1、理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （ 論文） 開題報告題 目： 銑床自動上下料點位控制機械手的設(shè)計 學(xué)生姓名： 韓摶彬 學(xué) 號： 10L0551370 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化2014指導(dǎo)教師： 陳繼榮年 3 月 31 日畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告畢業(yè)設(shè)計開題報告摘要；在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過 程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并 采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的 水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強 度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方

2、式。PLC是以現(xiàn)代微處理器技術(shù)為核心的控制器，作為一種通用的工業(yè)控制器，其可 靠性高、抗干擾能力強； PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工 藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息； PLC 采用光電隔離和濾波技 術(shù)有效抑制外部干擾源對 PLC的影響，此外 PLC還可在強、通用性好；開發(fā)周期短， 功耗小。本課題對現(xiàn)代工業(yè)的的發(fā)展具有很重要的意義。1課題研究的目的和意義1.1 本課題的意義機械手又名工業(yè)機器人，是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn) 代科技的一個重要組成部分。在機械行

3、業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用 于零部件的組裝，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 用更為普遍。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，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。機械手的積極作用正日益為人們所認(rèn)識，其一，它能部分地代替人的勞動并能達(dá) 到生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送。因此，它能大 大地改善工人的勞動條件，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到各 先進(jìn)單位的重視并投入了大量的人力物力加以研究和

4、應(yīng)用。 尤其在高溫、 高壓、粉塵、噪聲的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近代幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告成果，受到各工業(yè)部門的重視?？删幊炭刂破?（PLC）是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的進(jìn)行數(shù)字運算操作的電子控 制裝置。由于其具有可靠性高，功能強，編程簡單，人機交互界面友好等特性而廣泛 用于工業(yè)控制系統(tǒng)。再者機械手是機電一體化的一個較為典型的設(shè)計，能較大程度的調(diào)用之前學(xué)過的 基礎(chǔ)及專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識，對于我個人來說也是檢驗自己四年來對所學(xué)的理論知識 的掌握程度，對我個人來說也是意義重大的一次實踐。1.2 機械手的發(fā)展情形與動態(tài)從國內(nèi)外所有機械手的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在現(xiàn)階段

5、，對機械手的研究和開發(fā)已趨于 高潮，機械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)，可以總結(jié)為：第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機 械架構(gòu)發(fā)展的主要動向；其二， PC 機的開放型控制器是機械手體系發(fā)展的一個主要 方向，其目的就是為了完善機械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化；器件集成度得以 強化，架構(gòu)設(shè)計玲瓏，同時運用過了模塊化架構(gòu)；在很大程度上強化了機械手體系的 安全性和可靠性，同時也滿足機械手在維修和防護(hù)方面的一些便捷性；第三，傳感器 在機械手中發(fā)揮了十分重要的作用，不僅運用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等， 同時也引進(jìn)了先進(jìn)的視覺傳感器、觸覺傳感器和聽覺傳感器，促使機械手逐漸向智能 化方向發(fā)展和推進(jìn)；第四，裝配、焊接

6、等機械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化方 向推進(jìn)和發(fā)展，及系統(tǒng)動態(tài)的仿真等。1.3 PLC 的特點（1）可靠性高、抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備非常關(guān)鍵的性能。 PLC由于采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、 嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝，內(nèi)部電路采取了輸入輸出信號的光電隔離、濾波、電源的屏蔽、穩(wěn) 壓和保護(hù)、故障診斷等先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性，它能在高粉塵、高噪 音、強電磁干擾和溫暖變化劇烈的環(huán)境下正常工作。 PLC 的平均無故障時間可高達(dá) 5 10 萬小時以上。從 PLC的機外電路來說， PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接 觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障率也就大大

7、降低。2）功能完善、應(yīng)用領(lǐng)域廣畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告到現(xiàn)在為止 PLC已經(jīng)形成各種規(guī)模、系列化的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控 制場合，并能完成決大多數(shù)的工業(yè)控制任務(wù)。 PLC所具有的完善的數(shù)據(jù)運算能力，可 用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)， PLC通訊能力的增強及人 機界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變的非常容易。（3）編程簡單、易學(xué)易用PLC采用和繼電器電路圖接近的梯形圖語言，只用少量的開關(guān)量邏輯控制指令就 可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 在工業(yè)現(xiàn)場，可以使用手持編程器或筆記本對 PLC 進(jìn)行編程。當(dāng) PLC聯(lián)網(wǎng)后，可以在網(wǎng)絡(luò)的任一位置對 PLC編程。

8、為不熟悉電子電路、 不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制提供了方便。（4）系統(tǒng)安裝簡單、體積小、價格低PLC在存儲邏輯代替接線邏輯、采用模塊化的結(jié)構(gòu)，大大地減少了控制設(shè)備外部 的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)的周期大大縮短了?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 功耗僅數(shù)瓦。由于 PLC體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè) 備。使得 PLC的重量越來越輕、功耗也越來越少。在集成電路技術(shù)和生產(chǎn)廠家越來越 多的情況下， PLC的價格也越來越低。1.4 課題要求 本課題是為我校機電實驗中心的柔性制造系統(tǒng)設(shè)計一個銑床自動上下料點位控 制機械手。設(shè)備由機械手及其控制系統(tǒng)組成。用于實現(xiàn)

9、生產(chǎn)線上銑床工位的自動上下 料點位控制。 學(xué)生也科根據(jù)自己的個人想法， 在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下融入一些新的想法， 大膽創(chuàng)新，充分調(diào)動自己的學(xué)習(xí)興趣。2課題研究方案和主要內(nèi)容2.1 總體方案的選定方案 1：XY導(dǎo)軌式機械手畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告機械手的兩節(jié)手臂均采用伸縮工作方式，其大臂可以繞底座旋轉(zhuǎn)，兩節(jié)手臂可以 采用氣缸或者液壓缸驅(qū)動。方案 2：關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)式機械手機械手的兩節(jié)手臂軍可以繞節(jié)點旋轉(zhuǎn)，大臂還可以繞節(jié)點旋轉(zhuǎn)，其底座也可以周 向旋轉(zhuǎn)， 其手指的工作角度不在拘泥于水平方向，靈活性相對較高。綜合比較： XY導(dǎo)軌式機械手的設(shè)計過程簡單，操作簡單，維護(hù)方便，加工成本要 低很多，但其通用性差，設(shè)備笨

10、重，導(dǎo)軌占用空間大，移動困難，功能簡單，很多時 候并不能滿足加工現(xiàn)場的要求。第二種方案關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)式機械手雖然設(shè)計過程復(fù)雜，操 作需要一定的控制學(xué)基礎(chǔ)，加工成本要高出很多，但其通用性強，只要更換不同的機械手指就可以滿足不同的要求，另外其工作范圍大，能更大程度的滿足生產(chǎn)車間復(fù)雜畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告的空間狀況，可以獨立于機床，方便移動，甚至可以加裝導(dǎo)軌在機床與倉庫間移動。 綜合考慮，決定選用第二種方案。采用回轉(zhuǎn)式底座，兩節(jié)機械臂，分別可以在同 一平面內(nèi)繞關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，兩個關(guān)節(jié)均采用步進(jìn)電機驅(qū)動。2.2 軀干的選型軀干由底盤和手臂兩大部分組成。底盤是支撐機械手全部重量并能帶動手臂旋轉(zhuǎn) 的機構(gòu)。底盤采用一

11、個直流電動機驅(qū)動，底盤旋轉(zhuǎn)時帶動一個旋轉(zhuǎn)碼盤旋轉(zhuǎn)，機械手 每旋轉(zhuǎn) 3 度發(fā)出一個脈沖，由傳感器檢測并送入可編程控制器，從而計算底盤旋轉(zhuǎn)的 角度。同時，在底盤上裝有限位磁頭，最大旋轉(zhuǎn)角度可達(dá) 270 度。手臂是機械手的主 要部分，它是支撐手爪、 工件并使它們運動的機構(gòu)。 本設(shè)計中手臂兩節(jié)機械手臂組成。 兩節(jié)手臂采用步進(jìn)電動機作驅(qū)動源，直接驅(qū)動手臂旋轉(zhuǎn)。由可編程控制器發(fā)出脈沖信 號，經(jīng)步進(jìn)電動機驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電動機旋轉(zhuǎn)，完成手臂的運動。改變發(fā)出脈沖的個 數(shù)，可控制手臂的兩個手臂旋轉(zhuǎn)的角度。同時在兩軸的兩端分別加限位開關(guān)限位。其 大臂可繞底座旋轉(zhuǎn) 120 度，小臂可繞大臂旋轉(zhuǎn) 160 度。2.3 夾

12、緊機構(gòu)的選擇機械手手爪是用來抓取工件的部件，手爪抓取工件是要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和 可靠的要求。設(shè)計制造夾緊機構(gòu)手爪時，首先要從機械手的坐標(biāo)形式、運行速度 和加速度的情況來考慮。其加緊力的大小則根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大 小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化，為擴大機械手 的應(yīng)用范圍，還需備有多種抓取機構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損壞被夾的物 體，夾緊力應(yīng)限制一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。為防 止突然停電被抓物體落下， 還可以有自鎖結(jié)構(gòu)。 夾緊機構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、 重量輕、動作靈活和動作可靠。夾緊機構(gòu)形式多樣，有機械式、

13、吸盤式和電磁式等。 有的夾緊機構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶工具進(jìn)行操作的裝置。機械式夾緊機構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多，本設(shè)計采用機械式的夾 緊機構(gòu)，采用三指式氣動手爪。由可編程控制器控制電磁閥動作，從而控制手爪的張 閉，達(dá)到夾取工件的目的。2.4 機械手腕部結(jié)構(gòu)的選擇畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告如圖所示 采用吊頂電扇回轉(zhuǎn)式的機械結(jié)構(gòu)，底部跟機械小臂相連，由步進(jìn)電機驅(qū)動手腕擺 動，采用這種特殊的結(jié)構(gòu)不僅可以擴大機械手的工作范圍，還增加了其靈活性，以滿 足生產(chǎn)車間復(fù)雜的工作要求，對其擺動的控制也較為簡單，在應(yīng)用中對其機構(gòu)適當(dāng)?shù)?調(diào)整，豐富其功能，提高機構(gòu)的可靠性。2.5 PLC的選用西門子 PLC

14、， 具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接 AS-I 總 線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，可通過編程軟件 Step 7 的用戶界面提供通信組態(tài)功 能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。綜合考慮，本課題選用西門子的 S7-200 作為控制 PLC。使用 STEP 7 MicroWIN 作為其編程軟件。3. 實施計劃 充分查閱相關(guān)資料，對方案中的大體結(jié)構(gòu)細(xì)化拆分，構(gòu)思選擇合理的局部機械結(jié) 構(gòu)，練習(xí) CAXA實體設(shè)計制圖軟件，達(dá)到能夠熟練運用 CAXA制作三維圖的目的。做出 機械手的三維草圖，邊設(shè)計邊修改，有不合理的地方及時糾正。完成之后就要進(jìn)行零畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告件的設(shè)計、電機的選型，以及其

15、他附帶部件的選用，機械結(jié)構(gòu)校核的計算也在這一步 進(jìn)行。繪制部件的裝配圖及裝配總圖，之后就要進(jìn)行 PLC的編程了，并不斷修改完善 程序，做出其電氣控制圖。整理出設(shè)計說明書。整個設(shè)計過程要定期與指導(dǎo)老師溝通 交流，接受老師的批評和建議。力求通過這次畢業(yè)設(shè)計使自己大學(xué)四年的理論學(xué)習(xí)能 夠熟練的運用到實際中，掌握一種學(xué)習(xí)方法，熟悉工業(yè)設(shè)計過程，實現(xiàn)由校園到企業(yè) 的平緩過渡。參考文獻(xiàn)1 賀東坤，田明 氣動通用上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 A 長春大學(xué)學(xué)報 1009-3907 （2012）10-1171-032 徐 麗春 自動 上下料通用機械手系統(tǒng)設(shè) 計與研 究 B 液 壓與氣動 1000-4858（ 2013）

16、 08-0083-043 孔祥志，劉春時 一種數(shù)控車床的擺臂式機械手設(shè)計 A機械設(shè)計與制造1001-3997（2011）06-0169-024 白平，薛佟 數(shù)控機床上下料機械手設(shè)計的流程 A 科技傳播 1674-6708（2012）68-0071-02 2012.65 宋娟 上下料機械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 A 裝備制造技術(shù)1672-545X（2008）10-0054-026 范世亮 三自由度上下料機械手的 PLC 控制分析 A 機械工程師 10022333 （2012）020060027 周虹 氣動與 PLC 技術(shù)相結(jié)合在機械手設(shè)計中的應(yīng)用 B 液壓與氣動10004858（ 2004）8

17、張海英，劉勝明 基于 PLC 的自動上下料機械手設(shè)計 B 裝備制造技術(shù)1672-545X（2010）09-0070-029 羅湛 基于PLC 的卸料機械手設(shè)計 B 液壓與氣動 1000-4858（ 2011）05-0001-0310 張海英，陳子珍，翟志永基于PLC 的物料搬運機械手設(shè)計 A 機械工程師10022333（2010）0900830211 齊景榮 通用機械手設(shè)計及其控制 B 裝備制造技術(shù) 1672-545X （2013）07-0024-0212 黃賢新 工業(yè)機器人機械手設(shè)計 A裝備制造技術(shù)：1672- 545X（2012）03- 0220- 0213 王學(xué)良，張秋菊 基于PLC 的

18、機械手自動上下料控制系統(tǒng)設(shè)計 B 中國畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告制造業(yè)信息化 1672 1616（2012）15 0059 0414 楊永清,張嘉易, 尚文利 汽車零件精段自動生產(chǎn)線機械手設(shè)計 B 制 造業(yè)自動化 1009-0134（2009）06-0096-0315 胡旭蘭 生產(chǎn)線組合機床自動上下料機械手 B 機械制造 10004998 （2005）0700320316 尹自榮 熊曉紅 駱際煥 王建坤 數(shù)控上下料機械手的研究及應(yīng)用 華中 理工大學(xué)鍛壓機械17 邢金鵬 自動上下料機械手直臂部分的總體設(shè)計 學(xué)術(shù)展臺金田總第 295期18 郭洪紅，賀繼林等 工業(yè)機器人技術(shù) M. 西安電子科技大學(xué) 出版社， 2006.19 王孫 關(guān)節(jié)式機械手本體及控制系統(tǒng)設(shè)計 M. 西安交大機械 電子工程研 究所， 2009.20 蔡自興 機器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略 J機器人技術(shù)與應(yīng)用， 2001 （4）：11-16.21 郭艷萍 基于PLC 的工業(yè)機械手控制系統(tǒng) J儀表技術(shù)與傳感器， 2007 （9）：