四自由度气动机械手的设计开题报告.docx

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四自由度气动机械手的设计开题报告

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，基于单片机控制的四自由度气动机械手。

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

机器人技术是一种利用电子技术、信息技术使机械系统实现柔性化和智能化的自动化技术，在工科高校的本科教育和研究生培养中，占有举足轻重的地位，对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义。

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人在生产中位置，提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、能在有害环境（高温高压，低温低压，有毒气体、放射性等）下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在工业生产线中，机械手臂具有很广泛的用途。

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运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，提高了产品的质量和生产效率。

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。

目前我过的工业机器人技术及其应用水平与国外相比，还是有着一定的差距，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

四自由度气动机械手的设计，是通过对机械电子工程、机电一体化专业的本科四年所学的知识的一个整合，能够比较好的体现机电一体化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

1.3课题意义

四自由度气功机械手由机械手（机械本体）、控制器（单片机）、伺服驱动系统构成，是一种自动控制、可重复编程、完成各种上下料作业的机电一体化自动化生产设备。

气动机械手作为机械手的一种，具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用，特别适合于多工序、变工件的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

四自由度气动机械手是综合了单片机、控制论、机构学、电子电气学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛。

目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由工人完成，劳动强度大、生产效率低。

为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，针对具体生产工艺，利用机器人技术，设计一台自动上下料机械手，它可自动地为机床抓取工件，取代操作人员频繁取料，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高工作效率和生产力。

由此可见，气动机械手对于现代工业技术和普通应用方面有着重要的意义，可以迅速提高生产力水平和生产效率，减少人力资源和时间的消耗，大大增加了工业生产的效益，同时也便于工人无法涉及的地方，条件受限制的领域，比如空间狭小、温度过低或过高、障碍物较多的地方，完成预想的目的。

2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚30年左右，起步于上世纪70年代，1972年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。

从第七个五年计划（1986～1990年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。

值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。

与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

控制系统有别于40年代的主从型而是示教型的；1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。

这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手（如图），原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制。

虽然上述的2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。

在机械手得到一定程度的发展后，从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation-Vic.arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。

联邦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。

图1Versatran机器人

机械手领域发展近几年有如下几个趋势：

1）重复高精度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

能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气缸的运动来实现。

整体可在XY平面90°旋转、大臂升降、小臂升降、小臂伸缩、手爪抓紧和放松等功能，同时物料台可在XY平面360°连续旋转，物料槽自动送料等功能。

各关节的配合运动，可实现水平面定点取物、定点放物的功能，两点直线距离为500mm；被抓物体为直径20mm圆柱状，重1Kg金属零件。

3.1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。

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。

3.2执行机构

包括手部，手腕，手臂和立柱。

（1）手部

即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力J吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。

（2）手腕

是用来连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取时物件的方位（即姿势）。

（3）手臂

臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手爪去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。

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。

（4）立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

3.3驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

3.4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/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

PLC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。

3.5位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时能够将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与指定的位置进行比较，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指定位置。

4研究方案

4.1总体方案

图2四自由度气动机械手的示意图

1-物料台2-机械手3-放料台

该机构的气动系统工作循环为：

小臂伸出→大臂下降→气爪下行→抓取工件→气爪上行→大臂上升→逆时针旋转90º→小臂缩回→大臂下降→气爪下行→松开工件（放到指定的工作台上）→大臂上升→顺时针旋转90º（回到初始位置），完成一个自动工作循环。

4.3核心部件的选型

1动力方面。

初选步进电动机作为