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中國海洋大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題 目基于 PLC 驅(qū)動(dòng)的三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)院 、 系 工程學(xué)院 專業(yè)年級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2011 級 學(xué)生姓名 萬偉艦 學(xué) 號 080242011039 指導(dǎo)教師 譚俊哲 教務(wù)處制表2015 年 4 月 2 日12一、選題依據(jù)課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值課題來源、選題依據(jù)和背景情況 本課題來源于教師自擬課題，選題的類型是應(yīng)用于工程或技術(shù)開發(fā)。隨著社會(huì)與科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備越來越廣泛應(yīng)用，其中機(jī)械手的誕生就是基于生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，是現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個(gè)重要技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、可提高產(chǎn)品加工精度、減少危險(xiǎn)性生產(chǎn)由人工操作環(huán)節(jié)，尤其是在一些危險(xiǎn)性大的行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為實(shí)用，如化工生產(chǎn)有存在有毒物質(zhì)的；如核電廠等存在放射性物質(zhì)的地方；如煙花等易燃易暴的生產(chǎn)場合等生產(chǎn)環(huán)境非常適合使用機(jī)械手進(jìn)行生產(chǎn)。在機(jī)械行業(yè)中（鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配等）應(yīng)用也十分廣泛，如在柔性生產(chǎn)線中用氣動(dòng)機(jī)械手來搬運(yùn)上下料材；機(jī)械零件的裝配生產(chǎn)線中，利用機(jī)械手抓零件與另一零件裝配在一起；如啤酒生產(chǎn)中用機(jī)械手把蓋壓在瓶子上等等。以上種種應(yīng)用極大的減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，適合現(xiàn)代化的生產(chǎn)趨勢，具有較強(qiáng)的生命力。課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用在目前廣泛應(yīng)用的人機(jī)工程學(xué)科中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)越來越受到重視，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用的機(jī)械手又叫做“工業(yè)機(jī)械手”，是工業(yè)機(jī)器人學(xué)科的一個(gè)分支。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，應(yīng)用機(jī)械手系統(tǒng)不但可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，還可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。本課題的主要設(shè)計(jì)一種三自由度機(jī)械手。該三自由度機(jī)械手有三個(gè)自由度，滿足工件的搬運(yùn)和調(diào)向的動(dòng)作要求。該三自由度機(jī)械手的控制系統(tǒng)采用具有三自由度運(yùn)動(dòng)控制功能的 PLC，可以應(yīng)用在機(jī)械加工生產(chǎn)線等場合。根據(jù)被加工工件的動(dòng)作要求，選擇適用于各個(gè)關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)，末端執(zhí)行器的作用是抓緊工件，擬選用合適的夾緊機(jī)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品的形狀和大小設(shè)計(jì)合適的機(jī)械手。選擇合適的電氣控制元件，設(shè)計(jì)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)。根據(jù)所選擇的伺服電機(jī)和機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求，選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)滿足機(jī)械手動(dòng)作的要求。機(jī)械手的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，不僅滿足特定情況下的要求，還應(yīng)該滿足特殊情況下的使用要求，機(jī)械手的使用極大促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)。機(jī)械手是為了工業(yè)需要而產(chǎn)生的控制裝置，其制造商最終的目的是為了獲得經(jīng)濟(jì)利益而不斷研究，產(chǎn)生新技術(shù)與成果，引領(lǐng)科技不斷的發(fā)展。而對于科技人員來說設(shè)計(jì)成本最小、控制方式智能化、靈敏的裝置是企業(yè)效益的生命線。首先要求設(shè)計(jì)人員有較全面的科技項(xiàng)目能力，掌握最新的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，應(yīng)用最新的科技，創(chuàng)新思維，利用最新的工藝與科技研究最新的機(jī)械手，才能使科技獲得發(fā)展，企業(yè)獲得利潤。在技術(shù)方面應(yīng)該從以下三方面著手：其一、跟蹤與創(chuàng)新科技最新技術(shù)成果，使企業(yè)處于技術(shù)最前沿，以獲得最新技術(shù)；其二、開拓市場，把機(jī)械手應(yīng)用于社會(huì)的各行業(yè)，尤其是一些危險(xiǎn)行業(yè)與能大幅降低勞動(dòng)量的行業(yè)；其三、企業(yè)用最低的價(jià)格促進(jìn)科技普及，以促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展。結(jié)構(gòu)上機(jī)械手大多是以鉸鏈接為主，在連接方式上加以改進(jìn)和創(chuàng)新是很值得研究的。在連接方式上用球齒輪改進(jìn)是機(jī)械手設(shè)計(jì)最好的改進(jìn)，球齒輪結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)空間 180 度旋轉(zhuǎn)和位置指定，能夠很好適應(yīng)機(jī)械手的功能。3二、文獻(xiàn)綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn)一、機(jī)械手的分類機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手和電力傳動(dòng)機(jī)械手：1．液壓傳動(dòng)機(jī)械手它是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。2. 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手它是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)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，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3. 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手它由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4. 電力傳動(dòng)機(jī)械手它有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。機(jī)械手按自主操作方式一般分為三類：1. 通用機(jī)械手它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。2. 操作機(jī)它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。3. 專用機(jī)械手主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。按用途分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手：1. 專用機(jī)械手專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。4專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手。2. 通用機(jī)械手通用機(jī)械手是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)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(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制：可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。二、世界各國對機(jī)械手的研究工業(yè)機(jī)械手是一種用于再現(xiàn)人手功能的自動(dòng)控制裝置。對其研究源于 20 世紀(jì) 40 年代末，最早由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開始研究搬動(dòng)核原料的遙控機(jī)械手，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域的新技術(shù)，涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的綜合，成為一門新興學(xué)科。經(jīng)過美國幾年的科研攻關(guān)，于 1958 年聯(lián)合控制公司研制出了世界第一臺機(jī)械手，在機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，并在端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)。之后經(jīng)過四年的發(fā)展由美國的機(jī)械鑄造公司制造了一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，取名為 Unimate（即萬能自動(dòng)），運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰是用液壓驅(qū)動(dòng)后來的許多機(jī)械手就是按此模型為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。1962 年美國的機(jī)械鑄造公司制造又成功研制了一款叫 Versatran 機(jī)械手，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位和軌跡控制，實(shí)現(xiàn)靈活搬運(yùn)。這些成果為全世界的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。美國 Unimate 公司聯(lián)合斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了一些定位精度高、平均無故障時(shí)間達(dá) 1500 小時(shí)的高可靠性、低成本的機(jī)械手，其中一種定位誤差可小于±1mm，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的 Unimate-Vic-arm 的工業(yè)機(jī)械手。日本于 1969 年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，大力從事機(jī)械手的研究，到1979 年時(shí)日本從事機(jī)械手研究與生產(chǎn)的院校、研究單位達(dá) 50 多家，至 1979 年時(shí)生產(chǎn)機(jī)械手?jǐn)?shù)量達(dá) 56900 臺，1990 年時(shí)有 55 萬臺機(jī)械手，是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，按每年 55%的速度增長，并在汽車生產(chǎn)線上使用最多，目前成已為世界上工業(yè)機(jī)械手(機(jī)器人)應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)從 20 世紀(jì) 60 年代以來開始發(fā)展機(jī)械手并應(yīng)用于各類生產(chǎn)中，最主要是應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)，為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化水平較低。到 70 年代中期時(shí)使用較為廣泛，且超過一半是由國內(nèi)生產(chǎn)。中國經(jīng)歷了 70 年代的萌芽期，主要以引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)為主，代替部分人工勞動(dòng)；80 年代的開發(fā)期，如上海 ABB 工程有限公司、沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司等均有應(yīng)用，90 年代的應(yīng)用期，如柯馬（上海）汽車設(shè)備有限公司、青島歐地希機(jī)電（青島）有限公司等均開發(fā)適用于用戶要求的機(jī)械手。就目前來看國內(nèi)使用的機(jī)械手進(jìn)口所占比例依然較大，2012 年各占 50%左右，約 15000 臺。在我國從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)過程中，還面臨著國際環(huán)境與技術(shù)、分工的巨大挑戰(zhàn)，發(fā)展自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)是政府必須主導(dǎo)且已經(jīng)給予資金和政策扶持的重要產(chǎn)業(yè)，相信隨著我國綜合國力增強(qiáng)，科技不斷進(jìn)步，國產(chǎn)機(jī)械手應(yīng)用于生產(chǎn)及走出國門將會(huì)更為廣泛。51972 年我國第一臺機(jī)械手在上海開發(fā)成功。隨后各大型公司都逐漸開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從 1986 年到 1990 年政府的第七年“五年計(jì)劃”就將工業(yè)機(jī)械器人列入了優(yōu)先發(fā)展的地位，通過立項(xiàng)投入了較大的人力與物力研究工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的活動(dòng)，并且研究制造了相關(guān)的工業(yè)機(jī)器人成果，如北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人；大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人等等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及自動(dòng)控制理論的發(fā)展，我國在許多工業(yè)上采用了機(jī)器人控制技術(shù)，尤其是近年以來，柔性制造技術(shù)和工廠的自動(dòng)化技術(shù)不斷應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐，代替了許多繁重的體力勞動(dòng)，改善了工人的勞動(dòng)條件，也體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用生產(chǎn)的強(qiáng)大生命力，不斷推動(dòng)科技更新，設(shè)備更新。第二代、第三代機(jī)械手增加了許多功能，具有視覺、觸覺、聽覺等能力，把各種傳感器安裝于機(jī)械手的各部位形成自動(dòng)化水平相當(dāng)高的機(jī)械手。機(jī)械手的發(fā)展十分迅速，尤其是工業(yè)機(jī)械手在各種場所擁有很廣闊的應(yīng)用。在這種情況下，提出新型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于新的場所和場合，不斷滿足工業(yè)場景的新應(yīng)用。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，提出了一種以球齒輪為基礎(chǔ)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。漸開線環(huán)形齒球齒輪機(jī)構(gòu)的主要研究者是來自于國防科技大學(xué)的潘存云教授。與傳統(tǒng)的 Trallffa 球齒輪相比,新型球齒輪一是采用了漸開線齒廓,二是輪齒在球面上呈環(huán)形連續(xù)分布,因而克服了離散齒球齒輪存在傳動(dòng)原理誤差和難以加工這兩個(gè)缺陷。潘存云教授對于球齒輪的設(shè)計(jì)原理、傳動(dòng)原理以及運(yùn)動(dòng)分析都做了詳細(xì)的研究和介紹，同時(shí)在安裝、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方面進(jìn)行了深刻的研究。 參考文獻(xiàn)：[1] 王月芹 . 基于 PLC 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2011, 24(3): 1~3[2] 張啟先. 空間機(jī)構(gòu)的分析與綜合. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1987[3] 潘存云. 球齒輪傳動(dòng)原理探討. 機(jī)械科技的未來—青年科學(xué)家論壇. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994: 60~70[4] 楊家軍．機(jī)械原理(基礎(chǔ)篇 ). 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2005[5] 王孫．關(guān)節(jié)式機(jī)械本體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 西安: 西安交大機(jī)械電子工程研究所, 2005[6] 喻偉闖,羅曉曙,陳赤,楊春慧. 基于 PLC 的三自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 現(xiàn)代電子技術(shù), 2009,11: 1~4[7] 潘存云,溫熙森 漸開線環(huán)形齒球齒輪傳動(dòng)原理與運(yùn)動(dòng)分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009,11：1~4[8] 李婷,潘存云,李強(qiáng),張立杰 . 安裝誤差對球齒輪姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)指向精度的影響分析.兵工學(xué)報(bào), 2009, 30(7): 1~7[9] 潘存云,溫熙森. 球齒輪行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 .國防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(3): 1~6[10] 姚齊水 1, 2, 李常義 2, 3, 潘存云 2. 漸開線環(huán)形齒球齒輪的幾何建模及其齒面方程研究. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2006, 22(2): 1~4[11] 張裊娜. 參數(shù)不確定柔性機(jī)械手的神經(jīng)滑?？刂? 機(jī)械工程學(xué)報(bào) , 2011,47(1):1~6[13] 張利平. 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用. 化學(xué)工業(yè)出版社 ,20116[14] 劉麗鳳. 基于 UG 和 ADAMS 的六自由度機(jī)械手三維實(shí)體動(dòng)畫仿真. 機(jī)電技術(shù), 2010(1): 45~47.(Liu Li -feng. 3D solid simulation of robotic arm based on UG and ADAMS. Electromechanical Technology，2010(1): 45~47.)7三、研究內(nèi)容1．學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，根據(jù)潘存云教授提出的球齒輪代替鉸鏈接的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手在半球體內(nèi)的任意位置自由定位。球齒輪最大的優(yōu)勢在于球齒輪的 360 度可自由性定位，從而實(shí)現(xiàn)空間指向和任意位置的定位。傳統(tǒng)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)主要通過鉸鏈連接、底盤轉(zhuǎn)動(dòng)、正交驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)，其中的鉸鏈、正交結(jié)構(gòu)都擁有一個(gè)自由度，如圖 1~5 所示。在圖 1、圖 2、圖 3 的機(jī)械手模型包含如下幾個(gè)關(guān)節(jié)：夾爪、手腕、上臂、下臂、底座，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全。圖 1 六自由度機(jī)械手模型 圖 2 五自由度機(jī)械手模型圖 3 五自由度機(jī)械手模型 圖 4 三自由度正交機(jī)械手模型圖 5 氣動(dòng)機(jī)械手模型 1，28傳統(tǒng)的機(jī)械手大多是多關(guān)節(jié)機(jī)械手。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)慣性小、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的工件，并能繞過機(jī)體和工作機(jī)械之間的障礙物進(jìn)行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機(jī)械手所不能比擬的。但是多關(guān)節(jié)機(jī)械手，多是以鉸鏈接為連接結(jié)構(gòu)。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇了一種以球齒輪為連接結(jié)構(gòu)的機(jī)械手。主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）在查詢資料后，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選取了一種新型的結(jié)構(gòu)--球形齒輪結(jié)構(gòu)，作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖 6 所示。球齒輪結(jié)構(gòu)是通過齒輪平面繞中心線旋轉(zhuǎn) 180 而成，從而形成立體空間齒輪，球齒輪通過支架連接形成球齒輪結(jié)構(gòu)。圖 6 球形齒輪結(jié)構(gòu)本課題主要研究球齒輪的應(yīng)用安裝、驅(qū)動(dòng)以及球齒輪在機(jī)械臂中的應(yīng)用。運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)的知識，設(shè)計(jì)在球齒輪支撐下的三自由度機(jī)械臂的主體結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)三自由度機(jī)械臂在特定條件下的應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)設(shè)計(jì)是對于球齒輪結(jié)構(gòu)傳動(dòng)、連接、驅(qū)動(dòng)原理的設(shè)計(jì)。球齒輪在實(shí)現(xiàn) X、Y 方向的移動(dòng)方向上的移動(dòng)是通過幾個(gè)球齒輪關(guān)節(jié)的二自由度的串聯(lián)疊加實(shí)現(xiàn)自由度的疊加。該課題解決的問題是球齒輪的連接方式、球齒輪的傳動(dòng)以及球齒輪的原理。如何實(shí)現(xiàn)球齒輪的形成加工、結(jié)構(gòu)連接、驅(qū)動(dòng)方式及傳動(dòng)方法的研究設(shè)計(jì)。球齒輪 1 球齒輪 2支架 1支架 292．?dāng)M采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析采取的研究方法和技術(shù)路線：本課題中，擬解決的問題和主要任務(wù)有以下幾個(gè)：（1）根據(jù)課題要求，查閱三自由度機(jī)械手相關(guān)的中外文資料或?qū)＠?。?）根據(jù)球齒輪的結(jié)構(gòu)、原理以及運(yùn)動(dòng)方案，設(shè)計(jì)基于球齒輪的三自由度機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選擇合適的 PLC 控制方案。（3）計(jì)算各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程，選擇合適的伺服電機(jī)，確定并對各個(gè)自由度的支撐方案。（4）根據(jù)被加工工件的尺寸，設(shè)計(jì)合適的夾緊機(jī)構(gòu)。（5）設(shè)計(jì)各機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)和尺寸，利用三維設(shè)計(jì)軟件繪制裝置的三維設(shè)計(jì)圖。（6）設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)，編寫 PLC 控制程序。（7）繪制二維總體裝配圖，并對各個(gè)零件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，繪制零件的二維設(shè)計(jì)圖。（8）撰寫畢業(yè)說明書。通過各種文獻(xiàn)查詢各種自由度下的機(jī)械臂的情況，并通過對三自由機(jī)械手的各種結(jié)構(gòu)的研究和調(diào)查分析，了解機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)方案和原理。在此基礎(chǔ)上，將機(jī)構(gòu)的方案運(yùn)用移植創(chuàng)新方法，將三自由度機(jī)械手的原理和性質(zhì)運(yùn)用到球齒輪運(yùn)動(dòng)上。在研究球齒輪和機(jī)械臂的連接問題上，首先需要通過三維軟件模擬球輪的形成原理、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，球齒輪的整體驅(qū)動(dòng)方案以及整體傳動(dòng)方案，如圖 8~10 所示。其次，通過三維軟件的建模，模擬仿真球齒輪的可行性和球齒輪運(yùn)動(dòng)原理的可操作性。在三維軟件中，模擬球齒輪結(jié)構(gòu)支持下的機(jī)械手的空間立體指向、圖 7 基于球齒輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手模型10指定位置的移動(dòng)以及在到達(dá)指定位置的運(yùn)動(dòng)方案。在方案確定之后，確定機(jī)械手的整體尺寸，進(jìn)而確定球齒輪的尺寸。定義機(jī)械手在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，運(yùn)用 UG 軟件模擬仿真機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中的各關(guān)節(jié)，以及各個(gè)關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上分析角度的變化。圖 8 球齒輪的形成原理圖 9 球齒輪的傳動(dòng)原理11圖 10 球齒輪的整體驅(qū)動(dòng)方案圖 11 球齒輪的整體傳動(dòng)方案12圖 12 球齒輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖主體的三個(gè)自由度分別來自于底部大轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，上部球齒輪的橫向和縱向自由度。從如圖 12 所示的運(yùn)動(dòng)簡圖中可以看出, 該機(jī)構(gòu)有 7 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、4 個(gè)球面副、2 個(gè)移動(dòng)副、2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2 個(gè)螺旋副、1 個(gè)球銷副組成。去掉 8 個(gè)虛約束、2 局部自由度以及 2 非獨(dú)立自由度, 得到該機(jī)構(gòu)的實(shí)際自由度數(shù)為：式中 P—運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)；P’—虛約束的個(gè)數(shù)；F—自由度。最后，將三維軟件里得到的三維模型通過導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)仿真分析，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，得到機(jī)械手在空間的虛擬運(yùn)動(dòng)情況，并且通過此仿真優(yōu)化機(jī)械手的主體結(jié)構(gòu)和推進(jìn)方式，以達(dá)到高效的推進(jìn)。機(jī)械手模型完成之后，根據(jù)模型的運(yùn)動(dòng)狀況，制定機(jī)械手特定狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)模式，并根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行動(dòng)作劃分和運(yùn)動(dòng)軌跡的定義，根據(jù)運(yùn)動(dòng)情景，進(jìn)行 PLC 編程。圖 13 機(jī)械手的三個(gè)自由度球齒輪結(jié)構(gòu)兩個(gè)自由度底部齒輪一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度134、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排起止時(shí)間 主要內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)2015 年2 月 22 日~3 月 6 日檢索相關(guān)研究資料，學(xué)習(xí)相關(guān)書籍。 了解國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀2015 年3 月 8 日~3 月 31 日查閱關(guān)于三自由度機(jī)械手的國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的相關(guān)資料，了解三自由度機(jī)械手的應(yīng)用。熟悉三自由度機(jī)械手的工作原理。學(xué)習(xí)相關(guān)三維設(shè)計(jì)軟件的使用，進(jìn)一步熟悉 PLC 的指令，翻譯相關(guān)外文文獻(xiàn)。參加畢業(yè)實(shí)習(xí)，了解實(shí)習(xí)單位與畢業(yè)設(shè)計(jì)題目相關(guān)的應(yīng)用，確定三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案，撰寫開題報(bào)告，完成開題?？偨Y(jié)機(jī)械手的文獻(xiàn)，初步確定設(shè)計(jì)方案，繪制基于球齒輪的機(jī)械手三維模型，并在此基礎(chǔ)上完成開題報(bào)告。2015 年4 月 31 日~4 月 10 日進(jìn)一步明確三自由度機(jī)械手機(jī)械部分的總體設(shè)計(jì)方案。根據(jù)三自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，選擇合適的 PLC 和伺服電機(jī)等元件。完成三自由度機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，繪制重要零件的零件圖。完成機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，并確定三維圖、二維圖尺寸，學(xué)習(xí) PLC 編程，繪制零件圖。2015 年4 月 11 日~4 月 30 日繪制三自由度機(jī)械手整體機(jī)構(gòu)的三維裝配圖和零件圖。明確各零件的技術(shù)要求，繪制零件的二維工程圖。設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)三自由度機(jī)械手的控制功能，編制 PLC 控制程序。整理畢業(yè)論文及相關(guān)文檔，制作答辯 PPT 文檔，參加答辯。完成三維圖的裝配圖、零件圖。明確各部分的技術(shù)要求，并根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行 PLC 編程。完成 PPT 答辯2015 年5 月 1 日~5 月 26 日進(jìn)一步完善總體設(shè)計(jì)，完成二維工程圖的設(shè)計(jì)，完善各零件的具體技術(shù)要求，開始撰寫畢業(yè)論文。撰寫畢業(yè)論文。2015 年5 月 15 日~5 月 31 日完善畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯資料。 進(jìn)行答辯，并通過。14五、審核意見導(dǎo)師意見 導(dǎo)師簽字:年 月 日審核小組意見審核小組成員簽字： 年 月 日注：1、表格不夠可加附頁。2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級職稱的教師組成；必要時(shí)可召集開題報(bào)告會(huì)。