基于单片机控制的多自由度卧式气动机械臂的设计开题报告.docx

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基于单片机控制的多自由度卧式气动机械臂的设计开题报告

毕业设计（论文）开题报告

1选题背景及其意义

1.1课题来源

本课题来自教师科研课题、教学需求和社会需要，是设计一种性能先进、满足教师教学、学生实践和模拟工业化生产的，基于单片机控制的多自由度卧式气动机械臂的设计。

它简化了结构，增加了可控性，可实现机械手在XY平面的旋转，大小臂的升降、伸缩，手爪的抓紧和放松等功能，并配合物料台的自动送料，实现水平面定点取物和放物的功能，具有结构简单、操作方便、可靠性高等特点，为机电一体化教学提供了很好的范例，为工业化生产提供实用的机械手系统。

1.2课题目的

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

在工业生产线中，机械手臂具有广泛的用途。

它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。

它的基本作用是从指定位置抓取工件送到另一个指定的位置进行装配。

机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了质量和生产效率。

目前社会对机电一体化技术人员的需求日益增加。

1.3课题意义

近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。

现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。

近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。

电气-气动控制系统是采用气压传动与电气控制技术相组合，来实现自动化控制，使控制系统更趋于科学合理。

气动机械臂试验台，集机，电，气一体化，具有较强的综合性，为培养机电一体化技术人员提供了必要的实验平台。

2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：

机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。

据报道，1976年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。

1979年120多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。

1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。

其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。

具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。

智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。

截止1979年，机械手累计产量达56900台。

在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。

使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。

目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。

同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。

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，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

机械手领域发展近几年有如下几个趋势：

1）重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。

重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。

重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。

重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。

随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。

气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

2）模块化

模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系，使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。

3）无给油化

随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

4）电气一体化

由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。

3研究内容

3.1气动机械手的工作原理

能够实现多自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气缸来实现。

最前端的气爪抓取物品，通过气缸的驱动实现各自关节的移动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手臂的动作要求。

3.2电动机

电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备。

它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子鼠笼式式闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩。

电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。

电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。

电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

电动机按按工作电源可分为直流电动机和交流电动机，按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机，其中控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

同步电机（Synchronousmotor）主要用于电力传动（特别是大容量的电力传动），还可以补偿电网功率因数，发电厂里的交流发电机，全部采用同步发电机。

三相异步电动机（Three-phaseasynchronousmotor）运行性能好，并可节省各种材料。

按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。

绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。

调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

单相异步电动机（single-phaseasynchronousmotor）具有结构简单、成本低廉、运行可靠等一系列的优点。

步进电动机（steppingmotor）是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件。

在自动控制装置中作为执行元件。

每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。

步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。

步进电机主要分为：

反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机。

步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。

与其他驱动元件相比，有明显优点：

通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；输出的转角或位移精度高，误差不会积累；控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。

因此，虽然直流电机伺服系统、交流电机伺服系统在计算机控制系统中被普遍地使用，但步进电机仍广泛用于简易数控机床、送料机构、仪器、仪表等领域。

伺服电动机（servomotor）也称执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转为轴上的转角或转速，以带动控制对象。

主要优点有：

调速范围广，可以迅速启停、过载能力强、可靠性好。

3.3执行机构

包括手部，手腕，手臂和腰部

3.3.1手部

手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。

有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部

3.3.2手腕

腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分。

3.3.3手臂

臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用于带动腕部做平面运动

工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

3.3.4腰部

腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的平面运动，就能使腕部做空间运动。

腰部是执行结构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。

该部件必须有足够的刚度和稳定性。

3.4驱动系统

工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。

传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。

驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。

3.5控制设备

工业领域常用的控制系统主要有：

单片机、PLC、工控机。

单片机（MicrocontrollerUnit），是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

PLC（ProgrammableLogicController），是可编程逻辑控制器。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

工控机（IndustrialPersonalComputer—IPC）是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称。

简称“工控机”。

包括计算机和过程输入、输出通道两部分。

它具有重要的计算机属性和特征，如：

具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力，友好的人机界面等。

目前工控机的主要类别有：

IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。

3.6位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

4研究方案

4.1总体方案

1.直线气缸2.直线气缸3.摆动气缸4.摆动气缸5.小臂6.大臂

图中机械臂可以完成的动作为：

大臂可在90°旋转、大臂垂直升降、大臂伸缩、小臂旋转、手抓抓紧和放松

4.2核心部件的选型

4.2.1动力方面。

初选空压机作为动力，因为气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便

4.2.2机械手部件方面。

1）坐标形式常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:

（1）直角坐标型机械手;

（2）圆柱坐标型机械手;（3）球坐标（极坐标）型机械手;（4）多关节型机机械手。

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。

2）本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：

（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。

（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。

（3）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

4.3.3电气控制方面。

采用单片机控制，取代现有诸多厂家所使用的PLC控制方案，降低了控制成本，而且单片机控制相对PLC有更好的灵敏度，便于控制的操作和精度。

初选MCS-51单片机程序设计，因为其具有比较大的寻址空间，处理功能强，指令系统相对完善以及完善的各种中断源，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，足够用于教学平台。

5进度计划

2013.11.30-2013.12.31：

查找文献、翻译英文文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料；

2013.01.01-2013.03.1：

完成多自由度气动机械臂系统原理的设计，根据要求提出设计方案，完成开题；

2013.03.01-2013.03.31：

力分析、主要传动参数确定、总体结构的初步确定、完成三维造型的设计、完成各部件参数的计算；

2013.04.01-2013.04.30：

完成机构的设计，绘制装配图、零件图，完成电气控制图的设计；

2013.05.01-2013.05.14：

撰写毕业论文；

2013.05.15-2013.05.24：

论文修改、提交材料准备答辩。

参考文献

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指导教师意见

俞敏捷同学拿到论文题目后能够认真查找相关文献，并到现场进行学习，该同学表现较为认真，态度端正。

该同学能够对题目进行正确的理解，完成了基于单片机控制的多自由度卧式气动机械臂整体方案的设计工作，并完成了文献翻译和开题报告。

开题报告内容充实、结构完整、格式符合标准，同意该同学按时开题。

指导教师签名：

年月日

开题答辩小组意见

1、论文选题：

□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。

2、论文的难度：

□偏高；□适当；□偏低。

3、论文的工作量：

□偏大；□适当；□偏小。

4、设计或研究方案的可行性：

□好；□较好；□一般；□不可行。

5、学生对文献资料及课题的了解程度：

□好；□较好；□一般；□较差。

6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

8、对论文选题报告的总体评价：

□好；□较好；□一般；□较差

（在相应的方块内作记号“√”）

建议结论

评议小组组长签名：

评议小组组员签名：

年月日