基于PLC控制的多自由度气动立式机械臂的设计开题报告.docx
- 文档编号:27614925
- 上传时间:2023-07-03
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:51.72KB
基于PLC控制的多自由度气动立式机械臂的设计开题报告.docx
《基于PLC控制的多自由度气动立式机械臂的设计开题报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于PLC控制的多自由度气动立式机械臂的设计开题报告.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于PLC控制的多自由度气动立式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PLC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XZ平面的旋转90度,大臂的升降、伸缩,小臂的旋转、伸缩,手爪的抓紧和放松等功能,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。
气动技术是以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。
大约开始于1776年,Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。
1880年,人们第一次利用气缸做成气动刹车装置,将它成功地用到火车的制动上。
20世纪30年代初,气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。
至50年代初,大多数气压元件从液压元件改造或演变过来,体积很大。
60年代,开始构成工业控制系统,自成体系,不再与风动技术相提并论。
在70年代,由于气动技术与电子技术的结合应用,在自动化控制领域得到广泛的推广。
80年代进入气动集成化、微型化的时代。
90年代至今,气动技术突破了传统的死区,经历着飞跃性的发展,人们克服了阀的物理尺寸局限,真空技术日趋完美,高精度模块化气动机械手问世,智能气动这一概念产生,气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位,智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。
气动机械手作为机械手的一种,它具有结构简单、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。
气动机械手强调模块化的形式,现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等),气动伺服系统(町实现任意位置上的精确定位),在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。
90年代初,由布鲁塞尔皇家军事学院Y·Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘探员,是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”。
6个脚中的每一个脚都有3个自由度,一个直线气缸把脚提起、放下,一个摆动马达控制脚伸展/退回运动,另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人,它集遥感技术和真空技术于一体,成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。
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
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。
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。
3.7气缸选取
气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。
气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类(见图)。
做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。
①单作用气缸:
仅一端有活塞杆,从活塞一侧供气聚能产生气压,气压推动活塞产生推力伸出,靠弹簧或自重返回。
②双作用气缸:
从活塞两侧交替供气,在一个或两个方向输出力。
③膜片式气缸:
用膜片代替活塞,只在一个方向输出力,用弹簧复位。
它的密封性能好,但行程短。
④冲击气缸:
这是一种新型元件。
它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10~20米/秒)运动的动能,借以做功。
冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。
中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。
它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。
做往复摆动的气缸称摆动气缸,由叶片将内腔分隔为二,向两腔交替供气,输出轴做摆动运动,摆动角小于280°。
此外,还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
4研究方案
4.1总体方案
1)机构设计
机械臂结构简图
1.上下气缸,2.大臂,3.旋转气缸,4.左右气缸,5.旋转气缸,6.小臂,7.机械手,8.控制台
按设计要求:
机械臂系统上下行程0到450mm,左右行程0到75mm,大臂旋转角度50到90度,工作气压3到4Kg/cm2,最大夹持重量500g,装置尺寸700*900*2100mm。
2)运动系统控制设计
气动系统控制原理图
初步选用单作用气缸控制手臂伸缩和升降。
系统先通过控制面板输入指令,然后通过PLC程序控制气动阀来控制气缸活动从而达到机械臂升降和伸缩以及旋转。
3)PLC系统控制设计
初步选择三菱FX2N-48MR型PLC。
FX2N-48MR共有24个输入点,24个输出点,能够满足控制。
5.论文框架
(1)绪论
(2)气动机械臂的总体设计
(3)机械手运动控制系统设计
(4)气缸的选型及电气控制系统设计
(5)路径规划设计
(6)结论。
6进度计划
2012.11.30-2012.12.31:
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;
2013.01.01-2013.03.01:
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;
2013.03.01-2013.03.30:
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
[1]张海英,刘胜明.基于PLC的自动上下料机械手的设计[J].制造装备技术,2010,(09).
[2]陈红.气动机械手系统设计,长春理工大学,2010.
[3]邓康一.气动机械手的结构设计及伺服控制研究.西安建筑科技大学,2008.
[4]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.山西科技大学,2003.
[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:
高等教育出版社,2003.12.
[6]张占立,康春花,郭士军,符克理,基于单片机的步进电机控制系统,电机与控制运用,2011,38(3).
[7]濮良贵.机械设计[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[8]李超.气动通用上下料机械手的研究与开发,山西科技大学,2003.
[9]王知行.机械原理[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[10]王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用[J].液压气动与密封,1999,(05).
[11]林梓九.四自由度气动机械手及其控制系统的设计[J].职业,2009,(17).
[12]郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势[J].中国西部科技,2012,(10).
[13]李庭贵.气动机械手搬运物料精确定位控制系统设计[J].液压与气动,2012,(01).
[14]齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究[O].东华大学,2006.
[15]黄海机.基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究[J].机电工程技术,2007,(11).
[16]于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计[J].液压气动与密封,2003,(05).
[17]黄伟玲.基于PLC的气动搬运机械手设计[J].煤矿机械,2009,(10).
[18]敬岚,朱海君,张硕成,乔卫民,梁义海.步进电机控制系统的设计及其应用.核技术,2005,28(6).
[19]Liu,C.,Xiao,N.F.:
Designandimplementationofhomeservicerobotandhomeintelligentsecuritycontrol.J.MicroComputerCommunication22
(2),212–215(2006)
[20]LevS.Belyaev,OlegV.Marchenko,SergeiV.Solomin.Astudyofwindenergycontributiontoglobalclimatechangemitigation[J].InternationalJournalofEnergyTechnologyandPolicy,2005,(4):
324-341.
指导教师意见
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 PLC 控制 自由度 气动 立式 机械 设计 开题 报告
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)