开题报告-柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计

上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计学院机械学院专业机械电子工程班级BJ0807学号姓名指导教师定稿日期：2012年02月21日柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计1论文选题背景、目的及意义本课题来源于企业实际生产中的应用。随着近几年柔性制造技术不断发展,怎样在加工过程当中怎样进一步提升效率成为一个新的课题,缩短装卸料的时间是有效的手段之一,本课题研究的就是一种在由多台数控加工中心组成的FMS系统中,能够完成自动装卸料的工业机械手。本课题设计的机械手,是典型的机电一体化的结构之一,它采用气动驱动,PLC控制,作为机械电子工程专业学生而言,通过该课题的毕业设计,能够将上课所学的机械设计、PLC控制技术、检测技术、气动控制技术等只是有机的结合起来，并最终达到模拟工程实际设计的目的，使学生初步掌握工程设计基本方法，达到毕业设计大纲的要求。2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）我设计的这个柔性制造系统自动上下料气动工业机械手其主体为机械手。它可按固定程序来完成某些特定操作。机械手是按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全间操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。机械手搬运流水线主要包括机械手，驱动设备，控制设备及工作台等。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有以机械手为主体的搬运工作流水线，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手搬运常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。国内建造的生产旋转零件的流水线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。机械手运输线的发展前景及方向分为以下这些;1重复高精度精度是指机械手在进行流水线工作时到达指定点的精确程度,它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次,机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要,如果一个机器人定位不够精确,通常会显示一个固定的误差,这个误差是可以预测的,因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围,它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手运搬运的重复精度将越来越高,它的应用领域也将更广阔,如核工业和军事工业等。2模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术,而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置,使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能,扩大了机械手的应用范围,是机械手的一个重要的发展方向。3机电一体化由“可编程序控制器-传感器-液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件,使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”;省配线的复合集成系统,不仅减少配线、配管和元件,而且拆装简单,大大提高了系统的可靠性。而今,电磁阀的线圈功率越来越小,而PLC的输出功率在增大,由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

如今机械手搬运被应用于各种实际生产中，可以说现代生产行业已经离不开机械手运输线了，而更高效、更智能、更精确的搬运机械手必将成为一种趋势。本次设计的械手主要与数控车床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力，降低生产成本。3研究内容本课题的内容是设计一个由PLC控制的四自由度气动机械手，机械手能完成抓紧，放松，手腕的旋转，手臂的伸缩，腰部的上升和下降及旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。并且根据课题，设计机械手的气动系统，包括元器件的选取和回路的设计，画出气路原理图。机械手控制部分有PLC完成，通过设计要完成PLC的选型，PLC的外部接线图以及根据机械手的流程图编写出PLC梯形图。机械手详细参数本次设计的机械手是FMC系统中的上下料机械手，抓重为4kg，采用圆柱坐标型，自由度为4个，该机械手最大移动速度设计为1m/s。最大回转速度设计为90度/s，机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为200mm，定位精度为。1机械手手部结构设计1．1手部结构的选择1．2机械手手抓的设计计算1．3夹紧气缸的设计1．4手部驱动设计2腕部的设计2．1腕部结构的选择2．2腕部的设计计算2．3腕部驱动的设计及计算2．4腕部工作压力的计算3手臂的设计3．1手臂的设计要求3．2伸缩气缸的设计3．3导向装置的设计4机械手腰部和机座的设计4．1结构设计及计算4．2控制手臂上下移动的腰部气缸的设计4．3导向装置的设计4．4平衡装置的设计4．5机身回转结构的设计5控制系统设计5．1气动系统的工作原理5．2控制器的选择及工作过程5．3控制器的使用步骤5．4机械手控制器的控制方案4研究方案4.1机械手的总体设计方案机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统、以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序的动作。该设计的四个自由度包括手腕的转动，手臂的伸缩，立柱的上升与下降，立柱的旋转。4．1.1手腕的设计（1）腕部处于手臂的前端，作为机械手的执行机构，主要是用于抓取工件。（2）工业机械手是由气压传动来实现的的。（3）该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度的及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监控，当动作有错误或发生故障时即发出警报信号。4.1.2手臂伸缩的设计（1）手臂应承载能力大，运动速度高，动作灵活，惯性小。（2）手臂的动作是由PLC系统控制。（3）手臂的伸缩是由驱动气缸来实现的。4.1.3控制手臂上下移动的立柱设计（1）立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以试手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切联系。（2）立柱的上下运动是由气缸的伸缩来完成的。（3）立柱的动作是由PLC系统控制。4.1.4立柱的旋转设计（1）通过安装在立柱下端旋转气缸的转动，从而实现机械手的旋转运动。（2）立柱的旋转是由气动马达带动的。（3）立柱的旋转运动是由PLC层序控制（4）腰部支撑着机械手的各部分，应具有足够的刚度，良好稳定性，支撑梁应采用铝合金以减轻重量和节省材料。4.2机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大概可以分为以下4种：a直角坐标型机械手；b圆柱坐标型机械手；c球坐标（极坐标）型机械手；d多关节型机机械手。期中圆柱坐标型机械手机构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，容易实现。根据课题要求确定圆柱坐标机械手，利用双作用气缸驱动实现手臂上下运动；双作用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动实现。4.3控制部分设计在气压传动系统中，气源是由气压缩机通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器，调压器，油雾器这气动三联件，进入各并联气路上的电磁阀以控制气缸和手部动作。（1）可编程序控制器PLC的选择考虑到本课题机械手的输入输出点少，流程简单，同时又要考虑到成本，因此选择三菱电机公司的FX2N系列PLC。（2）可编程序控制器的工作过程第一阶段是初始化处理第二阶段是处理输入星号阶段第三阶段是程序处理阶段第四阶段是输出处理阶段CPU对用户程序以扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表暂存器中。（3）可编程序控制使用步骤（4）程序控制方案控制对象为圆柱坐标式气动机械手控制要求应满足手动工作方式和自动工作方式。5进度计划1．2011年11月01日～2011年11月14日市场调研，工业机器人相关资料收集和整理，准备开题报告。2．2011年11月15日～2011年12月07日确定机械手的总体设计方案。3．2011年12月08日～2012年01月07日进行手部，手腕，手臂机械结构及气缸的设计。4．2012年01月08日～2012年02月08日进行手部，手腕，手臂机械结构及气缸的计算校核。5．2012年02月09日～2012年02月23日气动传动系统设计。6．2012年02月24日～202年03月20日PLC控制设计。7．2012年03月21日～2012年04月30日编写毕业论文。8.2012年05月01日～2012年05月25日毕业答辩准备和答辩。6参考文献[1].UNECE,IFR.WorldRobotics2005–Statistics,MarketAnalysis,Forecasts,CaseStudiesandProfitabilityofRobotInvestment[M].2005.[2].Machine-TendingRobots:Production's“SpecialForces”[J].MAN:ModernApplicationsNews,2004,38(10).[3].吴振彪.工业机器人[M].武汉华中科技大学出版社1997.[4].殷际英,何广平.关节型机器人[M].北京化学工业出版社,2003.[5].余达太等.工业机器人应用工程[M].北京冶金工业出版社1999.[6].张铁,谢存禧.机器人学[M].广州华南理工大学出版社2001.[7].王俊玲,曲忠萍.国内生产企业应加快发展占领机器人市场[J].机器人技术与应用2004[8].张建民.机电一体化系统设计[M].北京北京理工大学出版社1996.[9].方建军等.光机电一体化系统设计[M].北京化学工业出版社2003.[10].成大先.机械设计手册单行本.常用工程材料[M].北京化学工业出版社2004.1.[11].单以才.机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究[D].扬州大学2003.[12].成大先.机械设计手册单行本.机械传动[M].北京化学工业出版社2004.1.[13].郭洪红,工业机器人技术[M].西安电子科技大学出版社[14].王知行,邓宗全.机械原理[M].第二版高等教育出版社[15].邓星钟,机电传动控制[M].第四版华中科技大学出版社[16].刘艳梅陈震,李一波,渠莉娜.三菱PLC基础与系统设计[M].机械工业出版社[17].曹承志,电机、拖动与控制[M].机械工业出版社[18].丁树模,机械工程学[M].第三版机械工业出版社[19].哈尔滨工业大学理论力学教研室,理论力学[M].第六版高等教育出版社指导教师评语:指导