本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開(kāi)題報(bào)告
論 文 題 目：SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)學(xué) 院： 專(zhuān) 業(yè) 、班 級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名：
年 1 月 5 日 填
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告要求
開(kāi)題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題；
2. 擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路）；
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。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)）；
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。四、文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述
學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開(kāi)題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開(kāi)題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開(kāi)始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開(kāi)題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過(guò)；
3. 開(kāi)題報(bào)告不合格或沒(méi)有做開(kāi)題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開(kāi)題報(bào)告通過(guò)后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師；
5. 開(kāi)題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊(cè)（部分專(zhuān)業(yè)可根據(jù)需要手寫(xiě)在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?
一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目
SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)
2. 研究領(lǐng)域
本設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠矫骊P(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來(lái)緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機(jī)械裝配操作仍然是高度勞動(dòng)密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。以家電、家具裝配環(huán)節(jié)為例，螺紋連接所消耗的人力和工時(shí)可以達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)線消耗總量的 1/4 到一半以上。
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型(3P)、圓柱坐標(biāo)型(R2P)、球坐標(biāo)型(2R)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)的機(jī)器人，關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于人手臂，其位置和姿態(tài)完全由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，即 SCARA 機(jī)器人可看作關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的特例。SCARA 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、安裝方便、具有很好的通用性，而且動(dòng)作迅速、定位精度高，此外，SCARA 機(jī)器人一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，編程方便。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配；操作簡(jiǎn)單便利、高速精確；通用性強(qiáng)。體積小，可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
1948 年諾伯特·維納在其著作《控制論》里首次提出自動(dòng)化工廠的概念，闡述了機(jī)器人和控制體系互相結(jié)合的發(fā)展規(guī)律，為機(jī)器人的控制理論奠定了基礎(chǔ)。
20 世紀(jì) 50 年代初期，位于美國(guó)伊利諾州的阿貢實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了第一代遙控式機(jī)械手來(lái)操作放射性材料，避免了科學(xué)家受到輻射的侵害。同時(shí)代的喬治·德沃設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺(tái)可以通過(guò)程序控制的工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并提出技術(shù)方案，隨后申請(qǐng)了專(zhuān)利。兩年之后隨著串聯(lián)機(jī)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，其系統(tǒng)誤差的長(zhǎng)期累積和空間定位精度低等因素促使人們第一次提出了示教再現(xiàn)的編程模式，并運(yùn)用數(shù)控技術(shù)和機(jī)械臂的結(jié)合制造出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，它的出現(xiàn)和新的編程理念使得重復(fù)定位精度遠(yuǎn)超絕對(duì)定位精度，其意義影響深遠(yuǎn)。1962 年，美國(guó)萬(wàn)能自動(dòng)化公司研制了一臺(tái)名為Unimate 的機(jī)器人，它采用極坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，動(dòng)作靈活、伸縮自如。而早在 4 年前， 恩格爾伯格和喬治·德沃爾創(chuàng)立了第 1 家機(jī)器人公司 Unimation，恩格爾伯格因而被稱(chēng)為機(jī)器人之父。
1968 年，日本川崎公司開(kāi)始學(xué)習(xí)美國(guó)公司先進(jìn)的機(jī)器人制造技術(shù)，結(jié)合本國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景開(kāi)發(fā)出了一系列成本低廉，實(shí)用性較好的機(jī)器人，為日本的工業(yè)和制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供了極大的動(dòng)力和推動(dòng)作用，促使日本的工業(yè)制成品以物美價(jià)廉而暢銷(xiāo)全球市場(chǎng)。
從 1970 年開(kāi)始，機(jī)器人應(yīng)用開(kāi)始在各國(guó)工業(yè)領(lǐng)域掀起一波又一波浪潮。1973 年，ASEA 公司(現(xiàn)在的 ABB)推出了世界上第一個(gè)微型計(jì)算機(jī)控制、全部電氣化的
工業(yè)機(jī)器人 IRB 一 6，為了滿(mǎn)足弧焊的要求，它可以進(jìn)行連續(xù)的路徑移動(dòng)。1978 年， 日本教授牧野洋設(shè)計(jì)出了具有 4 個(gè)自由度的可選擇柔順裝配機(jī)械手(SCARA)。1979 年 Unimafion 公司推出了一系列帶有觸覺(jué)、力覺(jué)和視覺(jué)的 PUMA 工業(yè)機(jī)器
人，它的出現(xiàn)把機(jī)器人技術(shù)帶入了智能化的時(shí)代，使得機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和時(shí)代要求緊密的結(jié)合在一起。
20 世紀(jì) 80 年代，隨著汽車(chē)制造業(yè)的崛起，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始以 20%~40%的速率高速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始在汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)中推廣普及，這使得整個(gè)機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。1984 年機(jī)器人在全球各國(guó)的數(shù)量從最開(kāi)始的不足
10 萬(wàn)臺(tái)，穩(wěn)步上升到 1990 年接近 30 萬(wàn)臺(tái)，其中帶有嗅覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)的高性能機(jī)器人成為了新研發(fā)機(jī)器人中的主要對(duì)象，并且促進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)的穩(wěn)步成長(zhǎng)。1985 年美國(guó)的兩家公司率先開(kāi)始在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域使用交流伺服技術(shù)，使得自動(dòng)化控制裝備性能進(jìn)一步提升。隨著裝配機(jī)器人在機(jī)器人領(lǐng)域所占比重越來(lái)越大，提高機(jī)器人的質(zhì)量和效率問(wèn)題成為了各國(guó)機(jī)器人研究領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。20 世紀(jì)末，柔性裝配線研發(fā)成功，以日本為代表的各國(guó)開(kāi)始廣泛發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，就此裝配機(jī)器人開(kāi)始進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。
21 世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人在各國(guó)開(kāi)始大范圍的投入使用，各國(guó)政府都加大了對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投資力度。美國(guó)政府從 2011 年開(kāi)始先后投入 7000 萬(wàn)美元發(fā)展本國(guó)的機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，并制定了“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”，力圖使美國(guó)的制造業(yè)重新占領(lǐng)市場(chǎng)高點(diǎn)。韓國(guó)在 2014 年提出到 2018 年完成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的投資翻兩倍，機(jī)器人公司的數(shù)量增加一倍的目標(biāo)。歐盟則聯(lián)合其下屬的 180 個(gè)公司和科研機(jī)構(gòu)一起推出家用機(jī)器人研究計(jì)劃“ SPARC”。同年，英國(guó)政府也提出機(jī)器人戰(zhàn)略 RAS2020，目標(biāo)是在 2025 年使整個(gè)英國(guó)機(jī)器人產(chǎn)值在 1200 億美元左右。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究始于 1960 年，先后發(fā)展了 50 多年，經(jīng)歷了從模仿到自主創(chuàng)新的各個(gè)階段。1972 年，我國(guó)立足于開(kāi)發(fā)自己的第一代工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)入 80 年代后，機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)和國(guó)家政策有機(jī)結(jié)合。86 年國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃正式提出，我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域取得一系列重大科研成果，并結(jié)合國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)際情況陸續(xù)研制出一批工業(yè)機(jī)器人；如今以新松為代表的一批國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)始推出自己品牌的機(jī)器人并逐步在市場(chǎng)推廣。時(shí)至今日，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)某些領(lǐng)域已接近國(guó)際前沿水平，但是在很多方面也面臨著不少問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品較為低端、主要以三軸和四軸機(jī)器人為主，主要用于搬運(yùn)和碼垛作業(yè)等。而高端制造業(yè)的機(jī)器人則長(zhǎng)期受到國(guó)外的品牌的占據(jù)。由于機(jī)器人的關(guān)鍵制造技術(shù)和控制技術(shù)等核心問(wèn)題沒(méi)有解決使得我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展受到制約，加之國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)機(jī)器人規(guī)模較小，使得國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的生存空間受到了擠壓。2015 年 3 月國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造 2025》推動(dòng)中國(guó)制造業(yè)特別是高端制造業(yè)的發(fā)展，其中智能裝備和機(jī)器人技術(shù)作為今后重點(diǎn)支持的方向，這為提升國(guó)產(chǎn)機(jī)
器人的質(zhì)量和服務(wù)做好了鋪墊。
工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),使自動(dòng)擰螺絲向工業(yè)機(jī)械機(jī)械手方向發(fā)展,螺絲機(jī)具有操縱方便、控制精度高、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便、人機(jī)界面人性化等特點(diǎn)。主要是采用單軸與多軸機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行及單獨(dú)動(dòng)作的運(yùn)行方式,實(shí)現(xiàn)了控制響應(yīng)的快速性,并對(duì)擰緊扭矩及角度進(jìn)行測(cè)控,保證了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。螺絲機(jī)的結(jié)構(gòu)組成：工業(yè)機(jī)械手、電動(dòng)螺絲刀、螺絲自動(dòng)上料系統(tǒng)和精裝夾具等附件。
在國(guó)外鎖螺絲設(shè)備早已應(yīng)用于汽車(chē)，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)機(jī)械手，1978 年美國(guó) Unimate 公司、斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate-Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，用小型電子計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行裝配作業(yè)，定位誤差在±1mm 內(nèi)。如美國(guó)試制一臺(tái)有觸覺(jué)和視覺(jué)的雙臂機(jī)械手，由于機(jī)械手有觸覺(jué)，所以不要求工件排列的位置很精確。若機(jī)械手在擰螺釘遇到阻力時(shí)，能將螺釘返回再擰。
當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機(jī)和半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。雖然手持式鎖螺絲機(jī)使螺絲輸送和鎖付一氣呵成，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力，但是手持式鎖螺絲機(jī)需要人員重復(fù)單調(diào)乏味的工作，容易劃傷產(chǎn)品外觀，造成成本增加。半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)主要是振盤(pán)式的，采用振動(dòng)盤(pán)氣動(dòng)元件作為驅(qū)動(dòng)部件，采用 PLC 或 MCU、傳感器和接近開(kāi)關(guān)聯(lián)合控制。其工作流程是螺絲由驅(qū)動(dòng)部件振動(dòng)排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進(jìn)行鎖緊作業(yè)。
隨著自動(dòng)化工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效率、質(zhì)量要求的不斷提高，在國(guó)際上自動(dòng)化裝配技術(shù)由人工裝配朝著半自動(dòng)化、全自動(dòng)化裝配的趨勢(shì)發(fā)展，SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站也在朝著半自動(dòng)化和全自動(dòng)化，便捷化，通用化的方向發(fā)展。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1. 重點(diǎn)解決的問(wèn)題
（1） SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及三維設(shè)計(jì)；
（2） SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2. 擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1） 擰螺絲 SCARA 機(jī)器人概況；
（2） 擰螺絲 SCARA 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案；
（3） SCARA 機(jī)器人關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇；
（4） SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
通過(guò)學(xué)習(xí)及查閱有關(guān)資料掌握擰螺絲 SCARA 機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖，并與機(jī)械基礎(chǔ)和三維繪圖軟件相結(jié)合，設(shè)計(jì)出符合加工需求的擰螺絲SCARA 機(jī)器人，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，形成機(jī)械手三維實(shí)體建模和平面圖紙一套。
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)）；
首先應(yīng)當(dāng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和學(xué)習(xí)相關(guān)書(shū)籍，進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)符合加工需求的擰螺絲 SCARA 機(jī)器人和控制系統(tǒng)流程圖；然后運(yùn)用三維繪圖軟件，進(jìn)行機(jī)械手三維實(shí)體建模，并將其轉(zhuǎn)換成平面圖紙一套；最后梳理和總結(jié)相關(guān)知識(shí)，編寫(xiě) SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
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)題目，講解設(shè)計(jì)內(nèi)容，查閱資料，了解課題；
第 2 周：查閱資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；確定外文翻譯文章；
第 3 周：修改開(kāi)題報(bào)告，撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述；
第 4 周：完成外文翻譯，開(kāi)題答辯；
第 5 周：工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識(shí)；
第 6 周：了解關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能；提出 SCARA 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； 第 7 周：關(guān)鍵零件參數(shù)計(jì)算和選擇；
第 8 周：步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、滾珠絲杠副的計(jì)算及選擇； 第 9 周：SCARA 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
第 10 周：SCARA 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；中期檢查； 第 11 周：SCARA 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；
第 12 周：SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 第 13 周：SCARA 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
第 14 周：整理設(shè)計(jì)資料，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
第 15 周：修改完善整套設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯；
第 16 周：評(píng)閱，修改，畢業(yè)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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文獻(xiàn)綜述
一、前言
工業(yè)產(chǎn)品的裝配，廣泛使用螺紋連接來(lái)緊固。大量的螺紋裝配需要人工完成，機(jī)械裝配操作仍然是高度勞動(dòng)密集型的。全球工業(yè)裝配中，近 70%由螺紋連接構(gòu)成，螺紋連接占據(jù)全部裝配工作量的三分之一。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站可代替人工特定的螺絲緊固作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配；操作簡(jiǎn)單便利、高速精確；通用性強(qiáng)。體積小， 可配合產(chǎn)線作業(yè)，更換產(chǎn)品方便，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
二、研究概況
目前，在世界制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，如美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的自動(dòng)裝配技術(shù)都達(dá)到了較高的水平，使得機(jī)械零部件的裝配組裝等工藝的精度，效率得到顯著提高。在國(guó)外鎖螺絲設(shè)備早已應(yīng)用于汽車(chē)，電腦，液晶面板，空調(diào)，線路板等行業(yè)中。如美國(guó)試制一臺(tái)有觸覺(jué)和視覺(jué)的雙臂機(jī)械手，由于機(jī)械手有觸覺(jué)，所以不要求工件排列的位置很精確。若機(jī)械手在擰螺釘遇到阻力時(shí)，能將螺釘返回再擰。
當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)工廠使用的鎖螺絲裝置主要為深圳、東莞一些廠家生產(chǎn)的手持式鎖螺絲機(jī)和半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)。其工作流程是螺絲由驅(qū)動(dòng)部件振動(dòng)排列，再由壓縮空氣高速吹到螺絲刀頭處，最后進(jìn)行鎖緊作業(yè)。但是在國(guó)內(nèi)，上述半自動(dòng)鎖螺絲機(jī)設(shè)備并沒(méi)有大面積推廣使用，歸結(jié)其原因有多種：(1)對(duì)螺絲尺寸要求極其嚴(yán)格，長(zhǎng)度 5mm～ 18mm，直徑為 2.5mm～5mm，如果螺絲超出這個(gè)尺寸范圍基本上不能完成鎖付；(2)對(duì)螺絲的精度要求很高，如果達(dá)不到所要求的精度常常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備頻繁卡堵問(wèn)題；(3) 專(zhuān)用性強(qiáng)，一種半自動(dòng)化螺絲機(jī)一般只能鎖付一種型號(hào)的工件，不能進(jìn)行通用性生產(chǎn)； (4)造價(jià)非常高昂，因?yàn)槭亲詣?dòng)化設(shè)備，所以這種產(chǎn)品的進(jìn)口價(jià)為 3~6 萬(wàn)人民幣，國(guó)產(chǎn)的也近 2 萬(wàn)元。
對(duì)此，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從螺絲鉗的扭矩測(cè)量與控制，專(zhuān)用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備等方面做了相關(guān)研究，并且也開(kāi)發(fā)了一些專(zhuān)用領(lǐng)域的鎖螺絲設(shè)備。
三、工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系的特點(diǎn)可分為直角坐標(biāo)型(3P)、圓柱坐標(biāo)型(R2P)、球坐標(biāo)型(2RP)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型(3R)的機(jī)器人,關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于人的手臂,其位置和姿態(tài)完全是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人,即為SCARA(Selective Complianee Assembly Robot Arm)機(jī)器人可看作關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人的特例。SCARA 機(jī)器人具有四個(gè)關(guān)節(jié),三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)。它最顯著的特點(diǎn)是在水平方向上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性,而垂直方向具有很強(qiáng)的剛性,這種選擇性的柔性,被廣泛用于高效率的裝配作業(yè)中。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站主要由以下幾部分構(gòu)成：
（一）送料機(jī)構(gòu)
送料機(jī)構(gòu)一般包括振動(dòng)盤(pán)和螺釘輸送系統(tǒng)：振動(dòng)盤(pán)將散亂放入其料槽的螺釘進(jìn)行排列，使螺釘帽朝上呈豎直方向依次輸出；螺釘輸送系統(tǒng)則是將排列好的螺釘送到鎖絲尖頭部位。螺釘輸送一般采用吸取或吹取兩種方式。吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負(fù)壓輸送螺釘，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)螺絲輸送。吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘，這種方式若要保證螺釘能正確輸送，螺絲總長(zhǎng)和螺帽直徑比例就必須滿(mǎn)足一定的條件，一般要達(dá)到 1：1.3，最低不能低于 1：1.2。吹氣式和吸取式相比去掉了吸取的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)效率要比吸取式的高，因此只要當(dāng)螺絲的長(zhǎng)度比例符合要求一般多采用吹氣式輸送，這樣就可以較大程度節(jié)省鎖絲耗時(shí)，提高鎖絲效率。
（二）SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),一般由操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置和為使機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。其中操作機(jī)(又稱(chēng)執(zhí)行系統(tǒng)),包括末端執(zhí)行器、手腕、手臂及機(jī)座;驅(qū)動(dòng)單元由驅(qū)動(dòng)器、減速器、檢測(cè)元件等組成;控制裝置包括檢測(cè)(如傳感器)和控制(如計(jì)算機(jī))兩部分,可用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)單元,檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求,并進(jìn)行反饋控制。此外,對(duì)于智能型機(jī)器人,應(yīng)配置人工智能系統(tǒng),一般包括感覺(jué)系統(tǒng)(硬件),通過(guò)各類(lèi)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,和決策一規(guī)劃智能系統(tǒng)(軟件),以實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、模式識(shí)別、大容量數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃操作程序等功能。
平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人多用于裝配,要求動(dòng)作迅速,定位準(zhǔn)確,因此需要運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算,從而進(jìn)行操作機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì),這就包括:
(1) 重量輕、剛性好、慣性小的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)
一般采用精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合理的空間布局,如把驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)座上,就可減少臂部慣量、增強(qiáng)機(jī)身剛性;在不影響使用性能的情況下,各種部件盡量采用空心結(jié)構(gòu)。此外,材料的選擇對(duì)整機(jī)性能也是至關(guān)重要的。
(2) 精確傳動(dòng)軸系的設(shè)計(jì)、制造及調(diào)整技術(shù)
由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙、無(wú)空回、少摩擦、少磨損,提高剛性、精度、可靠性;各軸承采用預(yù)緊措施以保證傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性。
(3) 傳動(dòng)平穩(wěn)、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊且效率高的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和調(diào)整技術(shù)由于在解決機(jī)械本體結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí),往往會(huì)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出更高要求,有時(shí)還存在
多級(jí)傳動(dòng),因此要達(dá)到上述目的,常采用的方法有:鋼帶傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦無(wú)間隙、高精度傳動(dòng);滾珠絲杠傳動(dòng),可提高傳動(dòng)效率且傳動(dòng)平穩(wěn),起動(dòng)和低速性能好,摩擦磨損小; 采用 RV 減速器,可縮短傳動(dòng)鏈。同時(shí)合理安排檢測(cè)系統(tǒng)位置,進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。
（三）鎖絲機(jī)構(gòu)
鎖絲結(jié)構(gòu)一般包括鎖附尖頭和擰螺釘機(jī)構(gòu)。鎖附尖頭是位于鎖絲頭部最下端的結(jié)構(gòu)部件，主要作用有兩點(diǎn)，一是用來(lái)對(duì)輸送管傳送過(guò)來(lái)的螺釘進(jìn)行初定位，使其能夠在 Z 軸方向保持豎直固定；二是能與擰螺釘機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確配合實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)南乱奇i進(jìn)。鎖附尖頭的手指式結(jié)構(gòu)形式具有可靠性好的特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。擰螺釘機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)螺釘下移鎖進(jìn)的動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用具有定轉(zhuǎn)矩的普通電動(dòng)螺絲刀,經(jīng)電路改造后裝在鎖絲結(jié)構(gòu)連接體中心。
（四）控制系統(tǒng)
機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能有記憶、示教、接口、坐標(biāo)設(shè)置、位置伺服和故障診斷等。機(jī)器人控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、示教盒、操作面板、硬盤(pán)存儲(chǔ)、數(shù)字和模擬量輸入輸出、打印機(jī)接口、傳感器接口、軸控制器、輔助設(shè)備控制、通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口等組成?，F(xiàn)階段機(jī)器人的控制體系結(jié)構(gòu)有兩種主要形式同時(shí)存在:一是象 Fanuc，Motoman 這樣的傳統(tǒng)機(jī)器人制造商繼續(xù)使用大型專(zhuān)有控制裝置，持有他們專(zhuān)有的控制體系結(jié)構(gòu);二是開(kāi)放式通用運(yùn)動(dòng)控制體系結(jié)構(gòu)(比如基于 PC 機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu))，具有開(kāi)放性、可移植性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，而且可以方便的添加網(wǎng)絡(luò)通信功能。許多新公司都在研究和嘗試基于 PC 的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，如 KUKA、ABB、NACHI 等?？刂祁I(lǐng)域常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：
(1) 點(diǎn)位控制與軌跡控制的雙重控制技術(shù)
一般為裝配機(jī)器人安裝高級(jí)編程語(yǔ)言和操作系統(tǒng),常用的編程方式是示教編程與離線編程。同時(shí),合理選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器功率和變速比、終端基點(diǎn)密度和基點(diǎn)插補(bǔ)方式, 以使運(yùn)動(dòng)精確、軌跡光滑。
(2) 裝配機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
由于機(jī)器人柔順運(yùn)動(dòng)控制是一種關(guān)聯(lián)的、變參數(shù)的非線性控制,能使機(jī)器人末端
執(zhí)行器和作業(yè)對(duì)象或環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)符合給定要求。這種控制的關(guān)鍵在于選擇一種合適的控制算法。
(3) 誤差建模技術(shù)
在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中,機(jī)械制造誤差、傳動(dòng)間隙、控制算法誤差等會(huì)引起機(jī)器人末端位姿誤差。因此有必要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,建立合理可靠的誤差模型,進(jìn)行公差優(yōu)化分配,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差標(biāo)定并采用合適的誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
(4) 控制軟件技術(shù)
將諸如減振算法、前饋控制、預(yù)測(cè)算法等先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論嵌入到機(jī)器人控制器內(nèi)使機(jī)器人具有更精確的定位、定輪廓、更高的移動(dòng)速度、更短的調(diào)整時(shí)間,即使在剛性低的機(jī)器人結(jié)構(gòu)中也能達(dá)到無(wú)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)等特性,有助于提高機(jī)器人性能。
四、本課題研究?jī)?nèi)容
通過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，我目前對(duì) SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)這一題目有了一定的了解。SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)主要由以下幾部分構(gòu)成：送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鎖絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 SCARA 機(jī)器人具有四個(gè)關(guān)節(jié),三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向,此外,附加一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)末端件垂直運(yùn)動(dòng)。其本體結(jié)構(gòu)較為固定，對(duì)其本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是滿(mǎn)足工作要求和安全要求。對(duì)其關(guān)鍵零部件的選用如步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、滾珠絲杠副等也有了一定準(zhǔn)備。送料機(jī)構(gòu)一般采用吸取或吹取兩種方式，吸取式是在輸送管中利用低于大氣壓的負(fù)壓輸送螺釘，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)螺絲輸送；吹氣式是在輸送管中利用正壓輸送螺釘。鎖絲機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 SCARA 機(jī)器人擰螺絲工作站設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，即將螺絲鎖死在需要裝配的零件或部件上，實(shí)現(xiàn)了既定的裝配作業(yè)。而控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵，良好的控制系統(tǒng)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)對(duì)螺絲的定時(shí)輸送，SCARA 機(jī)器人本體到達(dá)既定的坐標(biāo)位置和鎖絲機(jī)構(gòu)對(duì)螺釘?shù)逆i死。
但是我對(duì)這一課題的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，送料機(jī)構(gòu)、鎖絲機(jī)構(gòu)和 SCARA 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一些簡(jiǎn)單的設(shè)想，但還不夠成熟。而控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目前我還沒(méi)有多少頭緒，我仍然需要加強(qiáng)知識(shí)的儲(chǔ)備和更深刻的學(xué)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)。
指導(dǎo)教師評(píng)閱意見(jiàn)（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
意 教研室主任意見(jiàn)
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學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見(jiàn)
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