plc控制三自由度工业机械手开题报告
毕业设计开题报告
设计题目: PLC控制的三自由度工业机械手（结构部分）院系名称: 机电工程学院
专业班级: 机械07-5班
学生姓名: 李洪宇
导师姓名: 刘财勇
开题时间: 2011年3月19日
指导委员会审查意见：
签字：年月日
1.课题研究目的和意义
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生
产系统中的一个重要组成部分。
机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部
分地取代人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和
位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机
械化和自动化的步伐。因而受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物
力加以研究和应用。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到了机械手。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。
本次设计制作的机械手为通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的
装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了
具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
2.文献综述（研究现状及分析）
在机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理、模锻压力机的上下料以及喷漆等作业，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。例如：机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了自动传感反馈，机械手就可以根据反馈自行调整。
随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展趋势。
在K2010展会（德国杜赛尔多夫国际塑料及橡胶博览会）上，库卡机器人
有限公司(KUKA)展出了新一代架装机械手QUANTEC系列和新型KRC4控制器。库卡展出新型QUANTEC架装机械手系列中的两种型号：KR240R3100Kultra和KR90R3700Kprime。由于对有效载荷和行程进行了优化，所以用户能选出非常适合于具体应用场合的机械手。QUANTECK系列拥有11个基本机械手类型，型号非常多，对于每个用户的具体应用场合都会有一款特别适用的机械手。一个机械手系列涵盖了90-270kg的高有效载荷，行程2900-3900mm。利用QUANTECK系列架装机械手在塑料工业中更容易实现自动化：在系统规划和设计阶段具有极大的灵活性；减少了概念和设计工作，大幅降低了规划风险。所以架装机械手特别适用于从注塑机上取下零件。
法国塑料加工自动化品牌Sepro Robotique在K展期间推出了由Visual2CNC 驱动的新型S5Line系列Cartesian机械手，该产品对用户而言简化了编程，并采用了用户友好的控制系统，通过Visual2CNC更容易实现自动化。它的优点是具有较高的速度、较长的行程、较高的灵活性、可靠性和使用寿命，也是Sepro机械手的突出之处。S5-35机械手设计用于具有平均合模力(3500-8000kN)的注塑机，用于取下重量最大15kg的部件。功率强大的伺服电机可达到极高的加速度，对模具的干扰时间极短。其采用整体框架式结构和棱柱形导轨，具有极高的刚度，可适应S5Line系列机械手运动件的高加速度。S5Line系列机械手可靠性高，可用于极为复杂的应用场合，如置入插件、堆垛托盘及其它任务。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。
目前国内己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件
设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手；其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企
业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机械手己应用在汽车制
造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手工程应用的水平和国外比还有
一定的距离，例如:可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国己安装的国产工业机
械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械
手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
下图1由上海优乐博特自动化工程有限公司生产的气动机械手PN ZIP系列,轻便而紧凑, 适合应用在垂直偏移量较小及工作循环较快的场合。功能: 根据ATEX生产制造，适合用于与有爆炸风险的环境中。最大搬运能力80kg。安全装置: 有保持物体夹紧的安全装置，即使是气压突然终止情况下，可有效保护物体。在停止操作时，特制的制动器能保持机械臂和夹具的禁止。
图1
在机械制造领域，研究人员为了提高机械手系统的性能和智能水平，要求机械手系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机械手系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机械手语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在
EPROM中，这种专用系统很难(或不可能)集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机械手系统。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
3.基本内容、拟解决的主要问题
本设计对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。由此特性总结内容如下：
（1）．总体方案的选择和确定，选择机械手技术参数
基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。
（2）．设计机械手的夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式由气缸实现。机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为0.3kg。
（3）. 设计机械手的手臂结构
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降运动。手臂的回转是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。
（4）. 制作工业机械手模型
由于考虑经济问题，实做计划采取制作模型来节省费用。运动方式和控制方式不变。
（5）. 需解决的主要问题
1）.底盘旋转任意角度的实现要通过实际动手制作反复推理来实现其旋转。2）.水平支架和竖直支架的连接需要实际制作过程中确定具体尺寸。
4.技术路线（研究方法）
本设计是PLC控制的三自由度工业机械手，工作对象是物料的搬运。三自由度机工业械手的机械系统主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构是机械手完成工作任务的实体，是由驱动系统提供动力。关系图如下图：
PLC控制的三自由度工业机械手（机构部分），驱动方式采取气动形式，气动传动装置承受力不能过大。所以搬运的物体质量为1kg。
执行机构设计步骤如下：
（1）.气动手指：手指是直接与被搬运物体接触的部件，手指的松开和夹紧是通过手指的张开和闭合来实现的。手指形状，张开、闭合尺寸大小要符合被搬运物体的尺寸要求。
（2）.水平运动机构：采取气缸传动机构，要求具有足够的强度和刚度，这些主要依靠气缸的尺寸决定。
（3）.竖直运动机构：它的要求和水平运动机构原理相同。要注意竖直运动机构不能过重，它连接在水平机构上会影响水平机构的运动，同样会影响到（底盘）的旋转机构。
（4）.竖直支撑架：要求具有足够的刚度和强度，不能过重，影响（底盘）旋转机构受力情况。
（5）.（底盘）旋转机构：要求具有足够的扭矩。反应速度要快，能够进行频繁地起动、制动，正、反转切换。
（6）底盘：要求稳固。
驱动系统设计：
（1）.驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率要高；
（2）.反应速度要快；
（3）.驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
（4）.安全可靠；
（5）.操作和维护方便；
（6）.对环境无污染，噪声要小；
（7）.经济上合理。
基于以上要求选择气动驱动系统最为理想。
控制系统和位置检测系统设计：
由于本设计为工业机械手所以控制系统采用PLC（可编程控制器）来控制；位置检测由传感器来实现。
5.进度安排
2011年2月28日-2011年3月20日
接受设计任务，查阅文献，收集资料，撰写并提交开题报告，翻译英文文献；
2011年3月21日-2011年4月3日
确定设计方案，选择参数；
2011年4月4日-2011年4月24日
器件选型以及系统硬件设计；
2011年4月25日-2011年5月29日
实物模型制作与调试运行；
2011年5月30日-2011年6月17日
撰写设计说明书并用计算机绘图，整理资料，准备答辩。
6.主要参考文献
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