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本科畢業(yè)設(shè)計(論文)
開題報告（含論文綜述）
學(xué) 院： 機械與控制工程學(xué)院
所屬教研室： 機械工程教研室
課題名稱： 四自度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及其PLC控制
專業(yè)(方向)
班 級
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
開題日期
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）選題的目的和意義。[ ⑴ 課題名稱；⑵ 有關(guān)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(lǐng)域中的工作成果簡述]
1、 本課題名稱：
四自度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)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(xué)家共同努力和研究下，機械手機器人領(lǐng)域發(fā)展取得巨大的成就，越來越普及應(yīng)用于各行各業(yè)中，極大地促進(jìn)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(fù)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(dá)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(yīng)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(qū)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(lǐng)域的研究，目前已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面。日本自從1969年從美國引進(jìn)兩種典型機械手后，開始大力進(jìn)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(yīng)用最多的國家之一 。
目前國內(nèi)外的機械手廣泛應(yīng)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(yīng)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(fù)高精度。重復(fù)精度是指動作重復(fù)多次，機械手到達(dá)同樣位置的精確程度。對于某些機械手來說，重復(fù)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(dǎo)向驅(qū)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(dǎo)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(yīng)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(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動元件，使氣動技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
二、設(shè)計或研究主要內(nèi)容和重點，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)及擬解決的主要問題和技術(shù)關(guān)鍵，有何創(chuàng)新之處。（此部分為重點闡述內(nèi)容）
1、機械手設(shè)計的內(nèi)容和目標(biāo)
(1)機械手設(shè)計參數(shù)及內(nèi)容
a、機械手設(shè)計參數(shù):
生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（兩班制生產(chǎn)）；總共具有四個自由度；臂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動 ±180o
b、運動速度預(yù)設(shè)：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求
c、定位方式：起止設(shè)定位置
d、定位精度：±0.3mm
e、驅(qū)動方式：液壓驅(qū)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(shè)計工作任務(wù)目標(biāo)要求:
a、完成上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行動作模擬仿真
f、編寫設(shè)計計算說明書一份
(3)機械手預(yù)期的工作目標(biāo)
機械手能在PLC控制下，以液壓驅(qū)動能完成機械手上下升降，機械手臂伸縮，機械手爪旋轉(zhuǎn)夾持棒料完成機床上下料的工作。
2、關(guān)鍵技術(shù)及擬解決的主要問題
(1)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
a、機械手腰部：
它是第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機器人的全部重量，所以腰座應(yīng)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(gòu)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(yīng)當(dāng)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(yīng)在保證手臂的強度以及剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。手臂各關(guān)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(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸盡量保持重量上的平衡,減輕電機對機械手的負(fù)荷，提高手臂響應(yīng)速度。本機械手手臂應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)伸縮、升降與回轉(zhuǎn)三個自由度，所以應(yīng)該合理設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸。
c、機械手爪：
機械手爪安裝在機械手臂前段，且應(yīng)當(dāng)根據(jù)用途選擇合適的末端執(zhí)行器使機械手爪設(shè)計時滿足夾持精度與穩(wěn)定性、位置精度；合理設(shè)計盡可能保證工作要求減少材料使其結(jié)構(gòu)緊湊，重量和體積小。在腕部設(shè)置可靠的傳動間隙調(diào)整機構(gòu),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(shè)計、各梯形圖設(shè)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(shè)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(shè)計使結(jié)構(gòu)更簡單緊湊、驅(qū)動更趨于統(tǒng)一控制、更具自動化，更好的實現(xiàn)設(shè)計要求，更加準(zhǔn)確的實現(xiàn)所需的動作, 更加具有適應(yīng)性,滿足工作的需要。
三、研究方案：[ ⑴ 技術(shù)方案（有關(guān)方法、技術(shù)路線、技術(shù)措施）；⑵ 實施方案所需的條件（技術(shù)條件、試驗條件等）]
1、技術(shù)方案
(1)、總體設(shè)計
因為四個自由度分別在手腕的回轉(zhuǎn)及手臂的伸縮、升降與回轉(zhuǎn)，采用圓柱坐標(biāo)型式。
(2)、驅(qū)動方案的設(shè)計
考慮到機械手所要達(dá)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(qū)動方式。在工作應(yīng)用中，液壓動力機構(gòu)多采用直線液壓缸或擺動馬達(dá)，根據(jù)設(shè)計參數(shù)，本設(shè)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(shè)計
本設(shè)計的機械手用途設(shè)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(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)，傳力機構(gòu)采用滑槽杠桿式。
(4)、腕部的設(shè)計
因為本設(shè)計中的機械手腕部具有一個自由度，其為360°回轉(zhuǎn)，故應(yīng)當(dāng)采取齒條活塞的傳力機構(gòu)。
(5)、手臂設(shè)計
從機械手手臂的作用考慮。本設(shè)計的機械手有手臂伸縮、升降與回轉(zhuǎn)三個自由度。本設(shè)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(dǎo)桿的機構(gòu)來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運動的回轉(zhuǎn)缸設(shè)計在升降缸之上。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋相連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂的回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿連為一體。
(6)、控制設(shè)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(dá)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(guān)資料和請教老師，分析擬定設(shè)計方向,制定設(shè)計方案及相關(guān)的結(jié)構(gòu)計算校核論證；運用計算機軟件CAD、Proe/UG完成對機械手結(jié)構(gòu)二維及三維的設(shè)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(xiàn)目錄
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五、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進(jìn)度計劃。（必須包含一定工作量的計算機知識綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)）
第一周至第二周 查找資料文獻(xiàn)，擬定設(shè)計方向，確定畢業(yè)設(shè)計實施方案，編寫開題報告
第三周至第四周 根據(jù)設(shè)計參數(shù)，對設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算校核
第五周至第六周 繪制機械手結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)建機械手三維造型，并進(jìn)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(shè)計說明書
第十周至第十二周 指導(dǎo)教師審閱論文，提出修改意見，學(xué)生編輯修論文，學(xué)生論文打印稿經(jīng)指導(dǎo)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(shè)計工作總結(jié)
六、指導(dǎo)教師審核意見
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
七、開題答辯結(jié)論和審核意見
教研室主任簽字：
年 月 日
8