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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題名稱 柔性制造系統(tǒng)自動上下料
氣動工業(yè)機械手設(shè)計
學 院
專 業(yè)
班 級
學 號
姓 名
指導(dǎo)教師
定稿日期： 年 02月21日
柔性制造系統(tǒng)自動上下
料氣動工業(yè)機械手設(shè)計
1 論文選題背景、目的及意義
本課題來源于企業(yè)實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。隨著近幾年柔性制造技術(shù)不斷發(fā)展,怎樣在加工過程當中怎樣進一步提升效率成為一個新的課題,縮短裝卸料的時間是有效的手段之一,本課題研究的就是一種在由多臺數(shù)控加工中心組成的FMS系統(tǒng)中,能夠完成自動裝卸料的工業(yè)機械手。
本課題設(shè)計的機械手,是典型的機電一體化的結(jié)構(gòu)之一,它采用氣動驅(qū)動,PLC控制, 作為機械電子工程專業(yè)學生而言,通過該課題的畢業(yè)設(shè)計,能夠?qū)⑸险n所學的機械設(shè)計、PLC控制技術(shù)、檢測技術(shù)、氣動控制技術(shù)等只是有機的結(jié)合起來，并最終達到模擬工程實際設(shè)計的目的，使學生初步掌握工程設(shè)計基本方法，達到畢業(yè)設(shè)計大綱的要求。
2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）
我設(shè)計的這個柔性制造系統(tǒng)自動上下料氣動工業(yè)機械手其主體為機械手。它可按固定程序來完成某些特定操作。機械手是按給定程序、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。應(yīng)用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
20世紀40年代后期，美國在原子能實驗中，首先采用機械手搬運放射性材料，人在安全間操縱機械手進行各種操作和實驗。50年代以后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置在自動機床、自動生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。
機械手搬運流水線主要包括機械手，驅(qū)動設(shè)備，控制設(shè)備及工作臺等。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有以機械手為主體的搬運工作流水線，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手搬運常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。國內(nèi)建造的生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)零件的流水線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。
機械手運輸線的發(fā)展前景及方向分為以下這些;
1 重復(fù)高精度
精度是指機械手在進行流水線工作時到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手運搬運的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應(yīng)用范圍, 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
3 機電一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
如今機械手搬運被應(yīng)用于各種實際生產(chǎn)中，可以說現(xiàn)代生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)離不開機械手運輸線了，而更高效、更智能、更精確的搬運機械手必將成為一種趨勢。
本次設(shè)計的械手主要與數(shù)控車床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力，降低生產(chǎn)成本。
3 研究內(nèi)容
本課題的內(nèi)容是設(shè)計一個由PLC控制的四自由度氣動機械手，機械手能完成抓緊，放松，手腕的旋轉(zhuǎn)，手臂的伸縮，腰部的上升和下降及旋轉(zhuǎn)功能。并且畫出機械手的總裝圖和各部件的零件圖。并且根據(jù)課題，設(shè)計機械手的氣動系統(tǒng)，包括元器件的選取和回路的設(shè)計，畫出氣路原理圖。機械手控制部分有PLC完成，通過設(shè)計要完成PLC的選型，PLC的外部接線圖以及根據(jù)機械手的流程圖編寫出PLC梯形圖。
機械手詳細參數(shù)
本次設(shè)計的機械手是FMC系統(tǒng)中的上下料機械手，抓重為4kg，采用圓柱坐標型，自由度為4個，該機械手最大移動速度設(shè)計為1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為90度/s，機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1400mm。手臂升降行程定為200mm，定位精度為。
1機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．1手部結(jié)構(gòu)的選擇
1．2機械手手抓的設(shè)計計算
1．3夾緊氣缸的設(shè)計
1．4手部驅(qū)動設(shè)計
2腕部的設(shè)計
2．1腕部結(jié)構(gòu)的選擇
2．2腕部的設(shè)計計算
2．3腕部驅(qū)動的設(shè)計及計算
2．4腕部工作壓力的計算
3手臂的設(shè)計
3．1手臂的設(shè)計要求
3．2伸縮氣缸的設(shè)計
3．3導(dǎo)向裝置的設(shè)計
4機械手腰部和機座的設(shè)計
4．1結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
4．2控制手臂上下移動的腰部氣缸的設(shè)計
4．3導(dǎo)向裝置的設(shè)計
4．4平衡裝置的設(shè)計
4．5機身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計
5控制系統(tǒng)設(shè)計
5．1氣動系統(tǒng)的工作原理
5．2控制器的選擇及工作過程
5．3控制器的使用步驟
5．4機械手控制器的控制方案
4 研究方案
4.1機械手的總體設(shè)計方案
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序的動作。
該設(shè)計的四個自由度包括手腕的轉(zhuǎn)動，手臂的伸縮，立柱的上升與下降，立柱的旋轉(zhuǎn)。
4．1.1手腕的設(shè)計
（1）腕部處于手臂的前端，作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，主要是用于抓取工件。
（2）工業(yè)機械手是由氣壓傳動來實現(xiàn)的的。
（3）該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息（如動作順序、運動軌跡、運動速度的及時間），同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)控，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出警報信號。
4.1.2手臂伸縮的設(shè)計
（1）手臂應(yīng)承載能力大，運動速度高，動作靈活，慣性小。
（2）手臂的動作是由PLC系統(tǒng)控制。
（3）手臂的伸縮是由驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)的。
4.1.3控制手臂上下移動的立柱設(shè)計
（1）立柱是支撐手臂的部件，立柱也可以試手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降運動均與立柱有密切聯(lián)系。
（2）立柱的上下運動是由氣缸的伸縮來完成的。
（3） 立柱的動作是由PLC系統(tǒng)控制。
4.1.4立柱的旋轉(zhuǎn)設(shè)計
（1） 通過安裝在立柱下端旋轉(zhuǎn)氣缸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)運動。
（2）立柱的旋轉(zhuǎn)是由氣動馬達帶動的。
（3）立柱的旋轉(zhuǎn)運動是由PLC層序控制
（4）腰部支撐著機械手的各部分，應(yīng)具有足夠的剛度，良好穩(wěn)定性，支撐梁應(yīng)采用鋁合金以減輕重量和節(jié)省材料。
4.2機械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大概可以分為以下4種：a直角坐標型機械手；b圓柱坐標型機械手；c球坐標（極坐標）型機械手；d多關(guān)節(jié)型機機械手。期中圓柱坐標型機械手機構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，容易實現(xiàn)。
根據(jù)課題要求確定圓柱坐標機械手，利用雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂上下運動；雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，用小型單作用氣缸驅(qū)動夾緊；手腕和機座的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動實現(xiàn)。
4.3 控制部分設(shè)計
在氣壓傳動系統(tǒng)中，氣源是由氣壓縮機通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器，調(diào)壓器，油霧器這氣動三聯(lián)件，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥以控制氣缸和手部動作。
（1）可編程序控制器PLC的選擇
考慮到本課題機械手的輸入輸出點少，流程簡單，同時又要考慮到成本，因此選擇三菱電機公司的FX2N系列PLC。
（2）可編程序控制器的工作過程
第一階段是初始化處理
第二階段是處理輸入星號階段
第三階段是程序處理階段
第四階段是輸出處理階段 CPU對用戶程序以掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表暫存器中。
（3）可編程序控制使用步驟
（4）程序控制方案
控制對象為圓柱坐標式氣動機械手
控制要求應(yīng)滿足手動工作方式和自動工作方式。
5 進度計劃
1．2011年11月01日～2011年11月14日 市場調(diào)研，工業(yè)機器人相關(guān)資料收集和整理，準備開題報告。
2．2011年11月15日～2011年12月07日 確定機械手的總體設(shè)計方案。
3．2011年12月08日～2012年01月07日 進行手部，手腕，手臂機械結(jié)構(gòu)及氣缸的設(shè)計。
4．2012年01月08日～2012年02月08日 進行手部，手腕，手臂機械結(jié)構(gòu)及氣缸的計算校核。
5．2012年02月09日～2012年02月23日 氣動傳動系統(tǒng)設(shè)計。
6．2012年02月24日～202年03月20日 PLC控制設(shè)計。
7．2012年03月21日～2012年04月30日 編寫畢業(yè)論文。
8. 2012年05月01日～2012年05月25日 畢業(yè)答辯準備和答辯。
6 參考文獻
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指導(dǎo)教師評語:
指導(dǎo)教師簽字
年 月 日
評議小組意見
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。
4、設(shè)計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”）
二級學院所確定評議小組名單
（3-5人）
組長： 、
組員： 、 、 、
單位蓋章 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名：
年 月 日
評議結(jié)論
評議小組組長簽名：
評議小組組員簽名：
年 月 日