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設(shè)計
題目：工業(yè)機械手設(shè)計及運動結(jié)構(gòu)分析
系 別：
專 業(yè)：
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
II
任務(wù)書
系別 專業(yè) 班1姓名 學(xué)號
1. 題目： 工業(yè)機械手設(shè)計及運動結(jié)構(gòu)分析
2.題目背景和意義： 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。，通過該設(shè)計旨在鍛煉學(xué)生運用現(xiàn)代設(shè)計方法基本原理進(jìn)行設(shè)計和工程分析，使學(xué)生受到機械工程師基本訓(xùn)練。
3.設(shè)計的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：題目內(nèi)容主要包括三個方面，專用機械手設(shè)計，建模和工程分析：
A. 在設(shè)計方面要求依據(jù)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結(jié)構(gòu)。
B.在建模方面要求建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進(jìn)行工程簡化。
C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析機械手手指在生產(chǎn)中的變形量并對強度進(jìn)行校核。
D. 運動分析方面要求提取六自由度機械手手指的速度，加速度，特性。并輸出運動規(guī)律曲線
E. 整個機械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)角度范圍為360度；大臂可做升降運動；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。
4.設(shè)計的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時間、設(shè)計地點）： 地點：校內(nèi)
第1周：收集資料，借閱參考書，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。
第2~8周：要求依據(jù)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計生產(chǎn)線專用機械手的方案，結(jié)構(gòu)。選擇驅(qū)動電機。
第8～14周：建立專用機械手等的實體裝配模型。對實體裝配模型進(jìn)行工程簡化。
第14～16周：要求合理確定約束條件，分析機械手在生產(chǎn)中的變形量并對強度進(jìn)行校核。
第16～18周：分析結(jié)論撰寫論文。
5.設(shè)計的工作量要求
① 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 2周
② 圖紙（幅面和張數(shù)）*： A01.5張
③ 其他要求： 論文（字?jǐn)?shù)）：20000字左右；外文翻譯（字?jǐn)?shù)）： 不少于1500英文單詞 ；
參考文獻(xiàn)（篇數(shù)）：不少于 15篇（其中期刊文獻(xiàn)不少于5篇，外文文獻(xiàn)不少于3篇，其中一篇外文文獻(xiàn)為外文翻譯內(nèi)容）,要求在正文中標(biāo)注。
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
學(xué)生簽名： 年 月 日
系主任審批： 年 月 日
說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入冊，一份教師自留。
2 帶*項可根據(jù)學(xué)科特點選填。
工業(yè)機械手設(shè)計及運動結(jié)構(gòu)分析
摘 要
在加速科技進(jìn)步中，機械制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，其任務(wù)是在工業(yè)生產(chǎn)中迅速將工藝裝備的獨立單元變?yōu)樽詣踊C合體（自動化工段，生產(chǎn)線和自動化車間），將來甚至實現(xiàn)自動化工廠。這種自動化生產(chǎn)最重要的特點是具有柔性，它能預(yù)料到，在節(jié)省勞力（或無人）情況下，根據(jù)工藝條件調(diào)整裝配，以適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)。
當(dāng)代柔性自動化生產(chǎn)的建立和廣泛應(yīng)用，取決于作為科技進(jìn)步的催化劑的機床制造、機械手技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、儀器制造等技術(shù)的加速發(fā)展。工業(yè)機械手是多品種的經(jīng)常更換產(chǎn)品的生產(chǎn)過程自動化的通用手段。在機械制造中，工業(yè)機械手既有效地用于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)組成工藝裝備的基本工序中，也有效地用于輔助操作中。工業(yè)機械手與傳統(tǒng)自動化手段不同之處，首先在于它在各種生產(chǎn)功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性。在柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中，工業(yè)機械手廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、鍛壓機床、鑄造機械和倉儲設(shè)備上，以完成傳送裝備和其它操作。工業(yè)機械手和基本工藝裝備、輔助手段以及控制裝置一起形成各種不同形式的機械手技術(shù)綜合體—柔性生產(chǎn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊。
隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的驚人發(fā)展，工業(yè)機械手技術(shù)也將得到迅速發(fā)展。應(yīng)用工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動環(huán)境條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率手段之一。
本次設(shè)計是根據(jù)對工業(yè)六自由度機械手的總體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)的分析和探討，進(jìn)行六自由度工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計中XXXX老師給予了很大的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)致謝意。
限于水平，本設(shè)計難免有缺點、錯誤，懇請各位老師批評指正。
關(guān)鍵詞：自動化生產(chǎn)；工業(yè)機械手；六自由度
Industrial Robot Design And Sports Structure Analysis
Abstract
Technological advances in accelerating the development of the manufacturing industry, mechanical plays a key role, its duty is in industrial production in the process equipment quickly independent modules into automation complexes, production line and automation sections of automation, workshop) even realizes automatic factory in the future. The automation production of the most important features is a flexible, it can predict that the labor-saving (or unmanned) cases, according to the process conditions adjustment to adapt to the various product assembly production.
The establishment of contemporary flexible automation production and application, as the catalyst and technological progress depends on the machine manufacturing, manipulator technology, computer technology, microelectronics technology, equipment manufacturing techniques, such as accelerating. Industrial manipulator is varieties replace frequently production process automation general means. In mechanical manufacturing, industrial robots effectively already for a flexible manufacturing system composition technological equipment basic working procedure, also effectively used to assist the operation. Industrial robots and traditional automation means differences in various production is firstly it on the function of universality and readjust the flexible. In flexible production systems, industrial robots are widely used in nc machine tools, forming machins tooles, casting machinery and warehousing equipment to complete transmission equipment and other operations. Industrial robots and basic technology and equipment, the auxiliary means and control devices formed together various forms of manipulator - flexible production technology complex basic system structure module.
With the industrial technology and the impressive economic development of industrial robots technology will also, rapid development. Application of industrial robots is to improve the production process automation, improve working conditions, improve product quality and production efficiency means one.
The design is based on industrial six degrees of freedom of the manipulator general structure and the transmission system is analyzed and discussed, the structure of the manipulator of industrial design. Mr Qian gave great learning the guidance and assistance in this to cause gratitude.
Limited to level, this design has to avoid shortcoming, the error, ask everybody the teacher criticism and corrections.
I
Key Words: Automation production; Special manipulator; Six degrees of freedom
1
目 錄
1 概述 1
1.1工業(yè)機械手的含義及技術(shù)概述 1
1.2工業(yè)機械手的組成 1
1.3工業(yè)機械手的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 2
1.4 設(shè)計的任務(wù)要求 3
2 機械手的結(jié)構(gòu)分析 4
2.1總體結(jié)構(gòu)的概述 4
2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu) 5
2.3傳動方案的確定 6
3 設(shè)計計算 8
4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算 10
4.1第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
4.2斜齒輪傳動軸上的軸承 22
5 機械手各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
5.1轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計 24
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第一臂與底座） 25
5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu) 26
5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
6 機械手各自由度的連接過程及工程分析 26
6.1手指和活塞 26
6.1.1回轉(zhuǎn)機構(gòu) 26
6.1.2旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 26
6.2機械手的手指運動和力分析 27
6.2.1運動分析（adams） 27
6.2.2位移 28
6.2.3速度 28
6.2.4加速度 29
6.2.5手指模型應(yīng)力分析 29
7 總結(jié) 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 32
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 33
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 34
1 緒論
1 緒論
1.1工業(yè)機械手的含義及技術(shù)概述
到目前為止，世界各國對“工業(yè)機械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機械手”多數(shù)指程序可變的獨立的抓取、搬運工件、操縱工具的裝置；“機械手”多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。
工業(yè)機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機械手技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機械手應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機械手并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2工業(yè)機械手的組成
工業(yè)機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。如圖1-1所示。
目前，具有人工智能系統(tǒng)的工業(yè)機械手即智能機械手還處于研究實驗階段。而應(yīng)用于生產(chǎn)實際的多數(shù)是那些具有執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的工業(yè)機械手。
a．執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機械手完成握取工件（或工具）實現(xiàn)所需的各種運動的機械部件，包括：手部、腕部、臂部，還有機身和行走機構(gòu)。
b．驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式有四種：液壓式、氣壓式、電氣式、機械式。
c．控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機械手或機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機構(gòu)按照規(guī)定的要
西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
求進(jìn)行工作、并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若控制的運動軌跡來分，有兩種：點位控制和連續(xù)軌跡控制。
1.3工業(yè)機械手的現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
工業(yè)機械手是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強的柔性自動化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機械手技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機械手的發(fā)展十分迅速。
國外機械手領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
a.工業(yè)機械手的性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作與維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。
b.機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三為一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機械手整機；國外已有模塊化裝配機械手產(chǎn)品問世。
c.工業(yè)機械手系統(tǒng)控制向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
d.機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
e.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手。
f.當(dāng)代遙控機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機械手的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機械手走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機械手就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
h.機械手化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國的工業(yè)機械手從80年代“七五”計劃科技攻堅開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻堅，目前已基本掌握了機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機械手；其中有130多臺套噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得廣泛應(yīng)用，弧焊機械手已應(yīng)用在汽車制造廠的焊
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裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機械手應(yīng)用工程起步比較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線技術(shù)系統(tǒng)與國外比還有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機械手約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機械手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機械手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機械手和特種機械手在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機械手，6000米水下無纜機械手的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機械手、雙臂協(xié)調(diào)控制機械手、爬壁機械手、管道機械手等機種。在機械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機械手、智能裝配機械手、機械手化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在二十一世紀(jì)立于世界先進(jìn)行列之中。
1.4 設(shè)計的任務(wù)要求
本次設(shè)計是針對六自由度工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
主要設(shè)計要求如下：
機械臂：大臂可升降，小臂相對大臂可擺動，范圍為60～120；
底 座：轉(zhuǎn)角范圍為0～360。
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2 機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2 機械手的結(jié)構(gòu)分析
2.1總體結(jié)構(gòu)的概述
目前，世界上已有許多工業(yè)機械手，其中大部分屬于“示教再現(xiàn)”型。如果將這類機械手稱作第一代，那么，具有一定程度的視覺、觸覺、或某種分析、判斷能力的工業(yè)機械手就屬于第二代了。不少國家正在積極研制具有觀覺、觸覺等功能的工業(yè)機械手，并取得了不少成果，但是，真正將這些成果應(yīng)用于生產(chǎn)實際的還為數(shù)不多。在實際生產(chǎn)（如噴漆、焊接、裝配等）中被廣泛應(yīng)用的工業(yè)機械手，示教再現(xiàn)型還是較多。
一般的機械手，它由機械手的機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分構(gòu)成。機構(gòu)部分有機械手和移動機構(gòu)兩部分組成；傳感器有測量機械手自身位置姿態(tài)和速度、加速度的內(nèi)傳感器和了解外部環(huán)境及作業(yè)對象工作情況的外傳感器；控制器是直接控制機械手運動的裝置，只要不是自主型移動機械手，它通常放在與機械手不同的地方，通過導(dǎo)線連接。在工業(yè)機械手的控制裝置中，有電動機驅(qū)動電路、PTP運動目標(biāo)點和CP運動軌跡數(shù)據(jù)的記憶裝置和定位控制電路等。信息處理裝置通過信息傳輸裝置與機械手本體相連，多用于智能機械手。
如圖2.1，該機械手具有六自由度，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。當(dāng)然，圖中沒有表示出控制系統(tǒng)及手爪抓取的那一部分。
該六自由度機械手運動的情況說明如下：首先，由電動機M1經(jīng)過傳動系統(tǒng)帶動大臂的回轉(zhuǎn)運動，且與大臂相連的所有其它手臂、手腕及機械構(gòu)件也隨大臂一起作回轉(zhuǎn)運動；而后另一手臂由電動機M2直接驅(qū)動作左右擺動；還有，第三臂由電動機M3直接驅(qū)動作上下擺動；最后，手腕的回轉(zhuǎn)、伸縮及手爪的抓取由其它三個電動機驅(qū)動。
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西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
2.2第一軸（大臂）的結(jié)構(gòu)
大臂的結(jié)構(gòu)圖（圖2.1）及其傳動原理簡圖（圖2.2）：
圖2.1大臂的結(jié)構(gòu)圖
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圖2.2 及其傳動原理簡圖
第一臂，也即大臂，該手臂實現(xiàn)工業(yè)機械手的回轉(zhuǎn)運動，整個系統(tǒng)由伺服電動機驅(qū)動。為了實現(xiàn)傳動的設(shè)計要求以及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計要求，整個減速系統(tǒng)采用了三級斜齒輪傳動，且所有的斜齒輪都裝在一個箱體（減速箱）里面。然而，與一般情況不同的是，第三級斜齒輪直接固定在機座上，從而使其它的（上級的斜齒輪）傳動機構(gòu)繞著它轉(zhuǎn)動，且電動機又固定在大臂上，所以導(dǎo)致大臂帶著電動機、減速箱一起作回轉(zhuǎn)運動。
2.3傳動方案的確定
根據(jù)工業(yè)機械手的總體結(jié)構(gòu)分析可知，工業(yè)機械手的三軸的傳動結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。第一軸采用的是齒輪傳動，第二軸、第三軸則采用的是擺線針輪行星齒輪傳動。當(dāng)然，參照以上的傳動結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)擬定如下三種傳動方案：
方案一：第一軸：齒輪傳動（直齒或斜齒）
第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動
方案二：第一軸：蝸桿蝸輪傳動
第二軸、第三軸：蝸桿蝸輪傳動
方案三：第一軸：蝸桿蝸輪傳動
第二軸、第三軸：擺線針輪行星齒輪傳動
方案比較論證
首先，已知各種傳動的傳動比u:直齒圓柱齒輪傳動，u≤4；斜齒輪傳動，u≤6；蝸桿蝸輪傳動，5≤u≤70，常用15≤u≤50；擺線針輪行星齒輪傳動， 11≤u≤87（單級）。然后估算各軸的傳動比，初選轉(zhuǎn)速為1500r/min的原動機，則u1=1500/15=100,
u2=1500/20=75。
第一軸傳動的確定：蝸桿蝸輪傳動的特點：1）傳動平穩(wěn)，振動沖擊和噪聲均很小；2）傳動比也較大，結(jié)構(gòu)比較緊湊。而在這里采用此傳動，則需要兩級傳動才能滿足要求，蝸桿蝸輪的傳動是兩軸交錯的，這樣一來也就增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且同時也增加了轉(zhuǎn)時的負(fù)荷；3）由于蝸桿蝸輪嚙合輪齒間相對滑動速度大，使得摩擦損耗大，因而傳動效率較低。因此，第一軸采用齒輪傳動。要實現(xiàn)設(shè)計要求，如采用圓柱直齒輪傳動則需要四級
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傳動，而采用斜齒輪則需要三級就可以，并且知道在相同的條件下，采用斜齒輪傳動比圓柱齒輪傳動，在結(jié)構(gòu)上尺寸要小得多，由此可知，采用斜齒輪傳動。斜齒傳動有如下優(yōu)點：
a.嚙合性能好
b.重合度大，傳動平穩(wěn)；
c.結(jié)構(gòu)緊湊，并且在總體結(jié)構(gòu)上也是合理的。
第二軸傳動的確定：由各傳動系統(tǒng)的傳動比可知，第二軸的傳動應(yīng)該采用擺線針輪行星齒輪傳動。擺線針輪行星齒輪傳動有如下優(yōu)點：
a.傳動比大。一級傳動比11～87，二級傳動比為121～7569，三級傳動比可達(dá)446571；
b.結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。如將擺線針輪行星減速器與同功率的兩級普通圓柱齒輪減速器相比，體積可減小1/2～2/3，重量約減輕1/2～1/3以上；
c.效率較高。一般效率為0.92～0.94，最高可達(dá)0.97；
d.傳動平穩(wěn)，過載能力較大，承受沖擊和振動的性能較好；
e.工作可靠，壽命長。但是這種傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較困難。
總上所述，選擇方案一為最佳。第一軸采用三級斜齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。
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3 設(shè)計計算
根據(jù)設(shè)計方案可知，第二軸、第三軸的所有重量都是第一軸的負(fù)荷，所以說，第一軸的轉(zhuǎn)動慣量是很大的，必須計算各零部件的轉(zhuǎn)動慣量，計算出最終動力源軸上所需要的最大的轉(zhuǎn)動慣量，再根據(jù)動力源軸上的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行選擇電動機。下面計算第一軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
如圖3.1，該軸的轉(zhuǎn)動軸與第二軸的轉(zhuǎn)動軸不同，該轉(zhuǎn)動軸的軸線為ob線，則在這種情況下，
圖3.1 軸線圖
第三臂的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
第二軸的轉(zhuǎn)動慣量：
（3.1）
Kgm2
兩電動機的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
兩個行星輪系的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
減速箱的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
第一軸本身的轉(zhuǎn)動慣量：
Kgm2
所以，總的轉(zhuǎn)動慣量為：
Kgm2
9
而轉(zhuǎn)動角加速度為：
1/s2
則輸出軸的轉(zhuǎn)矩為由式（3-1-7）得：
Nm
轉(zhuǎn)換到電動機上的轉(zhuǎn)矩為：
Nm
根據(jù)要求<，選P=3KW，n=1000r/min的MGMA型伺服電機，為28.4Nm。
4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算
4 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算
4.1 第一軸的傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計
第一軸的傳動方案已確定，采用三級斜齒輪傳動，且電動機的功率為P=3KW，n=1000r/min，則傳動比u=1000/15=66.67。
已知斜齒輪的傳動比u≤6，再根據(jù)傳動減速時前面降得慢，而后面降得快的原則，三級降速的傳動比分配如下： u=2.44.875.7。
第一級斜齒輪的傳動設(shè)計計算：已知電動機的功率P=3KW，n=1000r/min，傳動比u=2.4。
a. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
(1) 齒輪傳動
按照傳動方案的設(shè)計要求，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
(2) 齒面的選擇
考慮減速設(shè)計的要求，故大、小齒輪都選用硬齒面。由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。
(3) 選用精度等級
因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。
(4) 齒數(shù)
選小齒輪齒數(shù)Z1=35，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=2.435=84。
(5) 選取螺旋角
初選螺旋角。
b. 按齒面接觸強度設(shè)計
由設(shè)計計算公式進(jìn)行計算，即
≥mm （4.1）
（1）確定公式內(nèi)的各計算值
1）載荷系數(shù)
試選。
2）選取區(qū)域系數(shù)
由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
3）端面重合度
由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度得，。=
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4）計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
5）圓柱齒輪齒寬系數(shù)
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
6) 彈性影響系數(shù)
由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8；
7) 接觸疲勞強度極限
齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查
得大、小的接觸疲勞強度極限==1170Mpa；
8) 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
9) 由接觸疲勞壽命系數(shù)
查得；
；
10) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]=MPa
[]=MPa
則取[]H=([]+[])/2=1012Mpa
(2) 計算
1) 試算小齒輪分度圓直徑
≥ mm
根據(jù)計算的結(jié)果及電動機的輸出軸徑，取=50m
2) 計算圓周速度
m/s
3) 計齒寬及摸數(shù)
mm
mm
4) 計算縱向重合度
5）計算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù)。
根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查
得動載荷系數(shù)KV=1.07；
由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得=2.728，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =2.45。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，
故載荷系數(shù)
=1×1.07×1.2×2.728=3.5
6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 mm
7) 計算模數(shù)
=
3.按齒根彎曲強度設(shè)計
由式≥ mm （3.2）
(3) 確定計算參數(shù)
1)計算載荷系數(shù)
11.071.22.45=3.2
2) 縱向重合度
根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得=0.88。
3) 計算當(dāng)量齒數(shù)
4) 查取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.44；=2.196
5) 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.654；=1.782
6) 彎曲疲勞強度極限
由齒輪的彎曲疲勞強度極限圖,查得 Mpa。
7) 彎曲疲勞壽命系數(shù)
由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.86，=0.87；
8) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
417.714MPa
422.571MPa
9) 計算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
得出小齒輪的數(shù)值大。
(4) 幾何尺寸計算
1) 計算中心距a
mm
將中心距圓整為=122.5mm
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 計算大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4)計算齒輪寬度
mm圓整后取 B2=65 mm；B1=70 mm。
第二級的傳動條件：電機的功率為P=4.5KW，n=416.7r/min，傳動比u=4.87，具體設(shè)計計算如下：
5) 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒面
由查表(常用齒輪材料及其機械特性表)選得大、小齒輪的材料均為40Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48～55HRC。選用精度等級。 因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級精度(GB10095-88)。
6）齒數(shù)
選小齒輪齒數(shù)Z1=24，大齒輪齒數(shù)Z2=uZ1=4.8724=117。
7）選取螺旋角
初選螺旋角。
c. 按齒面接觸強度設(shè)計
(1）確定公式內(nèi)的各計算值
1）試選
2）區(qū)域系數(shù)
由區(qū)域系數(shù)分布圖，選取區(qū)域系數(shù) 。
3）端面重合度
由標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒傳動的端面重合度圖表，查得
， ，則=
4）計小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩
N
5) 圓柱齒輪齒寬系數(shù)
選取齒寬系數(shù)?d=0.9；
6) 彈性影響系數(shù)
由材料的彈性影響系數(shù)表，查得=189.8；
7) 接觸疲勞強度極限
齒輪接觸疲勞強度圖表，按齒面硬度中間值52HRC查得大、小的接觸疲勞強度==Mpa；
8) 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
9) 由接觸疲勞壽命系數(shù)
查得；；
10) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系S=1,由下式得
[]=MPa
[]=MPa
則取[]H=([]+[])/2=1017.5Mpa
(2) 計算
1) 試算小齒輪分度圓直徑
≥mm
2) 計算圓周速度
m/s
3) 計算齒寬及摸數(shù)
mm
mm
4) 計算縱向重合度
5) 計算載荷系數(shù)
已知使用系數(shù)。
根據(jù)，7級精度，由動載荷系數(shù)值分布圖，查得動載荷系數(shù)KV=1.05；
由接觸強度計算用的齒向載荷分布系數(shù)()表，查得 =1.41，由彎曲強度計算的齒向載荷分布系數(shù)()圖，查得 =1.37。
由齒向載荷分配系數(shù)(、),查得==1.2，故載荷系數(shù):
=1×1.07×1.2×1.41=1.78
6) 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑mm
7) 計算模數(shù)
=mm
(3) 按齒根彎曲強度設(shè)計
根據(jù)設(shè)計計算公式（3.2）來計算：
1)計算載荷系數(shù)
11.071.21.37=1.726
2）縱向重合度
根據(jù)縱向重合度，從螺旋角影響系數(shù)圖表查得 =0.8。
3）計算當(dāng)量齒數(shù)
4) 取齒形系數(shù)
由齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 表查得 =2.592； =2.158
5) 取應(yīng)力校正系數(shù)
由齒形系數(shù)應(yīng)力校正系數(shù)表查得 =1.596；=1.792
6) 齒輪的彎曲疲勞強度極限圖
查得Mpa。
7）彎曲疲勞壽命系數(shù)
由彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.87，=0.9；
8）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由下式得
422.571MPa
437.143MPa
9）計算大、小齒輪的 并加以比較
=
=
小齒輪的數(shù)值大。
≥mm
對比計算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強度計算的法向模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法向模數(shù),根據(jù)滿足彎曲強度及接觸疲勞強度,最后取 =1.5mm
(4) 幾何尺寸計算
1) 計算中心距
mm
將中心距圓整為=108.5
2) 按圓整后的中心距修正螺旋角
因值改變不大,故參數(shù)等不必修正。
3) 大小齒輪的分度圓直徑
mm
mm
4) 計算齒輪寬度
mm
圓整后取 B2=35mm；B1=40mm。
d. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算
(1) 估計擺線輪內(nèi)孔半徑
=(0.4～0.5) =40～50mm
(2) 擇軸承型號尺寸
經(jīng)查表選用502310E C=105000 N C0=71000 N
D1=97 mm d=50mm b=27 mm da=60 mm Da=89.6 mm a=5 mm
(3) 名義徑向載荷R
R= =5776.698N
(4) 當(dāng)量動載荷 P
P==1.35776.698=7509.71N
—動載荷系數(shù)，一般取 =1.2～1.5。軸承相對轉(zhuǎn)速n
n=+=1000+=1015r/min
(5) 軸承壽命
h
因為所求得的軸承壽命≥15000h,所以滿足要求。
e. 轉(zhuǎn)臂軸承的選擇計算
(1）估計擺線輪內(nèi)孔半徑
=(0.4～0.5) =52～65mm
(2）擇軸承型號尺寸
經(jīng)查表選用502313 C=114600 N C0=85200 N D1=121.5 mm d=65mm b=33mm da=77mm Da=114.6mm a=7 mm
(3）名義徑向載荷R
R= =12830.82N
(4）當(dāng)量載荷 P
P==1.312830.82=16680.1N
(5）軸承相對轉(zhuǎn)速 n
n=+=1000+=1020r/min
(6) 軸承的壽命
h
因為所求得的軸承壽命≥15000 h ,所以滿足要求。
f. 針齒銷彎曲強度計算
(1) 針齒結(jié)構(gòu)尺寸
m
mm
（）
mm
(2) 最大彎矩
Nmm
(3) 許用彎曲應(yīng)力
MPa
(4) 校核彎曲應(yīng)力
MPa
因為＞[]，所以滿足要求。
4.2斜齒輪傳動軸上的軸承
根據(jù)齒輪軸徑值，查滾動軸承樣本或機械設(shè)計手冊得，第二軸上選用圓錐滾子軸承7204，C=15500N；第三軸上選用圓錐滾子軸承7205，C=19520N，則校核壽命如下：
第二軸的從動齒輪受力大小為：
切向力為：N
徑向力為：
N
軸向力為：N
根據(jù)，則軸承的名義載荷P為：
（4.3）
式中，-載荷系數(shù)，-徑向動載荷系數(shù)，-軸向動載荷系數(shù)，所以， N
則軸承的壽命為：
h
因為，這里軸承的預(yù)期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。
第三軸的從動齒輪受力為：
切向力為：N
徑向力為：
N
軸向力為：N
根據(jù)，則軸承的名義載荷P為：N則軸承的壽命為：
h
因為，這里軸承的預(yù)期壽命為=15000h，而，故所選的軸承可滿足壽命要求。
西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
5 機械手各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 轉(zhuǎn)角范圍的控制設(shè)計
控制系統(tǒng)是工業(yè)機械手的重要組成部分，在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用，工業(yè)機械手的手部、腕部、臂部、行走機構(gòu)等的動作以及與相關(guān)機械的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。
按設(shè)計要求要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)角范圍，可以直接由控制系統(tǒng)來完成，控制動作的位置或動作的時間，從而控制轉(zhuǎn)角。這里用擋塊結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)角范圍。第一軸的控制轉(zhuǎn)角（0～270）的擋塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.1:
圖5.1 擋塊結(jié)構(gòu)示意圖
5.2主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（第一臂與底座）
5.2.1 第一軸轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)
如圖5.2，具體尺寸見附圖（零件圖）。
5.2.2底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖5.3。
圖5.2 轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)
圖5.3 底座結(jié)構(gòu)
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6 機構(gòu)各自由度的連接過程及工程分析
6 機構(gòu)各自由度的連接過程及工程分析
6.1手指和活塞
本機械手共有6個自由度，分別是，即大臂的回轉(zhuǎn)、臂的左右擺動、臂的上下擺動、手腕的回轉(zhuǎn)、手腕的伸縮和手爪的抓取。采用普通螺栓連接。
該機構(gòu)是一個六自由度的工業(yè)機械手，能夠完成加緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作。主要用于物品的抓取和位移，機構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，承重量大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度大，回轉(zhuǎn)機構(gòu)和俯仰機構(gòu)都是-60度到60度。
6.1.1回轉(zhuǎn)機構(gòu)
圖6.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)
6.1.2旋轉(zhuǎn)機構(gòu)
圖6.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)
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6.1.3俯仰機構(gòu)
圖6.3 俯仰機構(gòu)
6.2機械手的手指運動和力分析
6.2.1運動分析（adams）
圖6.4 運動分析
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西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
6.2.2位移
圖6.5 位移分析
6.2.3速度
圖6.6 速度分析
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6.2.4加速度
圖6.7 加速度分析
6.2.5手指模型應(yīng)力分析
圖6.8 手指模型應(yīng)力分析
29
7 總結(jié)
7 總結(jié)
本課題的任務(wù)是設(shè)計六自由度工業(yè)機械手，該機械手在電動機的選擇和傳動結(jié)構(gòu)上需要查閱機械設(shè)計手冊，根據(jù)實際情況選擇對應(yīng)的大量的設(shè)計參數(shù)，參數(shù)選擇后，還需要查閱手冊，帶入相應(yīng)的公式進(jìn)行計算。設(shè)計效率低，計算復(fù)雜，出錯率高。
雖然，設(shè)計繁瑣，但是設(shè)計流程非常規(guī)范，只需選擇正確的設(shè)計方案，按照公式計算，便可得出設(shè)計結(jié)果。因此該機械手電機最終采用P=3KW,n=1000r/min的MGMA型伺服電機，傳動方案為：第一軸采用齒輪傳動，第二、第三軸采用擺線針輪行星齒輪傳動。
經(jīng)檢驗，本機械手的設(shè)計符合實際要求，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)，可應(yīng)用于實際的工業(yè)生產(chǎn)。本設(shè)計符合設(shè)計要求，即在運行中滿足六自由度，但是倉促中，本軟件也存在著很多的缺點和不足，比如在機械部分設(shè)計較為復(fù)雜等。
30
致謝
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參考文獻(xiàn)
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[15]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[S]，第7版.北京：高等教育出版社.2007.
[16]毛平淮，互換性與測量技術(shù)[S].北京：機械工業(yè)出版社.2008.
[17] Fathi Ghorbel, John Y. Hung, and Mark W. Spong. Adaptive Control of Flexible-Joint Manipulators. IEEE Control Systems Magazine, 1989.10, 9-13.
[18] D. Black. A Modular Approach to Robotic Automation of DOE Applications. ARM Automation,Inc 2000.7.
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致謝
致 謝
非常感謝XXXX老師，千老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計階段給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，她放棄了自己的休息時間，她的這種無私奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她們表示我誠摯的謝意。
通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。在此我表示衷心感謝。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明
本人完全了解XXXX大學(xué)有關(guān)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：本科學(xué)生在校攻讀學(xué)士學(xué)位期間畢業(yè)設(shè)計（論文）工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于XXXX大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，使用畢業(yè)設(shè)計（論文）工作成果或用畢業(yè)設(shè)計（論文）工作成果發(fā)表論文時署名單位仍然為XXXX大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交的畢業(yè)設(shè)計（論文）的原文或復(fù)印件，允許畢業(yè)設(shè)計（論文）被查閱和借閱；學(xué)校可以公布畢業(yè)設(shè)計（論文）的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計（論文）。
（保密的畢業(yè)設(shè)計（論文）在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）
畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：
指導(dǎo)教師簽名：
日期：
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畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明
畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明
秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。
畢業(yè)設(shè)計（論文）與資料若有不實之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：
指導(dǎo)教師簽名：
日期：
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