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机床上下料机械手设计临 沂 职 业 学 院 毕业设计（论文）机床上下料机械手设计 系 部 机电工程系 专 业 机械制造与自动化 班 级 _机械二班_ 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 二O一 一 年 五 月 一 日 摘要 在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生 产过程的自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业 所认同并采用. 工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家 工业自动化的水平,目前,工业机器人主要承担着焊接,喷涂,搬运以及堆垛等 重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式. 本文将设计一台用于给机床设备安装物料的简易机械手.首先,本文将设计机械手的手部、腕部、臂部结构,然后选择合适的传动方 式、驱动方式,在此基础上,本文将设计该机械手的控制系统 ,重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性,最终实现的目标包括:关节的伺服控制和制动问题,实时监测机 器人的各个关节的运动情况,机器人的示教编程和在线修改程序,设置参考点和 回参考点.关键词:机器人；示教编程；伺服；制动 目 录摘 要1第一章 绪论31.1课题背景31.2设计目的及意义41.3机械手的发展与趋势41.4 应用机械手的意义5第二章 机械手的总体设计62.1机械手的概述62.2机械手的组成及各部分关系62.3机械手的总体方案拟定82.4机械手的主要参数9第三章机械手机械结构的设计93.1手部93.2腕部103.3臂部11第四章机械手的PLC控制系统设计124.1PLC概述124.2系统及原理124.3 PLC梯形图134.4机械手采用PLC控制的优点13结 论14致 谢15参考文献16第一章 绪论1.1 课题背景在现代工业中,生产过程的机械化,自动化已成为突出的主题.化工等连续 性生产过程的自动化已基本得到解决.但在机械工业中,加工,装配等生产是不 连续的.专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床,数控机床,加工 中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法. 但除切削 加工本身外,还有大量的装卸,搬运,装配等作业,有待于进一步实现机械化. 机器人的出现并得到应用,为这些作业的机械化奠定了良好的基础. 工业机器人 (Industrial Robot) :多数是指程序可变(编)的独立的自 动抓取,搬运工件,操作工具的装置(国内称作工业机器人或通用机器人) . 机器人是一种具有人体上肢的部分功能,工作程序固定的自动化装置.机器 人具有结构简单,成本低廉,维修容易的优势,但功能较少,适应性较差.目前 我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人, 而把工业机械人称为通用机器 人. 简而言之,机器人就是用机器代替人手,把工件由某个地方移向指定的工作 位置,或按照工作要求以操纵工件进行加工. 机器人一般分为三类.第一类是不需要人工操作的通用机器人,也即本文所 研究的对象.它是一种独立的,不附属于某一主机的装置,可以根据任务的需要 编制程序,以完成各项规定操作.它是除具备普通机械的物理性能之外,还具备 通用机械,记忆智能的三元机械.第二类是需要人工操作的,称为操作机 (Manipulator) 它起源于原子, . 军事工业, 先是通过操作机来完成特定的作业, 后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等. 工业中采用的锻造操作 机也属于这一范畴. 第三类是专业机器人, 主要附属于自动机床或自动生产线上, 用以解决机床上下料和工件传送.这种机器人在国外通常被称之为Mechanical Hand ,它是为主机服务的,由主机驱动.除少数外,工作程序一般是固定的, 因此是专用的. 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型, 其中关节型机器人以其结构 紧凑,所占空间体积小,相对工作空间最大,甚至能绕过基座周围的一些障碍物 等这样一些特点,成为机器人中使用最多的一种结构形式,世界一些著名机器人 的本体部分都采用这种机构形式的机器人. 要机器人像人一样拿取东西,最简单的基本条件是要有一套类似于指,腕, 臂,关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构;像肌肉那样使手臂运动的 驱动-传动系统;像大脑那样指挥手动作的控制系统.这些系统的性能就决定了 机器人的性能.一般而言,机器人通常就是由执行机构,驱动-传动系统和控制 系统这三部分组成1.2 设计的目的和意义当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。1.3 机械手的发展与趋势 机械手首先是从美开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：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。现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。 日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。1.4 应用机械手的意义随着科技的发展，机械手应用的越来越多。在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：提高生产过程自动化程度，增强生产效率。机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。改善劳动条件在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。减少人力资源，便于节奏生产。机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。第二章 机械手的总体设计2.1 机械手的概述工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一向新技术，并已成为现代机械生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程。机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各现金工业园的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高压、高温、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。2.2 机械手的组成及各部分关系机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。（图2.1.1 机械手的组成及相互关系）执行机构执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。手为抓取机构，用于抓取工件。关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。传动机构传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。控制系统机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。辅助装置辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。机械手按用途分类为：专用机械手、通用机械手。按照传动方式分类为：液压式机械手、气动式机械手、机械式机械手和电动机械手。2.3 机械手的总体方案拟定工业机械手的主题结构设计的主要问题是选择有连杆件和运动副组成的坐标形式。根据设计要求，总体设计方案示意图如图2-3所示，采用直角坐标式，可实现左右、上下、小臂旋转、爪加紧与放松四个动作。直角坐标式机械手主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的%14.一般直角坐标式机械手的手臂能垂直上下移动，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动。直角坐标式机械手主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。直角坐标式机械手的优点是：（1） 结构简单（2） 容易编程（3） 采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高（4） 在x，y和z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用2.4 机械手的主要参数传动方式反应速度尺寸和重量负荷能力控制方式操控范围反应速度定位自由度安全性实用性第三章 机械手机械系统的设计3.1 手部手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状。尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴。盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现加紧或放松。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒是，不会引起中心位置的偏移。但这种手指比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部的回转运动来完成。抠轴支点为一个的，称为但支点回转型；为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。为了手指根部的结构紧凑，这里采用单支点滑槽杠杆式，如图3-1 3.2 腕部 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。一般手腕没有回转运动或在增加一个上下即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于270）。并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。因此，在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。腕部设计的基本要求：一、 力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精。动载荷均由臂部承受。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。二、 综合考虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度。刚度外，还应该综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题三、 必须考虑工作条件对于高温作业和腐蚀性介质中的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控原件的耐热性等）。由于本设计不需要腕部的回转和摆动，故只用一个钢管作为腕部，起到连接与支撑手部和臂部的作用。又考虑到经济性和实用性，最终选用45号钢管，其力学性能和价格都比较适中，中间的管道作为油管通道。3.3 臂部手臂部件是机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。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。第四章 机械手的PLC控制系统设计4.1 PLC概述PLC 是可编程控制器的简称。PLC 源于继电器控制技术，通过运行存储在其 内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所需要的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息输入输出的物理过程一般不考虑的。而 PLC 则要考虑信息输入 输出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用，特别要考虑怎么适应于工作环境，比如，便于安装，便于维护及抗干扰等问题，输入输出信息变换及可靠的物理实 现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。它的功能要比继电器控制装置多得多，也强得多。根据PLC丰富的指令系统，各种各样的I/O 接口、通信接口，大容量的内存，可靠的自身监控系统，可以知道PLC 的基本功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理功能；程序与数据存储功能；联网通信 功能；自检测、自诊断功能。PLC 把这些功能集于一身，是别的电控器所没有的，也是传统的继电器控制电路所无法比拟的。PLC 丰富的功能为它的广泛运用提供 了可能。4.2 系统及原理（图3.3 控制系统原理图）4.3 PLC梯形图PLC 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC 的第一编程语言。梯形图的最大优点就是直观易懂，很容易被电气工人掌握，非常适合开关量逻辑控 制。PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等，它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元，每一次继电器与PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。梯形图两侧的垂直公共线称为母线，在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电 源电压，母线之间有能流从左向右流动，右母线可以不画出。根据梯形图中各触 点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。4.4 机械手采用PLC控制的优点机械手不止有一种控制系统，一些控制系统或多或少会存在一些缺点，而这些缺点在自动化生产中会造成不可避免的损失。而PLC控制的机械手在工业应用上表现最为突出，我们从几方面论述一下PLC控制机械手的优点。控制方式：电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能非常困难；而PLC控制是软接线，改变控制程序即可实现逻辑的改变或增加功能。工作方式：电气控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制约。控制速度：电气控制速度慢，触电易动；PLC通过半导体控制，速度快，无触点，无抖动。可靠性能：电气控制触点多，会产生磨损和电弧烧伤，接线多，可靠性差；PLC无触点，寿命长，具有自诊功能，执行程序监控，调试和维护方便。 结 论本课题所设计的机械手的操作过程是由电动机和气缸组成执行机构作为驱动，系统采用可编程控制器控制，运用步进顺序控制编程，程序简单且便于调试。通过PLC 本身通信接口与计算机联网，对现场操作的各项参数进行监测、修改、调整，使系统处于最佳工作状态。利用 PLC 控制机械手相对于其它控制方式，具有很高的可靠性，较好的性价比，较强的可操作性和实用性。就本课题设计的目的，实际应用运行良好，大大方便了工作和生活。通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得到了提高，认识到自己在这方面的不足。并且，对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了有关可编程控制器的功能，还有机械手的工作原理等等。通过做这个设计，对以前不足的知识进行弥补，在指导老师那里学到了很多宝贵的东西，这些都是对我很有帮助的。致 谢本