1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化自由曲面研抛微小机器人设计一、选题的背景与意义11背景模具是机械、汽车、电子、通讯、家电等工业产品的基础工艺装备。作为基础工业，模具的质量、精度、寿命对其它工业的发展起着十分重要作用，在国际上被称为“工业之母”，对国民经济的发展起着无可置疑的关键作用。自由曲面的加工和成型技术在现代制造工业中具有举足轻重的地位。在汽车、电子、航空航天等高新技术产业，对模具自由曲面的加工质量和效率的要求越来越高，高质、高效、低成本的自由曲面加工技术已经成为制造业面临的关键性问题之一。12意义本课题的技术思路是实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。本课题设计的是框架
2、式移动机器人，以真空吸盘作为脚部结构，实现和加工曲面的定位，以两根滚珠丝杠构成十字交叉结构作为机器人的框架，实现机器人的移动。利用微小机器人研抛加工大型复杂模具自由曲面，更新了大型自由曲面研抛加工技术的观念，提高了模具制造整体水平，突破了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，对我们汽车工业的发展有着十分重要的意义。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本课题的基本内容是（1）通过查询文献资料，了解国内外移动机器人行走机构的研究发展现状，如车轮式，履带式，足脚式等。（2）自由曲面研抛机器人的主要构件工作过程分析。（3）确定吸盘式微小研抛机器人行走机构的关键部件，完成行走机构的机械结构设计。（4
3、）完成工具端的设计及装配图。2查阅文献了解国内外现状机器人机构设计机器人行走机构的设计与计算工具端的设计计算及装配图机器人越障功能实现的设计。总体装配图的设计与绘制控制流程的设计及整个机器人的设计完成（5）初步设计控制流程，完成总体小机器人的设计及总装配图。（6）对整个研究课题和本论文加以总结。本课题解决的主要问题是（1）如何设计机器人的直线行走及越障功能，使机器人具有一定的跨越障碍的能力。（2）研抛工具端上下移动自由度的设计，使工具头能够根据曲面形状上下移动进行研抛。（3）如何设计吸盘式微小研抛机器初步控制流程，使通过控制实现行走与研抛的功能。三、研究方法与技术路线3四、研究的总体安排与进度
4、（1）2010年12月24日完成调研，收集资料，确定设计方案，撰写开题报告（2）2011年1月10日之前完成文献综述、文献翻译（3）2011年2月3日之前完成自由曲面研抛机器人的主要构件工作过程分析（4）2011年2月25号前完成吸盘式微小研抛机器人行走机构的关键部件，完成行走机构的机械结构设计。（5）2011年3月15号前完成工具端的设计及装配图（6）2011年4月20号前完成设计控制流程，完成总体小机器人的设计及总装配图。（7）211年5月1号前完成论文初稿，对整个研究课题和本论文加以总结。参考文献1黄军英日本机器人技术发展浅议J科技管理研究，2008（2）1652苏东海，李怀东机器人在先
5、进制造业应用与研究J2005（11）8284YIZHANG,AKIRANISHILOWPRESSUREAIRMOTORFORWALLCLIMBINGROBOTACTUATIONJMECHATRONICS,200313377392MELSIEGELREMOTEANDAUTOMATEDINSPECTIONSTATUSANDPROSPECTSCINTHEFIRSTJOINTDOD/FAA/NASACONFERENCEONAGINGAIRCRAFT,OGDENUT,1997CARLOMENON,METINSITTIABIOMIMETICCLIMBINGROBOTBASEDONTHEGECKOJJOUR
6、NALOFBIONICENGINEERING,20063115125GIORGIOFIGLIOLINI,MARCOCECCARELLIWALKINGPROGRAMMINGFORANELECTROPNEUMATICBIPEDROBOTMECHATRONICS,19999941964王永寿美国军用机器人的现状与开发动向J飞航导弹，2003（2）1115蔡剑，青张，炜王伟机器人技术革命推动日本得到飞跃发展J机器人技术与应用，2007（4）91449王亚辉，何耀民机器人的应用现状及发展趋势J经济师，2005（8）26410刊物记者工业机器人发展现状浅谈J自动化博览，2007（4）545511毕胜国内外
7、工业机器人的发展现状J机械工程师，2008（7）5812李勃，吴月华等基于压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人光学精密工程，2001，9（6）53553813詹建明机器人研磨自由曲面时的作业环境与柔顺控制研究博士学位论文，吉林吉林大学，200214王先逵，吴丹，刘成颖精密加工与超精密加工技术综述J中国机械工程，1999，10（5）57057215王通，袁楚明，陈幼平，周祖德机器人模具抛光自由曲面刀具轨迹的生成研究J中国机械工程，2001，12（4）40140416金仁成，赵继，王立江机器人超声波振动弹性研磨J机械工业自动化，1997（2）272917郎志，李成群，费超机器人柔性抛光系统研究J机械工
8、程师，2006（6）262818郭彤颖，曲道奎，徐方机器人研磨抛光工艺研究J机械加工与自动化技术，2006（1）848519AOYAMANDIEPOLISHINGROBOTSYSTEMASME，1992（2）96797020ZHAOJI,ZHANJIANMING,ZHUPEIXINGETALANOBLIQUEULTRASONICPOLISHINGMETHODBYROBOTFORFREEFORMSURFACESINTJMACHTOOLSMANUFACT,2000,4067958085毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化自由曲面研抛微小机器人设计1、国外机器人的发展现状自从20世纪60年代机器人
9、在美国诞生以来，世界各发达国家竞相竞争这个象征机电一体化最高成就领域的领先地位。日本在1967年由川崎重工业公司从美UNIMATION公司引进了机器人和机器人技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人，从那时起，日本有了自己的机器人技术，并开始向这个高技术领域的制高点进攻。80年代中期,日本一跃成为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位1。1961年，美国CONSOLIDATEDCONTROLCORP和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人
10、产业已日趋成熟和完善2。111吸盘式机器人研究方面的成果美国密歇根州立大学研制了两种双足结构的小型爬壁机器人，均采用真空吸附方式。1997美国西雅图的HENRYRSEEMANN由波音公司的资助研制出一种真空吸附履带式爬壁机器人“AUTOCRAWLER”。机器人两条履带上各装有数个微小吸附室，随着履带的移动,吸附室连续地形成真空腔而使得履带贴紧壁面行走。2006年，CARNEGIEMELLONUNIVERSITY基于壁虎爬行的原理研究制造一种爬壁机器人，它可以完成检查、监督、探测、和清洗等特定工作。1966年，日本大阪府立大学工学部的西亮讲师成功研制了利用风扇进气侧低压作用作为吸附力的垂直移动机
11、器人的原理样机，并且于1975年制作了以实用化为目标的第二号样机，采用单吸盘结构，这也是世界上出现最早的爬壁机器人。日本东京工业大学制做了一种爬壁机器人“NINJA”，可以在不同表面地面、墙壁、桌面上爬行并且具有较高的静载荷能力。脚步为三自由度并联机构，安装了真空吸盘，用来吸附在工作表面。1999年，意大利的CASSINO大学机器人制造实验室的GIORGIOFIGLIOLINI等人研制了一种电动气动联合驱动的双足行走机器人EPWAR，机器人脚步用真空吸盘吸附表面，使机器人可以实现行走的任务6。112其他类型机器人的研究美国不仅仅致力于服务机器人和工业机器人的研究，其对军用机器人的发展更是格外的
12、重视。施乐公司的帕洛阿尔托研究中心正在研究一种可变形状的机器人，大小像网球，外形为12面体，众多的表面使得它们便于相互连结，从而使得机器人可以选择最适合环境的外形配置，呈现不同的形状。军工企业巨头BAE系统公司正在为美军打造的这支“电子昆虫”部队将会成为士兵在战场上的耳目，用来挽救数千人的性命。在美国国防高级研究计划局和海军装备研究局的赞助下IROBOT公司研制出了“羚羊”型海底机器人。这种海底机器人有六条腿，每条腿都有一个两自由度的关节，这样的设计使它能够比较轻松地越过海底障碍和裂缝。“羚羊”型所有电子器件都放置在一个耐压防水壳体内，能够承受很大的压力，可以放心大胆地在浅水区进行排雷清障工作
13、而不必担心爆炸和冲击对它所造成的影响。同时美国北卡罗莱纳州立大学设计出了一种跳跃机器人。对于日本方面，目前日本在机器人的生产、出口和使用上都居世界榜首，日本国内装配有41万台各类机器人，产业用机器人已经广泛应用于各类企业中，就连许多中小企业也将机器人用于生产；据日本机器人工业会的统计报告，2004年工业机器人产值5768亿日元，其中日本国内销售为2724亿日元，国外销售3045亿日元。表11是世界主要一些国家机器人研究的情况日本韩国欧盟美国工业机器人极为突出一般很突出一般仿人型机器人极为突出很突出一般一般个人/家用机器人极为突出很突出一般一般服务机器人突出很突出突出突出生物、医疗机器人技术一般
14、一般很突出很突出国防/航空机一般不突出突出极为突出7器人技术资料来源日本国家科技政策研究所,ISSN134936632、我国机器人的发展概况机器人最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。从1959年美国第一台工业机器人到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等技术的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造的价格不断降低，而且其质量与性能在迅速提高，开拓了机器人行业的新进展9。当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、信息和传感技术、机构学、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代十分活跃的研究开发领域，它包
15、括了正在逐步深入的机器人学基础技术研究，同时也包括了对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了21年的历程前31年处于研究单位自行开展研究工作状态，主要是没有成型的机器人产业，发展比较缓慢。七五攻关计划将工业机器人和水下焊接机器人的研究和开发列人计划，由机械部等部门组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，取得了一定的成绩1986年，国家863计划机器人技术主题在“发展高技术，实现产业化”方针的指导下面向国民经济主战场，开展了工业机器人与应用工程的研究与开发，在短短几年内取得了重大进展。先后开发了点焊、弧焊、喷漆、装配
16、、搬运、自动导引车在内的全系列工业机器人产品，并在汽车、摩托车、工程机械、家电等制造业得到成功的应用，对我国制造业的发展和技术进步起到了促进作用10。90年代，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重，以应用带动关键技术和基础研究的发展的方针，研制出了有自主知识产权的工业机器人系列产品，并小批试产，完成了一批机器人应用工程，其中有130多台套喷漆机器人在20余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用。但总体说来。我国仍是一个机器人设备的消费市场，行业市场处于发展壮大中。“九五”期间，国家“863”高技术计划已将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团
17、涂装技术开发中心、8北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组合机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上11。在机器人微型化的进程中，我国也有长足的发展。浙江大学研制出了无损伤医用微型机器人的原理样机，该微型机器人以悬浮方式进入人体内腔如肠道,食道，可避免对人体内腔有机组织造成损伤,运行速度快,速度控制方便。中国科学技术大学在国家自然科学基金的资助下研制出了基于压电陶瓷驱动的多节蛇行游
18、动腹腔手术术微型机器人，该机器人将CCD摄像系统，手术器械及智能控制系统分别安装在微型机器人的端部,通过开在患者腹部的小口，伸入腹腔进行手术。其特点是响应速度快,运动精度高，作用力与动作范围大，每一节可实现两个自由度方向上60范围内迅捷而灵活的动作12。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。3、机器人在模具自由曲面精整加工中的应用近年来的研究中，在研磨抛光加工方法中还出现了利用振动、超声波扭振等进行研磨的加工方法。在超精密研磨加工方法中，除了特种加工和在传统技术基础上改进形
19、成的各种研磨方法之外，还有许多与现代科技交叉形成的新技术，比较典型的有机械电解抛光、弹性发射加工、浮动抛光13。以及复合加工技术。如将激光加工与切削加工相结合，可以解决高硬度、高强度等难加工材料的切削加工问题；将电火花加工与超声加工相结合，可以提高加工效率和加工质量；磨削复合加工主要用于获得高的形状精度和表面质量，尤其是大规模集成电路的发展；化学机械复合加工可以有效地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，获得光滑无缺陷的表面等14。在工业生产中以机械抛光为主，其他的抛光方法应用不多，而且其他的抛光方法对抛光的设备要求也不尽相同，其中化学抛光和电解
20、抛光主要是对化学9介质成分的要求较高，对其设备并无太多的要求，磁研磨抛光主要是对抛光材料及磁场的作用有一定的要求以保证加工的精度及效果。早在上世纪70年代末，日本学者就进行了机器人的研抛实验，目前，日本在机器人辅助抛光模具自动化加工方面居世界领先地位。随后美国、西班牙、德国、韩国、新加坡等国家和我国台湾、香港也陆续开展了这方面的研究。虽然机器人的机构刚度较低，难以在数控机床模具加工中发挥作用，但由于抛光加工可以看作是一种少无切削加工，刀具与工件接触表面之间的法向力很小，机器人具有如人类手腕一般的自由活动能力，使得它非常适合于模具的自动抛光加工。早期的研究主要集中在模仿手工抛光轨迹，随后又引入了
21、CAD/CAM自动进行轨迹规划。上世纪80年代日本学者SATIO、MIYOSHI、JEONG在手工抛光的基础上，展开了机器人抛光工艺的研究，如切削深度、进给速度、材料去除率、刀具、作用力、抛光轨迹等对抛光质量的影响。随着传感技术、微电子技术、智能技术，尤其是网络技术的快速发展，机器人抛光系统正向智能化、网络化过渡，如韩国釜山大学开发了基于网络的机器人自动抛光系统，新加坡开发了智能型机器人抛光系统。图15所示为典型的机器人辅助模具抛光系统结构。研抛机器人的末端执行器和抛光工具的研究也渐渐的深入，柔性工具被普遍使用，硬质工具抛光的效率高，但是质量低于软质工具。各国研究学者陆续提出了磁力、空气活塞和
22、弹簧对抛光过程进行控制，以减小微小的位置误差对加工表面质量造成的影响。国内对此研究相对比较晚，上世纪90年代，国内华中科技大学以PUMA562机器人为平台开发了机器人抛光实验系统15；吉林工业大学进行了机器人超声弹性研抛研究16。北京航空航天大学的机器人研究所提出了一种用于复杂空间曲面抛光加工的机器人柔性抛光系统17；中国科学院沈阳自动化所对机器人研磨抛光工艺，研磨抛光参数优化设计方法进行了研究18。机器人抛光比数控机床抛光更具优越性，机器人柔性大，非常适合涉及复杂曲面加工的抛光操作。同时,抛光作用力小，精度要求低，正好避开了机器人刚性弱、精度差的缺点。文献192020即论述了研抛机器人代替手
23、工和大型设备加工大型模具的理论和尝试。研究资料表明，由于机器人灵活性和可编程性充10分体现了自动化装备的优点，特别是智能性、适应性、机器作业的准确性以及在各种环境中完成作业的能力，在通过编程可重组的生产单元进行敏捷制造的装备中，机器人化机器将占据非常重要的地位。实践研究表明，在自由曲面的精整加工中，机器人能够提供更广阔、更可靠的控制手段。将对我国的模具制造行业增添更大的活力，具有很大的研究发展空间和市场潜力。14结论及课题内容本课题提出技术思路以实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。本课题设计的是框架式移动机器人，以真空吸盘作为脚部结构，实现与加工曲面的定位，用两根滚珠丝杠构成十字交
24、叉结构作为机器人的框架，实现微小机器人的移动。利用微小机器人研抛加工大型复杂模具自由曲面，可以更新大型自由曲面自动研抛加工技术的观念，也可以提高模具制造整体水平，对我们汽车工业的发展有着重要的意义。参考文献11本科毕业论文（20届）自由曲面研抛微小机器人设计12摘要摘要本课题设计了吸盘式微小机器人，实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。用微小设备研抛加工大型复杂模具自由曲面，改善了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，可以解决研抛装备加工范围的问题。机器人移动结构运用了吸附能力大，承载力强，能跨越规则障碍的框架式移动结构，利用电动推杆结合吸盘的足脚设计，简化了控制的过程。研抛工具
25、端设计了上下移动的自由度，能够根据曲面的形状上下移动进行研抛。关键词自由曲面；研抛；微小机器人；框架式；13ABSTRACTTHISTOPICWASLITTLESUCKERROBOTDESIGN,WHICHCANACHIEVETHEGOALTHATFINISHINGLARGEFREEFORMSURFACEWITHSMALLEQUIPMENTTHEUSEOFTINYEQUIPMENTMACHININGLARGECOMPLEXCASTMOULDGRIND,IMPROVEDTHEFREEFORMSURFACEGRINDWITHLARGEFREETHROWTOTHETRADITIONALPATTERN
26、OFLARGEEQUIPMENT,WHICHCANSOLVETHEGRINDOFMACHININGRANGECASTEQUIPMENTROBOTMOBILESTRUCTUREUSINGFRAMETYPEMOBILESTRUCTUREWHICHHASSTRONGBEARINGADSORPTIONABILITYANDCANCROSSRULESBARRIER,USINGTHEMOTORDRIVENPUSHRODFOOTCOMBINEDWITHCHUCKFEET,CANSIMPLIFYCONTROLDESIGNOFPROCESSINQUIRYPOLISHINGTOOLSDESIGNEDTOMOVEUP
27、ANDDOWNTHEDEGREESOFFREEDOM,CANACCORDINGTOMOVEUPANDDOWNTHESHAPEOFTHESURFACESANINQUIRYTHROWKEYWORDSFREEFORMSURFACE；GRINDS；TINYROBOTS；FRAMETYPE14目录摘要II目录IV1绪论111课题研究的背景1111模具加工面临的挑战1112模具自由曲面研抛加工的现状212课题研究的意义22机器人移动结构设计421概况422框架式移动机构5221滚珠丝杆电机选择设计5222滚珠丝杠轴承选择623伸缩的脚部机构724吸附方式的选择8241真空发生器的选择8242电磁阀的选择1
28、1243真空吸盘的选择计算133前进与越障功能的实现1531直线前进功能的实现1532跨越障碍的实现164工具端的设计1941工具端设计图1942研抛工具头的选择2043控制工具头升降的电机的计算205控制流程2251PLC接口设计2255PLC程序流程图246总结26参考文献27致谢28151绪论进入二十一世纪以来，计算机技术和各种材料技术的发展更加迅速，促使机械制业朝着集成化、智能化、敏捷化、虚拟化和洁净化法方向发展1。有着“永不衰亡工业”之称的现代模具工业，作为机械制造业的一大分支，其模具产品也向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。然而，模具自由曲面精加工是当今模具制造业的一个
29、难点，同时也是一个重点，很多还没有攻克的精加工难题严重的制约了模具行业发展前景。因此，必须加大对模具精加工的理论和技术研究的投入。11课题研究的背景工业机器人是一种对生产环境和生产条件的灵活性和适应性很高的柔性自动化设备。工业机器人的应用使生产率及产品质量都得到了很大的提高，在技术发达的国家中，工业机器人已经在生产中得到了广泛的应用。之所以它的应用大大的缩短了新产品的成熟周期，从而提高了产品在市场上的竞争力，是因为机器人是一种能够适应产品更新换代的自动化设备。在当代工业技术革命当中，工业机器人技术已成为现代工业技术革命中的一个重要组成部分，而工业生产也日趋向柔性自动化方向发展2。111模具加工
30、面临的挑战在我国产品制造业飞速发展和经济腾飞的现状下，特别是加入WTO之后，我国向着成为世界制造中心的目标昂首迈进。模具技术，特别是制造长寿命、精密、大型、复杂模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造水平高低的一项重要标志3。，因为模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍，所以模具又称“效益放大器”。因为自由曲面精加工是模具制造过程中关键的部分，所以其水平高低在很大程度上决定着企业的效益和产品的质量4。提高升对自由曲面精加工的技术，对于我国制造业竞争力的提高具有十分重要的意义。随着各种加工手段的日趋完善及现代控制理论和计算机技术等相关科技的快速发展，对于模具型腔等自由曲面
31、形状加工过程的自动化已经基本可以实现5。模具制造业面临着市场竞争的日趋激烈和周期越来越短的挑战。在模具制造过程中，表面精加工约占了模具总加工时间的3580。表面精加工通常分为表面抛光和表面磨削，而其中表面抛光又约占总加工时间的50左右。传统的模具抛光主要依靠人工进行，不仅效率低，费时费力，16而且还要求操作人员拥有较高的操作技能。操作人员稍有失误，就会对加工表面造成致命损伤，甚至有可能导致整个模具的报废，因此模具自动抛光的研究引起了世界先进工业国家的很大关注6。112模具自由曲面研抛加工的现状这种局限性目前已成为了制约模具型腔等自由曲面现代化生产的瓶颈。所以，加深研究利用现代加工工具和先进加工
32、理论来改进模具自由曲面的加工方法已非常紧迫。为了使加工模具的效率有所提高，避免人为因素对模具生产造成的不利影响，降低制造模具的成本，20世纪80年代末，发达工业国家已经开展了模具自由曲面研抛加工自动化方面的研究工作，主要集中在研抛工艺规律、控制算法方面的研究、各种试验装置的开发和各种新颖研抛方法的提出、研抛轨迹生成与轨迹规划、控制策略、研抛干涉检验等。当前，模具自由曲面研抛加工的研究现状是（1）关于各种类研抛装置和研抛方法的开发研究较多，这方面的专利技术也较多。（2）模具曲面的不规则性要求和多样化研抛工具随着加工轮廓形状的变化而改变自己的姿态和运动轨迹，这给研抛工具运动的控制带来很大的不便，目
33、前之所以自动研抛技术向现实生产力转化需要挑战一些关键性技术是因为开发针对自由曲面研抛加工的专用控制系统的研究还不够。（3）大型自由曲面的研抛受到研抛设备加工范围的限制。（4）虽然关于研抛加工单项技术的研究较多，但是单项技术之间的交叉融合较少。（5）难以像控制机床那样进行自由曲面表面生产轨迹的精密规划和跟踪，即使采用了工业机器人可以较好的进行位移、力的主动轨迹压力混合适应控制，因此轨迹误差较大。（6）加工系统开发方面，国内外专用的研抛设备仍是以控制机床或机器人作为开发平台，学术思想还不够解放，无法突破机器人的串/并联结构或传统控制机床7。目前迫切需要突破传统控制机床与工业机器人的束缚和局限，能够
34、适应我国几大支柱产业的发展需求，将现代最前沿的多种科技相结合，寻求一种能够自动的、快速的利用现代加工工具和先进加工理论的加工方法。研发大型模具自由曲面精整加工的新型设备，可提高我国在世界模具行业的地位，增加我国模具产品在国际市场中的竞争能力。12课题研究的意义随着制造加工业向自动化、高效精密化方向发展，研抛加工作为模具自由17曲面加工的最终工序对工业制品的质量起着重要的作用，而机器人辅助模具研抛是实现模具研抛自动化的重要手段之一，它对于提高研抛效率，保证产品质量，降低工人劳动强度等方面具有重要意义。本设计提出技术思路以实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标。用微小设备研抛加工大型复杂模
35、具自由曲面，改善了研抛大型自由曲面必须用大型设备的传统模式，可以解决研抛装备加工范围的问题。182机器人移动结构设计21概况机器人移动机构主要有（1）足脚式由多个脚的反复吸附、脱落移动，机器人越障及承载能力较强，机动性较好，具有较强的表面适应能力，但是结构复杂，间歇移动，速度慢，当足数、关节较多时控制起来较复杂。（2）履带式由电机驱动履带，推动机器人前进，优点是接触面积大，承载能力大，速度快，壁面适应性强，但是履带磨损大，机动性较差，结构复杂，不容易转向。（3）车轮式配置多个车轮，每个车轮由电机驱动，速度较快，控制简单，容易转向，壁面适应能力强，但是接触面积小，越障能力较差（4）框架式有多层框
36、架组成交替移动或转动，固定吸附，吸附能力大，承载力强，能跨越规则的障碍，但是移动是间歇的，移动速度较慢。与传统的移动机器人相比较，复合变结构的移动机器人具有更强的非结构化地形适应性，不仅可以在地面上行进，而且还可以穿越野外崎岖的地形。具有广泛的应用前景的领域有救灾排险、航天科考、军事侦察等，成为移动机器人领域一个具有挑战性、充满活力的发展方向，日益得到了国内外众多学者的重视。各国为在保持较高移动效率前提下，提高机器人的越障能力，陆续研制出一系列轮腿式、轮履带腿式移动机器人。典型的代表有ROCKY系列小型机器人，由美国JPL研发制造；六轮腿全地形机器人SHRIMP，由瑞士联邦学院EPFL自主式系
37、统实验室研制，其具有被动爬行能力；履带腿式机器人PACKBOT，由IROBOT公司研制；四轮履带腿式移动机器人，由北京理工大学研制；复合运动模式的四足机器人，由哈工大研制；六轮腿的移动机器人，由上海交通大学研制；轮履腿多机构智能移动机器人，由中科院沈阳自动化研究所研制。这些复合结构移动机器人大多是以腿式结构以提高越障能力为辅，而以某种高效移动方式为主运动方式（如轮式）。通常采用通过增加腿式结构的复杂性，如多足、被动越障机构和通过增加单关节摆臂来提高机器人的越障性能两种解决方案。前一种方案代价是增加机构体积和复杂性；后一种方案对机构复杂度增加较小，容易实现控制，但越障能力提高有限。1922框架式
38、移动机构本设计选用框架式移动机构，并且采用滚珠丝杆配合滑动导轨的形式。滚珠丝杆类型采用了制造级内循环滚珠丝杠螺母机构，此种结构减少滚珠数目和承载能力并且可提高传动效率，增强轴向的刚度，缩小径向尺寸。滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触，反向时没有空行程死区，有预紧力，反向定位精度高。滚珠丝杆选择型号GZF1604，规格如表21。表21滚珠丝杆规格表钢性KN/UM规格型号公称直径导程钢球直径滚珠圈数动额定荷CAKN静额定负荷CO（KN）FFMGZF16041642318343592210420221滚珠丝杆电机选择设计机器人自重14KG，工作当中，工具头对研抛表面的正压力为70N，工具头与模具表面
39、的摩擦系数约为05。抽象出机器人上层滚珠丝杠框架结构的力学模型如图21。图21滚珠丝杠框架结构力学模型自重产生的载荷FNWG4116N,为滚珠丝杠螺母与滚珠之间的摩擦系数，这里取值为003,W为移动部分的重量，可取14KG。丝杠的外载荷F70N0535N，整体的工作载荷FAFFN39116N，所以，由外加载荷产生的转矩MTAFAPHO200000249NM为机械效率，这里取值088，PHO为滚珠丝杠的导程。20下面计算由预紧载荷而产生的转矩MTE预紧力FAOFA/31304NMTEFAOPHOKP200000025KP为紧螺母内的摩擦系数，一般取0103。这里取03。电机负荷的总惯性矩JMJD
40、JSWPHO/203868104KGM2滚珠丝杠的惯性矩JSLD43231478103KG/CM3550MM164M320276KGCM2L为滚珠丝杠总长度，设计的长度为550MM。为丝杠材料的密度。D为滚珠丝杠的直径。JD是电机的惯性矩，这里的值为初选值。上述计算是在机器人工作的状态下进行的，所以框架的移动速度为1MM/S，电机转速NV/PHO15R/MIN角速度1571RAD/S设计电机两秒从静止状态加速到最大速度，所以角加速度为079RAD/S2。所以加速驱动转矩MMTAMTEJM079RAD/S200277NM电机的选定，一般来说以平均速度时的M不超过电机额定转矩的30为使用标准。所以
41、电机的转矩MDM10300924电机型号BS42HB3801型二相混合式步进电机表22步进电机规格表型号电机长度（MM）步距角保持转矩（N额定电流（A）相电感（MH相电阻（）转子惯量（GCM2）电机重量（KG）BS42HB3801381802612323354028222滚珠丝杠轴承选择选用圆锥滚子轴承，由滚子与内圈、保持架一起组成的组件与外圈可以分21别安装，圆锥滚子轴承可以分离。滚道和滚子接触处修正的接触线可以减少应力集中。圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向载荷和径向载荷。为传递相反方向的轴向载荷，之所以需要另一个与其对称安装的圆锥滚子轴承，是因为圆锥滚子轴承只能传递单向载荷。单列圆锥滚子轴承
42、是圆锥滚子轴承中用量最多的。四列圆锥滚子轴承主要用在大型热、冷轧机等重型机器中。近年来在轿车的前轮轮毂中也用上了小尺寸的双列圆锥滚子轴承。圆锥滚子轴承主要承受的是以径向为主的轴、径向联合载荷。外圈滚道的角度越大承载能力越大。该类轴承属于分离型轴承，单列、双列和四列圆锥滚子轴承是根据轴承中滚动体的列数分的。双列和四列圆锥滚子轴承游隙已经依据用户要求在产品出厂时给定，不须用户调整；而单列圆锥滚子轴承游隙需在安装时进行调整。圆锥滚子轴承圆锥滚子排列在外圈和内圈滚道两者之间。这种设计使得圆锥滚子轴承能够适合承受复合负荷。轴承的轴向负荷能力是由接触角所决定的；角度越大，轴向负荷能力也就越高。同时角度大小
43、用计算系数E来表示；E值越大，接触角度就越大，轴承承受轴向负荷也越大。圆锥滚子轴承通常是由圆锥外圈和圆锥内圈组件可以分开安装。23伸缩的脚部机构采用了LAM3S350ROEDC24型号电动推杆，伸出行程为50MM。电力驱动装置将旋转运动转变成推杆的直线往复运动，实现远集中控制、距离控制或自动控制，在各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用。其特点是动作灵敏，性能可靠，推拉力相同，运行平稳，环境适应性好等，能够使吸盘机器人很好的适应大型自由曲面的加工环境。工作原理利用电动机正反转把电机的旋转运动变成直线运动，完成推杆动作。通过改变杠杆力臂长度，可以增大行程。通过各种摇杆、杠杆或连杆等机构可完成
44、摇动、转动等复杂动作。行程控制装置经过电机齿轮上的涡杆带动涡轮转动，由连接板带动限位杆相应作轴向移动，使涡轮内的丝杆作出轴向移动，至所需行程时，电动机停止运转（通过调节限位块压下行程开关断电）。表23电动推杆技术参数22型号额定推力N减速比I行程MM速度MM/S满载电流ALAM3S35075030/1508101824吸附方式的选择机器人的设计需要针对工作任务、环境，选取合适的吸附方式。现在，吸附的方式主要有粘结剂、磁吸附、螺旋桨推力及真空负压吸附等几种。因为这些方式都具有一定的局限性，所以研制出来的机器人往往针对性强，较难通用化，只适用于某种特定任务。机器人的设计就需要针对工作环境、任务而选
45、取合适的吸附方式。本课题设计的吸盘式大型自由曲面微小研抛机器人的工作环境基本为金属表面，所以本设计可以采用真空吸附的方式。同时，这样的设计也有利于减轻机器人整体的重量。考虑到降低机器人结构复杂程度及机器人工作的环境表面状况为状况良好的模具待加工表面，采用单吸盘的真空吸附方式是一种比较可行、合理的方式。图22真空回路连接图241真空发生器的选择利用正压气源产生负压的一种高效、新型、经济、小型、清洁的真空元器件就是真空发生器，这使得在一个同时需要正负压的气动系统的地方获得负压或在有压缩空气的地方，变得十分方便和容易。工业自动化中，真空发生器广泛应用在印刷、机械、电子、塑料、包装及机器人等领域。真空
46、发生器的传统用途是进行各种材料的吸附、搬运，特别适合用来吸附柔软、易碎、非金属材料或球型物体。在这类应用中，一个共同特点是真空度要求不高，为间歇工作且所需的抽气量小。23真空发生器的工作原理利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管的出口处形成射流，在卷吸作用下产生卷吸流动，使得喷管出口旁的空气被不断地抽吸走，以致吸附腔内的压力降至大气压以下，从而形成一定真空度。真空发生器的主要性能参数（1）吸入流量当吸入口向大气敞开时，吸入流量最大，为最大吸入流量。2空气消耗量从喷管流出来的流量3吸着响应时间吸着响应时间是从打开换向阀到系统回路中到达一个必要的真空度的时间。它是一个重要参数来表示真空发生器工作性能的,
47、4吸入口处压力记为P当吸入流量为零时,即吸入口被完全封闭，吸入口内的压力为最低。真空发生器选择的型号为SMC公司生产的ZU07S直管型真空发生器。其特点（1）采用树脂器体，重量较轻。（2）真空口和供气口在一直线上，配管容易。（3）内置快换接头。（4）管道型设计，不需特别安装。（5）标准配有快换接头，接管方便（6）标准型号已是无铜规格。24表24真空发生器规格表使用流体空气最高使用压力07MP标准使用压力045MP流体及环境温度560C适合管子外径6（进气孔及真空口）型号类型喷嘴MM最高真空度KAP最大吸入流量/MINANR耗气量/MINANRZU07S高真空型07851219图23ZU07S真
48、空发生器外形尺寸图排气口25供气口真空口图24ZU07S真空发生器图形符号242电磁阀的选择电磁阀是用在工业控制系统中调整介质的流量、方向、速度和其他的参数的电磁控制的工业设备。电磁阀利用电磁的效应进行控制，主要由继电器控制。这样，控制的灵活性和精度都能够保证，电磁阀还可以配合不同的电路用来实现预期的控制。不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，电磁阀有很多最常用的是方向控制阀、速度调节阀、安全阀、单向阀等。电磁阀分为类（1）分步直动式电磁阀它是一种先导式和直动相结合的原理，通电后，当入口与出口没有压差时，电磁力直接把主阀关闭件和先导小阀依次向上提起，阀门打开。通电后，当出口与入口达到启动压
49、差时，电磁力先导小阀，上腔压力下降，主阀下腔压力上升，利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用介质压力或弹簧力推动关闭件，向下移动，关闭阀门。在零压差或真空、高压时亦能可动作，要求必须水平安装，功率大。（2）直动式电磁阀电磁线圈通电时产生电磁力从阀座上把关闭件提起，阀门打开；电磁力断电时消失，关闭件被弹簧压在阀座上，阀门关闭。通径一般不超过25MM，负压、真空、零压时能正常工作，。（3）先导式电磁阀电磁力通电时把先导孔打开，上腔室压力下降，在电磁阀闭件周围形成上低下高的压差，关闭件被流体压力推动向上移动，阀门打开；弹簧力断电时把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，关闭件被流体压力推动向下移动，关闭阀门。可任意安装但必须26满足流体压差条件，流体压力范围上限较高。电磁阀在选型时注意事项一、适用性（1）电磁阀所允许的液体粘度一般在20CST以下，大于20CST的应该注明。（2）流体的温度必须比选用电磁阀的标定温度小，管路中的流体须与选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。（3）工作压差，最低工作压差大于004MPA时可以选用先导式电磁阀；最高工作压差
