基于PLC控制四自由度機械手結構設計【含CAD圖紙+文檔資料】

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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(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(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(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(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(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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)及手臂的伸縮、升降與回轉(zhuǎn)，采用圓柱坐標型式。 (2)、驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)運動的回轉(zhuǎn)缸設計在升降缸之上。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