毕业设计（论文）-工业机器人设计

《毕业设计（论文）-工业机器人设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-工业机器人设计（41页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书摘要 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手，机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。 工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反应了一个国家工业自动化的水平，随着工业自动化的普及和发展，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，减少其他运输工具的局限，从而满足现代经济发展的要求。 本机械手主要用于光轴

2、的搬运工作，能够配合机床（如锻床、数控机床、组合机床）或装配线等进行圆柱形工件搬运。本机械手将采用三个自由度，为气压驱动。本设计首先对机械手的手部、手腕、手臂等各个部分进行设计计算，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；其次，在气动系统的基础上对电气控制系统（PLC）进行了合理设计和布线。其动作过程包括：下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：回原位、手动、单步、单周期、连续；完成搬运机械手搬运工件的最终要求。关键词: 机械手，搬运，结构，气压，可编程控制器（PLC）。39河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书Abstra

3、ctThe technology device used to reproduce the staff function is called a mechanical hand, the mechanical hand is imitate the action of the manpower, to achieve a given program, track and requirements automatically grab, handling or operation of automatic mechanical device. Robots can replace the han

4、ds of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level.The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, with the popularity

5、 of industrial automation and development, handling the application of mechanical hand gradually popularity, mainly in the automotive, electronic, mechanical processing, food, medicine and other areas of the production line or cargo transport, we can be more good to save energy and improve the trans

6、port efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation to meet the requirements of modern economic development.This manipulator is mainly used for metal optic axis handling work, can match with machine tools (such as forging bed, NC machine tools, combinati

7、on machine tools) or assembly line of weight to realize cylindrical work pieces handling. The robot will use the three degrees of freedom for the pneumatic drive. First, I design and calculate the hand, wrist, arm and various parts of the mechanical hand. Then choose the proper drive method and tran

8、smission method, build the mechanical structure of the mechanical hand. Second, design and wire the electrical control system on the base of the pneumatic system of the manipulator. Their course of action should include: decline in clamping increased, slow forward, fast forward, slow progress, the e

9、xtension of , the drop in, relax, rise, slow back, rewind, slow back; its operation, including: back in situ, manual, single-step, single cycle, continuous; and finally complete the final requirements of the handling robot porter pieces.Keywords: mechanical hand, transport, structure, pneumatic , pr

10、ogrammable logic controller (PLC).目录摘要IAbstractII第一章 绪论51.1 选题背景51.2 机械手设计目的及意义51.3 机械手发展历史及现状61.4 国内外应用及发展趋势81.5 设计大纲9第二章机械手方案设计及计算112.1 机械手的设计要求及技术参数112.1.1机械手的总体方案论证112.1.2 驱动方式的选择112.1.3 技术参数1222 手部结构设计及计算132.2.1 手部设计要求132.2.2 手部选型及计算142.2.3手部夹紧力和驱动力计算152.2.4 气缸的直径确定172.2.5 缸筒壁厚的设计182.3腕部结构设计192

11、.3.1 腕部设计要求192.3.2 腕部的总体设计要求如下：202.4臂部结构设计及计算202.4.1 臂部设计要求202.4.2 伸缩手臂的设计212.4.3 手臂伸缩气缸的尺寸设计222.4.4 导向装置232.4.5 平衡装置232.4.6 手臂升降气缸的尺寸设计与校核232.5 机身设计及计算242.5.1 回转机身设计252.5.2 尺寸设计及校核25第三章 气动系统的设计283.1 驱动方式的选择283.2 气动原理图283.2.1 气动控制系统简介：283.2.2 各执行机构的调速30第四章 机械手的PLC控制设计314.1 PLC简介314.1.1 PLC的发展历史314.1

12、.2 PLC的结构324.1.3 PLC系统的其它设备334.1.4 PLC的分类334.1.5 PLC的特点344.1.6 PlC的用途344.2 机械手动作PLC设计354.2.1 I/O接口简介364.3 PLC设计364.3.1 输入输出设备364.3.2 选择可编程控制器364.3.3PLC的I/O分配如下：374.3.4 PLC外围接线图如下：38总 结40参 考 文 献41致 谢42河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书第一章 绪论1.1 选题背景 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作

13、业的机电一体化自动化生产设备。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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。 机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产

14、已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的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、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。目前我国的工业机器人技术及其

15、工程应用的水平和国外比还有一定的距离，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。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 机械手设计目的及意义本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的搬运机械手的设计，较好地体现了机械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，实现了理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国

16、的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。然而，在国内很多工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，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，本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。机械手动作周期为：机械手右旋转机械手上升机械手手臂伸长机械手下降机械手加紧机械手上升机械手手臂收缩 机械手左旋机械手下降机械手手臂伸长机械手下降机械手松开机械手手臂收缩图1-1 机械手动作周期1.3 机械

17、手发展历史及现状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 。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unima

18、ton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-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，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。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。德国KnK

19、a公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传

20、感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。图1-2 搬运机械手随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。

21、使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。 1.4 国内外应用及发展趋势 机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生

22、产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：1机械结构向模块

23、化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；2工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；3机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术；4关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、

24、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； 5焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真；6.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市

25、场化、模块化的元件。 1.5 设计大纲 在设计之前，先确定一个大纲。这次毕业设计的设计原则是：以开题报告所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。按照结构设计，驱动方式设计，电气控制设计的顺序，在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际

26、，充分发挥个人能动性，认真的做好本次设计。河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书第二章机械手方案设计及计算2.1 机械手的设计要求及技术参数2.1.1机械手的总体方案论证对搬运机械手的基本要求是能快速、准确地搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度等特性。机械手的主要部件有执行机构、驱动系统、控制系统等装置组成。图2-1 机械手的组成2.1.2 驱动方式的选择 现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火

27、事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性；（2）工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。且当油污染到一定程度还需更换，降低了经济效益；（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声；（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要较高技术水平。所以本设计将采取气压驱动，相比传统的液压驱动，气动技术有以下优点： （1）介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的问题； （2）阻力损失和泄漏较小，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染

28、； （3）动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制； （4）工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。所以本次设计的机械手是光轴气动搬运机械手。2.1.3 技术参

29、数机械手的技术参数为：1、抓重：300N（机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为300N）；2、自由度：3个（由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度）；3、坐标形式：圆柱坐标；工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，在这里我们选择圆柱坐标形式。圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-2。这种机械手构造比较简单

30、，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。图2-2 机械手的四种坐标形式4、回转范围：；5、手臂最大中心高：6、手臂运动参数伸缩行程120mm伸缩速度40mm/s升降行程120mm升降速度60mm/s7、手指夹持范围：光轴棒料，60mm120mm，长度4501200mm；8、定位方式:行程开关或可调机械挡块等；9、驱动方式：气压驱动；10、定位精度：1mm。22 手部结构设计及计算2.2.1 手部设计要求 手部设计要求如下：(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力应考虑到在一定的夹紧力下，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落

31、。 (2) 手指应具有一定的张开范围，即开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证当机械手夹持工件时能顺利夹住或放松，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，以便于抓取工件。 (3) 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，此外，应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (4) 应保证手抓的夹持精度，使工件准确定位为使手指和被夹持工件保持

32、准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。 2.2.2 手部选型及计算手部是用来直接握持工件的部件，由于被握工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以手部结构是多种多样的，归结起来常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。夹持类常见的主要有夹钳式，钩托式和弹簧式。按夹持工件时的运动方式可分为回转型和平移型。夹持式中常用的有两指式、多指式和双手双指式；按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手

33、手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。通过综合评估，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置。下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆:下图为常见的滑槽杠杆式手部结构。在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉

34、力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2。其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B。由 =0 得 = =0 得=由=0 得=h F= (2-1)式中 a手指的回转支点到对称中心的距离(mm) 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=。2.2.3 手部夹紧力和驱动力计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷

35、，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： (2-2)式中 安全系数，通常1.22.0；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ；运载时工件最大上升速度；系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s；方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力（N）。 计算：令a=50mm,b=150mm,=30；机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力，驱动力。(1) 设=1.5 =100 mm/s =0.5s =1.02 =0.5 根据公式，将已知条件带入： =1.51.00.5300=225N根

36、据驱动力公式得：(2) =1012.5N 取(3) =1192N图2-3 手爪及气缸2.2.4 气缸的直径确定本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:式中: - 活塞杆上的推力，N； - 弹簧反作用力，N；- 气缸工作时的总阻力，N；- 气缸工作压力，Pa。弹簧反作用按下式计算:= 式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，m- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则:由以上分析得单向作用气缸的直径:代入有关数据，

37、可得 所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径校核，按公式有:其中，则: mm 故其满足实际设计要求。2.2.5 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:式中:- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:2.3 腕部结构设计手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位

38、精度等许多因素有关。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。2.3.1 腕部设计要求1.机械手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机械手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机械手腕部的灵活性愈高，机械手对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机械手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机械手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机械手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。2.机械手腕部安装在机械手手臂的末端，在设

39、计机械手手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机械手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机械手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机械手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。机械手的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机械手手臂末端的手腕，则给出了机械手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机械手手腕是机械手操作机的最末端，它与机械手手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨

40、迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。2.3.2 腕部的总体设计要求如下：(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。(2) 结构考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。(3) 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手

41、的腕部没有太多不利因素。因此，要具体问题具体分析，考虑机械手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。在本设计中手腕不需要自由度，作为手爪与手部的链接装置。2.4 臂部结构设计及计算手臂部件的作用是支承腕部和手部并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。一般来说臂部具有三个自由度就能满足要求，即手臂的伸缩、左右回转(机身)和升降运动。 2.4.1 臂部设计要求臂部的设计要求主要如下：1.应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样有利于机械手的控制；2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机

42、械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系；3.为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂；4.机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构；5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的；6.机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。手臂的各

43、种运动通常由常用的驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。 常见的手臂结构有以下几种： （1）双导杆手臂伸缩机构。 （2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回 转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气缸空心结构。 （3）双活塞杆气缸结构。 （4）活塞杆和齿轮齿条机构。臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足下列各项基本要求：（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻；（2）臂部运动速度要高，惯性要小；（3）手臂动作应该灵活；（4）位置

44、精度要高。在本气动机械手设计中，直线和旋转模块均采用气缸驱动。2.4.2 伸缩手臂的设计伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。由于伸缩手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸缩手臂的设计应该保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。图2-4 机械手运动示意图 根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大部分：伸缩手臂的设计，实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动；回转臂(机身)的设计，完成机械手的回转运动。 2.4

45、.3 手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参看各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63：图2-5 伸缩气缸尺寸校核: 1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强, 则驱动力： 测定手腕质量为5kg,设计加速度，则惯性力：=2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, 所以 总受力 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。2.4.4 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作

46、用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。2.4.5 平衡装置 在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。 2.4.6 手臂升降气缸的尺寸设计与校核将升降气缸

47、安装在平台上，就可以实现升降运动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在两个位置（完全伸出和回缩位置）之间进行切换。经过选型，采用标准气缸CA1系列。其中内径100mm,行程设计为118mm。尺寸设计：气缸运行长度设计为=118mm,气缸内径为=100mm,半径R=50mm,气缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力 尺寸校核：1、测定手腕质量为5kg,则重力 2、 设计加速度，则惯性力 3、 考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， 总受力 所以设计尺寸符合实际使用要求。下图为升降气缸示意图：图2-6 升降气缸2.5 机身设计及

48、计算2.5.1 回转机身设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。 按照设计要求，机械手要实现手臂的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。 常用的机身结构有以下几种： 1、回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。2、回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸

49、活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。3、活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之下的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。回转机构置于升降缸之下的机身结构。手臂部件与升降缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂部分回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是分开布置的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下端盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就

50、通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。此部分选用单片叶片式摆动气缸来实现整个机械手的回转运动。2.5.2 尺寸设计及校核 此部分选用单片叶片式摆动气缸。经过选型，采用大型叶片式摆动气缸CRB1系列，需设计其叶片内直径与叶片轴直径计算公式如下： T=叶片宽度设计为b=9mm,气缸内径为=100mm, 轴径=32mm, ,叶片数n=1,则理论驱动力矩 ：T= = 448.8 图2-7 摆动气缸尺寸校核：1测定参与手臂转动的部件的质量m1=5 kg,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径 r=100mm的圆盘上，那么转动惯量： =50.100.10/2 =0.025（

51、） =0.025(180/1)=4.5考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数, =0.24.5=0.225 总驱动力矩 =4.5+0.225=4.725 TM 所以 设计尺寸满足使用要求。 第三章 气动系统的设计3.1 驱动方式的选择现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等)；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性；（2）工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。且当油污染到一定程度还需更换，降低了经济效益；（3）因液

52、压脉动和液体中混入空气，易产生噪声；（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要较高技术水平。以及各种驱动方式的比较如下： 1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防

53、爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，快速响应高，易于实现直接驱动等特点，可实现连续位置控制。适用于承载能力大、惯量大环境中进行工作。经过综合比较，本设计采取气压传动方式。3.2 气动原理图3.2.1 气动控制系统简介：气动控制系统是一种自动控制系统。这种控制系统是由执行元件执行一动作后，由行程发信器发出信号，此信号输入到逻辑控制回路，由其作出判断并发出有关直行信号，指挥执行元件执行下一个动作，此动作完成后，又发出新的信号，直到完成预定定控制为止。实际上，这是一种闭环控制系统。图3-1 气动三大件下图为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源

54、是由空气压缩机（排气压力等于0.4MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器(称为气动三大件），进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。图3-2 机械手气压传动原理图3.2.2 各执行机构的调速凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大

55、小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。 各个气动元件表如下： 表3-1 气动元件表序号型号规格名称数量1储气缸12QSL-26-S1分水滤清器13QTY-20-S1减压阀14QIU-20-S1油雾器15YJ-1压力继电器16Q24D2H-10-S1二位五通电磁滑阀47Q24D2H-15-S1二位五通电磁滑阀1 河南理工大学本科毕业设计（论文）说明书第四章 机械手的PLC控制设计考虑

56、到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。4.1 PLC简介4.1.1 PLC的发展历史可编程序控制器的英文为Programmable Controller,在二十实际七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代个人计算机发展起来，也简称为PC，加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器，PLC（Programmable Logic Controller）。为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。1968年美国GM通用汽车公司

57、提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了GM公司装配线的需要。，PLC由于其操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。我国从1974年开始研制，于1977年开始工业应用。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了在八十年代至九十年代中期是PL

58、C发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。 PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也是。有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。 PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因。 4.1.2 PLC的结构从结构上分,PLC

59、分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等.这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。图4-1 PLCPLC的主要结构有：A：中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。CPU单元还包括外围芯片、总线接口及

60、有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度。IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 B： 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 PLC常用的存储器类型：(1) RAM (Random Assess Memory) 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。(3) EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。C：电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而