1.本课题的背景及意义

近年来，随着机器人技术的发展，应用高速,、高精度, 高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注。由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加，使结构发生变形从而使任务执行的精度降低。所以，机器人机械臂结构柔性特征必须予以考虑，实现柔性机械臂高精度有效控制也必须考虑系统动力学特性。柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统，其动力学方程具有非线性,强耦合,实变等特点。而进行柔性臂动力学问题的研究，其模型的建立是极其重要的。柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统，而且也是系统动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的非线性系统。动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据。一般控制系统的描述(包括时域的状态空间描述和频域的传递函数描述)与传感器/执行器的定位，从执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性密切相关。

（2）课题意义

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

1、可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

3、可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

2．本课题的基本内容及关键问题

（1）基本内容

在详细研究机械手设计基础上，对机器人系统进行整体规划，完成了机械结构部分和控制系统的设计。具体工作包括以下部分。

1机械手的整体方案设计；

2零部件的选型与计算，确定气压系统的主要参数

3根据选型的元器件，进行机械结构的三维设计与实现；

4PLC控制系统设计；

3．本课题调研情况综述

（1）国外研究现状

之前的几十年是专用机械手的黄金时期，但如今生产的机械手大多为通用机械手，随着社会需求的不断增加和机械手技术的迅猛发展，智能机器人应运而生。智能机器人所涉及的专业知识很广，不仅涵盖了最为基础的机械、自动化等方面的知识，还涉及到电气技术、计算机技术和智能技术等其他领域的知识，因此它的综合性很强。现在国内外都在大力发展这一技术，以提高各自的科技实力。
机械手技术在美国发展地很早，世界上第一台机械手便产自美国。在十九世纪六十年代，美国政府还没有看到机械手技术的巨大潜力，这是因为当时机械手技术刚刚发展，在实际应用中存在许多问题，而且那时候一台机械手的价格十分昂贵，让企业难以接受。之后由于许多汽车企业需要大幅提高汽车产量，开始研制一些功能和结构都比较简单的机械手，这极大地促进了机械手技术的发展。进入二十一世纪之后，在信息技术快速发展的基础上，机械手向智能化发展，其性能也越来越好。20545
日本的机械手技术在上世纪六十年代便已初具雏形，之后便一直快速发展。1970年，日本的机械手已经不需要从国外进口，从此之后，日本开始研究应如何将用机械手技术应用到实际工业生产过程中。伴随着机械手技术的快速发展，日本劳动力不足的问题对其工业的影响逐渐减小。因此，机械手技术的迅猛发展对日本经济来说意义重大。由于日本企业大量地使用机械手进行产品的生产，使得日本电子及汽车产品的产量有了巨大提升，质量也得到了提高，与此同时成本也降低不少，企业竞争力大大增强，占据了大量市场。

（2）国内研究现状

我国机械手技术的起步要晚于美日两国，但我国一直在努力追赶它们的脚步，以缩小和美日两国间的差距。
二十世纪七十年代人类首次登上月球，我国也发射了自己的第一颗人造卫星，这些成就促进了机械手技术的发展，而出于工业发展的需要，我国从1972年开始正式研究机械手技术。
进入80年代后，随着经济和高新技术的不断发展，我国机械手技术进入研究开发阶段，国家对机械手技术的重视程度不断提高，投入的资金也不断增多。特别是国家的863计划实施之后，机械手技术发展地更加迅猛，各高校和科研院所成功地研制出许多先进的机械手。
90年代后我国开始改革经济体制，经济的发展方式开始转变，我国的机械手技术也掀起了一波新的发展高潮，各种用途的机械手被研制出来，此时机械手已经开始大量地应用在工业生产中，越来越多地取代人进行产品的生产

（3）机械手系统分析

机械手的种类，按驱动方式可分为机械式、气动式、电动式、液压式机械手；按

适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

4．本课题的方案论证

采用从整体到具体的思路。系统作整体规划，细化要实现的功能，再联调改进。

机械臂的主要构成部分包括：驱动、管理机构、操作控制中心及转置检测等。
此机械臂是一个整体的机构，由同一个系统统一控制。它们可以有很多运动起来的办法，机械方面可以、用气压也可以、液压传动也可以等等。不论在什么时候，机械臂的各个部件不论到了什么位置，机械臂的控制系统到会很及时的把相关信息显示给主人看，并与控制系统中所预定的位置对比，然后才能根据区别来下达下一步的指令，完成这些任务的就是位置检测装置。
4.2工业机械手的分类
目前市面上比较常见的机械手一般可以分为液压式机械手，气动式机械手，电机式机械手。在本文所采用的是液压式机械手，下面就来讲一讲这3种机械手的区别。
气动机械手：气动机械手的动力是在外部条件下，通过对于空气的挤压从而给机械手提供动能的机械手型号，由于它采用空气来提供动能，所以气动机械手力量一般较小，但是气动机械手十分灵活，移动快递，规模也较小一些。但是由于本文所研究开槽机所需上下料所需机械手力量较大，因此并不适合。
电机式机械手：电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。但由于电机式机械手第一点是价格昂贵，第二点是规模较大，与本文所需要加工器件不符合，因此也没有采用这种机械手
液压机械手：液压机械手是以液体压油做为动力源的，本文选取这种机械手的原因主要有下面三点：1.液压机械手工作性能稳定，在前文就提到过，由于数控开槽机自身所带的校准系统与夹紧系统，它对于机械手摆放物体的精度要求相对较低故而这点非常适合他；2.液压机械手的动能强大，能够提供足够的动能给与到需要被加工器件的上下料中；3.液压机械手规模适中，适合安防在机床上。

指导教师意见：

（对本课题的深度、广度及工作量的意见）

本课题选题符合本机电一体技术专业培养目标，满足了主要就业岗位要求，达到了技术研究应用、实践能力培养和锻炼的目的。

本课题来源于顶岗实习单位，来自企业的一线实际需求，具有很大的技术应用价值。机器人自适应不锈钢打磨系统将工业机器人技术、传感器技术、PLC控制技术、气动技术等结合到一起，能大大提高打磨的效率和产品品质，降低成本，减少工人的劳动强度，填补了国内此方面的空白，对于增强国内企业的市场竞争力，从根本上提高我国的制造业水平，具有重要意义。

所以，课题把机器人技术、PLC控制技术、三维造型与设计技术等能相结合，具有很大的深度和广度，工作量非常饱满。其具有很好的创新性，能将机电一体化的主干专业知识、技能很好的应用于实际问题的解决，方法有特色、有新意。

准予开题。

指导教师：   王晓勇

2019年  5月  20日