基于步進電機的三自由度直角型機械手設(shè)計開題報告

1、上海電機學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱 基于步進電機的三自由度直角型機械 手設(shè)計學(xué) 院 機械學(xué)院 專 業(yè) 機械電子工程（機電一體化方向） 班 級 BJ0807 學(xué) 號 2 姓 名 丁偉 指導(dǎo)教師 吳婷 定稿日期： 2011 年 12月15日基于步進電機的三自由度直角型機械手設(shè)計1 選題背景及其意義機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械手和

2、自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可以用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和

3、國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。本課題主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工車間，與數(shù)控機床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。通過對機械電子工程（機電一體化方向）專業(yè)大學(xué)本科的所學(xué)知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床送料機械手設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械電子工程（機電一體化方向）專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。2 文獻綜述（國內(nèi)外研究

4、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：（1） 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。（2） 工業(yè)機器人控制體系向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（3） 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、聲覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進

5、行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。（4） 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)。（5） 焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)

6、控制器，市場化、模塊化的元件。3 研究內(nèi)容3.1 機械部分本設(shè)計機械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式，具有3個自由度，兩個升降，兩個平移自由度，由手部、手臂、機身等主要部件組成。手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)是多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工作要求而設(shè)計的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。由于本次設(shè)計的是流水線間工件自動搬運工業(yè)機械手，因此使用夾持式手部，采用手部加緊缸。手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們

7、作空間運動。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用滾珠絲杠副，來實現(xiàn)直線往復(fù)運動。因此，手抓伸縮采用伸縮缸，手臂的升降與平移采用滾珠絲杠機身是直接支承和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況愈復(fù)雜。由于本次設(shè)計的流水線間工件搬運工業(yè)機械手進行的是自動定點搬運工件。所以機械手設(shè)計成固定的。3.2 驅(qū)動系統(tǒng)機械手電機驅(qū)動的優(yōu)勢是在于節(jié)能，因為氣動和液壓驅(qū)動的能量是二次轉(zhuǎn)化，能量消耗大約在35%左右。所以節(jié)能是今后機械手，機械自動化發(fā)展的一項重要的技術(shù)內(nèi)容。因此本課題選用步進電機驅(qū)動

8、。3.3 控制系統(tǒng)工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調(diào)機械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機械手的工作順序、應(yīng)達到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手指的開閉動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標(biāo)軸的運動按照預(yù)先整定好的程序來實現(xiàn)的。單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單

9、片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”。因此本課題選用單片機來實現(xiàn)機械手的控制4 研究方案4.1總體方案本機械手為專用機械手，因此相對于通用機械手來說，它動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點。（1） 選取機械手的坐標(biāo)型式和自由度。 （2） 設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括手部、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用夾持式手指來抓取棒料工件。 （3） 滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)的設(shè)計。本課題將設(shè)計出機械手的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)，包括器件的選取，受力的校核等。 （4） 機械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計。本機械手擬采用可編程序控制器單片機對機械手

10、進行控制，選取相應(yīng)的單片機型號，根據(jù)機械手的工作流程繪制單片機控制原理圖，編制出單片機程序，并畫出接線圖。4.2預(yù)期能達到的目標(biāo)通過本次課題的畢業(yè)設(shè)計將自己四年中所學(xué)到機械設(shè)計、絲杠傳動、單片機控制技術(shù)等等知識聯(lián)系起來，通過自己的努力，以實現(xiàn)設(shè)計實際工業(yè)項目的目的。4.4可能遇到的困難以及應(yīng)對措施機械手設(shè)計尺寸不合理，傳動計算不準(zhǔn)確，單片機不能完全實現(xiàn)對機械手的控制等等。應(yīng)對方法是參考大量書籍，查閱文獻，網(wǎng)上收集資料，及時與同學(xué)，老師溝通以尋求幫助。5 進度計劃2011.11.01-2011.12.01：收集資料，研讀資料2011.12.01-2012.01.15：擬訂總體設(shè)計方案2012.0

11、1.15-2012.03.05：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪制總裝圖2012.03.05-2012.03.10：主要零部件設(shè)計計算，繪制零件工作圖2012.03.10-2012.03.15：繪制接線原理圖2012.03.15-2012.03.20：控制系統(tǒng)設(shè)計2012.03.20-2012.03.25：撰寫設(shè)計計算說明書2012.03.25-2012.06.06：修改及答辯參考文獻1 宋娟.上下料機械手PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計J.裝備制造技術(shù),2008,(8).2 張海英,劉勝明.基于PLC 的自動上下料機械手設(shè)計J.裝備制造技術(shù)2010,(9).3 李燦燦,譚宗柒,黃星德,吳凌.氣動機械手PLC控制部分設(shè)計

12、J.三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2010,(8).4 李軍英,劉艷香,焦冬梅.三菱PLC 在氣動機械手中的應(yīng)用J.機電工程技術(shù), 2007,(9).5 王焱玉,田玲.數(shù)控機床液壓機械手的PLC控制系統(tǒng)M. 機床與液壓,2005,(14).6 趙碧,巴鵬,徐英鳳.氣動上下料機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析J.沈陽理工大學(xué)學(xué)報2006,(12).7 趙東輝,金長虹.基于液壓與控制技術(shù)的機械手的設(shè)計與分析M.煤礦機械,2010,(8).8 劉 斌,王立梅.基于S7-200 的多關(guān)節(jié)機械手的PLC 控制J.西南民族大學(xué)學(xué)報自然科學(xué),2008,(8).9 沈孝芹,張蔚波,于復(fù)生,陳繼文.基于單片機控制的氣動搬運

13、機械手的研制M.液壓與氣動,2008(8).10 付愚.基于PLC的液壓機械手的控制系統(tǒng)J.湖南工程學(xué)院學(xué)報,2005,(6).11 Pinhas Ben-Tzvi，Andrew A. Goldenberg，Jean W. Zu . Articulated hybrid mobile robot mechanism with compounded mobility and manipulation and on-board wireless sensor/actuator control interfacesJ.Mechatronics,2010,(20): 627639.12 M. Borl

14、and S. M. Berry . The Integration of an Electro-hydraulic Manipulator Arm into a Self-Contained Mobile Delivery SystemJ. International Topical Meeting on Robotics and Remote Systems,1999.13 付永領(lǐng),王巖,裴忠才.基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).機床與液壓. 2003,(6):90-92.14 丁又青,朱新才.一種新型型鋼翻面機液壓系統(tǒng)設(shè)計.機床與液壓.2003,(5): 128-129.15 劉劍雄,韓建華.物流自動化搬運機械手機電系統(tǒng)研究.機床與液壓.2003,(1): 126-128.16 徐軼,楊征瑞,朱敏華,溫齊全.PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.機床與液壓.2003,(5):143-144.17 胡學(xué)林.可編程控制器(基礎(chǔ)篇).北京:電子工業(yè)出版社,2003.指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日開題答辯小組意見1、論文選題：有理論意義；有工程背景；有實用價值；