機械手控制系統(tǒng)設計

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湘潭大學興湘學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 機械手控制系統(tǒng)設計 姓 名 王彬 學號 2010963125 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械四班 指導教師 徐志遠 職稱 講師 填寫時間 2014年 03 月 19 日 2014年3月  說 明 1．根據(jù)湘潭大學《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見，系主任批準后實施。 2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3．畢業(yè)設計(論文)開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字。 5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后，應寫一份開題情況總結(jié)報告。 6. 填寫說明： (1) 課題性質(zhì)：可填寫A．工程設計；B．論文；C. 工程技術研究；E.其它。 (2) 課題來源：可填寫A．自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。 (3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。 (4) 參考文獻不能少于10篇。 (5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 王彬 學 號 2010963125 專 業(yè) 機械設計制造 及其自動化 指導教師 徐志遠 職 稱 講師 所在系 機電系 課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設計 課題名稱 機械手控制系統(tǒng)設計 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況 選題依據(jù) 隨著社會進步和科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化。從手工作坊式的勞動，逐步演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具----機械手。 機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。研究和使用機械手可以實現(xiàn)現(xiàn)代化和自動化生產(chǎn)，從而減輕勞動強度和避免傷害。 課題的意義 機械手的應用可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。研究和使用機械手可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，同時還可以避免勞動者在生產(chǎn)中受到傷害。? 國內(nèi)外基本研究情況 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機械結(jié)構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 D．關節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、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：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 二、研究內(nèi)容、預計達到的目標、關鍵理論和技術、技術指標、完成課題的方案 和主要措施 研究內(nèi)容 本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設計，包括硬件的選擇和軟件的設計。本課題所研究的是常見的搬運機械手，我們對其動作的自動化實現(xiàn)進行設計，其主要內(nèi)容包括硬件的選擇和軟件的設計，硬件的選擇主要有電機的選型，傳動的實現(xiàn)，傳感器的選擇等等，而軟件的設計其主要內(nèi)容就是軟件的選擇，選用哪一種軟件來進行自動化系統(tǒng)的設計和編寫程序，以及最后的調(diào)試等。 預計達到目的 1. 上升，下降，夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 2. 電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 3. 運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換 4. 完成基本設計后要達到以下要求：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。 關鍵理論和技術 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用機械傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。在這里雖然不對機械手的機械結(jié)構進行設計，但仍需對其有一定的了解，這里做簡要介紹。 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部即與物件接觸的部件 由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是由夾持 部件和傳力機構共同構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂(包括大臂和小臂) 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位臵。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。在這里選擇采用電機驅(qū)動和機械傳動方式。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制 系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 技術指標 1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關PS，用以檢測物品的到來。當光電開關檢測到物品時為ON狀態(tài)。 2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉(zhuǎn)。當光電開關檢測到物品后，傳送帶A停。 3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉(zhuǎn)）上。 4.機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉(zhuǎn)，進行下一個循環(huán)。 5．按下停止按鈕后，應等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。 6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結(jié)構均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作。 7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。 8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關控制。 9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設為1s）。 完成課題的方案和措施 研究步驟、方法： （1）了解執(zhí)行機構：1）多關節(jié)機械手；2）多關節(jié)機械手的工作原理。 （2）硬件選擇：1）PLC選型；2）光電開關；3）傳感器；4）各種電磁閥；5）繼電器；6）編碼盤；7）按鈕。 （3）軟件編程：1）總體流程設計；2）各模塊梯形圖設計；3）系統(tǒng)調(diào)試。 三、主要特色及工作進度 主要特色 機械手主要由執(zhí)行機構，驅(qū)動機構和控制系統(tǒng)三部分組成。手部是用來抓持弓箭（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀，尺寸，重量，材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構形式，本設計中主要采用夾持型。運動機構使手部能完成實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作，完成搬運過程，計劃設計運動機構時有三個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作。同時接收傳感器反饋來的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心是由PLC構成，通過對PLC編程實現(xiàn)所要的功能。 工作進度 （1）2014年01月23日到2014年03月10日 查閱資料，熟悉設計內(nèi)容 （2）2014年03月11日到2014年03月20日 完成開題報告，制定設計方案 （3）2014年03月21日到2014年04月20日 機械手結(jié)構及控制系統(tǒng)設計 （4）2014年04月21日到2014年05月10日 寫出初稿 （5）2014年05月11日到2014年05月20日 修改，寫出第二稿 （6）2014年05月21日到2014年05月31日 寫出正式稿 （7）2014年06月 答辯 四、主要參考文獻（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出） [1] 王本軼. 機床設備控制基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. 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