箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計

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畢業(yè)設計（論文）指導教師資格及題目審批表 指導教師姓名 所在單位 指導教師職稱 所學專業(yè) 設計（論文）題目 箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計 題 目 類 型 設計 √ 題 目 來 源 科 研 實驗室建設 論文 工程生產(chǎn) √ 自 擬 題目真實性程度 真實 √ 題目新舊 新題 √ 難度 等級 難 一般 模擬 舊題 較難 √ 設計（論文）地點 校內(nèi) √ 設計（論文）時間 自03月 2 日 至06 月7日 校外 概要： 題目來源：題目來源于吉林省東元精密機械有限公司，本設計是應用專業(yè)知識完成箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設備的設計。 隨著港口包裝箱吞吐量迅速增加,堆場迫切要求提高港口作業(yè)效率。影響港口堆場作業(yè)效率的主要因素之一是過多的翻箱作業(yè)。本設計針對后方堆場,根據(jù)包裝箱初始位置將影響提箱翻箱量,以普通箱的堆碼運送轉(zhuǎn)移問題為研究對象,設計一款包裝箱自動碼垛運送轉(zhuǎn)移設備，該設備具有如下特點：一是這個系統(tǒng)可以根據(jù)紙箱大小調(diào)整吸盤夾具，從而裝卸不同尺寸大小的貨物箱子；二是這個系統(tǒng)的框架高度可以根據(jù)現(xiàn)場包裝箱高度去配合調(diào)整；三是這個系統(tǒng)還可以拓展出多種用途，例如掃描，貼標簽，稱重等。還可以與倉庫管理系統(tǒng)連接。 設計目的：本次畢業(yè)設計要求學生能夠熟練運用 2D 軟件(AutoCAD)或 3D 軟件進行包裝箱自動碼垛設備的設計，通過本設計可以掌握非標生產(chǎn)裝備的設計過程。 此外，在設計中可培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，獨立分析和解決實際工程問題的能力，使學生在、編寫技術文件、查閱文獻和三維設計軟件應用能力方面受到一次綜合訓練，最終達到畢業(yè)要求所要求達到的能力。 可行性：此設計來源于生產(chǎn)實踐，設計內(nèi)容具有較強的專業(yè)性，傳動結(jié)構(gòu)典型，涉及較多機械設計理論，綜合性較強。在調(diào)查研究、查閱資料及綜合運用所學基礎知識、專業(yè)知識的基礎上，借助 CATIA、SOLIDWORKS 等三維軟件的功能有能力完成任務。 技術路線： （1）明確設計任務，收集有關資料。 （2）包裝箱自動碼垛轉(zhuǎn)移設備傳動方案制定。 （3）包裝箱拾取方案制定。 （4）電機、氣動元件選型。 （5）三維建模，校驗、修改并完善。 （6）撰寫畢業(yè)設計論文，完成技術圖紙。 復雜工程問題界定 （1）必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決；（該項必須具備） （下面2-7項，具備其中至少一項，即為復雜工程問題） （2）設計多方面的技術、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突； （3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性； （4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的； （5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中； （6）問題相關各方利益不完全一致； （7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯(lián)的子問題。 畢業(yè)設計解決的復雜問題分析及具體實施方法： 針對特征 1：本設計需要針對給出轉(zhuǎn)移機械手的企業(yè)的技術要求，利用機械原理的理論分析其工作原理，分析各組成部分的作用和工作原理，才能得到設計方案，并在設計開題報告和說明書中給出。實施方法：開題報告、說明書方案論證部分。 針對特征 2：在設計過程中需要根據(jù)設計要求來給出設計方案，但是在方案的選擇上存在多種可行性，如零件是自制還是外購，零件的加工精度和經(jīng)濟性，產(chǎn)品的成本控制和企業(yè)的技術要求等技術和工程因素之間都存在著一定沖突。 針對特征 3：在設計過程中需要利用到國家相關的標準的相關要求和測量原理，在將原理變成實際的應用設備的設計過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性，在設計過程中才能將原理實現(xiàn) 針對特征 6：在設計生產(chǎn)過程中，設計生產(chǎn)者考慮的是達到設計要求，利益最大化，而使用方達到設計要求的同時，考慮成本最低。兩者利益正好相對。 針對特征 7：在本設計過程中，綜合應用機械原理，機械設計，三維計算機輔助設計，二維工程圖和國家制圖標準，氣動元件，機械傳動設備，電機，現(xiàn)代工具如電腦，互聯(lián)網(wǎng)等多種工具和技術的使用。 系部意見： 教研室主任簽字： 2020年3 月 2 日 企業(yè)專家意見： 企業(yè)專家簽字： 2020年3 月 2日 學院（系）審查意見： 院長（系主任）簽字： 2020年3 月 2日 本畢業(yè)設計題目內(nèi)容對應畢業(yè)設計課程目標情況說明 課程目標1 在開題和說明書的完成過程中需要查找資料，收集分析判斷解決箱式工件轉(zhuǎn)移機械手的工作原理，為完成方案設計提供理論依據(jù)。 參考文獻，畢業(yè)設計任務書、審題表、畢業(yè)設計說明書 課程目標2 參與企業(yè)實際項目的方案設計，根據(jù)用戶要求提出初始設計要求和相應查找的標準等提出多種可行方案，通過方案對比分析，模擬驗證等確定和完成解決方案。 開題報告、畢業(yè)設計說明書 課程目標3 在箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計中，學生需要依照機械手的國家標準應用理論創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、技術創(chuàng)新等設來完成本機的結(jié)構(gòu)設計。 畢業(yè)設計說明書 圖紙 建模 課程目標4 在理解和分析客戶需求和技術要求的前提下，考慮設計裝置安全保護，通過設置導線防護罩等裝置提高設備的安全性，同時要考慮經(jīng)濟因素，為客戶和生產(chǎn)廠家提供最優(yōu)設計。 畢業(yè)設計說明書 課程目標5 利用 CATIA或者Solidworks軟件完成產(chǎn)品的零件建模和裝配，在裝配過程中進行干涉驗證，對設計中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題進行分析和優(yōu)化。 設計說明書 圖紙 課程目標6 利用知網(wǎng)等計算機和互聯(lián)網(wǎng)工具等現(xiàn)代信息技術進行設計文獻檢索，獲取與畢業(yè)設計內(nèi)容相關的資料。 利用catia等現(xiàn)代技術工具完成圖紙的繪制，模型建立。 課程目標7 在說明書和開題報告的完成過程中，考慮箱式工件轉(zhuǎn)移機械手對港口運輸?shù)挠绊懖⒔o與論述，理解箱式工件轉(zhuǎn)移機械手的設計對港口運輸行業(yè)的意義。 開題報告、說明書 課程目標8 結(jié)合箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計項目，要考慮在設計過程中箱式工件的尺寸大小和應用場合的不同，在設計中,考慮對箱式工件拾取的適應性或針對未來可能使用型號設計結(jié)構(gòu)的可擴展性或模塊化設計。 畢業(yè)設計說明書 課程目標9 使用 office 組件撰寫技術報告，在畢業(yè)設計過程中通過專業(yè)術語與指導教師進行交流，闡述設計內(nèi)容，與指導老師交流設計不明了的地方，聽取指導老師指導。 撰寫開題報告、畢業(yè)設計答辯 PPT、答辯發(fā)言 課程目標10 翻譯與畢業(yè)設計內(nèi)容切實相關的專業(yè)技術文件，文獻，在設計說明書撰寫過程中翻譯摘要，以準確的語言進行具有使用外語進行跨學科的專業(yè)技術文件翻譯、書寫的能力。并能理解不同區(qū)域、國家、文化對知識和能力的影響和要求，具有跟隨國際技術發(fā)展趨勢、研究熱點的能力。 外文翻譯，設計說明書中英文摘要 課程目標11 在說明書中專有一節(jié)，寫有關設計題目的項目管理、質(zhì)量管理、經(jīng)濟成本核算分析內(nèi)容。 畢業(yè)設計說明書 課程目標12 對于在設計過程中，項目所需要的專業(yè)知識和能力，軟件使用能力，非標自動化產(chǎn)品的設計創(chuàng)新能力。 畢業(yè)設計說明書 課程目標13 使用互聯(lián)網(wǎng)、書籍、媒體學習設計相關知識或查找相關資料，自主學習，提高自身專業(yè)業(yè)務水平 畢業(yè)設計說明書，設計成果 備注：1.此表由擬擔任畢業(yè)設計（論文）指導工作的教師填寫，每個題目填報一張表，一式兩份； 2.部分分項填寫時，只在對應項內(nèi)打“√”即可； 3.表中真實題目是指在學校、生產(chǎn)、科研及其它單位實際立項的課題； 4.指導教師如果是外聘，應在所在單位欄中加注（外聘）字樣； 5.在畢業(yè)設計（論文）工作開始前，各院（系）將此表匯總，報教務處備案。 參考資料：機制專業(yè) 畢業(yè)設計課程目標： 畢業(yè)要求 支撐的畢業(yè)要求指標點 課程目標 課程目標主要教學內(nèi)容 畢業(yè)要求2 問題分析 2.3能認識到解決機械設計、制造工藝和機電控制領域中復雜工程問題有多種方案可選擇，會通過文獻研究尋求可行的替代解決方案，并能運用基本原理，分析過程的影響因素，獲得有效結(jié)論。 課程目標1 資料綜述 實現(xiàn)設計可采用的原理分析 目標1：能夠識別畢業(yè)設計設計項目的技術路線和實現(xiàn)方法的不同，通過資料收集分析判斷出解決該設計問題合理的解決方案。 機電產(chǎn)品或非標自動化設備中的機械精度、機械傳動、結(jié)構(gòu)強度等技術難點的解決原理、方法和知識。參考文獻，方案原理、畢業(yè)設計任務、審題表、畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)要求3設計/開發(fā)解決方案 3.1掌握機械設計、制造工藝和機電控制系統(tǒng)的設計原則、方法和流程，了解影響設計目標和技術方案的各種因素，能夠設計針對機械設計、制造工藝和機電控制領域復雜工程問題的解決方案； 課程目標2 總體方案設計，多方案對比分析 目標2：能運用機械工程知識和方法，通過文獻研究比較分析，給出畢業(yè)設計題目的設計路線或技術方案。 參與企業(yè)實際項目的方案設計，根據(jù)用戶要求提出初始設計方案。 開題報告、畢業(yè)設計說明書 3.2能結(jié)合特定的工程需求分析，對機械傳動、機械結(jié)構(gòu)、機電控制等單元部件進行設計并能夠在設計中體現(xiàn)創(chuàng)新意識； 課程目標3 設計計算、詳細設計 設計中體現(xiàn)的創(chuàng)新之處 目標3：使用理論創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、技術創(chuàng)新等構(gòu)建畢業(yè)設計的路線和方案。 結(jié)合企業(yè)實際項目，應用機械原理、機械設計等知識進行設計計算、方案分析與對比。方案可行性論證。畢業(yè)設計說明書 圖紙 建模 3.3能夠進行機械系統(tǒng)設計和機械制造工藝流程設計，在設計中考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。 課程目標4 設計中對滿足法律、環(huán)境、安全等要求的論述 目標4：理解和分析機械項目的技術要求和用戶需求，考慮安全、環(huán)境、法律、經(jīng)濟因素，構(gòu)建最終技術方案并論證可行性，優(yōu)化最終設計。 進行機電系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)的初步設計、機械結(jié)構(gòu)的詳細設計和控制部分設計；機電液器件選型和控制系統(tǒng)設計； 畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)要求5：使用現(xiàn)代工具 5.2能夠開發(fā)、選擇與使用仿真工具、計算機輔助設計制造分析軟件、及機電控制編程軟件對機械設計、制造工藝和機電控制等有關的復雜工程問題進行分析、預測和模擬，并能理解其局限性； 課程目標5 有應用分析軟件對設計進行分析、模擬、仿真的內(nèi)容 目標5：能夠利用各類軟件進行運動仿真，結(jié)構(gòu)計算，有限元仿真，模流分析、機床切削模擬等計算模擬，并對工程問題進行分析，優(yōu)化或并與理論計算相比較，得到結(jié)果并認識到其運算結(jié)果只是對設計理想狀態(tài)的模擬并具有局限性。 設計說明書 圖紙 5.3能夠運用計算機和互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術、文獻檢索工具獲取信息 課程目標6 檢索資料 目標6：熟練應用計算機、互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等信息資源獲得信息，使用獲得的資訊。合理使用現(xiàn)代專業(yè)軟件完成專業(yè)內(nèi)容設計。 利用知網(wǎng)等計算機和互聯(lián)網(wǎng)工具等現(xiàn)代信息技術、文獻檢索工具獲取與畢業(yè)設計內(nèi)容相關的資料。開題報告、說明書使用autocad、catia完成圖紙的繪制。 畢業(yè)要求6：標準6工程與社會 6.2能夠分析評價機械工程設計、項目實施、生產(chǎn)過程以及復雜工程問題的解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。 課程目標7 說明本課題對社會的影響 目標7：通過分析和評價機械工程設計、項目實施、生產(chǎn)過程對社會、健康、安全、法律以及文化的影響。 考慮項目實際生產(chǎn)設計制造過程對生產(chǎn)企業(yè)上下游的影響，理解項目開發(fā)設計的社會、健康、安全、法律以及文化意義。開題報告、說明書 畢業(yè)要求7：工程與社會 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展 7.2能夠從環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度，評價機械產(chǎn)品全生命周期中對環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的影響。 課程目標8 本設計的產(chǎn)品在使用過程中能源消耗、環(huán)境影響 目標8：具有能夠結(jié)合設計項目，預期環(huán)境政策和可持續(xù)發(fā)展等產(chǎn)業(yè)政策因素對畢業(yè)設計中方案、路線及產(chǎn)品生命周期的影響并依照預期對設計項目做出修改的能力。 從企業(yè)實際項目研發(fā)的角度，理解環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等產(chǎn)業(yè)政策對設計的影響并依照發(fā)展規(guī)律對設計做出修改。畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)要求10：溝通 10.2具備撰寫技術報告、設計工程圖紙、制作演示文稿等書面表達能力； 課程目標9 書面口頭表達能力 目標9：能通過口頭及書面方式進行有效溝通和交流，具備撰寫技術報告、設計演示文稿、陳述發(fā)言、答辯等能力。 使用office撰寫技術報告、設計演示文稿、陳述發(fā)言、答辯。撰寫開題報告、畢業(yè)設計答辯PPT、答辯發(fā)言 10.3具具備一定的國際視野，具有英語聽說讀寫的基本能力，能在跨文化背景下就專業(yè)問題進行溝通和交流。了解機械工程專業(yè)領域的國際技術發(fā)展趨勢、研究熱點，理解和尊重世界不同文化的差異性和多樣性。 課程目標10 外語能力、國外技術的發(fā)展 目標10：具有使用外語進行跨學科的專業(yè)技術文件翻譯、書寫的能力。并能理解不同區(qū)域、國家、文化對知識和能力的影響和要求，具有跟隨國際技術發(fā)展趨勢、研究熱點的能力。 外文翻譯，設計說明書中英文摘要 畢業(yè)要求11項目管理 11.3能夠?qū)⒐こ坦芾碓?、技術經(jīng)濟決策方法應用于機械工程領域的設計、制造和生產(chǎn)活動中。 課程目標11 模仿企業(yè)做項目的過程，寫出項目的設計流程、項目的階段管理計劃、項目成本核算與分析 目標11：認識并熟悉機械行業(yè)中一個機械工程項目設計實施流程，在畢業(yè)設計過程中按照項目規(guī)劃及實施。 在說明書中增加一節(jié)，寫有關設計題目的項目管理、質(zhì)量管理、經(jīng)濟成本核算分析內(nèi)容。 畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)要求12：自主學習 12.1能認識到科學技術在不斷發(fā)展，理解不斷學習的必要性，具有自主學習和終身學習的意識； 課程目標12 先進的技術在畢業(yè)設計中的應用或論述 目標12：理解技術進步對知識和能力的影響和要求，具有跟蹤和識別本學科新知識發(fā)展和新研究的意識。 學習企業(yè)項目所需要的專業(yè)知識和能力，軟件使用能力，非標自動化產(chǎn)品的設計創(chuàng)新能力；畢業(yè)設計說明書 12.2具有自主學習能力，掌握自主學習的方法，能夠有效拓展知識和能力。效拓展知識和能力； 課程目標13 為完成該設計，自學拓展了什么知識并應用在設計中 目標13：掌握自主獲取學科專業(yè)知識信息的方法，自主學習和終身學習學科專業(yè)知識和適應社會持續(xù)發(fā)展。 使用互聯(lián)網(wǎng)、書籍、媒體學習 畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)設計任務書 論文題目： 箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計 學生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 班級名稱 學 號 指導教師 教師職稱 學 歷 畢業(yè)設計任務書 題 目 箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計 專業(yè)班級 任務書下發(fā)日期 畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容： 本設計的題目是：箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計 涉及的具體內(nèi)容是：總體機械結(jié)構(gòu)設計；工件的傳送機構(gòu)設計，機械手的橫向進給機構(gòu)設計；工件的夾持機構(gòu)的設計；開題報告1份；外文翻譯1份；設計說明書1份；手工繪圖1張等。 本設計的背景：題目來源于吉林省東元精密機械有限公司，本設計是應用專業(yè)知識完成箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設備的設計。隨著港口包裝箱吞吐量迅速增加,堆場迫切要求提高港口作業(yè)效率。影響港口堆場作業(yè)效率的主要因素之一是過多的翻箱作業(yè)。本設計針對后方堆場,根據(jù)包裝箱初始位置將影響提箱翻箱量,以普通箱的堆碼運送轉(zhuǎn)移問題為研究對象,設計一款包裝箱自動碼垛運送轉(zhuǎn)移設備 開題報告要求：研究項目的意義；國內(nèi)外的發(fā)展情況；研究項目的內(nèi)容；項目的技術要求；設計總體方案；設計技術路線；進度安排。 畢業(yè)設計說明書要求：說明書應包括標題、摘要、目錄、前言、正文、結(jié)論、總結(jié)與體會、謝辭、參考文獻、附錄等。 正文內(nèi)容包括：設計方案論證；計算部分；設備及產(chǎn)品選型；結(jié)構(gòu)設計；安裝布置設計；樣機或試件測試、方案的校驗等（可無）。 本畢業(yè)設計題目內(nèi)容對應畢業(yè)設計課程目標情況說明 課程目標1 在開題和說明書的完成過程中需要查找資料，收集分析判斷解決箱式工件轉(zhuǎn)移機械手的工作原理，為完成方案設計提供理論依據(jù)。 參考文獻，畢業(yè)設計任務書、審題表、畢業(yè)設計說明書 課程目標2 參與企業(yè)實際項目的方案設計，根據(jù)用戶要求提出初始設計要求和相應查找的標準等提出多種可行方案，通過方案對比分析，模擬驗證等確定和完成解決方案。 開題報告、畢業(yè)設計說明書 課程目標3 在箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計中，學生需要依照機械手的國家標準應用理論創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、技術創(chuàng)新等設來完成本機的結(jié)構(gòu)設計。 畢業(yè)設計說明書 圖紙 建模 課程目標4 在理解和分析客戶需求和技術要求的前提下，考慮設計裝置安全保護，通過設置導線防護罩等裝置提高設備的安全性，同時要考慮經(jīng)濟因素，為客戶和生產(chǎn)廠家提供最優(yōu)設計。 畢業(yè)設計說明書 課程目標5 利用 CATIA或者Solidworks軟件完成產(chǎn)品的零件建模和裝配，在裝配過程中進行干涉驗證，對設計中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題進行分析和優(yōu)化。 設計說明書 圖紙 課程目標6 利用知網(wǎng)等計算機和互聯(lián)網(wǎng)工具等現(xiàn)代信息技術進行設計文獻檢索，獲取與畢業(yè)設計內(nèi)容相關的資料。 利用catia等現(xiàn)代技術工具完成圖紙的繪制，模型建立。 課程目標7 在說明書和開題報告的完成過程中，考慮箱式工件轉(zhuǎn)移機械手對港口運輸?shù)挠绊懖⒔o與論述，理解箱式工件轉(zhuǎn)移機械手的設計對港口運輸行業(yè)的意義。 開題報告、說明書 課程目標8 結(jié)合箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計項目，要考慮在設計過程中箱式工件的尺寸大小和應用場合的不同，在設計中,考慮對箱式工件拾取的適應性或針對未來可能使用型號設計結(jié)構(gòu)的可擴展性或模塊化設計。 畢業(yè)設計說明書 課程目標9 使用 office 組件撰寫技術報告，在畢業(yè)設計過程中通過專業(yè)術語與指導教師進行交流，闡述設計內(nèi)容，與指導老師交流設計不明了的地方，聽取指導老師指導。 撰寫開題報告、畢業(yè)設計答辯 PPT、答辯發(fā)言 課程目標10 翻譯與畢業(yè)設計內(nèi)容切實相關的專業(yè)技術文件，文獻，在設計說明書撰寫過程中翻譯摘要，以準確的語言進行具有使用外語進行跨學科的專業(yè)技術文件翻譯、書寫的能力。并能理解不同區(qū)域、國家、文化對知識和能力的影響和要求，具有跟隨國際技術發(fā)展趨勢、研究熱點的能力。 外文翻譯，設計說明書中英文摘要 課程目標11 在說明書中專有一節(jié)，寫有關設計題目的項目管理、質(zhì)量管理、經(jīng)濟成本核算分析內(nèi)容。 畢業(yè)設計說明書 課程目標12 對于在設計過程中，項目所需要的專業(yè)知識和能力，軟件使用能力，非標自動化產(chǎn)品的設計創(chuàng)新能力。 畢業(yè)設計說明書 課程目標13 使用互聯(lián)網(wǎng)、書籍、媒體學習設計相關知識或查找相關資料，自主學習，提高自身專業(yè)業(yè)務水平 畢業(yè)設計說明書，設計成果 畢業(yè)設計（論文）的主要設計要求與技術參數(shù): （1）傳送帶長度到達3m，傳送帶速度30m/min。 （2）運動速度：X-50m/min ，Z-20m/min。 （3）搬運的箱體工件重量可達25kg。 （4）搬運工件長度730mm，寬度680mm，高度905mm。 （5）定位精度±0.1。 （6）工件夾持為氣動。 畢業(yè)設計（論文）的成果要求: 方案設計合理、可行、經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)緊湊；元件選擇正確、合理；在設計中要進行傳動計算、功率分析、效率計算、強度驗算、結(jié)構(gòu)設計在設計中要廣泛查閱有關資料、圖冊、綜合應用。 機械結(jié)構(gòu)總裝配圖（A0一張）；零件圖若干（折合A0二張，A1一張）；開題報告1份（3000字以上）；外文翻譯1份（原文單詞3000以上）；設計說明書1份（1.5萬字以上）； 其中1張為手工繪圖，其它為計算機繪圖，將所有設計資料電子版刻制成一張光盤。 主要參考文獻： [1] 譚慶昌 趙洪志主編.《機械設計》.高等教育出版社，2004.7； [2] 毛謙徳 李振清主編.《機械設計師手冊》（第二版）.機械工業(yè)出版社，2005.1； [3] 蒲良貴. 機械原理.北京：高等教育出版社.2006 [4] 朱龍根 主編．《簡明機械零件設計手冊》.(第二版)機械工業(yè)出版社，2005.8； [5] 許福玲 陳堯明. 液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社，2007.5 [6] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊.液壓傳動與控制[M].機械工業(yè)出版社，2007 [7] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊.密封件、密封與潤滑[M].機械工業(yè)出版社，2007 [8] 機械設計手冊編委會. 機械設計手冊.氣壓傳動與控制[M].機械工業(yè)出版社，2007 [9] 劉小年,郭克希主編.機械制圖（機械類、近機類）.機械工業(yè)出版社，2004.10。 [10] 王伯平.互換性與測量技術基礎第3版，機械工業(yè)出版社.2008. 任務書編制教師（簽章）： 2020年 3 月 1日 教研室審核意見: 教研室主任(簽章): 2020 年 3 月 1 日 學院審核意見: 學院院長(簽章): 2020 年 3 月 1 日 備注 注：任務書中的數(shù)據(jù)、圖表及其他文字說明可作為附件附在任務書后面，并在主要要求中標明：“見附件” Context-Dependent Compensation Scheme to Reduce Trajectory Execution Errors for Industrial Manipulators 用前后參照補償方案減少工業(yè)機械手的軌跡執(zhí)行誤差 資料來源：2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA)Palais des congres de Montreal, Montreal, Canada,May 20-24, 2019 設計題目： 箱式工件轉(zhuǎn)移機械手設計 學生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 班級名稱 學 號 指導教師 教師職稱 完成時間 8 摘要 當前，由于機器人模型不準確，執(zhí)行器錯誤和控制器限制而導致的錯誤，自動生成的軌跡無法直接用于需要執(zhí)行高精度的任務。這些軌跡通常需要手動優(yōu)化。這在小批量生產(chǎn)中，在經(jīng)濟上是不可行的。更糟的是是，執(zhí)行誤差取決于軌跡和末端執(zhí)行器負載的性質(zhì)，因此無法設計出通用的自動補償方案來減少軌跡誤差。本文提出了一種用于分析給定軌跡，對給定軌跡的一小部分執(zhí)行探索性物理運行以及基于測量數(shù)據(jù)試驗補償方案的方法。試驗型補償方案是參照前后的運行軌跡以用于減少執(zhí)行誤差。我們已經(jīng)通過進行物理實驗證明了這種方法的可行性。 1. 介紹 機器人的可重復性衡量了機器人在負載配置不變的情況下可以精確地返回到先前訪問過（或教過的）工作空間配置（例如末端執(zhí)行器的位置和方向）。當工業(yè)機械手使用反饋控制在給定的負載配置下移動時，它在受控環(huán)境（例如典型的工廠車間或辦公室環(huán)境）中不會遇到意料之外的干擾。因此，執(zhí)行相同的運動命令會導致關節(jié)軌跡相同的結(jié)果。大多數(shù)工業(yè)機械手具有出色的重復性，它們可以以低錯誤返回到相同的工作空間位置 機器人的準確性衡量了機器人可以達到指定工作空間配置的精度。這需要進行反向運動學計算以計算關節(jié)角，并使用反饋控制器來獲得所需的關節(jié)值。機器人的運動學誤差（例如，連桿尺寸，平行度，正交性誤差等），關節(jié)誤差（例如，傳感器誤差等）和非運動學誤差（例如，連桿剛度，齒輪間隙等）[1] 導致偏離末端執(zhí)行器預期的位置。這種偏差被認為是路徑誤差，而準確性是該誤差的衡量。此外，當機器人正在跟蹤軌跡時，由于控制器的原因，機器人到達配置時可能會有延遲。為避免振蕩，機器人中使用的PID（比例積分微分）控制器通常在過阻尼狀態(tài)下運行，這會導致跟蹤性能下降。到達配置的時間延遲被認為是軌跡跟蹤誤差。 對于大多數(shù)工業(yè)機器人而言，可重復性遠勝于準確性。當今行業(yè)中最常見的機器人編程方法是使用示教器手動將機器人引導至所需配置并記錄與所需配置關聯(lián)的關節(jié)角度。然后在執(zhí)行過程中回放記錄的配置。這種操作模式充分利用了機器人的高重復性，避免了直接跟蹤計算軌跡時精度低的問題。但是，在許多應用中，例如機器人[2]-[5]的增材制造，機器人精加工[6]，機器人復合材料鋪層[7]或移動操縱[8]常常需要通過掃描或CAD（計算機輔助設計）文件自動生成機器人軌跡。這些軌跡通常需要人工細化。這在小批量生產(chǎn)上在經(jīng)濟上不可行。參考在移動的工件上雕刻圓形圖案的示例（見圖1）。圖1中所示的參考軌跡用于執(zhí)行此操作。圖1顯示由于執(zhí)行錯誤，圓中存在很大的缺陷。而我們需要自動軌跡補償方法。 圖1：實際演示關節(jié)機器人中執(zhí)行錯誤的實際設置，設置原理圖和參考軌跡 圖1 / 在機床和3D（3維）打印機中，有了參照前后軌跡的補償方法，該方法可以校正計算的軌跡以準確地考慮硬件的可變性。我們使用這項前后參照的補償方案，是因為補償方法適用于各種軌跡和工件位置（例如，前后無關的DH（Denavit-Hartenberg）參考補償方案，用于使機器人在任何給定的情況下都能獲得較高的精度軌跡[9]，[10]）。這些方法的成功取決于這樣一個事實，即不同關節(jié)引入的誤差是彼此獨立的。然而，由于關節(jié)之間的耦合，這種方法在多關節(jié)機器人上的應用限制了精度的提高。獨立于前后參照的補償方案的另一個嚴重缺陷是它們不能動態(tài)地考慮末端執(zhí)行器所承受的負載。顯然，前后參照補償?shù)姆椒ㄔ诖蠖鄶?shù)情況下不會提高準確性。在本文中，我們提出這種參照前后補償（C-DC）方案，旨在減少給定軌跡執(zhí)行中的錯誤。重要的是要注意，我們的補償方案獨特地迎合了任何給定的軌跡，并適應了任何給定的末端執(zhí)行器負載。 我們的方法分析給定的軌跡，選擇軌跡的很小一部分，并使用此選定的軌跡進行首次探索性運行。在第一次探索性運行的執(zhí)行過程中測量誤差，并使用該誤差數(shù)據(jù)自動設計補償方案。通過使用小的軌跡樣本執(zhí)行第二次探索性運行，可以驗證本文的補償方案。最后，在完整軌跡的執(zhí)行過程中采用補償方案以減少執(zhí)行誤差。探索性軌跡的執(zhí)行增加了總體軌跡的執(zhí)行時間。我們的目標是在探索性運行過程中使用軌跡的最小可能部分，以最大程度地減少總體軌跡執(zhí)行時間的增加。結(jié)果顯而易見，有可能研究出一種前后參照的補償方案，該方案可以顯著減少軌跡執(zhí)行錯誤，同時將總體執(zhí)行時間僅增加10％。這項工作可以在需要高軌跡執(zhí)行精度的應用程序中使用自動生成的軌跡。此外，即使不使用工業(yè)機器人的控制器，我們的補償方案也能正常工作。 相關工作 前后參照的軌跡誤差補償?shù)难芯恐饕性趦蓚€領域：（1）校正軌跡路徑誤差和（2）校正軌跡跟蹤時間。 長期以來，一直在研究機器人的前后無關路徑和定位誤差校正[11]-[19]。通常，通過估計整個機器人工作空間中的路徑錯誤并在執(zhí)行任何軌跡之前進行補償，來完成機器人的前后無關的路徑錯誤校正。 Alici和Shirinzadeh通過使用諸如傅立葉多項式和普通多項式之類的分析函數(shù)來估計機械手的路徑誤差 [20]。 Aoyagi等人則使用非線性最小二乘法和神經(jīng)網(wǎng)絡來估計路徑誤差[21]。最近，Nguyen等人采用擴展的卡爾曼濾波算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡來估計路徑誤差[22]。所有這些方法雖然在機械手的整個工作空間中都是有效的，但它們不能保證在任何端部執(zhí)行器負載下所有可能軌跡的誤差減少。此外，它們在路徑誤差估計中沒有考慮軌跡的時間跟蹤問題。 大多數(shù)前后無關的軌跡跟蹤誤差校正的研究都是在軌跡執(zhí)行時進行的[23]，[24]。 Steinhauser和Swevers已經(jīng)使用了迭代學習控制方案來減少工業(yè)機器人的路徑時間跟蹤誤差[25]。kali等人提出使用具有時間延遲估計的超扭曲算法來實現(xiàn)高精度的軌跡跟蹤[26]。baek等人目前提出了一種自適應時間延遲控制方案，以提高機械手的時間跟蹤性能[27]。 Jin等人已經(jīng)使用了Takagi-Sugeno-Kangfuzzy控制系統(tǒng)來增強機器人的跟蹤性能[28]。 Li等人使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）從訓練數(shù)據(jù)中學習軌跡跟蹤控制，然后使用DNN控制軌跡并減少跟蹤誤差[29]。 在本文中，我們僅利用給定的軌跡設計一種補償方案，該補償方案可為給定的軌跡提供更準確的執(zhí)行軌跡。而且，它不需要連續(xù)的反饋來減少軌跡跟蹤誤差。 問題表述 給定工業(yè)機械手（M）的輸入軌跡（Τ={（Pi,Ti,Xi）}i=1n）其中Pi =(Xi,Yi,Zi)∈R3是路徑點，T ∈ R是時間，Xi =(αi,βi,γi)∈S3是要執(zhí)行的方向)。 我們假設操縱器在末端執(zhí)行器負載（L）下運行，并且在反饋控制下運行。需要設計一種C-DC方案（S），該方案可以為任何給定的機器人操縱器生成一條補償軌跡（Τ*），這樣，機器人操縱器的控制器將通過執(zhí)行補償軌跡來實現(xiàn)輸入軌跡方面的改進精度性能。 我們希望C-DC方案執(zhí)行以下四個任務： l 分析給定的輸入軌跡，并根據(jù)軌跡的特征對軌跡的路徑點（{Pi}i=1n）進行分類。 l 相對于分類特征對給定的輸入軌跡進行采樣，以便為每個特征分類包括足夠的采樣點（Ps）。然后執(zhí)行采樣軌跡（Τs），其中包含給定機器人上的所有采樣點，以收集執(zhí)行軌跡數(shù)據(jù)/讀數(shù)（Τses）。 l 使用ΤS和Τses系列補償算法（A）。使用該系列后的A執(zhí)行采樣的補償軌跡（ΤS*）并驗證結(jié)果。 l 使用相同的的A系列方法來補償軌跡Τ并生成Τ*。最后，對給定的應用執(zhí)行Τ*以實現(xiàn)高精度。 方法 為了減少軌跡誤差，任何方案都必須首先校正路徑誤差（即，末端執(zhí)行器相對于機器人參考系的（P）笛卡爾坐標）和時間跟蹤誤差（即末端執(zhí)行器接近該位置的時間（T）） 。此外，對于在其末端執(zhí)行器上具有方向DOF（自由度）的任何機械手，都需要進行方向校正，即，（X）歐拉角校正。我們提出以下C-DC方案以減少錯誤。 軌跡分析與分類 給定的輸入軌跡包含一系列路徑點。在每個點（Pi），我們可以定義一個傳入單位矢量（Vic= Pi — Pi-1）和一個傳出矢量（Vio = Pi +1— Pi =（ ?xi,?yi,?zi））。這些向量之間的角度（ζi= <（vic，vi0））是該點方向變化的體現(xiàn)。ζ越小，機械手連桿的動量變化越大。ζ在路徑錯誤上很強的影響。我們選擇ζ作為分類特征。 在由操作員分析軌跡之后，將ζ∈ [0，π]這個范圍分為三組。操作員選擇這三組，以便在這三組中包含整個ζ的范圍，并且點在這三組中幾乎相等地分布。根據(jù)相應的值將輸入軌跡路徑點分為相似的組。 軌跡采樣與運行 對分類的點進行采樣，以確保每個分類都有足夠的數(shù)據(jù)點，并且在特定分類中捕獲所有軌跡形狀特征，即在特定分類中進行統(tǒng)一采樣。這些采樣路徑點（Ps）用于生成采樣軌跡。在給定的末端執(zhí)行器負載下，在任何給定的機器人上執(zhí)行采樣軌跡，以生成具有路徑點（Psex）的Τsex。 算法選擇，訓練和驗證 第二節(jié)討論了研究人員過去用來解決機器人操縱器軌跡校正問題的子集的不同算法。我們在C-DC方案中選擇了ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡），因為它能夠很好地逼近非線性函數(shù)[30]（例如，使用ANN預測的徑向基函數(shù)[31]）。當僅需要稀疏的運行數(shù)據(jù)時，它還可以加快運行時間。 盡管在我們的設置中可以使用DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡）[32]，但我們選擇了淺層ANN，因為只能從給定的軌跡中獲得有限的運行數(shù)據(jù)。另一個好處是，有限地使用機器人來收集運行數(shù)據(jù)還可以保持機器人的整體利用率，這在工業(yè)環(huán)境中至關重要。 對于給定的輸入軌跡，我們限定機器人操作來研究時間比率（TRΤ），即TRΤ= time（Τs）/ time（Τ）。三種不同類型的ANN用于路徑錯誤校正（Path-Net），時間跟蹤（Time-Net）和方向校正（Orient-Net），如圖2所示。 圖2：設計的神經(jīng)網(wǎng)絡序列按C-DC方案中的數(shù)據(jù)流順序排列 路徑誤差校正ANN（Path-Net） path-Net專注于通過機械手末端執(zhí)行器校正執(zhí)行的路徑。假設在執(zhí)行軌跡的任何一點上，末端執(zhí)行器TCP（工具中心點）與給定點i（Pi）的偏差為δxi，δyi和δzi。 Path-Net的目標是估計該偏差并通過提供一個校正點i *進行補償，使得x i* = xi-δxi，y i* = yi-δyi和z i* = zi-δzi。這些補償?shù)闹禍p小了該點處的軌跡的路徑誤差。Path-Net可以用于提供每個點偏差的高精度估算。因此，通過遍歷輸入路徑點的序列，我們的Path-Net會生成一系列校正后的路徑點。 特征選擇：與路徑網(wǎng)有關的相關特征是x，y，z，T，?x，?y和?z，機械手的關節(jié)角度（θ =（θ1，θ2，……，θn），其中n是關節(jié)數(shù)）和到達點與當前點之間的機器人關節(jié)角度差（對于點I,?θi =（θi+1-θi）），通過許多實驗，我們觀察到任何涉及時間的特征都會導致擬合不足，并且包含關節(jié)角度的特征導致過度擬合，所以選擇x，y，z，?x，?y和?z作為路徑網(wǎng)的特征。 路徑網(wǎng)如圖2所示。淺層ANN由輸入層中的6個神經(jīng)元和輸出層中的3個神經(jīng)元組成（由輸入和輸出的數(shù)量決定）。我們確定淺層隱藏層中神經(jīng)元的數(shù)量。通過應用神經(jīng)網(wǎng)絡的修剪規(guī)則進行人工神經(jīng)網(wǎng)絡[33]。 時間誤差校正（Time-Net） 對于軌跡上時間T的給定點i（Pi），到達下一個點的時間分配為?t，=（Ti+1 -Ti）。事實上，到達下一個點需要花費一些額外的時間?ti。Time-Net的目的是預測時間延遲并提供校正的時間?ti* = ?ti，— δti。 特征的選擇：我們考慮以下時間網(wǎng)絡的特征：x，y，z，T，?x，?y，?z和?t。根據(jù)實驗，我們決定給時間網(wǎng)應包括行進距離的概念以及為此分配的時間，以便對軌跡進行正確的時間跟蹤，因此，將?x，?y，?z和?t選擇為時間網(wǎng)的特征。 方向誤差校正ANN（Orient-Net） orient-Net通過從α，β和γ預測補償?shù)腅uler角α*，β*和γ*來校正末端執(zhí)行器的定位誤差。在這項工作中，我們不提供Orient-net的測試結(jié)果。我們計劃將其包含在未來的工作中。 由于每個ANN（路徑網(wǎng)，時間網(wǎng)和方向網(wǎng)）都是經(jīng)過設計的，因此我們可以形成ANN序列（All-Net，見圖2）來校正機器人操縱器的軌跡，它由一個時間組成。然后是三個Path-Netsin系列（每個Path-Net對來自每個δ組的數(shù)據(jù)進行測試），最后是Orient-Net。通過ANN序列來運行校正整個軌跡。函數(shù)擬合神經(jīng)網(wǎng)絡用于形成ANN序列，并使用Levenberg-Marquardt算法[34]，[35]對其進行計算。之所以選擇該計算算法是因為它的快速收斂性和與該應用程序的其他算法（例如，貝葉斯正則化，梯度下降等）相比具有更好的性能。為了驗證計算后的算法，對隨機選擇的ts的10％進行補償和執(zhí)行以查看軌跡誤差減少量。 軌跡補償與執(zhí)行 最后，對整個輸入軌跡進行采樣，并通過計算的ANN序列，以生成補償軌跡（見圖3）。補償?shù)能壽E被反饋送到機器人的控制器中，并執(zhí)行運動。 在我們的C-DC方法中，軌跡特征分類是一種新穎而關鍵的特征，因為它可以用最少的試驗樣本來補償形狀不規(guī)則且工作面積較大的軌跡。這使我們可以將軌跡補償?shù)臋C器人使用率保持不到10％的增長（請參閱第V節(jié)）。 圖 3 結(jié)果 我們提出的參考補償方法在ABB IRB 2600-20 / 1.65 6自由度工業(yè)機器人操縱器上進行了測試。 ABB IRB 2600是一款中型工業(yè)機械手，在清潔/噴涂，材料分配等方面具有關鍵應用。根據(jù)ISO 9293，該機械手的線性路徑重復性為0.13 mm，非線性路徑精度為0.55 mm [36]。機器人控制器通過ABB RobotStudio 6.07軟件進行編程。計算機和機器人控制器之間的通信通過Python腳本進行。軌跡生成，神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，補償軌跡生成以及數(shù)據(jù)分析均使用MATLAB進行。我們在實驗設置中使用的每個神經(jīng)網(wǎng)絡需要大約400到800個訓練向量，每個分類至少分配80個訓練向量（這些向量捕獲軌跡方向的變化），最大歷時限制為15000，試驗，驗證，和測試比率分別固定為0.70、0.15和0.15。 為了分析和繪制Τ和Τ*的性能，本節(jié)中使用以下方程式： l 軌跡上點i的路徑誤差（Ei）是實際點與執(zhí)行點i之間的歐式距離，Ei =（δxi2+δyi2+ δzi2）0.5 l 滯后誤差（軌跡上的點i = 0,1，... N的Li是到達該點i所需的總時間與從該軌跡開始處分配給該點i的總時間之間的差，Li =∑ij=1δt l 軌跡的平均路徑誤差（APE），最大路徑誤差（MPE）和總滯后誤差（TLE）為APE = min（Ei）; MPE = max（Ei）; eTLE = LN A. .使用激光跟蹤儀讀數(shù)進行實驗 圖 4 激光跟蹤器測量τ和τ*的圓軌跡誤差與軌跡檢查點的關系 我們使用了基于激光的跟蹤系統(tǒng)來測試我們的C-DC方案。 Leica絕對跟蹤儀AT960 [37]和6自由度Leica T-Mac（跟蹤儀-機器控制傳感器）[38]用于執(zhí)行精度測量。該跟蹤器利用干涉儀（IFM）和絕對距離儀（ADM）技術來高速，準確地測量運動末端執(zhí)行器。 Leica T-Mac安裝在機器人操縱器的末端執(zhí)行器上。如圖4所示，將AT960激光跟蹤儀放置在距離機器人基座約2.5 m的位置。機器人操縱器補償了末端執(zhí)行器工具（T-Mac加上安裝適配器）的重量，并且工具中心點為校準為T-MAC反射鏡的中心。所描述的設置具有±15 pm的測量不確定度。從激光跟蹤儀以50 Hz的采樣率獲得讀數(shù)，并相對于跟蹤儀參考系進行讀取。對這些點進行預處理，以獲得相對于機器人工作空間參考系的軌跡。預處理的激光跟蹤器讀數(shù)用于訓練和分析C-DC方案的性能。 此設置用于評估通過使用建議的C-DC方案獲得的路徑誤差減少。測試了在2.5467 kg末端執(zhí)行器負載下的兩條短軌跡. 1) 圓形軌跡： 短的圓形軌跡t使用lasertracker讀數(shù)進行補償。使用激光跟蹤器讀數(shù)獲得的補償軌跡t *和輸入軌跡t中的路徑誤差繪制在圖5中。平均路徑誤差和最大路徑誤差列于表I。 Type Trajectory cape (mm) cmpe (mm) Circular T 0.3424 0.6737 r* (proposed) 0.1990 0.3673 Reduction (%) 41.88 45.48 Non-Planar T 0.3976 1.1326 r* (proposed) 0.1964 0.4955 Reduction (%) 5060 56.25 表I：使用激光跟蹤儀測量的圓形軌跡和非平面3D打印層軌跡的平均路徑誤差和最大路徑誤差。