关节式自动上下料机械手设计【三自由度 圆柱坐标式液压驱动】【三菱PLC】

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05机制2班 本课题的研究现状、研究目的及意义 工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经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,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人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，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。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。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%～53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台 世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。 2-2 本课题的研究内容 工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。 三大部分是：机械部分，传感部分，控制部分。六个子系统是：驱动系统，机械结构系统，感受系统，机器人—环境交互系统，人机交互系统，控制系等等。 该机械手为机床上下料机械手，圆柱体工件约30千克，要求下料之后马上上料,一次完成上下料两步骤。 动作顺序：加工工位等候--机械手臂下降--手爪收拢夹紧已加工好的工件--手臂上升--手臂回转至卸料工位--手臂下降--（手腕回转）手爪松开工件--手臂上升--回转至加工工位--手臂下降--手爪松开工件--手臂上升至等待工位等候。机械手的动作全部采用液压驱动，PLC控制。 一、机械手驱动系统的选择： 设计机械手时,选择哪一类驱动系统,要根据机械手的用途,作业要求,机械手的性能规范,控制功能,维护的复杂程度,运行的功耗,性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑.在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性,可行性,经济性以及可靠性后进行最终的选择。按动力源的不同机器人又分为:电气驱动、液压驱动、气动驱动三种。液压驱动的特点是功率大，气动驱动存在冲击力大，精度难以控制等缺点，而电气驱动具有控制方便、J性能好等优点。（综合考虑本机械手采用液压驱动） 二、机械手结构设计： 机械结构是物料抓取机械手最终的执行机构，是机器人赖以实现各种运动的实体，机械结构的布局、类型、传动方式以及驱动系统的设计直接关系着机器人的工作性能。 机械结构按坐标形式主要有直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、SCARA型和关节型等。 直角坐标型机器人操作臂的优点是结构简单、刚度高，三个关节的运动相互独立，其间没有祸合，不影响末端手爪的姿态，不产生奇异状态，运动和控制都比较简单;缺点是占地面积大，动作范围小，操作灵活性差。 球坐标机器人和圆柱坐标机器人占地面积小，工作空间较大，在空间中的定位也比较直观，但是它们的移动关节不容易防护，极坐标型机器人也存在移动关节不易防护的问题，它们多用于一些特殊的作业环境。 SCARA型机器人的主要特点是结构轻便，响应快，最适用于在垂直方向完成零件的装配作业。 关节型机器人操作臂的优点是结构紧凑，占地面积小，动作灵活，在作业空间内手臂的干涉最小，工作空间大;缺点是进行控制时计算量比较大，确定末端执行部件的位姿不直观。 针对该上下料机械手，为了使它具有一定的操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标型。整个机器人系统设计为四个自由度。 自由度的分布情况为：机身的升降和回转，手臂的伸缩，手腕的回转。 三、手部的结构设计： 手部就是与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当被夹持工件是圆柱刀柄时，使用夹持式手部;当该机械手做其他用途，被夹持工件是板料时，可使用气流负压式吸盘。（本课题工件为圆柱体工件，所以手部采用夹持式） 2-3 具体设计内容和要求 一、设计内容： 1．了解关节式机械手的基本结构和设计方法 2．械手手部结构和运动机构的结构设计 3．机械手驱动系统的设计 4．学习PLC控制的有关内容，利用PLC的梯形图编写程序 5．绘制零件图和装配图，设计说明书一份 二、设计要求： 1．完成关节式机械手的整体装配图 2．完成液压系统原理图 3．完成PLC外部接线图 4．完成PLC梯形图编程，运行程序通过 5．完成相关英文翻译一篇 6．撰写设计说明书，要求字迹工整 本课题研究的实施方案、进度安排 一、实施方案： 通过生产厂房中的实际观察，以及利用网络或图书馆参阅有关关节式上下料机械手的资料，根据已有的标准规格和设计要求，在老师的指导下进行合理的设计。 二、进度安排： 1）3月20-31日，主要进行毕业设计的准备工作，熟悉题目，收集资料，明确研究目的和任务； 2）4月1-25日，设计方案的确定，设计参数和尺寸的计算和分析； 3）4月26-5月15日，绘制机械手各部分图纸（手爪图、手腕图、手臂图和它们的组合图）； 4）5月16-5月27日，收尾完善，编写毕业设计论文，准备毕业设计答辩； 5）5月28-6月5日，毕业答辩。 3 毕业设计（论文）学生申请答辩表 课 题 名 称 关节式自动上下料机械手设计（PLC控制） 指导教师（职称） 王海涛（副教授） 申 请 理 由 申请毕业 学生所在系部 机械工程系 专业班级 05机制（本）2 学号 0515011202 学生签名： 日期： 毕业设计（论文）指导教师评审表 序号 评分项目（理工科、管理类） 评分项目(文科) 满分 评分 1 工作量 外文翻译 15 2 文献阅读与外文翻译 文献阅读与文献综述 10 3 技术水平与实际能力 创新能力与学术水平 25 4 研究成果基础理论与专业知识 论证能力 25 5 文字表达 文字表达 10 6 学习态度与规范要求 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 （是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附《毕业设计（论文）指导记录册》 年 月 日 4 毕业设计（论文）评阅人评审表 学生姓名 郭嘉文 专业班级 05机制（本）2 学号 0515011202 设计（论文）题目 关节式自动上下料机械手设计（PLC控制） 评阅人 评阅人职称 序号 评分项目（理工科、管理类） 评分项目(文科) 满分 评分 1 工作量 外文翻译 15 2 文献阅读与外文翻译 文献阅读与文献综述 10 3 技术水平与实际能力 创新能力与学术水平 25 4 研究成果基础理论与专业知识 论证能力 25 5 文字表达 文字表达 10 6 学习态度与规范要求 学习态度与规范要求 15 总 分 100 评 语 评阅人签名： 年 月 日 5 毕业设计（论文）答辩表 学生姓名 郭嘉文 专业班级 05机制（本）2 学号 0515011202 设计（论文）题目 关节式自动上下料机械手设计（PLC控制） 序号 评审项目 指 标 满分 评分 1 报告内容 思路清新；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。 40 2 报告过程 准备工作充分,时间符合要求。 10 3 创 新 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 10 4 答 辩 回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。 40 总 分 100 答 辩 组 评 语 答辩组组长（签字）： 年 月 日 答 辩 委 员 会 意 见 答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日 6-1 毕业设计（论文）答辩记录表 学生姓名 郭嘉文 专业班级 05机制（本）2 学号 0515011202 设计（论文）题目 关节式自动上下料机械手设计（PLC控制） 答辩时间 答辩地点 答辩委员会名单 问题1 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题2 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题3 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 问题4 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题5 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题6 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题7 提问人： 问题： 回答（要点）： 问题8 提问人： 问题： 回答（要点）： 记录人签名 6-2 7 毕业设计（论文）成绩评定总表 学生姓名： 郭 嘉 文 专业班级： 05机制（本）2 毕业设计（论文）题目：关节式自动上下料机械手设计（PLC控制） 成绩类别 成绩评定 Ⅰ指导教师评定成绩 Ⅱ评阅人评定成绩 Ⅲ答辩组评定成绩 总评成绩 Ⅰ×40%+Ⅱ×20%+Ⅲ×40% 评定等级 注：成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(90--100)”、“良(80--89)”、“中(70--79)”、“及格(60--69)”、“不及格(60以下)”评定等级。其中， 指导教师评定成绩占40%，评阅人评定成绩占20%，答辩组评定成绩占40%。