基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械手設(shè)計【直角坐標(biāo)機(jī)器人型-單片機(jī)】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】
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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
課題名稱 基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度直角型機(jī)械 手設(shè)計
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械電子工程(機(jī)電一體化方向)
班 級 BJ0807
學(xué) 號 101102070602
姓 名 丁偉
指導(dǎo)教師 吳婷
定稿日期: 2011 年 12月15日
8
基于步進(jìn)電機(jī)的三自由度直角型機(jī)械手設(shè)計
1 選題背景及其意義
機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置,它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來,隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用,機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù),它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展,使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械手和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作,減輕人類勞動強(qiáng)度,提高勞動生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用,在機(jī)械行業(yè)中它可以用于零部件組裝,加工工件的搬運(yùn)、裝卸,特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前,機(jī)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(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn),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(qiáng)。當(dāng)工件變更時,柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低,機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此,進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。
本課題主要應(yīng)用于生產(chǎn)加工車間,與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)加工過程(上料、加工、下料)的自動化、無人化。通過對機(jī)械電子工程(機(jī)電一體化方向)專業(yè)大學(xué)本科的所學(xué)知識進(jìn)行整合,完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床送料機(jī)械手設(shè)計,能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械電子工程(機(jī)電一體化方向)專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平,實(shí)踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強(qiáng)的針對性和明確的實(shí)施目標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
2 文獻(xiàn)綜述(國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢)
目前,在國內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn),其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下:
(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。
(2) 工業(yè)機(jī)器人控制體系向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展,便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高,控制柜日見小巧,且采用模塊化結(jié)構(gòu);大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(3) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、聲覺等傳感器,而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。
(4) 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計;柔性仿形噴涂機(jī)器人開發(fā),柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā),仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究,控制系統(tǒng)開發(fā)。
(5) 焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究;以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。
總的來說,大體是兩個方向:其一是機(jī)器人的智能化,多傳感器、多控制器,先進(jìn)的控制算法,復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng);其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系,滿足相對具體任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人,主要采用性價比高的模塊,在滿足工作要求的基礎(chǔ)上,追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠,大量采用工業(yè)控制器,市場化、模塊化的元件。
3 研究內(nèi)容
3.1 機(jī)械部分
本設(shè)計機(jī)械手的形式為圓柱坐標(biāo)形式,具有3個自由度,兩個升降,兩個平移自由度,由手部、手臂、機(jī)身等主要部件組成。
手部(亦稱抓取機(jī)構(gòu))是用來直接握持工件的部件,由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同,所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多樣的,大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工作要求而設(shè)計的。歸結(jié)起來,常用的手部,按其握持工件的原理,大致可分成夾持和吸附兩大類。由于本次設(shè)計的是流水線間工件自動搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手,因此使用夾持式手部,采用手部加緊缸。
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具),并帶動它們作空間運(yùn)動。因此,機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用滾珠絲杠副,來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。因此,手抓伸縮采用伸縮缸,手臂的升降與平移采用滾珠絲杠
機(jī)身是直接支承和驅(qū)動手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上,或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此,臂部的運(yùn)動愈多,機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況愈復(fù)雜。由于本次設(shè)計的流水線間工件搬運(yùn)工業(yè)機(jī)械手進(jìn)行的是自動定點(diǎn)搬運(yùn)工件。所以機(jī)械手設(shè)計成固定的。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
機(jī)械手電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)勢是在于節(jié)能,因?yàn)闅鈩雍鸵簤候?qū)動的能量是二次轉(zhuǎn)化,能量消耗大約在35%左右。所以節(jié)能是今后機(jī)械手,機(jī)械自動化發(fā)展的一項(xiàng)重要的技術(shù)內(nèi)容。因此本課題選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
3.3 控制系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦,它指揮機(jī)械手的動作,并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置,如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手指的開閉動作,以及各個動作的時間、速度等,都是在控制系統(tǒng)的指揮下,通過每一運(yùn)動部件沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動按照預(yù)先整定好的程序來實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講:一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛,如智能儀表、實(shí)時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī),就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效,常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型”。因此本課題選用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的控制
4 研究方案
4.1總體方案
本機(jī)械手為專用機(jī)械手,因此相對于通用機(jī)械手來說,它動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點(diǎn)。
(1) 選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度。
(2) 設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括手部、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強(qiáng),手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu),可以應(yīng)用夾持式手指來抓取棒料工件。
(3) 滾珠絲杠的傳動系統(tǒng)的設(shè)計。本課題將設(shè)計出機(jī)械手的滾珠絲杠傳動系統(tǒng),包括器件的選取,受力的校核等。
(4) 機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計。本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器單片機(jī)對機(jī)械手進(jìn)行控制,選取相應(yīng)的單片機(jī)型號,根據(jù)機(jī)械手的工作流程繪制單片機(jī)控制原理圖,編制出單片機(jī)程序,并畫出接線圖。
4.2預(yù)期能達(dá)到的目標(biāo)
通過本次課題的畢業(yè)設(shè)計將自己四年中所學(xué)到機(jī)械設(shè)計、絲杠傳動、單片機(jī)控制技術(shù)等等知識聯(lián)系起來,通過自己的努力,以實(shí)現(xiàn)設(shè)計實(shí)際工業(yè)項(xiàng)目的目的。
4.4可能遇到的困難以及應(yīng)對措施
機(jī)械手設(shè)計尺寸不合理,傳動計算不準(zhǔn)確,單片機(jī)不能完全實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制等等。應(yīng)對方法是參考大量書籍,查閱文獻(xiàn),網(wǎng)上收集資料,及時與同學(xué),老師溝通以尋求幫助。
5 進(jìn)度計劃
2011.11.01-2011.12.01:收集資料,研讀資料
2011.12.01-2012.01.15:擬訂總體設(shè)計方案
2012.01.15-2012.03.05:機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪制總裝圖
2012.03.05-2012.03.10:主要零部件設(shè)計計算,繪制零件工作圖
2012.03.10-2012.03.15:繪制接線原理圖
2012.03.15-2012.03.20:控制系統(tǒng)設(shè)計
2012.03.20-2012.03.25:撰寫設(shè)計計算說明書
2012.03.25-2012.06.06:修改及答辯
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指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名:
年 月 日
開題答辯小組意見
1、論文選題:□有理論意義;□有工程背景;□有實(shí)用價值;□意義不大。
2、論文的難度:□偏高;□適當(dāng);□偏低。
3、論文的工作量:□偏大;□適當(dāng);□偏小。
4、設(shè)計或研究方案的可行性:□好;□較好;□一般;□不可行。
5、學(xué)生對文獻(xiàn)資料及課題的了解程度:□好;□較好;□一般;□較差。
6、學(xué)生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達(dá)能力:
□好;□較好;□一般;□較差。
7、學(xué)生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力:
□好;□較好;□一般;□較差。
8、對論文選題報告的總體評價:□好;□較好;□一般;□較差
(在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”)
建議結(jié)論
評議小組組長簽名:
評議小組組員簽名:
年 月 日
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