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1、液壓機械手手臂設計 **學校 學 士 學 位 論 文 液壓機械手臂設計 姓 名： 學 號： 指導教師： 學 院： 專 業(yè)： 完成日期： **學校 學 士 學 位 論 文 液壓機械手臂設計 姓

2、 名： 學 號： 指導教師： 學 院： 專 業(yè)： 完成日期： 年 月 日 摘 要 機械手手臂的作用是連接機械手手腕、帶動帶動機械手手指去抓取物件，并按程序要求將其搬運到空間指定的位置，機械手手臂廣泛的應用在工業(yè)制造中，對提高工作效率和自動化水平具有重要意義。本文介紹了機械手手臂的功能、機械手手臂的組成、結構及其分類，其驅動方式、控制方式及其國內外發(fā)展狀況。并對機械手手臂進行了總體方案設計，確定了機械手手臂自由度及其坐標形式，確定了機械手手臂的重要技術參數(shù)等。同時，計算出機械手手臂升降液壓缸驅動力和手臂回轉液

3、壓缸驅動力矩并且確定液壓缸的重要參數(shù)。 設計出了機械手手臂的液動系統(tǒng)，繪制了機械手手臂液動系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機械手手臂進行控制，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手手臂梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞： 機械手手臂 液壓驅動 PLC控制 Abstract In this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulato

4、r to determine the coordinates of the types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, respectively, the design of the manipulator clamping type hand structure and adsorption type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wris

5、t to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; the design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm, a lifting hydraulic buffer and the arm rotary hydraulic buffer. The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two co

6、ntrols chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.What’s more,the paper work out the control program of the PLC. Keywords: mechanical hand, liquid pressure drive， PLC 目 錄 第

7、1章 緒論 1.1 機械手手臂概述…………………………………………………. 　　　　1.2 機械手手臂組成和分類 …………………………………….. 1.2.1機械手手臂的組成…………………………………………. 1.2.2機械手手臂的分類…………………………………………. 1.3 機械手手臂在工業(yè)中的應用……………………………………. 第2章 工業(yè)機械手的設計方案 2.1機械手手臂的動作要求………………………………………….. 　 2.2機械手手臂的技術參數(shù)………………………………………….. 2.3機械

8、手的座標型式與自由度…………………………………….. 2.4機械手手臂的驅動方案設計……………………………………… 2.5機械手手臂的控制方案設計……………………………………… 第3章 機械手臂部機構設計 3.1機械手手臂部的結構選擇………………………………………… 　　　 3.2手臂偏重力矩的計算……………………………………………… 3.3手臂導向立柱不自鎖條件…………………………………………. 3.4手臂升降液壓缸驅動力及參數(shù)計算………………………………. 3.5手臂回轉液壓缸驅動力矩及參數(shù)計算……………………………. 第4章 液壓泵的

9、選擇及液壓系統(tǒng)設計 4.1液壓泵的選擇 ……………………………………………………… 4.11液壓升降缸的流量計算………………………………………… 4.12液壓回轉缸的流量計算………………………………………… 4.13確定液壓泵的額定流量………………………………………… 4.14確定液壓泵的額定壓力………………………………………… 　　　 4.2 液壓系統(tǒng)的原理……………………………………………………… 第5章 PLC的控制系統(tǒng)設計…………………………………………….. 5.1 確定輸入/輸出點數(shù)并選擇 PLC 型號………………………………

10、… 　　 5.2 分配 PLC 的輸入/輸出端子…………………………………………. 5.3 PLC控制系統(tǒng)程序設計………………………………………….. 參考文獻　…………………………………………………………………………………. 附 錄　…………………………………………………………………………………. 致 謝　…………………………………………………………………………………. 20 第1章 緒

11、論 1.1機械手手臂概述 機械手手臂是連接機械手手腕、帶動帶動機械手手指去抓取物件，并按程序要求將其搬運到空間指定的位置的機械裝置。機械手手臂廣泛應用在工業(yè)制造中，在惡劣的環(huán)境下代替人的工作，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產，可以提高生產的自動化水平和勞動生產率對提高工作效率和自動化水平具有重要意義。在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。 機械手手臂的結構一開始是比較簡單的，3自由度的居多，專用性較強，一般情況下用作某臺機床的上下料裝置。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，機械手手臂有3自由度，4自由度，5自由度等，驅動方式

12、也有了液壓驅動型，氣動驅動型等，控制方式也更加靈活方便,出現(xiàn)了PLC控制和單片機控制等。由于機械手手臂能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的商品生產中獲得廣泛的引用。機械手手臂的發(fā)展，其應用前景將更加寬廣。 1.2 機械手手臂組成和分類 1.2.1機械手手臂的組成 機械手手臂主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。 （1）執(zhí)行機構 機械手手手臂的執(zhí)行元件為液壓缸或氣缸等，缸的移動帶動機械手手臂的移動。 （2）驅動系統(tǒng) 機械手手臂的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行機構運動的動力裝置，有液壓、氣壓、電力和機械式驅動四種形式 （3）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機械手手

13、臂動作的指揮系統(tǒng)，用來控制動作的順序、位置、時間、速度、加速度等。常見控制系統(tǒng)有PLC控制系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)等 1.2.2機械手手臂的分類 按照不同的分類標準，機械手手臂的分類也也是不同的。 (1)按用途分 機械手手臂可分為專用機械手手臂和通用機械手手臂兩種: 1、專用機械手手臂： 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產，如自動機床、自動線的上、下料機械手手臂等。 2、通用機械手手臂： 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手手臂。其動作程序是

14、可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (2) 按驅動方式分 1、液壓傳動機械手手臂： 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手手臂。其抓重大、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，油的泄漏對工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。

15、2、氣壓傳動機械手手臂： 是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手手臂。其介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重小，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手手臂： 機械傳動機構驅動的機械手手臂。它是一種附屬于工作主機的專用機械手手臂，其動力是由工作機械傳遞的。其是運動準確可靠，但結構較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手手臂： 特殊結構的感應電動機步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手手臂，其機械結構簡

16、單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。 (3)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前常用專用和通用工業(yè)機械手手臂都是這種的。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線。較為復雜。 （4）按種類分類：串聯(lián)機械手;并聯(lián)機械手。 1.3 機械手手臂在工業(yè)中的應用 　 工業(yè)機械手在生產中的應用非常廣泛，主要有： （1）鑄、鍛、焊、熱處理等方面 在鑄、鍛、焊、熱處理等工序中，勞動強度較大，勞動環(huán)境對身體有害

17、，并且有一定危險，而機械手手臂在這些工序中可以代替人進行操作，應用廣泛。 （2）單個機器的自動化方面 　　一些半自動機器，雖然一定的自動化功能，仍需人工上下料，裝上機械手手臂，可實現(xiàn)全自動化生產。比如沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現(xiàn)沖壓上產自動化。 （3）自動化生產線方面 自動化生產線上，一般都需要機械手手臂在不同的機器上進行傳送工件，可以大大的提高生產效率。 　　 　 第2章工業(yè)機械手的設計方案 2.1機械手手臂的動作要求 懸臂下降→抓取工件→懸臂上升→旋轉合適的角度（小于180）→懸臂下降→松開工件（放到指定的位置）→懸臂上升→懸臂回縮，這樣就

18、完成一個自動工作循環(huán)。 2.2機械手手臂的技術參數(shù) 抓重：5~30kg 自由度數(shù)：3 手臂垂直位移：100mm， 手臂回轉角度：小于180 水平位移速度：75mm／s 垂直位移速度：25mm／s 角位移速度：110／s 液壓缸內徑D取160 mm ， 液壓缸外徑D取240mm， 活塞直徑D取80mm 。 2.3機械手的座標型式與自由度 按照抓取工件的要求，手臂主要完成垂直升降（沿z軸移動），伸縮（沿x軸移動

19、）和回轉（沿z軸轉動）以正確完成空間里的上下料工作，所以選擇3自由度。座標型式采用直角坐標即可。 2.4機械手手臂的驅動方案設計 氣動驅動的空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，而機械傳動機械手手臂程序是固定的不可調，靈活性差結構較大。液動機械手手臂抓重大、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。應采用液壓驅動。 2.5機械手手臂的控制方案設計 采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制時，如何工作內容改變時，只需要改變PLC的程序就可以滿足工作要求，具有很好的靈活性。 第3章

20、 機械手臂部機構設計 3.1機械手手臂部的結構選擇 機械手手臂在進行運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證其運動準確可靠，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。采用單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。 3.2手臂偏重力矩的計算 此圖為機械手手臂的簡圖，包括手臂，手腕，手部，工件。其中手臂重70kg，手腕重20kg，手部重20kg，工件重30kg。G1（手臂）=700N, G2（手腕）=200 N,G3（手部）=200 N, G4（工件）=300 N, L1=300mm，L

21、2= 700mm ，L3= 900mm，L4= 1000mm。 所以總重G’總=700+200+200+300=1400N L= G1L1+G2L2+G3L3+G4L4 = 830000 =600mm G1+G2+G3+G4 1400 所以偏轉力矩為 M=G’總L=1400600=840N.m L1代表手臂重心到軸線的距離。L2代表手腕重心到距離。L3代表手部重心到軸線的距離。L4代表工件重心到軸線的距離。 3.3手臂導向立柱不自鎖條件 立柱作用是用來支承手臂的，立柱與手臂連在一起，手臂的回轉運動和升降運動都是通過立柱來實

22、現(xiàn)的。而手臂在G總（G’總 = G回轉缸 + G活塞桿）的作用下有向下的趨勢，所以要設計合理高度的立柱導套。 FRH=G總L FR =G總L H 不自鎖的條件為：G總＞ F1 + F2= 2F2 =2FRf 而f=0.25 即 G總 ＞ 2 G總Lf H H＞0.5L=0.5600=300mm 設G回轉缸 =200N G活塞桿 = 500N G總 =1400+200+500 =2100N FR = G總L = 2100600 = 4200N H 300

23、在設計中必須考慮到立柱導套長度大于300mm 3.4手臂升降液壓缸驅動力及參數(shù)計算 機械手手臂升降驅動力的公式： F驅 =F摩+F慣+F回+F密G總 （1）F摩 F摩 =2FRf f=0.25 FR=4200N F摩 =2FRf=242000.25 =2100N （2）F慣的計算 摩擦力公式 F慣= G總△V g△t △V—由靜止加速到常速的變化量（mm/s） △t—啟動過程時間（t），一般取0.01s～0.05s。 手臂啟動速度△V=0.026m/s, 啟動時間△t=0.02

24、s，g=10N/kg F慣= 273N （3） F回的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 （4）F密的計算 在手臂設計中，當采用O型密封圈，當液壓缸工作壓力小于10MPa時， 液壓缸密封處的總的摩擦阻力為：F密 =0.03F驅 液壓缸的驅動力為： F驅 =F摩+F慣+F回+F密G總 =2100 + 273+ 0.03F驅 2100 當液壓缸向上時 F驅 =4616N 當液壓缸向下時 F驅 =281N 因為F驅 =4616N，所以由由驅動力與液壓缸工作壓力關系表可得液壓缸的工作壓力可得P=0.8Mpa。為了保險起

25、見，F(xiàn)驅 =1.24616N=5539.2N 驅動力與液壓缸工作壓力關系表 （1）液壓缸內徑D計算： F驅 = Fη1=P1η D= （油從無桿進入） F驅—手臂升降液壓缸驅動力（N） D—液壓缸內徑（mm） d—活塞桿直徑（mm） η—液壓缸機械效率，η=0.9 P—液壓缸的工作壓力（MPa） 帶入數(shù)據(jù)得：D===0.0098m 根據(jù)標準液壓缸內徑系列，為了滿足要求，選取液壓缸的內徑為：D=160mm 標準液壓缸內徑系列表2-2 （2）活塞桿直徑d計算 液壓缸往復速度比

26、推薦值2-3 工作壓力p/MPa ≤10 10～20 ＞20 往復速度比λv 1.33 1.46～2 2 由液壓缸往復比推薦值表可知λv=1.33,帶入公式則有： d = D=160=80mm 根據(jù)標準，活塞桿的直徑為80mm 液壓缸外徑系列表 取液壓缸外徑D′=245mm 手臂升降液壓缸主要參數(shù)為： 液壓缸內徑D 液壓缸外徑Dˊ 工作壓力P 活塞桿直徑d 驅動力F 160mm 245mm 0.8MPa 80mm 5539.2N 3.5手臂回轉液壓缸驅動力矩及參數(shù)計算 手臂回轉液壓缸驅動力矩 M驅

27、 =M慣+M密+M回 （1）M慣 M慣=Jo Jo=Jc + Jc = G總=1500N,啟動角速度=0.314rad/s,啟動時間=0.1s。 所以 Jc = ==29Nm Jo=Jc +=28.8+=145Nm M慣=J=Jo=144.7=455N.m （2）M密M回的計算 設擦阻力矩M密=0.03 M驅。 因為回油被差很小，所以M回=0MP。 所以 驅 =M慣+M密+M回=455+0.03M驅+0 即M驅 = 469N.m 粗取b=60mm 液壓缸工作壓力P=4MPa，d=50mm,則由

28、 M驅 = 得 D===0.135m 為了盡可能滿足要求，取D=150mm 式中 D—液壓缸內徑（mm） P—回轉液壓缸工作壓力（MPa） d—輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（mm） b—動片寬度（mm） 根據(jù)標準，取液壓缸外徑D′=245mm 手臂回轉液壓缸主要參數(shù)為： 工作壓力P 液壓缸內徑D 液壓缸外徑D′ 動片寬度b 輸出軸直徑d 驅動力矩M 4MPa 140mm 245mm 60mm 50mm 468.6N.m

29、 第4章液壓泵的選擇及液壓系統(tǒng)設計 4.1液壓泵的選擇 4.11液壓升降缸流量計算 q=VA V= 而 =110/s=1.9rad/s q=VA=V=1.920.07=575mL/s 4.12 液壓回轉缸流量計算 q=VA=V=0.025=377mL/s 4.13 液壓泵額定流量 qpqmax qpqmax=1.2574.6=689.5mL/s qp—泵的輸出流量； K—系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般K=1.11.3； qmax—執(zhí)行原件實際需要的最大流量 4.14液壓泵額定壓力

30、 Pp≥KPmax Pp≥KPmax=1.44=5.6MPa Pp—泵的工作壓力； Pmax—執(zhí)行元件的最高工作壓力； K—系數(shù)，液壓泵至執(zhí)行元件管路中的壓力損失，K=1.31.5 選擇YB1—50型號葉片泵，轉速960r/min，工作流量q=800mL/s。 4.2液壓系統(tǒng)的原理 1郵箱 2 過濾器 3 液壓泵 4 溢流閥 5 三位四通換向閥 6 節(jié)流閥7 順序閥 8 單向閥 9 升降液壓缸 10 液控式單向閥 11回轉液壓缸 液壓缸上升時 進油路：油箱—過濾器—泵—換向閥右位接通—單向閥—液壓缸下端油口 回油路：液壓缸上端油口—換向閥右

31、位—油箱 液壓缸下降時 進油路：油箱—過濾器—泵—換向閥左位接通—液壓缸上端油口 回油路：液壓缸下端油口—順序閥—換向閥左位接通—油箱 手臂回轉缸液壓工作原理 順時針轉動時 ： 進油路：油箱—過濾器—泵—換向閥左位接通—液控單向閥—回轉液壓缸 回油路：回轉液壓缸—液控單向閥6—換向閥左位接通—油箱 逆時針回轉時： 進油路：箱—過濾器—泵—換向閥右位接通—液控單向閥6—回轉液壓缸 回油路：回轉液壓缸—液控單向閥7—換向閥右位接通—油箱 第5章 PLC的控制系統(tǒng)設計 5.1 確定輸入/輸出

32、點數(shù)并選擇 PLC 型號 　　 輸入點： 位置檢測信號：上升限位開關、下降限位開關、伸出限位開關、回縮限位開關、左轉限位開關、右轉限位開關共 6個行程開關，需要 6個輸入端 子。 “工作方式”選擇開關：有手動、連續(xù) 2種工作方式，需要2個輸入端。 手動操作：需要有上升、下降、伸出、回縮、左轉、右轉，抓緊、放松8個按鈕，需要8個輸入端。 開關： 啟動和停止按鈕需要2個輸入端。所以共需要18個輸入端。 輸出點：PLC 的輸出用于控制的上升、下降、伸出、回縮、左轉、右轉，抓緊、放松和原點指示燈，至少需要 9個輸出點。 PLC 型號的分類： CPU221：內置10個數(shù)字量I/O點，不可擴充；

33、 CPU222：內置14個數(shù)字量I/O點，可擴充到78路數(shù)字量I/O或10路模擬量I/O； CPU224：內置24個數(shù)字量I/O點，可擴充到168路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O； CPU226：內置40個數(shù)字量I/O點，可擴充到248路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O； 考慮到選擇PLC是要保證10%左右的I/O點的余量，而且也要考慮經濟性的要求，所以采用CPU224型的PLC。 5.2分配 PLC 的輸入/輸出端子 輸入點： 輸出點： 啟動按鈕 SB1 I0.0 開始指

34、示燈 Q0.0 停止按鈕 SB2 I0.1 下限為開關 SQ1 I0.2 下降 Q0.2 上限位開關 SQ2 I0.3 上升 Q0.3 伸出限位開關 SQ3 I0.4 伸出 Q0.4 回縮限位開關 SQ4 I0.5 回縮 Q0.

35、5 左旋限位開關 SQ5 I0.6 左旋 Q0.6 右旋限位開關SQ6 I0.7 右旋 Q0.7 下降按鈕 SB3 I0.8 抓緊 Q0.8 上升按鈕 SB4 I0.9 放松 Q0.9 伸出按鈕 SB5 I1.0 回縮按鈕 SB6 I1.1 手動

36、 I1.6 自動 I1.7 左旋按鈕 SB7 I1.2 右旋按鈕 SB8 I1.3 抓緊按鈕 SB9 I1.4 放松按鈕 SB10 I1.5 5.3 PLC控制系統(tǒng)程序設計 為了方便滿足控制要求，控制系統(tǒng)程序設計需要有手動和自動兩種方式。 （1）手動程序 手動操作可以按照實際的工作需要來進行控制。 按下SB1啟動按鈕，I0.0閉合，機械手手臂啟動，同時線圈M0.0通電，M0.0閉合。 按下SB3啟動按鈕，I0.

37、8閉合，機械手手臂下降，Q0.2得電。 按下SB4啟動按鈕，I0.9閉合，機械手手臂上升，Q0.3得電。 按下SB5啟動按鈕，I1.1閉合，機械手手臂伸出，Q0.3得電。 按下SB6啟動按鈕，I1.2閉合，機械手手臂回縮，Q0.3得電。 按下SB2停止按鈕，I0.1斷開，M0.0斷電，機械手手臂動作停止。 (2)自動程序 將其設計成單周期操作 按下SB1啟動按鈕，I0.0閉合，機械手手臂啟動，同時線圈M0.0通電，M0.0閉合。機械手手臂下降，下降到碰到下限位開關SQ1時,I0.2閉合，機械手手臂上升，碰到上限位開關SQ2時，I0.3閉合，手臂左旋，左旋至左限位開

38、關SQ5時，I0.6閉合，手臂前伸，至伸出限位開關SQ3時,I0.4閉合，手臂下降，至下限位開關SQ1時,I0.2閉合，機械手手臂上升，碰到上限位開SQ2時，I0.3閉合，手臂回縮，至回縮限位開關SQ4時，I0.5閉合，手臂右旋，此時手臂回到了初始點，完成一次單周期循環(huán)。 參考文獻 [1]何發(fā)昌，邵遠. 多功能機械手的原理及應用[M].北京：高等2002.23-30. [2]李明. 單臂回轉機械手設計[M]. 北京：高等教育出版社，2004.33-36. [3]陸祥子. 基于PLC的機械手[J]. 湖南工程學院院報，2006,(06):70-73. [

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42、在本設計的選題、開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了導師老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中無不飽含著老師的汗水和心血。他們嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我，將永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。他對本設計的構思、框架和理論運用給予了許多深入的指導，使得設計得以順利完成。在此謹向尊敬的導師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 通過這次畢業(yè)設計，大大的提高了我們的自主學習和認真思考的能力，對學術態(tài)度的嚴謹性也有了很高的認識。我相信在以后的學習和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應工作和社會激烈的競爭。