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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
課題名稱 柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料
氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)
學(xué) 院
專 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
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(dòng)上下
料氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)
1 論文選題背景、目的及意義
本課題來(lái)源于企業(yè)實(shí)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(guò)程當(dāng)中怎樣進(jìn)一步提升效率成為一個(gè)新的課題,縮短裝卸料的時(shí)間是有效的手段之一,本課題研究的就是一種在由多臺(tái)數(shù)控加工中心組成的FMS系統(tǒng)中,能夠完成自動(dòng)裝卸料的工業(yè)機(jī)械手。
本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手,是典型的機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)之一,它采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng),PLC控制, 作為機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生而言,通過(guò)該課題的畢業(yè)設(shè)計(jì),能夠?qū)⑸险n所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)、PLC控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)等只是有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，并最終達(dá)到模擬工程實(shí)際設(shè)計(jì)的目的，使學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)基本方法，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱的要求。
2 文獻(xiàn)綜述（國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)）
我設(shè)計(jì)的這個(gè)柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)上下料氣動(dòng)工業(yè)機(jī)械手其主體為機(jī)械手。它可按固定程序來(lái)完成某些特定操作。機(jī)械手是按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。
20世紀(jì)40年代后期，美國(guó)在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全間操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)，用于在高溫、污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫(kù)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(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。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(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。
機(jī)械手搬運(yùn)流水線主要包括機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)設(shè)備，控制設(shè)備及工作臺(tái)等。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有以機(jī)械手為主體的搬運(yùn)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(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)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(guó)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(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手搬運(yùn)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(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)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(guó)內(nèi)建造的生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)零件的流水線很多，如沈陽(yáng)永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤(pán)類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。
機(jī)械手運(yùn)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(jī)械手在進(jìn)行流水線工作時(shí)到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的, 因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來(lái)測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手運(yùn)搬運(yùn)的重復(fù)精度將越來(lái)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(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
3 機(jī)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(dòng)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(kāi)關(guān)控制”進(jìn)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(jiǎn)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(lái)越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。
如今機(jī)械手搬運(yùn)被應(yīng)用于各種實(shí)際生產(chǎn)中，可以說(shuō)現(xiàn)代生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)離不開(kāi)機(jī)械手運(yùn)輸線了，而更高效、更智能、更精確的搬運(yùn)機(jī)械手必將成為一種趨勢(shì)。
本次設(shè)計(jì)的械手主要與數(shù)控車床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)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(jī)床以及加工中心的加工過(guò)程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力，降低生產(chǎn)成本。
3 研究?jī)?nèi)容
本課題的內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)由PLC控制的四自由度氣動(dòng)機(jī)械手，機(jī)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(huà)出機(jī)械手的總裝圖和各部件的零件圖。并且根據(jù)課題，設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，包括元器件的選取和回路的設(shè)計(jì)，畫(huà)出氣路原理圖。機(jī)械手控制部分有PLC完成，通過(guò)設(shè)計(jì)要完成PLC的選型，PLC的外部接線圖以及根據(jù)機(jī)械手的流程圖編寫(xiě)出PLC梯形圖。
機(jī)械手詳細(xì)參數(shù)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是FMC系統(tǒng)中的上下料機(jī)械手，抓重為4kg，采用圓柱坐標(biāo)型，自由度為4個(gè)，該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為90度/s，機(jī)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(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1手部結(jié)構(gòu)的選擇
1．2機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算
1．3夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
1．4手部驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
2腕部的設(shè)計(jì)
2．1腕部結(jié)構(gòu)的選擇
2．2腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
2．3腕部驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
2．4腕部工作壓力的計(jì)算
3手臂的設(shè)計(jì)
3．1手臂的設(shè)計(jì)要求
3．2伸縮氣缸的設(shè)計(jì)
3．3導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)
4機(jī)械手腰部和機(jī)座的設(shè)計(jì)
4．1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
4．2控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì)
4．3導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)
4．4平衡裝置的設(shè)計(jì)
4．5機(jī)身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
5控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5．1氣動(dòng)系統(tǒng)的工作原理
5．2控制器的選擇及工作過(guò)程
5．3控制器的使用步驟
5．4機(jī)械手控制器的控制方案
4 研究方案
4.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序的動(dòng)作。
該設(shè)計(jì)的四個(gè)自由度包括手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)
（1）腕部處于手臂的前端，作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是用于抓取工件。
（2）工業(yè)機(jī)械手是由氣壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的的。
（3）該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度的及時(shí)間），同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出警報(bào)信號(hào)。
4.1.2手臂伸縮的設(shè)計(jì)
（1）手臂應(yīng)承載能力大，運(yùn)動(dòng)速度高，動(dòng)作靈活，慣性小。
（2）手臂的動(dòng)作是由PLC系統(tǒng)控制。
（3）手臂的伸縮是由驅(qū)動(dòng)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
4.1.3控制手臂上下移動(dòng)的立柱設(shè)計(jì)
（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(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切聯(lián)系。
（2）立柱的上下運(yùn)動(dòng)是由氣缸的伸縮來(lái)完成的。
（3） 立柱的動(dòng)作是由PLC系統(tǒng)控制。
4.1.4立柱的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
（1） 通過(guò)安裝在立柱下端旋轉(zhuǎn)氣缸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
（2）立柱的旋轉(zhuǎn)是由氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)的。
（3）立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由PLC層序控制
（4）腰部支撐著機(jī)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(jī)械手基本形式的選擇
常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大概可以分為以下4種：a直角坐標(biāo)型機(jī)械手；b圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；c球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；d多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。期中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，定位精度較高，占地面積小，容易實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)課題要求確定圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，利用雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂上下運(yùn)動(dòng)；雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；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(dòng)夾緊；手腕和機(jī)座的旋轉(zhuǎn)用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
4.3 控制部分設(shè)計(jì)
在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，氣源是由氣壓縮機(jī)通過(guò)快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過(guò)濾器，調(diào)壓器，油霧器這氣動(dòng)三聯(lián)件，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥以控制氣缸和手部動(dòng)作。
（1）可編程序控制器PLC的選擇
考慮到本課題機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)少，流程簡(jiǎn)單，同時(shí)又要考慮到成本，因此選擇三菱電機(jī)公司的FX2N系列PLC。
（2）可編程序控制器的工作過(guò)程
第一階段是初始化處理
第二階段是處理輸入星號(hào)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(duì)用戶程序以掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)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(duì)象為圓柱坐標(biāo)式氣動(dòng)機(jī)械手
控制要求應(yīng)滿足手動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。
5 進(jìn)度計(jì)劃
1．2011年11月01日～2011年11月14日 市場(chǎng)調(diào)研，工業(yè)機(jī)器人相關(guān)資料收集和整理，準(zhǔn)備開(kāi)題報(bào)告。
2．2011年11月15日～2011年12月07日 確定機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案。
3．2011年12月08日～2012年01月07日 進(jìn)行手部，手腕，手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及氣缸的設(shè)計(jì)。
4．2012年01月08日～2012年02月08日 進(jìn)行手部，手腕，手臂機(jī)械結(jié)構(gòu)及氣缸的計(jì)算校核。
5．2012年02月09日～2012年02月23日 氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
6．2012年02月24日～202年03月20日 PLC控制設(shè)計(jì)。
7．2012年03月21日～2012年04月30日 編寫(xiě)畢業(yè)論文。
8. 2012年05月01日～2012年05月25日 畢業(yè)答辯準(zhǔn)備和答辯。
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[19].哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室,理論力學(xué)[M]. 第六版 高等教育出版社
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ):
指導(dǎo)教師簽字
年 月 日
評(píng)議小組意見(jiàn)
1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實(shí)用價(jià)值；□意義不大。
2、論文的難度：□偏高；□適當(dāng)；□偏低。
3、論文的工作量：□偏大；□適當(dāng)；□偏小。
4、設(shè)計(jì)或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。
5、學(xué)生對(duì)文獻(xiàn)資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。
6、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
7、學(xué)生在論文選題報(bào)告中反映出的創(chuàng)新能力：
□好；□較好；□一般；□較差。
8、對(duì)論文選題報(bào)告的總體評(píng)價(jià)：□好；□較好；□一般；□較差
（在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號(hào)“√”）
二級(jí)學(xué)院所確定評(píng)議小組名單
（3-5人）
組長(zhǎng)： 、
組員： 、 、 、
單位蓋章 主管領(lǐng)導(dǎo)簽名：
年 月 日
評(píng)議結(jié)論
評(píng)議小組組長(zhǎng)簽名：
評(píng)議小組組員簽名：
年 月 日