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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)中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。應用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復或繁重的體力勞動，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?？稍跈C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)。重復精度是指如果動作重復多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要, 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, 這個誤差是可以預測的, 因此可以通過編程予以校正。重復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精度將越來越高, 它的應用領(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用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應用范圍, 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，應具有足夠的剛度，良好穩(wěn)定性，支撐梁應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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指導教師評語:
指導教師簽字
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)導簽名：
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評議結(jié)論
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評議小組組員簽名：
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