genuino開發(fā)平臺開發(fā)。除了與Arduino開發(fā)解決方案所需的低成本之外，龐大的用戶群對各種項目做出貢獻，縮短和簡化了微控制器開發(fā)周期。 如圖6所示，單片機通過微芯片的LAN9252接口連接到EtherCAT網絡。 使用SPI通信的從設備的EtherCAT控制器。基于LAN9252的Arduino平臺的COTS附加組件(shield)是由AB&T Srl生產的。機器人控制器從它的EtherCAT主機接收聯合位置數據，然后從聯合位置轉換到所需的脈沖來驅動步進電機。 圖6 機械手的控制 6 結論 因此，該研究為設計連接的快速原型機械機器人提供了一種方法。這種方法考慮了實現機器人操作器所需的軟件和硬件開發(fā)。此外，這種方法演示了生成設計，一種進化和人工智能方法，來設計機器人關節(jié)之間的連接。 該鏈接模塊被認為是利用生成設計的優(yōu)點和快速原型設計的理想組件。本文還探討了一種基于以太網控制技術的機器人機械手控制結構，用于網絡物理生產系統(tǒng)的實現。未來的工作將包括對機器人機械手的測試，以確定系統(tǒng)的準確性和重復性，并確定進一步改進的領域。 附錄二 外文原文 一、選題依據 1、論文（設計）題目 立式精鍛機自動上料機械手三維設計 2、研究領域 三維設計，機械設計，液壓傳動 3、論文（設計）工作的理論意義和應用價值 我國國家標準(GB/T 12643-90)對機械手的定義：具有和人手臂相似的動作功能， 可在空間抓放物體，或進行其它操作的機械裝置。 機械手技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。 理論意義：其一，對于機器人的研制，尤其仿人機器人的研究應用，必將對機器人行業(yè)起到積極的促進作用；其二，仿人機械手的研發(fā)隸屬于制造業(yè)，其研制成功與推廣，可以增加就業(yè)，創(chuàng)造經濟價值；其三，其技術的實現可以促進制造業(yè)的信息化、自動化和產品的智能化，提升產品技術含量和附加值，從而促進我國制造業(yè)相關技術領域的發(fā)展。 應用價值：機械手是最早出現的工業(yè)機器人，也是最早出現的現代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著我國經濟的騰飛，國家在工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展，機械手作為工業(yè)生產中非常重要的一種工具，對其技術的不斷突破也變得日趨重要。目前，機械手的種類大至可按驅動方式分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調、頻繁的操作代替人作業(yè)。 本課題研究的機械手主要用于立式精鍛機，針對軸類零件精鍛自動生產線，將加熱后的坯料從運輸車上取下搬運到立式精鍛機上。機械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機前，要求機械手抓取工件時，滿足被握持的工件形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等要求。 4、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 工業(yè)機械手的第一次迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應用在美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，時間大約是在上世紀 40 年代，它是一 10 種主從型的控制系統(tǒng)。1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手?？刂葡到y(tǒng)有別于 40 年代的主從型而是示教型的；1962 年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上， 研制出一種更新興的機械手，運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。這個機械手對機械手的發(fā)展有著深遠的意義， 日后的不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同一年該公司和普曼公司合并成重組為萬能制動公司，專門生產工業(yè)機械手。雖然上述機械手出現在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的重要基礎。在機械手得到一定程度的發(fā)展后，從 60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制出一種 Unimation-Vic.arm 型工業(yè)機械手， 裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。聯邦德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚 30 年左右，起步于上世紀 70 年代，1972 年我國第一臺機械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃開始，我國政府更加加大了對工業(yè)機器人的重視程度， 并且為此項目投入了大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，其中有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人， 廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器等。 目前工業(yè)機械手在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定 的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時， 即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作時電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 隨著機械手的發(fā)展，人們也對機械手的應用與發(fā)展提出了更高的要求，一是重復高精度，精度是指機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置密切相關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。顯然， 重復精度比精度更重要；二是模塊化，有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向；三是無給油化，無給油化是個新提出的概念，主要是為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現， 構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長；四是機電氣一體化，機電氣一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制” 進到高度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 機械手總裝結構設計，機械手驅動結構的設計，機械手手部、腕部、臂部結構設計，機械手升降機構的結構設計，機械手的驅動控制。 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）選擇機械手基本形式； （2）采用合適的坐標式實現相關功能； （3）設計自動上料機械手的驅動機構； （4）選定機械手手部抓取的方案、腕部的回轉范圍、速度及機構的選定，臂部回轉，升降，伸縮的方案及結構的選定； （5）對總體的布局及裝配設計； （6）對機械手內的零件進行疲勞強度以及接觸應力的安全系數校核。 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1）一套完整的立式精鍛機自動上料機械手三維模型以及其二維零件圖、裝配圖 （2）一份立式精鍛機自動上料機械手的設計說明書 （3）一篇外文文獻翻譯 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 采用三維設計軟件完成立式精鍛機自動上料機械手的設計，包括機械手總裝結構設計、機械手手部、腕部、臂部結構設計、機械手升降機構的結構設計。 本設計的機械手用于軸類零件精鍛自動生產線上，將加熱后的坯料從運輸車上取下搬運到立式精鍛機上。機械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機前。設計參數： （1）抓重：60 公斤 （2）坐標形式：圓柱坐標 （3）自由度數：4 個 （4）最大工作半徑：1700mm （5）手臂最大中心高：2300mm （6）手臂運動參數： 手臂伸縮范圍 0-500mm 手臂伸縮速度 伸出 176mm/s 縮回 233mm/s 0-600mm 手臂升降速度 上升 100mm/s 下降 150mm/s 手臂升降范圍 0-600mm 手臂回轉范圍 0-200（實際使用為 95 ） 手臂回轉速度 60°/s （7）手腕運動參數： 手腕回轉范圍：0-180° 手腕回轉速度：201°/s 2. 論文（設計）進度計劃 第 1 周：布置畢業(yè)設計任務確定立式精鍛機自動上下料機械手三維設計的選題 第 2 周：根據立式精鍛機自動上下料機械手三維設計的課題查閱相關參考文獻 第 3 周：準備自動上下料機械手開題報告材料 第 4 周：撰寫本課題開題報告，準備開題答辯 第 5 周：查閱關于機械手的文獻并進行自動上下料機械手的方案設計 第 6 周：根據方案完成自動上下料機械手的結構設計 第 7 周：自動上下料機械手中部分零件三維設計和建模 第 8 周：自動上下料機械手中部分零件三維設計和建模 第 9 周：自動上下料機械手中部分零件三維設計和建模 第 10 周：將完成的機械手的三維零件進行裝配，完成自動上下料機械手裝配圖 第 11 周：完善并修改自動上下料機械手的裝配圖及其零件圖 第 12 周：完成自動上下料機械手的設計說明書和英文文獻的翻譯 第 13 周：完善并修改自動上下料機械手的設計說明書和英文文獻的翻譯 第 14 周：上交自動上下料機械手說明書，英文文獻的翻譯及其三維裝配圖、零件圖等所有材料，并進行論文答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 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