四自由度機械手結構設計及其PLC控制系統(tǒng)【含CAD圖紙和說明書】

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本科畢業(yè)設計(論文) 開題報告（含論文綜述） 學 院： 機械與控制工程學院 所屬教研室： 機械工程教研室 課題名稱： 四自度機械手結構設計及其PLC控制 專業(yè)(方向) 班 級 學 生 指導教師 開題日期 一、畢業(yè)設計（論文）選題的目的和意義。[ ⑴ 課題名稱；⑵ 有關的研究方向的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展情況分析；⑶ 前人在本選題研究領域中的工作成果簡述] 1、 本課題名稱： 四自度機械手結構設計及其PLC控制 2、機械手研究的目的及意義 機械手使用提高了生產(chǎn)過程中的自動化和機械化程度，提高生產(chǎn)率，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質量和實現(xiàn)安全生產(chǎn)，使生產(chǎn)更趨于管理和規(guī)范。在世界各國科學家共同努力和研究下，機械手機器人領域發(fā)展取得巨大的成就，越來越普及應用于各行各業(yè)中，極大地促進了各行各業(yè)的發(fā)展。 3、機械手歷史及現(xiàn)狀 機械手是模擬人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動搬運、抓舉和裝配等操作。機械手是最早的工業(yè)機器人，它可將操作人員從繁重、單調(diào)、重復的體力勞動中解放出來，它極大地提高了勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，因而發(fā)達國家很重視使其得到了迅猛發(fā)展。隨著世界科技的發(fā)展，機械手已被廣泛應用種類繁多，目前，機械手按適用范圍分為專用機械手和通用機械手；按照驅動方式分為液壓式、氣動式、電動式機械手等；按照運動方式分為點位控制和連續(xù)軌道控制機械手等。 在第二次世界大戰(zhàn)期間，機械手得到了快速發(fā)展，美國橡樹嶺國家實驗室在搬運核原料時，發(fā)明了一種主從型控制系統(tǒng)的機械手。1958年，美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機控制系統(tǒng)由主從型變?yōu)榱耸窘绦偷臋C械手。之后美國大力開展了機械手機器人領域的研究，目前已廣泛應用于生產(chǎn)生活的各個方面。日本自從1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力進行機械手的研究，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一 。 目前國內(nèi)外的機械手廣泛應用于汽車、機床、模鍛壓機上下料、鑄造、鍛造、沖壓、切削加工、噴漆、裝配等各工藝過程中。 4、機械手的應用和發(fā)展趨勢 隨著自動化和機械化的發(fā)展，人們對機械手的要求也越來越高，主要體現(xiàn)在： （1）重復高精度。重復精度是指動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。對于某些機械手來說，重復精度甚于精度。 （2）模塊化。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置的更具有靈活的安裝體系。它集成電接口、帶電纜及器官的導向系統(tǒng)裝置，可以使機械手更具靈活性。 （3）無給油化。無給油化主要是為了適應食品、醫(yī)藥、紡織等無污染要求的行 （4）機電一體化。智能機械手的發(fā)展是機械手發(fā)展的重要方向之一。機電一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 二、設計或研究主要內(nèi)容和重點，預期達到的目標及擬解決的主要問題和技術關鍵，有何創(chuàng)新之處。（此部分為重點闡述內(nèi)容） 1、機械手設計的內(nèi)容和目標 (1)機械手設計參數(shù)及內(nèi)容 a、機械手設計參數(shù): 生產(chǎn)綱領：100000件（兩班制生產(chǎn)）；總共具有四個自由度；臂轉動180o；臂上下運動450mm,速度小于70mm/s；臂伸長（收縮）450mm，速度小于300mm/s；手部轉動 ±180o b、運動速度預設：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領的要求 c、定位方式：起止設定位置 d、定位精度：±0.3mm e、驅動方式：液壓驅動 f、控制方式：PLC g、手指握力：400N h、手指夾持范圍：棒料，重量30kg、直徑65-100mm。 (2)設計工作任務目標要求: a、完成上料機械手結構設計圖（裝配圖）、各主要零件圖（共一套） b、繪制液壓原理圖一張 c、PLC控制原理圖及程序 d、機械三維圖 e、用三維軟件進行動作模擬仿真 f、編寫設計計算說明書一份 (3)機械手預期的工作目標 機械手能在PLC控制下，以液壓驅動能完成機械手上下升降，機械手臂伸縮，機械手爪旋轉夾持棒料完成機床上下料的工作。 2、關鍵技術及擬解決的主要問題 (1)機械手結構設計 a、機械手腰部： 它是第一個回轉關節(jié)，承受了機器人的全部重量，所以腰座應該有足夠大的安裝基面, 且機械手基座和腰部軸及軸承的機構要有足夠大的強度和剛度。 b、 機械手臂： 手臂要求在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)工作空間內(nèi)的運動。所以手臂應當滿足機械手工作空間的要求。為了提高運動精度和控制精度，應在保證手臂的強度以及剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。手臂各關節(jié)軸相互平行,互相垂直的軸盡量交于一點,使機械手保持整體控制。相對其關節(jié)回轉軸盡量保持重量上的平衡,減輕電機對機械手的負荷，提高手臂響應速度。本機械手手臂應當實現(xiàn)伸縮、升降與回轉三個自由度，所以應該合理設計液壓缸的結構尺寸。 c、機械手爪： 機械手爪安裝在機械手臂前段，且應當根據(jù)用途選擇合適的末端執(zhí)行器使機械手爪設計時滿足夾持精度與穩(wěn)定性、位置精度；合理設計盡可能保證工作要求減少材料使其結構緊湊，重量和體積小。在腕部設置可靠的傳動間隙調(diào)整機構,提高機械手的傳動精度。 （2）機械手控制要求 PLC梯形圖總體設計、各梯形圖設計、繪制搬運機械手的PLC控制梯形圖。機械手升降，收縮采取液壓，選用合適的器件，保證機械手的工作要求;并繪制液壓原理圖。 3、本設計的創(chuàng)新之處 在保證機械手剛度和強度，位置精度及持精度的要求下，合理設計使結構更簡單緊湊、驅動更趨于統(tǒng)一控制、更具自動化，更好的實現(xiàn)設計要求，更加準確的實現(xiàn)所需的動作, 更加具有適應性,滿足工作的需要。 三、研究方案：[ ⑴ 技術方案（有關方法、技術路線、技術措施）；⑵ 實施方案所需的條件（技術條件、試驗條件等）] 1、技術方案 (1)、總體設計 因為四個自由度分別在手腕的回轉及手臂的伸縮、升降與回轉，采用圓柱坐標型式。 (2)、驅動方案的設計 考慮到機械手所要達到的工作要求，盡量使其簡單方便，經(jīng)濟適用易于操作，因此選用液壓驅動方式。在工作應用中，液壓動力機構多采用直線液壓缸或擺動馬達，根據(jù)設計參數(shù)，本設計中使用節(jié)流調(diào)速方式。弄清楚機械手液壓原理，繪制液壓原理圖。 (3)、機械手爪末端執(zhí)行器的設計 本設計的機械手用途設定為機床的上下料、供搬運、檢測，所以末端執(zhí)行器選用二指回轉型手部結構，傳力機構采用滑槽杠桿式。 (4)、腕部的設計 因為本設計中的機械手腕部具有一個自由度，其為360°回轉，故應當采取齒條活塞的傳力機構。 (5)、手臂設計 從機械手手臂的作用考慮。本設計的機械手有手臂伸縮、升降與回轉三個自由度。本設計選用伸縮油缸實現(xiàn)手臂的直線運動，伸縮運動采用雙導桿的機構來實現(xiàn)，回轉運動的回轉缸設計在升降缸之上。手臂部件與回轉缸的上端蓋相連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂的回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿連為一體。 (6)、控制設計 根據(jù)機械手的工作要求，分析機械手運動情況及工作要達到的工位，合理選擇器件，編寫PLC梯形圖。 2、實施方案所需的條件 查閱相關資料和請教老師，分析擬定設計方向,制定設計方案及相關的結構計算校核論證；運用計算機軟件CAD、Proe/UG完成對機械手結構二維及三維的設計、運動模擬仿真、液壓原理圖的繪制。運用計算機軟件S7-200，完成PLC梯形圖的繪制。  四、主要參考文獻目錄 [1] 郭洪武.淺析機械手的應用與發(fā)展趨勢[J].中國西部科技，2012，279：3-12. [2]宋文琪.機械手的基本知識（八）[J].鍛壓裝備與制造技術，1980，03:37-43. [3]宋文琪.機械手的基本知識（三）[J].鍛壓裝備與制造技術，1980，03:37-43. [4]馮辛安.機械制造裝備設計[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005. [5]孫恒．機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2006．5. [6]李允文．工業(yè)機械手設計基礎[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1996. [7]張福學．機器人技術及其應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2000. [8]濮良貴．機械設計[M]．北京：高等教育出版社，2006．5. [9]呂厚余．工業(yè)電器控制技術[M]．北京：科學出版社，2007. [10]李笑．液壓與氣壓傳動[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2011. [11]李昌輝．自動上料機器人開發(fā)[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009．6. [12]馬香峰. 機器人結構學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991. [13]張鐵．機器人技術及其應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005. [14]耿躍峰.四自由度搬運機械手液壓系統(tǒng)設計[J].河南：許昌學院，2012，42:5-30. [15]郭劍暉.機械手PLC控制系統(tǒng)設計[J].河南：許昌學院，2012，42:5-30. [16] 徐灝.機械設計手冊3[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998. 五、畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃。（必須包含一定工作量的計算機知識綜合應用環(huán)節(jié)） 第一周至第二周 查找資料文獻，擬定設計方向，確定畢業(yè)設計實施方案，編寫開題報告 第三周至第四周 根據(jù)設計參數(shù)，對設計的主要結構進行計算校核 第五周至第六周 繪制機械手結構設計圖、各主要零件圖、裝配圖，液壓原理圖,PLC梯形圖 第七周至第八周 按圖紙構建機械手三維造型，并進行動作仿真模擬 第九周 整理資料、讀書報告、外文翻譯、編寫設計說明書 第十周至第十二周 指導教師審閱論文，提出修改意見，學生編輯修論文，學生論文打印稿經(jīng)指導老師評定之后交給評閱教師評閱。 第十二周至第十四周 畢業(yè)答辯 第十五周至第十六周 畢業(yè)設計工作總結 六、指導教師審核意見 指導教師簽字： 年 月 日 七、開題答辯結論和審核意見 教研室主任簽字： 年 月 日 8