机械手毕业设计开题报告计划.docx

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机械手毕业设计开题报告计划

理工学院

毕业设计（论文）开题报告

题目：

铣床自动上下料点位控制机械手的设计

学生姓名：

韩抟彬学号：

10L0551370

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

陈继荣

2014年3月31日

毕业设计开题报告

大纲；

在现在大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产质量量，宽泛重视生产过

程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并

采用。

工业机器人的技术水平和应用程度在必然程度上反响了一个国家工业自动化的

水平，目前，工业机器人主要肩负着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性而且劳动强

度极大的工作，工作方式一般采用示教再现的方式。

PLC是以现代微办理器技术为中心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可

靠性高、抗搅乱能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工

艺制造，内部电路采用了先进的抗搅乱技术，拥有很高的可靠性，其他，PLC带有硬

件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔断和滤波技

术有效控制外面搅乱源对PLC的影响，其他PLC还可在强、通用性好；开发周期短，

功耗小。

本课题对现代工业的的发展拥有很重要的意义。

1．课题研究的目的和意义

1.1本课题的意义

机械手又名工业机器人，是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现

代科技的一个重要组成部分。

在机械行业中，机械手越来越宽泛的获取应用，它可用

于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使

用更为宽泛。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个

重要组成部分。

把机床设备和机械手共同组成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可

以节约弘大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。

机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达

到生产工艺的要求，依照必然的程序、时间和地址来完成工件的传达。

因此，它能大

大地改进工人的劳动条件，加速实现工业生产机械化和自动化的步伐。

因此，碰到各

先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。

特别在高温、高压、粉尘、

噪声的场合，应用得更为宽泛。

在我国，近代几年来也有较快的发展，并获取必然的

成就，碰到各工业部门的重视。

可编程控制器（PLC）是一种特地为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控

制装置。

由于其拥有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特点而宽泛

用于工业控制系统。

再者机械手是机电一体化的一个较为典型的设计，能较大程度的调用从前学过的

基础及专业基础课程的知识，对于我个人来说也是检验自己四年来对所学的理论知识

的掌握程度，对我个人来说也是意义重要的一次实践。

1.2机械手的发展状况与动向

从国内外全部机械手的发展现状来看，在现阶段，对机械手的研究和开发已趋于

高潮，机械手的发展现状与动向，能够总结为：

第一，模块化与可重构化是现阶段机

械架构发展的主要动向；其二，PC机的开放型控制器是机械手系统发展的一个主要

方向，其目的就是为了完满机械手，使其逐渐走向网络化和标准化；器件集成度得以

增强，架构设计玲珑，同时运用过了模块化架构；在很大程度上增强了机械手系统的

安全性和可靠性，同时也满足机械手在维修和防范方面的一些便利性；第三，传感器

在机械手中发挥了十分重要的作用，不但运用了传统的速度传感器、地址传感器等，

同时也引进了先进的视觉传感器、触觉传感器和听觉传感器，促使机械手逐渐向智能

化方向发展和推进；第四，装置、焊接等机械产品逐渐向模块化、标准化及系列化方

向推进和发展，及系统动向的仿真等。

1.3PLC的特点

（1）可靠性高、抗搅乱能力强

高可靠性是电气控制设备特别要点的性能。

PLC由于采用大规模集成电路技术、

严格的生产工艺，内部电路采用了输入输出信号的光电隔断、滤波、电源的障蔽、稳

压和保护、故障诊断等先进的抗搅乱技术，拥有很高的可靠性，它能在高粉尘、高噪

音、强电磁搅乱和温暖变化激烈的环境下正常工作。

PLC的平均无故障时间可高达5

﹣10万小时以上。

从PLC的机外电路来说，PLC组成控制系统，和相同规模的继电接触器系统对照，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率也就大大降低。

（2）功能完满、应用领域广

到现在为止PLC已经形成各种规模、系列化的产品。

能够用于各种规模的工业控

制场合，并能完成决大多数的工业控制任务。

PLC所拥有的完满的数据运算能力，可

用于各种数字控制领域。

近来几年来PLC的功能单元大量涌现，PLC通讯能力的增强及人

机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变的特别简单。

（3）编程简单、易学易用

PLC采用和继电器电路图凑近的梯形图语言，只用少量的开关量逻辑控制指令就

能够方便地实现继电器电路的功能。

在工业现场，能够使用手持编程器或笔录本对PLC

进行编程。

当PLC联网后，能够在网络的任一地址对PLC编程。

为不熟悉电子电路、

不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制供应了方便。

（4）系统安装简单、体积小、价格低

PLC在储藏逻辑代替接线逻辑、采用模块化的结构，大大地减少了控制设备外面

的接线，使控制系统设计及建设的周期大大缩短了。

现代集成电路技术的宽泛应用，

功耗仅数瓦。

由于PLC体积小很简单装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设

备。

使得PLC的重量越来越轻、功耗也越来越少。

在集成电路技术和生产厂家越来越

多的状况下，PLC的价格也越来越低。

1.4课题要求

本课题是为我校机电实验中心的柔性制造系统设计一个铣床自动上下料点位控

制机械手。

设备由机械手及其控制系统组成。

用于实现生产线上铣床工位的自动上下

料点位控制。

学生也科依照自己的个人想法，在指导老师的指导下融入一些新的想法，

英勇创新，充分调动自己的学习兴趣。

2．课题研究方案和主要内容

2.1整体方案的选定

方案1：

XY导轨式机械手

机械手的两节手臂均采用伸缩工作方式，其大臂能够绕底座旋转，两节手臂能够

采用气缸也许液压缸驱动。

方案2：

关节辗转式机械手

机械手的两节手臂军能够绕节点旋转，大臂还可以够绕节点旋转，其底座也能够周

向旋转，其手指的工作角度不在拘泥于水平方向，灵便性相对较高。

综合比较：

XY导轨式机械手的设计过程简单，操作简单，保护方便，加工成本要

低很多，但其通用性差，设备粗笨，导轨占用空间大，搬动困难，功能简单，很多时

候其实不能够满足加工现场的要求。

第二种方案关节辗转式机械手诚然设计过程复杂，操

作需要必然的控制学基础，加工成本要高出很多，但其通用性强，只要更换不相同的机

械手指就可以满足不相同的要求，其他其工作范围大，能更大程度的满足生产车间复杂

的空间状况，能够独立于机床，方便搬动，甚至能够加装导轨在机床与库房间搬动。

综合考虑，决定采用第二种方案。

采用辗转式底座，两节机械臂，分别能够在同

一平面内绕关节旋转，两个关节均采用步进电机驱动。

2.2躯干的选型

躯干由底盘和手臂两大多数组成。

底盘是支撑机械手全部重量并能带着手臂旋转

的机构。

底盘采用一个直流电动机驱动，底盘旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手

每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的

角度。

同时，在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达270度。

手臂是机械手的主

要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。

本设计中手臂两节机械手臂组成。

两节手臂采用步进电动机作驱动源，直接驱着手臂旋转。

由可编程控制器发出脉冲信

号，经步进电动机驱动器驱动步进电动机旋转，完成手臂的运动。

改变发出脉冲的个

数，可控制手臂的两个手臂旋转的角度。

同时在两轴的两端分别加限位开关限位。

其

大臂可绕底座旋转120度，小臂可绕大臂旋转160度。

2.3夹紧机构的选择

机械手手爪是用来抓取工件的部件，手爪抓取工件是要满足迅速、灵便、正确和可靠的要求。

设计制造夹紧机构——手爪时，第一要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的状况来考虑。

其加紧力的大小则依照夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。

同时考虑有足够的张口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化，为扩大机械手的应用范围，还需备有多种抓取机构，以依照需要来更换手爪。

为防范损坏被夹的物体，夹紧力应限制必然的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动放心结构。

为防

止突然停电被抓物体落下，还可以够有自锁结构。

夹紧机构自己则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵便和动作可靠。

夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。

有的夹紧机构还带有传感装置和携带工具进行操作的装置。

机械式夹紧机构是最基本的一种，应用宽泛，种类众多，本设计采用机械式的夹紧机构，采用三指式气着手爪。

由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手爪的张闭，达到夹取工件的目的。

2.4机械手段部结构的选择

以下列图

采用吊顶电扇辗转式的机械结构，底部跟机械小臂相连，由步进电机驱着手段摇动，采用这种特其他结构不但能够扩大机械手的工作范围，还增加了其灵便性，以满足生产车间复杂的工作要求，对其摇动的控制也较为简单，在应用中对其机构合适的

调整，丰富其功能，提高机构的可靠性。

PLC的采用

西门子

PLC，拥有多种不相同的通讯接口，并经过多种通讯办理器来连接

AS-I

总

线接口和工业以太网总线系统，可经过编程软件

Step7

的用户界面供应通讯组态功

能，这使得组态特别简单、简单。

综合考虑，本课题采用西门子的

S7-200

作为控制

PLC。

使用

STEP7MicroWIN作为其编程软件。

3.推行计划

充分查阅相关资料，对方案中的大体结构细化拆分，构思选择合理的局部机械结

构，练习CAXA实体设计制图软件，达到能够熟练运用CAXA制作三维图的目的。

做出

机械手的三维草图，边设计边更正，有不合理的地方及时纠正。

完成此后就要进行零

件的设计、电机的选型，以及其他附带部件的采用，机械结构校核的计算也在这一步

进行。

绘制部件的装置图及装置总图，此后就要进行PLC的编程了，其实不断更正完满

程序，做出其电气控制图。

整理出设计说明书。

整个设计过程要如期与指导老师沟通

沟通，接受老师的责怪和建议。

力求经过此次毕业设计使自己大学四年的理论学习能

够熟练的运用到本质中，掌握一种学习方法，熟悉工业设计过程，实现由校园到企业

的和缓过渡。

参照文件

[1]贺东坤，田明气动通用上下料机械手结构设计A长春大学学报1009-3907

（2012）10-1171-03

[2]徐丽春自动上下料通用机械手系统设计与研究B液压与气动

1000-4858（2013）08-0083-04

[3]孔祥志，刘春时一种数控车床的摆臂式机械手设计A机械设计与制造

1001-3997（2011）06-0169-02

[4]白平，薛佟数控机床上下料机械手设计的流程A科技流传1674-6708（2012）

[5]宋娟上下料机械手PLC控制系统设计A装备制造技术

1672-545X（2008）10-0054-02

[6]范世亮三自由度上下料机械手的PLC控制解析A机械工程师1002－2333

（2012）02－0060－02

[7]周虹气动与PLC技术相结合在机械手设计中的应用B液压与气动

10004858（2004）

[8]张海英，刘胜明基于PLC的自动上下料机械手设计B装备制造技术

1672-545X（2010）09-0070-02

[9]罗湛基于PLC的卸料机械手设计B液压与气动1000-4858（2011）

05-0001-03

[10]张海英，陈子珍，翟志永基于PLC的物料搬运机械手设计A机械工程师

1002－2333（2010）09－0083－02

[11]齐景荣通用机械手设计及其控制B《装备制造技术》1672-545X

（2013）07-0024-02

[12]黄贤新工业机器人机械手设计A《装备制造技术》：

1672-545X

（2012）03-0220-02

[13]王学良，张秋菊基于PLC的机械手自动上下料控制系统设计B中国

制造业信息化1672－1616（2012）15－0059－04

[14]杨永清,张嘉易,尚文利汽车部件精段自动生产线机械手设计B制

造业自动化1009-0134（2009）06-0096-03

[15]胡旭兰生产线组合机床自动上下料机械手B机械制造1000—4998

（2005）07—0032—03

[16]尹自荣熊晓红骆际焕王建坤数控上下料机械手的研究及应用华中

理工大学《锻压机械》

[17]邢金鹏自动上下料机械手直臂部分的整体设计学术展台《金田》总第

295期

[18]郭洪红，贺继林等工业机器人技术[M].西安电子科技大学

初版社，2006.

[19]王孙关节式机械手本体及控制系统设计[M].西安交大机械电子工程研

究所，2009.

[20]蔡自兴机器人学的发展趋势和发展战略［J］．机器人技术与应用，2001

（4）：

11-16.

［21］郭艳萍基于PLC的工业机械手控制系统［J］．仪表技术与传感器，2007

（9）：

31-32.

指导教师建议：

韩抟彬同学在本次毕业设计的先期工作中，学习努力，认真负责，勇

于肩负任务，遵从老师的指导和安排，遵守作息制度和设计室制度。

该同学针对所要求的设计题目，检索和查阅了二十余篇中、外文件资

料，深入认识了铣床自动上下料点位控制机械手的看法,理解了系统原

理，明确了该系统的应用领域、性能特点、背景知识以及国内外同行的有

借鉴性的设计思路，为解析问题、解决问题打下了必然的基础。

该同学针对自己所研究的对象，提出了较为完满的设计方案，并从机

械、电子和控制等方面做了较为详细的阐述，文理畅达，格式规范。

综上所述，赞成开题。

指导教师：

年月日