畢業設計（論文）開題報告1選題背景及其意義隨著機器人技術的發展，直角坐標機器人技術在物流堆垛上的使用越來越多。直角坐標機器人作為執行機構，具用控制方便，執行動作靈活，可以實現復雜的空間軌跡控制。直角坐標機器人是工業機器人的一種，它已經廣泛的應用于自動化生產中，它具有結構簡單，運動直觀性強，坐標方向位置精度容易控制，漂浮物精度較高；制造安裝高速方便，容易實現數字控制。機器人的使用量增長的主要原因是價格不斷降低。在20世紀90年代的十年間，機器人價格降低而勞動力成本增加。機器人不僅越來越便宜，而且它們在工業領域變得更加有效——速度更快、操作更準確、更富有柔性。如果在成本統計中將質量因素考慮在內，應用機器人的成本將比它的實際下降快得多。由于機器人作業變得愈加有效，而勞動力成本不斷升高，因此工業中越來越多的作業更適合于應用機器人自動化，這是工業推動機器人發展的主要因素。其次是非經濟因素造成的，隨著機器人作業能力的增強，它們可以完成更加危險或不可能完成的工作。機器人的使用不僅提高生產了生產效率而且增強了工作范圍。在許多領域中用到機器人搬運，如在汽車制造、食品包裝、化學醫藥、電子器件等。而直角坐標機器人在碼垛機和搬運機使用越來越多，其特點是負載范圍大，小到幾公斤，大到幾噸；運行速度快，且速度可調整；動作靈活，可完成復雜的任務；可靠性高，維護簡單。2文獻綜述（國內外研究現狀與發展趨勢）2.1我國物流機器人發展的基本概況首先介紹一下工業機器人的由來，工業機器人誕生于20世紀60年代，在20世紀90年代得到迅速發展，是最先產業化的機器人技術。它是綜合了計算機、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。它的出現是為了適應制造業規模化生產，解決單調重復的體力勞動和提高生產質量而代替人工作業。在我國，工業機器人的真正使用到現在已經20多年了，已經基本實現了試驗，引進到自主開發的轉變，促進了我國制造業、勘探業等行業的發展，隨著我國改革開放的逐漸深入，國內的工業機器人產業將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內工業機器人市場的實際情況，把握我國工業機器人的相關技術與研究進度顯得十分重要。我國的工業機器人研究始于20世紀70年代，由于當時經濟體制等因素的制約，發展比較緩慢，研究和應用水平也比較低。1985年我國將工業機器人列入了“七·五”科技攻關計劃，形成了中國工業機器人研究的第一次高潮。在國家的支持下，我國已基本掌握了機器人的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，先后研發出弧焊、點焊、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人，形成了一批具有競爭力的工業機器人研究機構和企業，如北京機械工業自動化研究所、新松機器人公司等。2008年我國工業機器人年銷售收入達44.43億多元，是2003年銷售收入的4.96倍，年均增長37.75%。近年來，機器人作為高新技術產業，不管是在生產加工系統，還是在物流系統中都得到了長足的發展。據IFR預計，2014年我國工業機器人年安裝量將超越世界上任何國家。但從總體來講，我國機器人產業目前還很薄弱，相對于國外的先發、領先優勢，我國的機器人技術研發遠遠落后于美、日兩國，我國在智能機器人方面的研究還剛剛起步，具有中國知識產權的工業機器人較少，機器人傳感技術和機器人專用控制系統等方面的研究還比較薄弱，在機器人的應用方面仍較落后。目前我國的機器人技術僅相當于發我國的工業機器人研究始于達國家20世紀80年代的水平，且主要集中在廣東、江蘇、上海、北京等地，其工業機器人擁有量占全國的一半以上，外商獨資企業和中外合資企業是其主要用戶，而從生產銷售來看，我國機器人市場約88%的份額被國外機器人企業所占據。2.2國外物流機器人發展的基本概況目前，在工業發達國家，工業機器人已經廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、物流業等諸多領域。作為先進制造業中不可替代的重要裝備和手段，工業機器人已經成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志。在國外，工業機器人技術日趨成熟，并相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MO-TOMAN，德國的KUKA等，這些公司已經成為其所在國家的支柱企業。以碼垛作業為例，目前歐洲、美國和日本的包裝碼垛機器人在碼垛市場的占有率超過了90%，絕大多數包裝碼垛作業由機器人完成。碼垛機器人能適應于紙箱、袋裝、罐裝、箱體、瓶裝等各種形狀的包裝成品碼垛作業。包裝碼垛機器人在我國物流行業中也已得到廣泛應用，較典型的案例有蒙牛乳業、可口可樂、珠江啤酒等。他們借助機器人技術實現包裝碼垛作業的自動化，節約了成本，提高了物流效率和企業利潤。但與發達國家相比，國內包裝碼垛機器人在研發、生產及應用方面都有很大差距。2.3物流機器人的發展趨勢近年來，物流機器人技術在物流業中的應用優勢慢慢體現了出來，一些國內外企業由于在物流作業中應用機器人技術，不僅使企業的經營規模增大，更重要的是搶先一步，走在了現代物流行列的前列，引領了物流業未來發展的趨勢。目前，越來越多的企業把引進機器人技術作為公司長遠發展的重要一步，比如沃爾瑪、豐田、蒙牛等。機器人技術不僅在包裝和裝卸搬運中得到廣泛應用，隨著機器人技術的不斷進步和各種智能機器人的不斷涌現，運輸配送、流通加工、倉儲和信息處理等物流作業環節中機器人也必將得到廣泛應用。可以預見，隨著機器人技術的不斷進步和物流市場競爭的不斷加劇，機器人技術在物流業中的應用范圍和規模必將逐步擴大，機器人將更好、更高效地服務于物流業，從而促進現代物流業的快速發展。3研究內容3.1技術參數：已知：倉庫高度12m；間隔：1.4m；抓取重量：500kg；伸縮量：左右各300mm；運行速度：60m/min；起升速度：20m/min；伸縮速度：6m/min；定位精度：3mm.。3.2倉庫設計：3.3.1機器人機身、行走機構的結構設計3.3.2機器人傳動方式的選擇3.3.3機器人驅動系統的設計3.3.4機器人控制系統的設計3.3.5機器人檢測傳感系統的選型4研究方案實現三個自由度運動的基本原理：直角坐標機器人的主要功能就是能夠使得末端執行器到達空間指定位置。待實現工作空間大都為矩形空間。由笛卡爾坐標系的知識可知空間中的任意一點可以分別由X、Y、Z方向三個點的集合來表示。因此為了研究問題方便，可以把空間任意兩點的曲線運動簡化為分別在三個自由度方向的直線運動。4.1直角坐標機器人外形方案的確定目前直角坐標機器人主要有兩種結構形式。一種是門式直角坐標機器人，另一種是臂式直角坐標機器人。哪下表所示它們各自有特點：兩種機器人性能對比表類型優點缺點門式直角坐標機器人可承受較大載荷,結構穩定占據空間大懸臂式直角坐標機器人使用靈活方便，占據空間小具有懸臂梁結構，除第一根軸安裝在基礎上外，其余各軸行程不易過長由于需要承受較大載荷，選用門式直角坐標機器人。結構簡圖初步決定如下：4.2機器人傳動方式的選擇傳動性能對比表方案優點缺點滾珠絲杠傳動精度高，且速度平穩。摩擦阻力小，軸向沖擊，鋼性較好，可以傳遞較大扭力，位置準確機構不能自鎖，長度較大時承受徑向載荷能力差齒輪齒條傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、工作可靠、壽命長、結構緊湊、能保證恒定傳動比制造及安裝精度要求高，成本高，不適于兩軸中心距過大的傳動同步帶傳動傳動準確，平穩，噪音小，可獲得恒定速比，且速比范圍大，允許線速度高，傳動結構緊湊對中心及其尺寸穩定性要求較高液壓傳動可產生較大軸向力，傳動速度快結構復雜，維護困難，整個裝車質量大。工作介質對周圍條件反映敏感，直接影響定位精度氣壓傳動瞬間產生很大軸向力，傳動速度快對傳動時間要求不易過長，密封困難在設計中選擇了齒輪齒條傳動方式，主要是因為齒輪齒條具有傳遞的功率大、速度范圍廣、效率高、工作可靠、壽命長、結構緊湊、能保證恒定傳動比的特點。4.3機器人驅動系統的設計機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動和電機驅動三種類型。三種驅動方式的特點對照方式液壓驅動氣動驅動電機驅動輸出壓力壓力很大壓力較小壓力較大控制性能可實現無級調速，達到較高定位精度低速時不易控制，定位精度較低步進、伺服電機的定位精度也較高響應速度很高較高很高使用維護性能溫度對介質影響大，間接影響工作性能，會有不同程度漏油適合在惡劣條件下工作，排氣噪聲大使用維護方便體積重量在同樣輸出力的條件下體積小壓力小，體積大，輸出力小電機本身體積小，減速裝置體積大壽命潤滑性能好，壽命長空氣無潤滑性，壽命短壽命較長應用適于抓取重量較大的機械手，可實現連續軌跡控制抓取質量不易太大，但要求速度快可適用于程序復雜運動要求嚴格的機器人對環境的影響液壓系統易漏油，對環境有污染排氣時有噪聲無通過以上的比較可以看出，液壓驅動方式具有壓力大、速度快、易控制、定位精度高的優點，但是液壓系統較為復雜，同時對環境要求高。隨著步進、伺服電機的發展，電動驅動逐漸體現出它的優點：動力源簡單、維護使用方便又便于與計算機對接，能實現精確控制。鑒于以上的原因，選擇了電機驅動的方式，進一步選擇三相異步電動機。4.4機器人控制系統的設計按控制原理的不同，自動控制系統分為開環控制系統和閉環控制系統。開環控制系統：在開環控制系統中，系統輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環控制系統中，基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統；由順序控制裝置、檢測元件、執行機構和被控工業對象所組成。主要應用于機械、化工、物料裝卸運輸等過程的控制以及機械手和生產自動線。閉環控制系統：閉環控制系統是建立在反饋原理基礎之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環控制系統又稱反饋控制系統。很明顯，我們選用開環控制系統，進一步選用PLC，PLC特點如下：可靠性高，抗干擾能力強硬件配套齊全，功能完善，適用性強易學易用，深受工程技術人員歡迎系統的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造體積小，重量輕，能耗低4.5機器人檢測系統的選型選用光電式傳感器，光電式傳感器基于光電效應的傳感器，在受到可見光照射后即產生光電效應，將光信號轉換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優越性。5進度計劃2013.12.10-2013.12.31明確設計任務，收集相關資料2014.01.01-2014.01.15擬訂功能實現原理2014.01.16-2014.02.15擬訂總體設計方案2014.02.16-2014.03.30機械結構設計、繪制總裝圖2014.04.01-2014.04.25主要零部件設計計算，繪制零件圖2014.04.26-2014.05.15電氣控制系統設計，繪制電氣原理圖2014.05.16-2014.05.25撰寫設計計算說明書2014.05.25-2014.06.06修改及答辯參考文獻[1]郭洪紅.工業機器人.西安電子科技大學出版社[2]StudyofFunctionalShapeMatchingandSynthesisinMachineDesignSystems,JournalofEngineeringDesign,1994,Vol.5(3)[3]SurveyofMechatronicTechniquesinModernMachineDesign,JournalofRobotics,2012,Vol.2012[4]KlausVollrath.現代制造.2004年26期.物料搬運機器人[5]MechanicalDrive(ReferenceIssue).MachineDesign.52(14),1980.[6]成大先.機械手冊.化學工業出版社，2007.[7]王知行，鄧宗全.機械原理.高等教育出版社.2006.[8]濮良貴紀名剛.機械設計（第八版）.高等教育出版社，2006.[9]殷玉楓.機械設計課程設計.機械工業出版社，2006.[10]張建民.機電一體化系統設計（第三版）.高等教育出版社，2000.[11]尹志強.機電一體化系統設計課程設計指導書.機械工業出版社2007.[12]馮清秀，鄧星鐘.機電傳動控制（第五版）.華中科技大學出版社，2011.[13]宋彩利，孫友倉，吳紅岐.單片機原理與C51編程.西安交通大學出版社.2008.[14]華中生.柔性制造系統和柔性供應鏈——建模、決策與優化.科學出版社，2007.[15]余俊.滾動軸承計算——額定負荷、當量負荷及壽命.高等教育出版社，1993.[16]李瑞峰.航空制造技術.2010年09期.中國工業機器人產業化發展戰略.[17]高佳男，周廣亮，周明波，蔣野，徐建東.電子制作.2011年03期.自動搬運機器人.[18]李雷.系統仿真技術.2011年02期.基于MCS-51控制的軍用自動倉儲搬運機器人設計實現.[19]李偉光，許陽釗.制造技術與機床.2010年04期.一種搬運機器人控制系統的軟件開