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任務(wù)書 論文(設(shè)計(jì))題目：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì) 工作日期：2017年12月18日 ~ 2018年05月20日 1.選題依據(jù): 本課題研究的機(jī)械手主要用于立式精鍛機(jī)，針對(duì)軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在JD100立式精鍛機(jī)前 ，要求機(jī)械手抓取工件時(shí)，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(shè)計(jì)參數(shù)): 1）抓重：60公斤 2）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 3）自由度數(shù)：4個(gè) 4）最大工作半徑：1700mm 5）手臂最大中心高：2300mm 6）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 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(zhuǎn)范圍 0-200（實(shí)際使用為95 ） 手 臂 回 轉(zhuǎn) 速 度 60°/s 7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍：0-180° 手腕回轉(zhuǎn)速度：201°/s 3.個(gè)人工作重點(diǎn): 采用三維設(shè)計(jì)軟件完成立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，完成英文翻譯工作。 4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作: 第1周：布置畢設(shè)任務(wù) 第2周：根據(jù)題目查閱文獻(xiàn)第3周：準(zhǔn)備開題報(bào)告材料 第4周：撰寫開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯第5周： 查閱文獻(xiàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì) 第6周：根據(jù)方案完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第7周：零件三維設(shè)計(jì)和建模第8周：零件三維設(shè)計(jì)和建模第9周：零件三維設(shè)計(jì)和建模 第10周：將三維零件進(jìn)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(shè)計(jì)說(shuō)明書和英文翻譯第13周：完善設(shè)計(jì)說(shuō)明書和英文翻譯第14周：上交材料，答辯 5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn): [1]天津大學(xué)編寫組編. 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ). 天津：科學(xué)技術(shù)出版社 [2]徐元昌．工業(yè)機(jī)器人[M]，北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1986：1-97. [3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì)．鍛壓手冊(cè)[M]，第3冊(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2007：641-688． [4]李允文．工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，1996.5. [5]孫志禮等. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 沈陽(yáng): 東北大學(xué)出版社. [6]齊進(jìn)凱. 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及控制的研究[D].東華大學(xué),2006. [7]陳幼平，馬志艷，袁楚明，周祖德．六自由度機(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)仿真研究[J]，計(jì)算機(jī)應(yīng) 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(jī)械手的設(shè)計(jì)[J]，機(jī)械制 造，2003（7）． [9]嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992 [10]邢啟恩,宋成芳著. SolidWorks 2008 三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型范例. 北京:電子工業(yè)出版社 ,2008,5. 指導(dǎo)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(xué)指導(dǎo)分委會(huì)意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學(xué)院公章 進(jìn)度檢查表 第 -1 周 工作進(jìn)展情況 選定課題：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于課題進(jìn)行一定的熟悉，了解其功能。并根據(jù)課題查閱關(guān)于自動(dòng)上下料機(jī)械手的相關(guān)參考文獻(xiàn)，了解機(jī)械手的作用以及其應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)。定下設(shè)計(jì)參數(shù)與初步的結(jié)構(gòu)選定方案，同時(shí)撰寫本課題開題報(bào)告，進(jìn)行開題報(bào)告的答辯。 2018年01月10日 指導(dǎo)教師意見 根據(jù)課題查閱關(guān)于自動(dòng)上下料機(jī)械手的相關(guān)參考文獻(xiàn)，了解了機(jī)械手的作用以及其應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)，掌握了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手的有關(guān)內(nèi)容，技術(shù)路線可行，時(shí)間進(jìn)度安排合理，較好地完成了開題階段的任務(wù)。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 2 周 工作進(jìn)展情況 查閱相關(guān)資料，并初步設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的回轉(zhuǎn)定位結(jié)構(gòu)，手臂伸縮 、升降結(jié)構(gòu)、手腕和夾緊結(jié)構(gòu)以及中間座結(jié)構(gòu)的基本方案，并進(jìn)行二維零件圖以及裝配圖初步繪制，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書至方案設(shè)計(jì)部分 2018年01月10日 指導(dǎo)教師意見 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃，初步設(shè)計(jì)了自動(dòng)上料機(jī)械手的回轉(zhuǎn)定位結(jié)構(gòu)、手臂伸縮、升降結(jié)構(gòu)、手腕和夾緊結(jié)構(gòu)以及中間座結(jié)構(gòu)的基本方案，撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書此部分初稿，并進(jìn)行了二維零件圖以及裝配圖初步繪制，完成了進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)部分。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年03月16日 第 5 周 工作進(jìn)展情況 完成液壓原理圖，機(jī)械手中間部件裝配圖，機(jī)械手手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、夾持式手部、手腕部件以及油缸的二維裝配圖。對(duì)機(jī)械手的夾持式手部作受力計(jì)算分析并且得出夾緊力，利用夾緊力算出夾緊缸尺寸；計(jì)算安全力矩得出液壓缸所需壓力。并初步進(jìn)行機(jī)械手各結(jié)構(gòu)的三維建模。 2018年04月10日 指導(dǎo)教師意見 根據(jù)畢設(shè)任務(wù)計(jì)劃，完成了液壓原理圖、機(jī)械手中間部件裝配圖，機(jī)械手手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、夾持式手部、手腕部件以及油缸的二維裝配圖。進(jìn)行了機(jī)械手的夾持式手部作受力計(jì)算，并初步進(jìn)行機(jī)械手各結(jié)構(gòu)的三維建模。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年04月11日 第 8 周 工作進(jìn)展情況 完成所有二維裝配圖紙，液壓原理圖紙。設(shè)計(jì)并校核完機(jī)械手的零部件及各結(jié)構(gòu)的分析，并繪制完成機(jī)械手大部分的零部件的三維建模， 完成立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書初稿。 2018年05月01日 指導(dǎo)教師意見 完成了二維裝配圖紙、液壓原理圖紙；完成了機(jī)械手的零部件及各結(jié)構(gòu)的校核；完成了機(jī)械手手腕和手部零部件的三維建模；完成了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書初稿。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月02日 第 11 周 工作進(jìn)展情況 完成機(jī)械手所有的三維裝配以及所有的二維圖紙，立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫完畢，英文文獻(xiàn)翻譯完畢。 2018年05月19日 指導(dǎo)教師意見 完成機(jī)械手所有零部件的三維裝配體，生成了二維圖紙，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書和英文文獻(xiàn)翻譯。準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。 指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月21日 第周 工作進(jìn)展情況 年 月 日 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日 過(guò)程管理評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 工作態(tài)度 態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn) 3 3 遵守紀(jì)律 自覺遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，主動(dòng)聯(lián)系指導(dǎo)教師,接受指導(dǎo) 3 2 開題報(bào)告 內(nèi)容詳實(shí)，符合規(guī)范要求 5 3 任務(wù)完成 按時(shí)、圓滿完成各項(xiàng)工作任務(wù) 4 4 過(guò)程管理評(píng)分合計(jì) 12 過(guò)程管 理評(píng)語(yǔ) 該生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，積極主動(dòng)地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，主動(dòng)聯(lián)系指導(dǎo)老師，遇到問(wèn)題，積極主動(dòng)地查閱資料，并能解決問(wèn)題。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，很好地完成了開題報(bào)告，開題報(bào)告內(nèi)容詳實(shí)，論述清晰，格式規(guī)范，同時(shí)很好地完成了文獻(xiàn)綜述。從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模整個(gè)畢設(shè)過(guò)程，都能夠獨(dú)立思考，認(rèn)真完成了中期檢查，符合進(jìn)度計(jì)劃的要求。設(shè)計(jì)說(shuō)明書論述清晰，分析、計(jì)算過(guò)程準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)合理，很好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-22 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)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(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表達(dá)與外語(yǔ)能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 5 3 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 指導(dǎo)教師評(píng)分合計(jì) 14 指導(dǎo)教 師評(píng)語(yǔ) XX同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，具有研究?jī)r(jià)值和實(shí)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(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、科研方法運(yùn)用能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。論文文題相符，概念準(zhǔn)確，分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確合理，結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)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(dá)與外語(yǔ)能力。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，該生態(tài)度較為端正，按時(shí)完成階段性任務(wù)，同意該生參加畢業(yè)答辯。 指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-22 評(píng)閱人評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)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(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語(yǔ)能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 5 3 完成質(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 評(píng)閱人評(píng)分合計(jì) 14 評(píng)閱人 評(píng)語(yǔ) 論文以立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手為設(shè)計(jì)內(nèi)容，主要完成了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。論文選題具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，題目難度適中，工作量飽滿。論文的設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算流程較為完備，表明該生具有比較扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，具備應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。論文文字表述流暢，文獻(xiàn)分析合理，軟件使用熟練。論文計(jì)算準(zhǔn)確，流程完整，結(jié)果合理，設(shè)計(jì)過(guò)程較為完備。論文結(jié)構(gòu)明晰，寫作規(guī)范，圖表詳細(xì)，符合論文寫作規(guī)范。該生已達(dá)到本科生培養(yǎng)目標(biāo)要求，建議準(zhǔn)予答辯。 評(píng)閱人簽字：XX評(píng)閱人工作單位：XX日期：2018-05-22 答辯紀(jì)錄 學(xué)生姓名：XX 專業(yè)班級(jí)：XX 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目： 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì) 答辯時(shí)間：2018年05月 日 時(shí) 分 ~ 時(shí) 分 答辯委員會(huì)(答 主任委員(組長(zhǎng))： XX 委 員(組 員)： XX XX 辯小組)成員 答辯委員會(huì)(答辯小組)提出的問(wèn)題和答辯情況 問(wèn)題1：圖上零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系是怎樣的？主從運(yùn)動(dòng)是什么？ 回 答： 定位油缸進(jìn)行定位，定位后，手臂伸出并回轉(zhuǎn)，通過(guò)液壓系統(tǒng)帶動(dòng)夾鉗式手部進(jìn)行工件夾取 主運(yùn)動(dòng)為手臂運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)為手部運(yùn)動(dòng)。 問(wèn)題2：說(shuō)明圖內(nèi)的運(yùn)作原理，順序 回 答： 定位油缸帶動(dòng)手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂移動(dòng)之后手腕回轉(zhuǎn)，再進(jìn)行手爪的抓取 問(wèn)題3：裝配圖中方框的含義是什么 回 答： 在進(jìn)行繪制時(shí)，由于使用復(fù)制命令，沒(méi)有復(fù)制原方框，導(dǎo)致此處方框無(wú)意義。是畫圖的失誤，抱歉。 問(wèn)題4：軸的軸向是如何固定的 回 答： 利用一對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行定位問(wèn)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(jí) 記錄人： 2018年05月24日 答辯委員會(huì)評(píng)價(jià)表 評(píng)價(jià)內(nèi)容 具體要求 總分 評(píng)分 自述總結(jié) 思路清晰,語(yǔ)言表達(dá)準(zhǔn)確,概念清楚,論點(diǎn)正確,分析歸納合理 10 7 答辯過(guò)程 能夠正確回答所提出的問(wèn)題,基本概念清楚,有理論根據(jù) 10 7 選題質(zhì)量 符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究?jī)r(jià)值和實(shí)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(zhì)量 文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確 合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 7 能力水平 有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表 達(dá)與外語(yǔ)應(yīng)用能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力 10 7 答辯委員會(huì)評(píng)分合計(jì) 32 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ) XX同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作期間，工作努力，態(tài)度比較認(rèn)真，能遵守各項(xiàng)紀(jì)律，表現(xiàn)一般。 能按時(shí)、全面、獨(dú)立地完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的各環(huán)節(jié)工作，具有一定的綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。 論文立論正確，理論分析無(wú)原則性的錯(cuò)誤，解決問(wèn)題方案比較實(shí)用，結(jié)論正確。 論文使用的概念正確，語(yǔ)句通順，條理比較清楚。 論文中使用的圖表，設(shè)計(jì)中的圖紙?jiān)跁鴮懞椭谱鲿r(shí)，能夠執(zhí)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基本規(guī)范。 能夠獨(dú)立查閱文獻(xiàn)，外語(yǔ)應(yīng)用能力一般，原始數(shù)據(jù)搜集得當(dāng)，實(shí)驗(yàn)或計(jì)算結(jié)論準(zhǔn)確可靠。 答辯過(guò)程中，能夠簡(jiǎn)明地闡述論文的主要內(nèi)容，回答問(wèn)題基本正確，但缺乏深入地分析。 答辯成績(jī)： 32 答辯委員會(huì)主任： XX 2018年05月30日 成績(jī)?cè)u(píng)定 項(xiàng)目分類 成績(jī)?cè)u(píng)定 過(guò)程管理評(píng)分 12 指導(dǎo)教師評(píng)分 14 評(píng)閱人評(píng)分 14 答辯委員會(huì)評(píng)分 32 總分 72 成績(jī)等級(jí) C 成績(jī)等級(jí)按“A、B、C、D、F”記載 成績(jī)審核人簽章： XX 審核人簽章： XX 附錄一 外文譯文 機(jī)械手生產(chǎn)設(shè)計(jì)的進(jìn)化和發(fā)展 摘要 信息物理系統(tǒng)的出現(xiàn)已經(jīng)在機(jī)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(guò)制造更便宜的，更加容易制造的機(jī)器人，它們能夠通過(guò)中小企業(yè)進(jìn)行制造。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)利用了快速原型機(jī)制造技術(shù)開發(fā)能夠通過(guò)信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)的可定制機(jī)器人操作器。因此，本研究有助于設(shè)計(jì)連接型和快速原型機(jī)器人。這種方法同時(shí)考慮了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械手所需的軟件和硬件的發(fā)展。此外，生成設(shè)計(jì)，一種被用來(lái)進(jìn)化和人工智能為基礎(chǔ)的方法，用于設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的鏈接模塊。該組件已被定義為理想的設(shè)計(jì)并且通過(guò)此方法，它可以有利于與快速原型耦合的生成設(shè)計(jì)方法的大部分。本文還探討了基于因特網(wǎng)控制技術(shù)的機(jī)器人機(jī)械手的控制結(jié)構(gòu)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(jī)器）和子系統(tǒng)（例如智能工廠）組成。它們依靠著情境而來(lái)互相聯(lián)系。在所有生產(chǎn)層次上，從過(guò)程級(jí)到工廠級(jí)和生產(chǎn)級(jí)。 實(shí)施CPPS的主要驅(qū)動(dòng)因素之一是生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)適應(yīng)性和進(jìn)化的需要，不斷變化的生產(chǎn)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(chǎn)品。 需要適應(yīng)顧客的需要也就暗示著生產(chǎn)系統(tǒng)需要利用有高效率的生產(chǎn)系統(tǒng)同時(shí)也適應(yīng)制造環(huán)境的需要。由于機(jī)器人提供高效率和精確性，同時(shí)不犧牲靈活性，信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的出現(xiàn)帶來(lái)了機(jī)器人的增加利用。也就是說(shuō)，隨著協(xié)作和連接機(jī)器人的出現(xiàn)，機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)正在發(fā)生變化。這一趨勢(shì)在達(dá)沃斯世界經(jīng)濟(jì)論壇上也得到了強(qiáng)調(diào)，它將先進(jìn)的機(jī)器人識(shí)別為工業(yè)4.0背后的主要技術(shù)驅(qū)動(dòng)力之一。 1.2合作和可聯(lián)系的機(jī)器人技術(shù) 這就是說(shuō)，這并不意味著人類將完全從車間中移除。事實(shí)上，在詳細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，菲佛認(rèn)為，在將來(lái)的車間內(nèi)，人類的經(jīng)驗(yàn)將仍然是需要的。由此可見，人類和機(jī)器人在制造業(yè)合作的需求將在未來(lái)幾年內(nèi)增加。為了證實(shí)這一說(shuō)法，布魯斯對(duì)機(jī)器人公司的關(guān)鍵管理者進(jìn)行了討論，并基于這種CIN對(duì)這種日益增長(zhǎng)的需求的反應(yīng)，實(shí)際上可以看出所有主要機(jī)器人制造商是如何引入他們的陣容的。 為了在CPPS中貫徹實(shí)施，這些機(jī)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(guò)使用具有嵌入式處理和聯(lián)網(wǎng)能力的機(jī)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些能力擁有著分布式認(rèn)知控制的第三個(gè)特性。這種分布式控制越來(lái)越受歡迎，具有使用認(rèn)知處理來(lái)分析從機(jī)器傳感器收集的數(shù)據(jù)的能力，這允許對(duì)CPPS控制的分散。 持續(xù)適應(yīng)的需求也推動(dòng)了實(shí)施插裝生產(chǎn)概念方法的發(fā)展。插裝生產(chǎn)允許根據(jù)生產(chǎn)需要從生產(chǎn)系統(tǒng)中添加和移除生產(chǎn)系統(tǒng)的不同元件。 這種插頭和生產(chǎn)的概念也允許模塊化生產(chǎn)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(jī)械功能，而且還需要開發(fā)新的和改進(jìn)的軟件和控制范例。 1.3機(jī)器人的民主化 大公司有專門的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，也有實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的投資潛力。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟(International Federation for Robotics)報(bào)道，2015年全球機(jī)器人銷量增長(zhǎng)了15%，達(dá)到253,748臺(tái)，創(chuàng)造了一年以來(lái)的最高水平。 這些先進(jìn)的制造技術(shù)同樣也不能被說(shuō)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(gè)受害者，那么就有必要使機(jī)器人技術(shù)的使用民主化。 技術(shù)的民主化是指更多的人快速獲得技術(shù)的過(guò)程。滿足這一需求的一種方法是通過(guò)開發(fā)更廉價(jià)和更可定制的機(jī)器人來(lái)促進(jìn)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)，這些機(jī)器人可以很容易地由中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)。 由于中小型企業(yè)對(duì)工業(yè)4.0技術(shù)的投資意愿較低，提供更便宜的機(jī)器人可能會(huì)增加機(jī)器人的使用。此外，使機(jī)器人易于連接和訓(xùn)練也可以解決中小型企業(yè)對(duì)機(jī)器人使用和實(shí)現(xiàn)的任何保留。這些方法同時(shí)提供了一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的可能性，可以為中小企業(yè)廣泛變化的需求定制，也會(huì)增加機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)4.0技術(shù)。 1.4實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo) 為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本研究旨在利用快速原型技術(shù)開發(fā)可定制的機(jī)器人操作器，這些技術(shù)可以在信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。為了盡量減少機(jī)械手的重量和成本，這種方法利用了一種生成設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的連接。生成設(shè)計(jì)是一種進(jìn)化和人工智能方法，并在第2節(jié)中進(jìn)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(jī)器人機(jī)械手的方法。第5節(jié)給出原型設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本研究的結(jié)論和未來(lái)工作將在第6節(jié)提出。 2 生成設(shè)計(jì) 生成設(shè)計(jì)并不是一個(gè)新概念，它有時(shí)被稱為進(jìn)化設(shè)計(jì)，它指的是在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中使用的搜索技術(shù)和進(jìn)化算法。在參考文獻(xiàn)[11]中，本特利和韋克菲爾德描述了一個(gè)原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種遺傳算法從零起點(diǎn)進(jìn)化出新的概念設(shè)計(jì)。在這種方法中，原型系統(tǒng)創(chuàng)建了新的設(shè)計(jì)，并使用遺傳算法對(duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代優(yōu)化。遺傳算法利用了這些原理。在自然中發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化首先產(chǎn)生一個(gè)解決方案，然后“復(fù)制”最適合的解決方案。通過(guò)隨機(jī)交叉和變異操作將這些適合父母的基因型組合起來(lái)，生成后代。賓利和韋克菲爾德的設(shè)計(jì)系統(tǒng)由三個(gè)要素組成: 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)?shù)乇硎緦?shí)體對(duì)象，使計(jì)算機(jī)能夠有效地操縱候選設(shè)計(jì)。 xA改進(jìn)的遺傳算法從零進(jìn)化出這樣的代表設(shè)計(jì)。 xEvaluation軟件指導(dǎo)演進(jìn)過(guò)程。 正如參考文獻(xiàn)[12]所解釋的，概念設(shè)計(jì)過(guò)程可以作為一個(gè)優(yōu)化過(guò)程提出。為了達(dá)到一個(gè)解決方案并確定一組規(guī)則，以評(píng)估針對(duì)特定設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案的適用性。這些方法充分利用了進(jìn)化計(jì)算的創(chuàng)造性，以便發(fā)現(xiàn)可能沒(méi)有被人類設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)的解決方案。因此，這種設(shè)計(jì)技術(shù)可以用來(lái)提高設(shè)計(jì)開發(fā)對(duì)人類設(shè)計(jì)師的支持，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程的中心保持設(shè)計(jì)師。Krish在其生成設(shè)計(jì)過(guò)程中也描述了這種協(xié)同開發(fā)方法。Krish解釋了設(shè)計(jì)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(jìn)化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)化不僅可以提高設(shè)計(jì)的功能，而且還可以減少開發(fā)時(shí)間，降低成本，特別是在設(shè)計(jì)復(fù)雜組件時(shí)。 3 當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r 在本節(jié)中，作者展示了與本研究主題相關(guān)的藝術(shù)狀態(tài)。使用生成設(shè)計(jì)。生成設(shè)計(jì)的一個(gè)應(yīng)用在一個(gè)具有相對(duì)復(fù)雜特征的典型微球端銑刀的設(shè)計(jì)中得到了解釋。通過(guò)生成設(shè)計(jì)方法對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行分析，生成所需運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量和性質(zhì)。本研究在設(shè)計(jì)一種新型五軸激光機(jī)的過(guò)程中進(jìn)行了分析。 另一個(gè)應(yīng)用是Lee的一個(gè)進(jìn)化系統(tǒng)用于自動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)。這項(xiàng)工作探索了不同的設(shè)計(jì)問(wèn)題，從機(jī)器人的簡(jiǎn)單行為控制器，到復(fù)雜的行為控制器，最后是完成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)，包括控制器和物理結(jié)構(gòu)。 生成設(shè)計(jì)的一個(gè)有趣的應(yīng)用是Saravanan等人在機(jī)器人夾子的設(shè)計(jì)中獲得了最優(yōu)的幾何尺寸?；谒麄儗?shí)驗(yàn)的成功，本研究的作者得出結(jié)論，這項(xiàng)工作為進(jìn)一步研究如何利用智能技術(shù)解決復(fù)雜的工程優(yōu)化問(wèn)題打開了方便之門。 生成設(shè)計(jì)也被用來(lái)優(yōu)化3D打印應(yīng)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(jìn)化算法探索不同的3D打印參數(shù)。 正如Onal等人所解釋的那樣，打印機(jī)器人的能力為現(xiàn)代的、真實(shí)的機(jī)器人應(yīng)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(shù)開發(fā)基于折紙結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。雖然這些機(jī)器人目前還沒(méi)有合適的工業(yè)應(yīng)用，但它們展示了3D打印技術(shù)的實(shí)用性，以成本效益的方式打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)為新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shù)的機(jī)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(jìn)社區(qū)的進(jìn)一步改進(jìn)。開源社區(qū)為了促進(jìn)機(jī)器人的民主化。Armesto等實(shí)際上認(rèn)為，3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用使機(jī)器人社區(qū)有機(jī)會(huì)接觸到更廣泛的公眾。本研究實(shí)際上提出了一種用于工程教育的低成本可打印機(jī)器人的設(shè)計(jì)。 在文獻(xiàn)綜述中，作者可以得出結(jié)論，沒(méi)有辦法將3D打印的機(jī)器人與在CPPS中使用的生成設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái)。如第1節(jié)所述，這種方法將降低實(shí)現(xiàn)成本，從而維持機(jī)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(shè)計(jì)的過(guò)程 為了保證CPPS的即插即用概念，需要使用一種方法來(lái)考慮信息網(wǎng)絡(luò)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(duì)幾種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了綜述。雖然它們都突出了CPPS的多個(gè)透視圖，但這些都沒(méi)有說(shuō)明從需求到最終設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。這種缺乏CPPS的設(shè)計(jì)方法也得到了Fisher等人的強(qiáng)調(diào)。 因此，設(shè)計(jì)了基本的設(shè)計(jì)周期[26]。該設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示，因此在本研究中使用，以開發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接的機(jī)器人機(jī)械手。 CPPS設(shè)備的這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程描述了從目標(biāo)(需求)到方法(經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì))的設(shè)計(jì)周期。在這一設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以利用人工智能的生成設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)自動(dòng)化設(shè)計(jì)合成、模擬和評(píng)估活動(dòng)。也就是說(shuō)，這并不能消除設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)師。本研究提供的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)人在循環(huán)系統(tǒng)。因此，雖然設(shè)計(jì)過(guò)程的一些活動(dòng)可能是自動(dòng)化的，但最終決定批準(zhǔn)設(shè)計(jì)的還是設(shè)計(jì)師。 圖1 一個(gè)CPPS設(shè)備的生成設(shè)計(jì)周期 此外，設(shè)計(jì)周期說(shuō)明了在CPPS的合成設(shè)計(jì)過(guò)程中，物理和網(wǎng)絡(luò)組件是如何被考慮的。此外，為了滿足系統(tǒng)的要求，CPPS設(shè)備還必須使用可實(shí)現(xiàn)技術(shù)，如可配置性、模塊化、可診斷性和可連接性。 5 原型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 5.1物理組件的設(shè)計(jì) 物理組件設(shè)計(jì)過(guò)程導(dǎo)致機(jī)器人機(jī)械手的物理接口。物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用一組機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊，其中一些模塊由一個(gè)鏈路模塊連接。機(jī)器人機(jī)械手一旦產(chǎn)生和裝配，本質(zhì)上就是一個(gè)鉸接機(jī)器人，如圖2所示。機(jī)械手是在關(guān)節(jié)模塊中使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。 5.1.1可構(gòu)成設(shè)計(jì) 為了滿足不同工業(yè)應(yīng)用的定制要求，通過(guò)選擇、添加和移除關(guān)節(jié)和鏈路模塊來(lái)配置物理機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)。機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，其自由度為6。這意味著機(jī)械手是由六個(gè)關(guān)節(jié)組成的，每個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。六自由度確保末端執(zhí)行器能夠到達(dá)機(jī)械手工作空間內(nèi)的任何位置和方向。采用不同的步進(jìn)電機(jī)尺寸和齒輪比，以最大限度地提升1.5公斤的負(fù)荷。 5.1.2 3d打印設(shè)計(jì) 由于機(jī)器人的機(jī)械手主要是快速原型，在原型制作過(guò)程中需要考慮幾個(gè)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(guò)程。這個(gè)過(guò)程是根據(jù)每個(gè)部分的幾何形狀來(lái)選擇的。其中一個(gè)側(cè)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(shè)計(jì)的齒輪。把重要的幾何形狀與支撐材料放在一起，對(duì)保持幾何形狀是很重要的。 圖2 機(jī)械手的裝配模型 另一方面，在一個(gè)側(cè)面有一個(gè)平面的部分是用FDM印刷的，那一面被放在了印刷床上。當(dāng)3D打印部件在內(nèi)部和不可到達(dá)的部分需要支撐材料時(shí)，也鼓勵(lì)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(guò)程中易于移動(dòng)。 在設(shè)計(jì)3D打印時(shí)，考慮的一個(gè)重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模的同時(shí)，設(shè)計(jì)了幾個(gè)部件，以使壁厚達(dá)到最小。這第一步導(dǎo)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(dǎo)致所有內(nèi)部部件也變得更小，因而更輕。 5.2生成設(shè)計(jì) 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(jī)器人關(guān)節(jié)的鏈接模塊是選擇性的，作為演示生成設(shè)計(jì)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(shù)實(shí)現(xiàn)了生成設(shè)計(jì)練習(xí)。 5.2.1構(gòu)建容量和設(shè)計(jì)約束 第一步是創(chuàng)建部件模型的構(gòu)建卷或近似。一個(gè)圓柱形的形狀被用作鏈接模塊的原始構(gòu)建卷。在定義了構(gòu)建卷之后，下一步是定義隔離區(qū)域。生成設(shè)計(jì)過(guò)程在創(chuàng)建引導(dǎo)形狀時(shí)不會(huì)修改這些區(qū)域。最后給出了應(yīng)用于該零件的約束和力。然后在自動(dòng)模擬臨時(shí)設(shè)計(jì)解決方案時(shí)使用這些標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)估每個(gè)解決方案滿足設(shè)計(jì)需求的能力。基于機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)，本案例研究使用的標(biāo)準(zhǔn)是在中軸線上可以承受的力。 圖3所示的模型說(shuō)明了應(yīng)用于鏈路模塊的初始構(gòu)建量和設(shè)計(jì)約束。需要注意的是，這個(gè)物理組件的設(shè)計(jì)是為了通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的線路而需要的隔離區(qū)域。 5.2.2形狀的生成 根據(jù)指定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在Autodesk Inventor中運(yùn)行了一個(gè)形狀生成器研究。該算法生成的網(wǎng)格如圖4所示。 圖3 生成設(shè)計(jì)約束 圖4 由生成設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的網(wǎng)格 網(wǎng)格可以作為設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)。 通過(guò)剪切、擠壓和其他特性編輯來(lái)修改構(gòu)建卷模型。設(shè)計(jì)師的編輯改變了。 從近似到組件設(shè)計(jì)的生成設(shè)計(jì)。 5.2.3結(jié)果 生成設(shè)計(jì)練習(xí)的結(jié)果如圖5所示。這種設(shè)計(jì)保持了相同的結(jié)構(gòu)完整性，但在重量和建造時(shí)間上都大大減少了，因此也降低了機(jī)器人操縱器的整體成本。 5.3 網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)計(jì) 5.3.1要求 該設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是鼓勵(lì)與其他系統(tǒng)的集成，并鼓勵(lì)系統(tǒng)集成商進(jìn)一步開發(fā)。集成必須以簡(jiǎn)單和快速的方式在硬件和軟件領(lǐng)域進(jìn)行。系統(tǒng)必須基于標(biāo)準(zhǔn)化或開源軟件控制和開發(fā)工具。為了維護(hù)一個(gè)民主的設(shè)計(jì)，控制硬件必須基于商業(yè)上的貨架部件(COTS)，從而實(shí)現(xiàn)低成本的解決方案。 圖5 生成設(shè)計(jì)的訓(xùn)練結(jié)果 5.3.2工業(yè)因特網(wǎng) 基于因特網(wǎng)硬件的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的骨干。有多個(gè)相關(guān)的工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議，為這個(gè)解決方案選擇的是EtherCAT。 EtherCAT是一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)物理層(Ethernet PHY)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)是確定性的，可以在實(shí)時(shí)環(huán)境中使用。它支持比其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更短的周期，這使得它適合運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。除了適當(dāng)?shù)男阅?，EtherCAT還提供了其他因素，使它適合用于機(jī)器人技術(shù)民主化的系統(tǒng)。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立在因特網(wǎng)的基礎(chǔ)上時(shí)，他們通常需要一個(gè)托管的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，每一個(gè)EtherCAT設(shè)備都有兩個(gè)因特網(wǎng)PHYs，通過(guò)一個(gè)daisy鏈配置來(lái)連接它們，如果一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥銐虻脑?，就可以消除?duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的需求。此外，EtherCAT的從屬設(shè)備負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，而不需要專門的主網(wǎng)絡(luò)控制器。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備可以使用通用COTS Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，從而降低實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的成本。使用標(biāo)準(zhǔn)的NIC可以通過(guò)使用任何具有基本以太網(wǎng)功能的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)EtherCAT主機(jī)，這包括使用一個(gè)樹莓Pi，開發(fā)人員認(rèn)為合適。EtherCAT是一種開源技術(shù)，它鼓勵(lì)開發(fā)硬件和軟件來(lái)使用這種技術(shù)。 5.3.3 機(jī)器人控制 如圖6所示，機(jī)器人控制器基于ATMega2560，通過(guò)Arduino/Genuino開發(fā)平臺(tái)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(duì)各種項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)，縮短和簡(jiǎn)化了微控制器開發(fā)周期。 如圖6所示，單片機(jī)通過(guò)微芯片的LAN9252接口連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。 使用SPI通信的從設(shè)備的EtherCAT控制器?；贚AN9252的Arduino平臺(tái)的COTS附加組件(shield)是由AB&T Srl生產(chǎn)的。機(jī)器人控制器從它的EtherCAT主機(jī)接收聯(lián)合位置數(shù)據(jù)，然后從聯(lián)合位置轉(zhuǎn)換到所需的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 圖6 機(jī)械手的控制 6 結(jié)論 因此，該研究為設(shè)計(jì)連接的快速原型機(jī)械機(jī)器人提供了一種方法。這種方法考慮了實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shè)計(jì)，一種進(jìn)化和人工智能方法，來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的連接。 該鏈接模塊被認(rèn)為是利用生成設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和快速原型設(shè)計(jì)的理想組件。本文還探討了一種基于以太網(wǎng)控制技術(shù)的機(jī)器人機(jī)械手控制結(jié)構(gòu)，用于網(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的工作將包括對(duì)機(jī)器人機(jī)械手的測(cè)試，以確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，并確定進(jìn)一步改進(jìn)的領(lǐng)域。 附錄二 外文原文 一、選題依據(jù) 1、論文（設(shè)計(jì)）題目 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì) 2、研究領(lǐng)域 三維設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，液壓傳動(dòng) 3、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12643-90)對(duì)機(jī)械手的定義：具有和人手臂相似的動(dòng)作功能， 可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。 機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 理論意義：其一，對(duì)于機(jī)器人的研制，尤其仿人機(jī)器人的研究應(yīng)用，必將對(duì)機(jī)器人行業(yè)起到積極的促進(jìn)作用；其二，仿人機(jī)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(jīng)濟(jì)價(jià)值；其三，其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以促進(jìn)制造業(yè)的信息化、自動(dòng)化和產(chǎn)品的智能化，提升產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值，從而促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。 應(yīng)用價(jià)值：機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)家在工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展，機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一種工具，對(duì)其技術(shù)的不斷突破也變得日趨重要。目前，機(jī)械手的種類大至可按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)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(diào)、頻繁的操作代替人作業(yè)。 本課題研究的機(jī)械手主要用于立式精鍛機(jī)，針對(duì)軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前，要求機(jī)械手抓取工件時(shí)，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(shì) 工業(yè)機(jī)械手的第一次迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應(yīng)用在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，時(shí)間大約是在上世紀(jì) 40 年代，它是一 10 種主從型的控制系統(tǒng)。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。控制系統(tǒng)有別于 40 年代的主從型而是示教型的；1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上， 研制出一種更新興的機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。這個(gè)機(jī)械手對(duì)機(jī)械手的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義， 日后的不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的；同一年該公司和普曼公司合并成重組為萬(wàn)能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。雖然上述機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外機(jī)械手發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在機(jī)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(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種 Unimation-Vic.arm 型工業(yè)機(jī)械手， 裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 我國(guó)工業(yè)機(jī)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(jì) 70 年代，1972 年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國(guó)各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國(guó)政府更加加大了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的重視程度， 并且為此項(xiàng)目投入了大量的資金，在眾多學(xué)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(jī)器人，其中有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人， 廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等。 目前工業(yè)機(jī)械手在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定 的操作。此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)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(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)， 即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作時(shí)電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，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(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 隨著機(jī)械手的發(fā)展，人們也對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展提出了更高的要求，一是重復(fù)高精度，精度是指機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置密切相關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。顯然， 重復(fù)精度比精度更重要；二是模塊化，有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)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(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向；三是無(wú)給油化，無(wú)給油化是個(gè)新提出的概念，主要是為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求，不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）的出現(xiàn)， 構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)；四是機(jī)電氣一體化，機(jī)電氣一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制” 進(jìn)到高度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題 機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制。 2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1）選擇機(jī)械手基本形式； （2）采用合適的坐標(biāo)式實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能； （3）設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； （4）選定機(jī)械手手部抓取的方案、腕部的回轉(zhuǎn)范圍、速度及機(jī)構(gòu)的選定，臂部回轉(zhuǎn)，升降，伸縮的方案及結(jié)構(gòu)的選定； （5）對(duì)總體的布局及裝配設(shè)計(jì)； （6）對(duì)機(jī)械手內(nèi)的零件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度以及接觸應(yīng)力的安全系數(shù)校核。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 （1）一套完整的立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)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(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （3）一篇外文文獻(xiàn)翻譯 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 采用三維設(shè)計(jì)軟件完成立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手用于軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前。設(shè)計(jì)參數(shù)： （1）抓重：60 公斤 （2）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) （3）自由度數(shù)：4 個(gè) （4）最大工作半徑：1700mm （5）手臂最大中心高：2300mm （6）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 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(zhuǎn)范圍 0-200（實(shí)際使用為 95 ） 手臂回轉(zhuǎn)速度 60°/s （7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手腕回轉(zhuǎn)范圍：0-180° 手腕回轉(zhuǎn)速度：201°/s 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：布置畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)確定立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的選題 第 2 周：根據(jù)立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的課題查閱相關(guān)參考文獻(xiàn) 第 3 周：準(zhǔn)備自動(dòng)上下料機(jī)械手開題報(bào)告材料 第 4 周：撰寫本課題開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯 第 5 周：查閱關(guān)于機(jī)械手的文獻(xiàn)并進(jìn)行自動(dòng)上下料機(jī)械手的方案設(shè)計(jì) 第 6 周：根據(jù)方案完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第 7 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 8 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 9 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模 第 10 周：將完成的機(jī)械手的三維零件進(jìn)行裝配，完成自動(dòng)上下料機(jī)械手裝配圖 第 11 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的裝配圖及其零件圖 第 12 周：完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書和英文文獻(xiàn)的翻譯 第 13 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說(shuō)明書和英文文獻(xiàn)的翻譯 第 14 周：上交自動(dòng)上下料機(jī)械手說(shuō)明書，英文文獻(xiàn)的翻譯及其三維裝配圖、零件圖等所有材料，并進(jìn)行論文答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 張俊.基于視覺定位的自動(dòng)上下料機(jī)械手系統(tǒng)研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué),2012. 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二是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，該機(jī)械手轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度等于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率;三是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的轉(zhuǎn)速，從而確定 PLC 輸出的脈沖頻率。系統(tǒng)選用三菱 FX1N-14MR-0001 PLC 作為控制器，選用安川 CA4050 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、安川 42HD0402 步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象；用三菱 PLC 作為控制核心， 采用步進(jìn)電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床上料機(jī)械手的控制方案。在車床加工的同時(shí)進(jìn)行取料，并在靠近上料位置等待取料結(jié)束，從而縮短上料時(shí)間。操作人員只需在計(jì)算機(jī)控制界面完成相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)置即可對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。利用機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力資源。 李斌在《鈑金沖壓自動(dòng)上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)》一文中，通過(guò)利用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)代替其自動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，配備有傳送帶、電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)的功能。將電機(jī)固定在機(jī)架傳動(dòng)側(cè)，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)借助導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。目前該系統(tǒng)可以完成對(duì) 2mm 厚、3kg 重的板料完成沖壓工作。整個(gè)生產(chǎn)線在運(yùn)行過(guò)程中送料精度高，同時(shí)運(yùn)行過(guò)程較為平穩(wěn)，并無(wú)太大噪音產(chǎn)生。由此可以看出，機(jī)械手運(yùn)行自動(dòng)化程度高，性能可靠，穩(wěn)定性，效率高，操作簡(jiǎn)便，控制精準(zhǔn)， 有著良好的動(dòng)態(tài)性能。 基于機(jī)械手的作用及功能，需要詳細(xì)分析機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用 D-H 參數(shù)法建立該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。與此同時(shí)，對(duì)于材料的疲勞強(qiáng)度以及接觸強(qiáng)度進(jìn)行安全校核，機(jī)械中各零件力的傳遞，總是通過(guò)兩零件的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了共形面相接觸的情況外，大量存在著異性曲面相接觸的情況；同時(shí)，由于機(jī)械手內(nèi)零件材料疲勞強(qiáng)度的特性，因此需要對(duì)零件的材料極限應(yīng)力進(jìn)行安全系數(shù)的校核以及接觸應(yīng)力的校核。對(duì)機(jī)械手進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證并校核。同時(shí)利用 SolidWorks 進(jìn)行三維建模。Solidworks 的配置功能可以開發(fā)和管理一組有著不同尺寸、零部件或者其他參數(shù)的模型，運(yùn)用配置可以的單一的文件中對(duì)零件或者裝配圖生成多個(gè)設(shè)計(jì)變化。系列零件設(shè)計(jì)表可以通過(guò)所提供的制定參數(shù)，對(duì)配置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以構(gòu)建多個(gè)不同配置的零件或裝配體。 隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，物料的移動(dòng)、材料上下搬運(yùn)、零部件的組裝已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)都普遍存在的加工環(huán)節(jié)。以自動(dòng)上料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化對(duì)提高所有行業(yè)的加工效率都具有重要作用。不過(guò)現(xiàn)在還存在一系列問(wèn)題，例如：價(jià)格昂貴， 實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重，并且大都停留在實(shí)驗(yàn)階段，這些都制約其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。目前，工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，但是無(wú)論數(shù)量、品 種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。這也是我國(guó)目前工業(yè)機(jī)械手還需改進(jìn)之處。 11 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見（對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn)行評(píng)閱） 審 核 簽字： 年 月 日 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見 簽字： 年 月 日公章：