基于PLC控制四自由度机械手结构设计【含CAD图纸+文档资料】
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本科毕业设计(论文)开题报告（含论文综述） 学 院： 机械与控制工程学院 所属教研室： 机械工程教研室 课题名称： 四自度机械手结构设计及其PLC控制 专业(方向)班 级 学 生 指导教师 开题日期一、毕业设计（论文）选题的目的和意义。 课题名称； 有关的研究方向的历史、现状和发展情况分析； 前人在本选题研究领域中的工作成果简述1、 本课题名称：四自度机械手结构设计及其PLC控制2、机械手研究的目的及意义机械手使用提高了生产过程中的自动化和机械化程度，提高生产率，改善劳动环境，减轻劳动强度，降低生产成本，保证产品质量和实现安全生产，使生产更趋于管理和规范。在世界各国科学家共同努力和研究下，机械手机器人领域发展取得巨大的成就，越来越普及应用于各行各业中，极大地促进了各行各业的发展。3、机械手历史及现状机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举和装配等操作。机械手是最早的工业机器人，它可将操作人员从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来，它极大地提高了劳动生产率，实现生产的机械化和自动化，因而发达国家很重视使其得到了迅猛发展。随着世界科技的发展，机械手已被广泛应用种类繁多，目前，机械手按适用范围分为专用机械手和通用机械手；按照驱动方式分为液压式、气动式、电动式机械手等；按照运动方式分为点位控制和连续轨道控制机械手等。在第二次世界大战期间，机械手得到了快速发展，美国橡树岭国家实验室在搬运核原料时，发明了一种主从型控制系统的机械手。1958年，美国联合控制公司研制出第一台机控制系统由主从型变为了示教型的机械手。之后美国大力开展了机械手机器人领域的研究，目前已广泛应用于生产生活的各个方面。日本自从1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力进行机械手的研究，现在已经成为世界上工业机械手应用最多的国家之一 。目前国内外的机械手广泛应用于汽车、机床、模锻压机上下料、铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各工艺过程中。4、机械手的应用和发展趋势随着自动化和机械化的发展，人们对机械手的要求也越来越高，主要体现在：（1）重复高精度。重复精度是指动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。对于某些机械手来说，重复精度甚于精度。（2）模块化。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置的更具有灵活的安装体系。它集成电接口、带电缆及器官的导向系统装置，可以使机械手更具灵活性。（3）无给油化。无给油化主要是为了适应食品、医药、纺织等无污染要求的行（4）机电一体化。智能机械手的发展是机械手发展的重要方向之一。机电一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。二、设计或研究主要内容和重点，预期达到的目标及拟解决的主要问题和技术关键，有何创新之处。（此部分为重点阐述内容）1、机械手设计的内容和目标(1)机械手设计参数及内容a、机械手设计参数:生产纲领：100000件（两班制生产）；总共具有四个自由度；臂转动180；臂上下运动450mm,速度小于70mm/s；臂伸长（收缩）450mm，速度小于300mm/s；手部转动 180b、运动速度预设：使生产率满足生产纲领的要求c、定位方式：起止设定位置d、定位精度：0.3mme、驱动方式：液压驱动f、控制方式：PLCg、手指握力：400Nh、手指夹持范围：棒料，重量30kg、直径65-100mm。(2)设计工作任务目标要求:a、完成上料机械手结构设计图（装配图）、各主要零件图（共一套）b、绘制液压原理图一张c、PLC控制原理图及程序d、机械三维图e、用三维软件进行动作模拟仿真f、编写设计计算说明书一份 (3)机械手预期的工作目标机械手能在PLC控制下，以液压驱动能完成机械手上下升降，机械手臂伸缩，机械手爪旋转夹持棒料完成机床上下料的工作。2、关键技术及拟解决的主要问题(1)机械手结构设计a、机械手腰部：它是第一个回转关节，承受了机器人的全部重量，所以腰座应该有足够大的安装基面, 且机械手基座和腰部轴及轴承的机构要有足够大的强度和刚度。b、 机械手臂：手臂要求在一定的载荷和一定的速度下，实现工作空间内的运动。所以手臂应当满足机械手工作空间的要求。为了提高运动精度和控制精度，应在保证手臂的强度以及刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。手臂各关节轴相互平行,互相垂直的轴尽量交于一点,使机械手保持整体控制。相对其关节回转轴尽量保持重量上的平衡,减轻电机对机械手的负荷，提高手臂响应速度。本机械手手臂应当实现伸缩、升降与回转三个自由度，所以应该合理设计液压缸的结构尺寸。c、机械手爪：机械手爪安装在机械手臂前段，且应当根据用途选择合适的末端执行器使机械手爪设计时满足夹持精度与稳定性、位置精度；合理设计尽可能保证工作要求减少材料使其结构紧凑，重量和体积小。在腕部设置可靠的传动间隙调整机构,提高机械手的传动精度。（2）机械手控制要求PLC梯形图总体设计、各梯形图设计、绘制搬运机械手的PLC控制梯形图。机械手升降，收缩采取液压，选用合适的器件，保证机械手的工作要求;并绘制液压原理图。3、本设计的创新之处 在保证机械手刚度和强度，位置精度及持精度的要求下，合理设计使结构更简单紧凑、驱动更趋于统一控制、更具自动化，更好的实现设计要求，更加准确的实现所需的动作, 更加具有适应性,满足工作的需要。三、研究方案： 技术方案（有关方法、技术路线、技术措施）； 实施方案所需的条件（技术条件、试验条件等）1、技术方案(1)、总体设计因为四个自由度分别在手腕的回转及手臂的伸缩、升降与回转，采用圆柱坐标型式。(2)、驱动方案的设计考虑到机械手所要达到的工作要求，尽量使其简单方便，经济适用易于操作，因此选用液压驱动方式。在工作应用中，液压动力机构多采用直线液压缸或摆动马达，根据设计参数，本设计中使用节流调速方式。弄清楚机械手液压原理，绘制液压原理图。(3)、机械手爪末端执行器的设计本设计的机械手用途设定为机床的上下料、供搬运、检测，所以末端执行器选用二指回转型手部结构，传力机构采用滑槽杠杆式。(4)、腕部的设计因为本设计中的机械手腕部具有一个自由度，其为360回转，故应当采取齿条活塞的传力机构。(5)、手臂设计从机械手手臂的作用考虑。本设计的机械手有手臂伸缩、升降与回转三个自由度。本设计选用伸缩油缸实现手臂的直线运动，伸缩运动采用双导杆的机构来实现，回转运动的回转缸设计在升降缸之上。手臂部件与回转缸的上端盖相连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂的回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆连为一体。(6)、控制设计根据机械手的工作要求，分析机械手运动情况及工作要达到的工位，合理选择器件，编写PLC梯形图。2、实施方案所需的条件查阅相关资料和请教老师，分析拟定设计方向,制定设计方案及相关的结构计算校核论证；运用计算机软件CAD、Proe/UG完成对机械手结构二维及三维的设计、运动模拟仿真、液压原理图的绘制。运用计算机软件S7-200，完成PLC梯形图的绘制。四、主要参考文献目录1 郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势J.中国西部科技，2012，279：3-12.2宋文琪.机械手的基本知识（八）J.锻压装备与制造技术，1980，03:37-43.3宋文琪.机械手的基本知识（三）J.锻压装备与制造技术，1980，03:37-43.4冯辛安.机械制造装备设计M.2版.北京：机械工业出版社，2005.5孙恒机械原理M北京：高等教育出版社，20065.6李允文工业机械手设计基础M北京：机械工业出版社，1996.7张福学机器人技术及其应用M北京：电子工业出版社，2000.8濮良贵机械设计M北京：高等教育出版社，20065.9吕厚余工业电器控制技术M北京：科学出版社，2007.10李笑液压与气压传动M北京：国防工业出版社，2011.11李昌辉自动上料机器人开发D哈尔滨：哈尔滨工业大学，20096.12马香峰. 机器人结构学M.北京：机械工业出版社，1991.13张铁机器人技术及其应用M北京：机械工业出版社，2005.14耿跃峰.四自由度搬运机械手液压系统设计J.河南：许昌学院，2012，42:5-30.15郭剑晖.机械手PLC控制系统设计J.河南：许昌学院，2012，42:5-30.16 徐灏.机械设计手册3M.北京：机械工业出版社,1998.五、毕业设计（论文）工作进度计划。（必须包含一定工作量的计算机知识综合应用环节）第一周至第二周 查找资料文献，拟定设计方向，确定毕业设计实施方案，编写开题报告第三周至第四周 根据设计参数，对设计的主要结构进行计算校核第五周至第六周 绘制机械手结构设计图、各主要零件图、装配图，液压原理图,PLC梯形图第七周至
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