基于步進電機的三自由度直角型機械手設計開題報告

1、上海電機學院畢業(yè)設計（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 手設計學 院 機械學院 專 業(yè) 機械電子工程（機電一體化方向） 班 級 BJ0807 學 號 2 姓 名 丁偉 指導教師 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計1 選題背景及其意義機械手是在自動化生產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、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，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、自動化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，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。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和

3、國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(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水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。本課題主要應用于生產加工車間，與數(shù)控機床組合最終形成生產線，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)大學本科的所學知識進行整合，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，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。2 文獻綜述（國內外研究

4、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢）目前，在國內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） 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。（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，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；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來進

5、行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。（4） 關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(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)機器人產品的標準化、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，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體任務的工業(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上，追求系統(tǒng)的經濟、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 研究內容3.1 機械部分本設計機械手的形式為圓柱坐標形式，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）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)機械手的手部結構是多樣的，大部分的手部結構是根據(jù)特定的工作要求而設計的。歸結起來，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動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉或俯仰等驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況愈復雜。由于本次設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。所以機械手設計成固定的。3.2 驅動系統(tǒng)機械手電機驅動的優(yōu)勢是在于節(jié)能，因為氣動和液壓驅動的能量是二次轉化，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內容。因此本課題選用步進電機驅動

8、。3.3 控制系統(tǒng)工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調機械手與生產系統(tǒng)之間的關系。機械手的工作順序、應達到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉及擺動、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軸的運動按照預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、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產品一旦用上了單

9、片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產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、結構簡單、使用可靠和造價低等特點。（1） 選取機械手的坐標型式和自由度。 （2） 設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括手部、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，可以應用夾持式手指來抓取棒料工件。 （3） 滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)的設計。本課題將設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預期能達到的目標通過本次課題的畢業(yè)設計將自己四年中所學到機械設計、絲杠傳動、單片機控制技術等等知識聯(lián)系起來，通過自己的努力，以實現(xiàn)設計實際工業(yè)項目的目的。4.4可能遇到的困難以及應對措施機械手設計尺寸不合理，傳動計算不準確，單片機不能完全實現(xiàn)對機械手的控制等等。應對方法是參考大量書籍，查閱文獻，網上收集資料，及時與同學，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：擬訂總體設計方案2012.0

11、1.15-2012.03.05：機械結構設計、繪制總裝圖2012.03.05-2012.03.10：主要零部件設計計算，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)設計2012.03.20-2012.03.25：撰寫設計計算說明書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)設計J.裝備制造技術,2008,(8).2 張海英,劉勝明.基于PLC 的自動上下料機械手設計J.裝備制造技術2010,(9).3 李燦燦,譚宗柒,黃星德,吳凌.氣動機械手PLC控制部分設計

12、J.三峽大學學報(自然科學版)2010,(8).4 李軍英,劉艷香,焦冬梅.三菱PLC 在氣動機械手中的應用J.機電工程技術, 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構的設計與分析J.沈陽理工大學學報2006,(12).7 趙東輝,金長虹.基于液壓與控制技術的機械手的設計與分析M.煤礦機械,2010,(8).8 劉 斌,王立梅.基于S7-200 的多關節(jié)機械手的PLC 控制J.西南民族大學學報自然科學,2008,(8).9 沈孝芹,張蔚波,于復生,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.湖南工程學院學報,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,王巖,裴忠才.基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設計與實現(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)中的應用.機床與液壓.2003,(5):143-144.17 胡學林.可編程控制器(基礎篇).北京:電子工業(yè)出版社,2003.指導教師意見 指導教師簽名： 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；