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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目 四自由度SCARA機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)
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(fù)責(zé)人
一、選題的背景意義和主要內(nèi)容
1.選題的背景
SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2，及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的，即p=f(φ1,φ2,z)，如圖所示。這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1型SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)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(gè)圓頭針插入一個(gè)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(gè)特點(diǎn)是其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進(jìn)有限空間中作業(yè)然后收回，適合于搬動(dòng)和取放物件，如集成電路板等。
如今SCARA機(jī)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(gè)軸和第二個(gè)軸具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，第三和第四個(gè)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(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)具有線性移動(dòng)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(gè)扇形區(qū)域。SCARA機(jī)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(jī)器人的凈載重量在1千克至200千克之間。
2.意義
工業(yè)機(jī)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(jì)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(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造和設(shè)備更新,因而對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的需求也將不斷增加,但我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)步伐較慢工業(yè)機(jī)器人長期大量依賴進(jìn)口。從國外引進(jìn)的機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，而且使用效果很不理想，由此嚴(yán)重制約了我國制造業(yè)的健康發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì) 2004年以前已經(jīng)引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中有近一半處于不能正常運(yùn)行的狀態(tài)其中問題較大的占 33% 根本不能使用的高達(dá)16%造成這種問題的主要原因包括國外自動(dòng)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(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封閉是導(dǎo)致機(jī)器人價(jià)格昂貴售后服務(wù)不完善、機(jī)器人技術(shù)發(fā)展緩慢的根本原因，因此研究和設(shè)計(jì)自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)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(jī)器人是由大臂、小臂、Z向直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配等任務(wù)。本課題通過對不同實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較（例如：在設(shè)計(jì)第三、四自由度時(shí)，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(jì)軟件，對SCARA機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)Z向直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
主要內(nèi)容：
1. 翻譯英文資料，了解SCARA機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r；
2. 學(xué)習(xí)SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機(jī)械設(shè)計(jì)和繪圖軟件；
3. 進(jìn)行伺服電機(jī)、諧波減速器的選型；
4. 完成論文或設(shè)計(jì)說明書。
二、國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
1、國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r
在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)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(jì)委員會(huì)（UNECE）和國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)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(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)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(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動(dòng)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(jī)器人數(shù)量位于世界前列，全球諸多國家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。
2、國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代，與發(fā)達(dá)國家相比起步稍晚。其發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段：70年代的萌芽期；80年代的開發(fā)期；90年代的實(shí)用化期。上世紀(jì)90年代末期，中國投資建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地，包括沈陽自動(dòng)化研究所的新松機(jī)器人公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人開發(fā)中心、海爾機(jī)器人公司等。我國工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)從無到有，由弱變強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。目前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程技術(shù)；運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點(diǎn)焊及大型機(jī)器人自動(dòng)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(dá)到或接近世界水平。
雖然中國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在不斷的進(jìn)步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。中國的工業(yè)機(jī)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(jìn)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(jī)器人很多核心技術(shù)，當(dāng)前我們尚未掌握，這是影響我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸。
3、國內(nèi)發(fā)展趨勢
中國工業(yè)機(jī)器人在“七五”、“九五”、“十五”期間研究取得了較大進(jìn)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(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)?？茖W(xué)院機(jī)器人“十二五”規(guī)劃研究目標(biāo)：開展高速、高精、智能化工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究工作，建立并完善新型工業(yè)機(jī)器人智能化體系結(jié)構(gòu)；研究高速，高精度工業(yè)機(jī)器人控制方法并研制高性能工業(yè)機(jī)器人控制器，實(shí)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(jī)器人的智能化作業(yè)技術(shù)，研制自動(dòng)焊接工業(yè)機(jī)器人，自動(dòng)噴涂工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，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(jī)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(jìn)智能技術(shù)、智能裝備和數(shù)字制造的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國高端裝備制造的重大跨越。具體分兩步進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng)國的重要手段和途徑。未來幾年，國內(nèi)機(jī)器人研究人員將重點(diǎn)研究工業(yè)機(jī)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(jī)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。
?。?）工業(yè)機(jī)器人智能化體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)
?。?）工業(yè)機(jī)器人新型控制器技術(shù)
（3）工業(yè)機(jī)器人智能化作業(yè)技術(shù)
?。?）成線成套裝備技術(shù)
（5）系統(tǒng)可靠性技術(shù)
三、思路方案
本課題設(shè)計(jì)四自由度SCARA機(jī)器人，四自由度SCARA機(jī)器人是由大臂、小臂、Z向直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)組成的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、精確、快速等優(yōu)點(diǎn)。本課題通過對在設(shè)計(jì)第三、四自由度時(shí)，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(shí)驗(yàn)室的機(jī)器臂參考，使用三維設(shè)計(jì)軟件，對SCARA機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)Z向直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)器人控制要求、工作原理及工作環(huán)境，確定機(jī)器人總體方案。在充分分SCARA機(jī)器人工作過程后，應(yīng)把每個(gè)關(guān)節(jié)總分總考慮。完成整個(gè)課題所需做的工作大致如下：
1.翻譯英文資料，了解SCARA機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r；
2. 學(xué)習(xí)SolidWorks（或Pro/E）、AutoCAD等機(jī)械設(shè)計(jì)和繪圖軟件；
3. 進(jìn)行伺服電機(jī)、諧波減速器的選型；
4. 設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)；
5. 在設(shè)計(jì)Z向直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，擬采用滾珠絲杠滾珠花鍵軸的方案。并對局部機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；
6. 繪制SCARA機(jī)器人的三維圖、二維裝配圖和零件圖；
7. 對所完成的課題進(jìn)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(jì)計(jì)劃流程圖
進(jìn)行伺服電機(jī)、諧波減速器的選型
翻譯文獻(xiàn)
了解發(fā)展現(xiàn)狀
設(shè)計(jì)SCARA機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)
查閱課題相關(guān)資料
局部機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)
學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件硬件的基本技能
運(yùn)用Pro/E（SolidWorks）進(jìn)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(jì)信息網(wǎng)（http://www.cinic.org.cn）
2. 中國機(jī)器人網(wǎng)（www.Robotschina.com）
3. 王田苗.全力推進(jìn)我國機(jī)器人技術(shù)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007（2）：17-23.
4. 付京遜．機(jī)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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8. 校康明．基于SCARA控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制 [D]．碩士學(xué)位論文，南京理工大學(xué)．2008．
9. 方健．SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)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(xiàng)等）
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日