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多用搅拌机械手设计论文-作者：-日期：毕 业 设 计课 题 名 称 多用搅拌机械手设计分 院/专 业 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX班 级XXXXXXXXXXXXX学 号 XXXXXXXXXXXXXXXXX学 生 姓 名XXXXXXXXXXXXXXXX指导教师：XXXXXXXXXX XXXX年XX月XX日摘要随着市场化程度的逐渐提高，越来越多的企业开始在自己的工厂内部实行自动化，不仅仅在于能够大幅度提高产品的生产速率，也能提高产品的质量，越来越多的机器人已经被越来越多的工厂所接受并开始大规模的使用。一个国家的机器人的使用程度、应用规模和技术水平也能深刻地反映这个国家的自动化工业水平。目前，常用的搅拌设施虽然可以满足施工的要求，但是比较笨重，不能灵活操作。因此，针对这种状况我们此次设计的搅拌设施比较灵活，还通过电气自动化技术的应用使得搅拌设施更加智能化。本次设计主要包括机械手总体结构的改进方案，以及对机械手的结构进行调整然后设计出全新的搅拌手。随后按照设计的图纸产生出气动原理图。然后，根据实际应用的环境对搅拌机械手的控制PLC电路进行设计。关键词：搅拌机械手；气压传动；可编程控制PLCAbstractWith the gradual increase in the degree of marketization, more and more companies have begun to implement automation within their own factories, not only to significantly increase the production rate of products, but also to improve the quality of products. More and more robots have already It was accepted by more and more factories and began to be used on a large scale. The degree of use, the scale of application, and the level of technology of a countrys robots can also profoundly reflect the countrys level of automation. At present, although the commonly used stirring facilities can meet the construction requirements, they are relatively bulky and cannot be operated flexibly. Therefore, in view of this situation, we have designed agitation facilities that are more flexible and also make the mixing facilities more intelligent through the application of electrical automation technology.This design mainly includes the improvement of the overall structure of the robot, as well as the adjustment of the structure of the robot and the design of a new mixing hand. Then, according to the design drawings, a pneumatic schematic is produced. Then, according to the actual application environment, the control PLC circuit of the mixing robot is designed.Key words: Mixing Manipulator Pneumatic Drive Programmable Control PLC 目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 研究目的11.3 设计的主要内容1第2章 总体结构与设计方案32.1 设计主要参数32.2 搅拌机械手总体结构方案32.3 搅拌机械手驱动方案确定42.4 搅拌机械手控制方案确定5第3章 机器人本体及机械手设计63.1搅拌机器底座设计63.2 第一关节的设计6 3.2.1 结构设计6 3.2.2 回转气缸工作压力计算7 3.2.3 上升丝杠的选型7 3.2.4 滚动轴承的选择83.3 第二关节的设计9 3.3.1 结构设计9 3.3.2 双活塞式气缸选型93.4 第三关机的设计10 3.4.1 结构设计10 3.4.2 气动马达选型103.5 搅拌机械手结构设计113.6 搅拌机械手快换装置设计12第4章 气动回路系统设计134.1气动回路设计134.2 气动回路工作流程134.3 气动回路元件选择14第5章 PLC控制系统设计155.1 机械手动作过程分析155.2 控制面板设计155.3 输入输出分配设计165.4 元器件选型175.5 电气原理图175.6 程序设计17总结19致谢20参考文献21附录22符号表22PLC程序23第1章 绪论1.1 研究背景及意义在现代工业生产过程中，经常会使用机械帮助人工进行生产，搅拌机作为一款非常实用的设备广泛应用在建筑工地、化工生产、医疗器械等行业中。当前，针对不同的工作环境开发的功能结构不同的搅拌机已经有上百种，但是这些搅拌机大多都是定做的，因此使用的局限性太大，设计生产一种型号的搅拌机往往只能在一种特定的场合使用，并且建筑工地使用的搅拌机体积太大、灵活性很差，所以在长途运输或者转移工地的时候会有很大局限性。针对以上种种弊端，我们决定在旧型号的搅拌机基础上对其进行改造，使得搅拌机行业焕然一新。工业中应用的机器人可以通过外部控制设备进行引导开展工作。随着工业化水平不断提高，在实际生产中对机械手的精度要求也不断提高，本设计的是用于搅拌机机械手臂的机器人模型。在传统搅拌机上通过使用机器人控制系统，使得原功能单一的搅拌机械手产生更多实用的功能，并且提高系统自动化程度。因此，本设计有很好的可行性。1.2 研究目的此次搅拌机械手的设计结合了多种技术，主要有数控技术，自动化技术，机械设计技术。通过多种技术的结合设计出一款性能优异的搅拌机械手。此产品的设计过程包含许多理论知识的支撑，因此有很好的实习意义，可以通过此次设计将自己所学的知识进一步加深，即从理论出发扩展应用到实际生产过程。现在常见的搅拌机基本都是只能使用在特点场合的，并且过于笨重，操作过于麻烦，不能实现自动化生产。面对目前快节奏的生产过程，我们必须对老款搅拌机械手进行改造以提高其生产效率。所以结合大学所学知识，对机器进行改造，设计出一种能够在多个场合使用的搅拌手。此设计使用的传动方式为气压传动配备有PLC控制技术，使得机器变得更加灵活自动。本设计只需要通过改变程序就可以在不同的工作环境中使用，节约了生产费用，并且还提高了工作的效率。 1.3 设计的主要内容本次设计的主要过程包括：（1）对搅拌手总体结构进行规划，评估设计的可行性。（2）设计主要的框架结构，主要包括支座、旋转轴、升降臂、伸缩装置等；（3）设计末端的手臂，主要为搅拌手的设计以及搅拌手和本体结构连接方式的选定。（4）设计电器元件，主要有电路系统的设计、搅拌装置气缸的设计、以及气动原理图的绘制。（5）装置PLC控制电路的设计，主要有PLC电路的连接，PLC电路类型的选择。然后给出总体的流程图。第2章 总体结构与设计方案2.1 设计主要参数机器人主要部件的参数：（1）支座设计为有四个可以自由旋转的轮子的形式，在机器位置变更的时候会更加便捷。（2）第一关节回转气缸： 0360升降总量： 567 mm升降速度： 83 mm/s（3）第二关节双活塞气缸 伸缩总量： 210 mm伸缩速度： 30 mm/s（4）第三关节使用气动马达提供动力 回转速度：无极变速2.2 搅拌机械手总体结构方案此型号的机械搅拌手拥有三个可以自由活动的关节，前两个关节在工作过程中一直按照直线的路径来回反复，带动气缸工作。第二个关节成旋转形态运动，旋转的中心为机器的轴，关节的大小取决于气缸的具体参数。第一个气缸关节是回转式结构，此方式是把机器底座和气缸进行连接，在运动的过程中机器底座会将力通过丝杆传递到气缸上，带动气缸运动；第二个气缸关节使用的也是丝杆进行连接，关节运动的力来自于气体从气缸里面往复进出的气体；第三个采用的是旋转的叶片带动气缸的运动，方法是把叶片安装在固定的地方，然后转子的运动会带动垂直方向的搅拌杆进行往复运动。以上即为搅拌手在一个工作周期内的运动路径。搅拌机械手具体的设计图如2-1所示：图 2-1搅拌机械手具体的设计图1-第一关节 2-第二关节 3-第三关节 4-搅拌机叶片 5-滚筒2.3 搅拌机械手驱动方案确定机械手气压马达减速装置空气压缩机控制调节装置气 泵左右回转气缸前后伸缩气缸回转运动结构设计最主要的是对电动机、轴承和联轴器等设计。通常使用的动力提供装置有电动形式、液压传动、气压传动三种方式。这三种方式都有各自的特点，本次设计的是食品加工中使用的搅拌机械手，所以应该考虑到食品安全卫生问题，应该采取比较环保的方式。在以上三种方式中，使用电机进行作为动力提供装置的需要安装齿轮等零件，但是齿轮上面一般都会添加润滑油作为润滑剂，在使用的过程中润滑油可能会泄露到食品搅拌釜中，所以不予考虑。对于液压形式，同样在工作的过程中也可能由于操作失误导致压力过大，造成液压油的泄露，同样不适用于食品搅拌加工。因此本设计使用气压传动的动力提供方式最为合适，气压传动的原理就是把空气经过压缩，然后再排放出产生动力差提供动力，这种方式即使发生了过载的现象也不会产生对食品卫生有害的物质，所以十分适用。并且气动的方式结构简单，成本低廉。因此经过综合考虑采用气动传动。此装置的主要元件有气缸、马达等。设计的方案图如2-2所示：图 2-2 驱动方案结构图2.4 搅拌机械手控制方案确定 一个系统的控制方案，决定了一个装置的自动化程度，在本设计中选择一个合理的控制体系能够保证机械手臂在工作的时候处于正确的位置，并且可以根据实际的情况进行调整。经过综合考虑，我们决定使用单片机或者是PLC电路对机械手臂的运动路径进行控制。PLC是一种结合了先进的电脑技术、同时运用了目前成熟的自动控制技术以及使用越来越普及的通信技术在内的一种新技术，使用起来操作简单方便、同时可靠性能良好，非常适应现在的工业环境。最常见的单片机为英特尔公司开发研制的51单片机系列，单片机优点是体积小、能耗低、兼容性好、容易扩展和安装简单，因此，单片机可以改造各种控制线路、数据采集系统、通话系统、无线触感系统、测控系统。可以用来控制流水线的作业过程，电梯的升降程度、以及各个类型的互联网结合的接口。 此次食品搅拌机械手臂的设计使用PLC电路进行控制，选择西门子S7-200进行控制，通过专用的软件可以实现对整个过程的监控和调控。第3章 机器人本体及机械手设计3.1搅拌机器底座设计底座起到支撑作用，虽然底座结构简单，却也是整体不可缺少的一部分。支座设计为有四个可以自由旋转的轮子的形式，方便机器整体移动。底座上还安装有滚筒。底座结构示意图如3-1所示：图 3-1 底座结构示意图因为支座仅仅起到支撑的作用，所以不需要考虑到和其他部件的兼容性问题。底座在加工的时候不要求有太高的精确度。在底座上共设计有4个螺孔，并在底座上开600mm的孔用来安装滚筒。3.2 第一关节的设计3.2.1 关节结构设计第一关节主要功能是对第二关节进行调控并且支撑，整体设计为回转式结构，此方式是把机器底座和气缸进行连接，在运动的过程中机器底座会将力通过丝杆传递到气缸上，带动气缸运动，支架在运动的过程中也会随着导杆的运动上下运动。第一关节立体图如图3-2所示：图 3-2 第一关节立体图3.2.2 回转气缸压力校核计算（1）计算扭矩本设计中选用的规格重为12KG，最多可以伸出的长度是875mm。查阅文献后可以得到扭矩M1的计算公式为：固定装置以及气缸自重为所以此部分的扭矩M2为：因为所以气缸摩擦产生的力矩M 3大小是：（2）工作气压计算查阅文献可以得到气压的计算过程为：3.2.3 上升丝杠类型选择丝杆的作用是承受气缸的上下运动的，一般情况下，导杆是固定的。只有在少数特殊情况下，导杆才会随着丝杆运动。（1） 材料选择和加工方式因为丝杆的传递过程功率较小并且此设计中没有其他特殊的条件，所以可以使用45号钢进行设计，在加工的过程中使用渗碳技术对材料外表进行处理即可。（2）轴径计算查阅资料可以得到丝杆直径的计算公式，已知，由于轴承起到承受扭矩的效果，所以C=106。已知所以按照上面公式可以计算出d:为了降低加工过程的难度，对上面的计算结果进行圆整，即（3）丝杠参数计算查阅文献可以得到丝杆的具体工艺参数，螺纹间距为了保证机械的的效率以及工作过程的稳定，本设计使用梯形螺纹；高度；宽度；强度为，剪切应力=50；弯曲应力b = 55（4）强度校核1、当量应力计算查阅文献可知强度计算公式为：根据以上的计算结果可以得知b，合格。2、剪切强度的校核查阅文献可以得到剪切强度的计算公式为：根据以上的计算结果可以得知，因此设计满足要求。3、弯曲强度的校核根据以上的计算结果可以得知b，因此设计满足要求。丝杆具体参数如下表3-1所示表 3-1 丝杠具体参数3.2.4 滚动轴承的选择在设计过程中，为了尽可能减小轴向力的影响，使用球形轴承进行设计，具体参考GB/T 292-1994中的规定。下图3-3，3-4为轴承安装的形式，本设计中使用对向方式进行安装。 图 3-3 背向形式 图 3-4 对向形式表 3-2 轴承的规格3.3 第二关节的设计3.3.1 结构设计第二关节的示意图如3-5所示，第二关节的作用是控制第三关节进行运动。此部分没有其他复杂的零件，总体结构比较简单，只需要把气缸安装在支架上。图 3-5 第二关节示意图1-气缸固定装置 2-可以伸缩气的缸3.3.2 双活塞式气缸选型根据气缸的固定方式不同，可以分为在缸体上固定的以及使用活塞杆进行固定的方式。本结构使用在缸体上固定的形式。（1）计算负载叶片的重量 马达重量 固定装置重量M总= （2）型号的确定对于设备的气缸应该具备足够大的承载量而且在工作的过程中应该保持稳定，在运行的过程中气缸的杆必须有较大的行程，以确保足够大的动力。在对设备尺寸进行权衡之后选择气缸行程为200mm，型号为TN-S的气缸。（3）气缸直径选择查阅产品的参数手册，可以得知相关的数据，然后计算出气缸的直径。初步设计的气缸直径应该是15mm30mm，因为使用在食品加工的设备上，所以气压不需要太大，选择0.6MPa，直径为30mm的气缸。由于，因此设计满足要求。（4）双轴气缸具体参数使用型号为的双轴气缸，性能参数见表3-3。表 3-3 气缸的具体参数3.4 第三关机的设计3.4.1 结构设计第二关节的示意图如3-6所示，此部分的作用是用来控制叶片的运动。图 3-6 第三关节具体示意图1-固定装置 2-气动马达 3-支撑支座3.4.2 气动马达型号选择在工业生产越来越依赖于自动化技术的今天， 液压制动以及马达制动都在控制过程中起到了关键作用。气动马达是一种通过膨胀压缩空气来进行机械功的马达。气动马达通常通过线性或旋转运动将压缩空气能量转换为机械功。直线运动可以来自隔膜或活塞执行机构，而旋转运动则由叶片式气动马达，活塞式气动马达，空气涡轮或齿轮式马达提供。在过去的两个世纪里，气动马达已经以多种形式存在，其尺寸从手持式发动机到高达几百马力的发动机。有些类型依靠活塞和气缸。许多压缩空气发动机通过加热进气或发动机本身来提高其性能。气动马达在手持式工具行业已经取得了广泛的成功，但它们也广泛应用于固定式工业领域。本设计中使用活塞运动的气动马达，它拥有良好的启动能力，并且能够提供强大的拉力。根据实际情况，假设一次加入的液体为100L，叶片的直径是200mm。（1）马达负荷输出H 1计算过程：（2） 马达类型的初步选择 通过查阅资料，可以确定马达输出H为：（3） 减速比计算马达实际运行的速度假设为最大值的70%。选择的马达最大的转速输出是750 R.P.M。所以实际设定的转速为所以实际设计值为叶片在搅拌的时候转速为：减速比：所以实际的减速比是:i = 1/I = 1/55（4）用于提供动力的马达转速为：查阅资料得，在此NU下的扭矩为5.1NM假设在工作的过程中，机器的效率为0.9，则在以上情况下马达输出量为：由于，所以TAM4-030型号的设备满足性能要求。表 3-4 TAM4-030型号集体参数3.5 搅拌机械手结构设计本设计的叶片主要用来搅拌加工食品前所需要的原料，在加工的过程中针对性质不同的食品原料能够更换不同的规格的搅拌叶片，滚筒的大小参考内径尺寸。图3-7是此次选用的叶片，外形和电风扇相似，主要适用于面粉的加工，因为电风扇形式的结构，边缘比较薄所以不容易堵塞，有利于保证食品的安全，以及工人的清洗。图 3-7 风扇式图3-8是板式的搅拌片。这种结构主要用于粘稠状态的原料加工搅拌，由于叶片比较大，所以能够提供的动力比较大，在使用完毕后便于清洗。图3-9是混合式的叶片，经过特殊设计可以满足多种不同情况下使用，因此性能比风扇式和板式的结构好。 图 3-8 框式 图3-9 组合式3.6 搅拌机械手快换装置设计在不同的工作环境中，可能会加工不一样的原料，所以应该设计成可以更换式的结构，以满足各种情况下的性能需求，但是在加工的过程中不断进行更换叶片会耗费大量的实际，效率很低所以本设计意图设计一种更换简便性能良好的装置。此设计使用钻床封头的形式进行设计，主要的结构包括支座、螺母等。其中四个卡栓安装在支座的凹槽中，然后将螺母安装在表面，起到固定作用。在需要更换叶片的时候只需要把螺母松开，就可以立刻完成更换。如图3-10所示：图 3-10 快速换装夹头第4章 气动回路系统设计4.1气动回路设计系统的动力全部来自于空气压缩产生的能力，在运转之后，搅拌手臂先会上升，然后会伸出到缸体外，随后机械手臂下降到搅拌槽中，开始工作。手臂上下运动可以使用电磁铁的特性进行控制，手臂的伸缩运动同样使用电磁铁控制，叶片按照需求的不同可以提供正转和反转两个形式，使用电磁阀进行控制。气动回路系统设计如图4-1所示：图 4-1 气动回路系统1-气压源 2-储气罐 3-过滤器 4、5、6-三位四通电磁换向阀7、8、9-单向节流阀 10-回转气缸 11-伸缩气缸 12-气动马达4.2 气动回路工作流程整个回路工作的过程是，首先1YA通电，然后电磁铁开始生效，此时机械手会上升，然后3YA通电机械手伸出缸体。之后机械手会下降运动。在开启运行按钮后，5YA会通电，叶片会获得动力快速转动，如果选择的是反转的模式6YA会获得电力，此时叶片反向运转。气动回路中电磁阀工作的顺序见表4-1：表 4-1 电磁阀动作顺序表电磁铁动作1YA2YA3YA4YA5YA6YA手臂上升+-手臂伸长-+-手臂下降-+-马达旋转-+-+（-）-（+）马达停转-+-手臂上升+-+-手臂缩短-+-+-泄 荷-4.3 气动回路元件选择气动元件的选择需要参考动力提供装置，应该考虑到气压源以及电磁阀的设置等。具体见表4-2：表 4-2 气动元件列表第5章 PLC控制系统设计5.1 机械手动作过程分析搅拌装置在闲置的时候处于的位置称为起始位置，机械手运动的过程为：（1）在开始启动的时候按键SB1，此时回转缸的位置提升，然后电磁铁通电，机械臂会匀速向上运动；（2）在向上运动到一定的高度之后，传感器P2会切断电磁铁的电源，然后电磁铁3YA会通电，此时机械手臂会伸出；（3）机械手臂在伸出一定的程度之后，传感器P4会切断3YA的电源，然后手臂会匀速进行下降；（4）在下降的过程中，运行到下限时传感器P1检测到信号，然后切断2YA的电源，这时候机器正式开始搅拌，搅拌的过程有两种方案选择：方案一：叶片正转 30S 然后反转20S 再正转10S 反转30S 正转10S 反转10S 正转30S 停止转动方案二：叶片正转 30S 然后 反转20S 再正转10S 反转20S 正转30S 反转20S 正转30S 停止转动（5）在搅拌均匀后，马达会切断电源，此时机械手臂的电磁铁会通电，然后机械臂会均匀速度上升。（6）在上升到设定的上限之后，电磁铁1YA会切断电源，然后4YA的电源接通，此时机械手臂会缩回到开始的位置。以上过程为一个工作周期中机械手臂的运动路径。5.2 控制面板设计为了提高设备的智能化程度，设置有控制面板方便工人进行操作，设置的具体情况如图5-1所示：图 5-1 控制面板5.3 输入输出分配设计I/O功能的具体分配，见表5-1：表 5-1 I/O功能的具体分配位号名称地址用途P1气缸向下位移检测器I0.0手臂下降P2气缸向上位移检测器I0.1手臂上升P3伸缩运动检测器I0.2手臂伸出P4伸缩运动检测器I0.3手臂伸出P5物料检测器I0.4检测物料SB1启动按键I1.0开始工作SB2复位按键I1.1初始化SB3停止按键I1.4停止工作SA1模式变更1I1.2模式切换SA2模式变更2I1.3模式切换SA3紧急暂停I1.5模式切换YA1手臂下降阀门Q0.0手臂下降YA2手臂上升阀门Q0.1手臂上升YA3手臂伸出阀门Q0.2手臂伸出YA4手臂缩回阀门Q0.3手臂缩回YA5马达正转阀门Q0.4马达正转YA6马达反转阀门Q0.5马达反转HL1指示灯Q1.0指示灯5.4 元器件选型气缸的位置以及支撑架的位置应该参考气缸的具体要求，以及工作状态。本次设计的传感器参数体见表5-2：表 5-2 传感器参数5.5 电气原理图PLC接线图如5-2所示，电气原理图见附录1：图 5-2 PLC外部接线图5.6 程序设计在设计PLC控制之先应该先绘制出流程图，以便于在编写程序的时候有具体的框架，本设计流程图如5-3所示：图 5-3 程序流程图在完成整个流程的设计后，需要对控制的过程进行编程。在编写程序的过程中应该充分考虑到各种情况的影响，如果传感器检测到信号，就应该按照检测到的数值对输出量进行控制。PLC程序的设置见附录。总结此次关于搅拌机械手的设计是我们人生当中最后的一堂课了，是对我们大学四年来学习到的东西和一些社会实践经验能力的一种综合评估的课程，是我们把所学到的知识加起来再学习，再进步的一个过程，这个过程对于我们的学习方法和独立完成任务以及工作能力也是进一步的考验，同时通过毕业论文的撰写，使我们明白了书上知识的具体应用，这对即将参加工作实践的我们来说是求之不得的机会。这次设计是架起学校生活与社会生活间转渡的桥梁。在完成毕业论文设计的这段时间里，我学习到了很多，掌握了很多机械专业职业的知识，对我所学过的知识有所集中和进步，让我对当今机械职业的现状有了一定的了解。我永远都不会忘记这一个月熬夜的日子。毕业论文的制作给我们开了一扇新门。在我图书馆查找各种资料的日子里，面对无数书本的摆列，最难忘的是每次画完图和写完一大章的喜悦之情；亲手设计图纸的时间里，记忆最深的是每一步小小思路完成时那愉悦的心情；为了论文我经常奋斗到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有HAPPY毫无疲惫之感。这段旅程看似乌云密布，实际上蕴藏着无尽的财富。我从资料的收集中，掌握了很多关于PLC控制电路的知识。在整个过程中，我学到了以前书本上没有的知识，增长了对当今的社会步伐快步走的见识。在以后的日子里，我还是要不断地激励自己，争取在所学领域有一定的成就。脚踏实地，认真学习的学习态度，不怕难题、咬牙坚持的精神是我在这次设计中最大的收益。完成整个毕业项目的过程中，使我对在学校所学的理论知识有了更深入的了解，尤其是在实际操作过程中有了很大的进步。对于搅拌机械手理解实现了从课本上的理论知识到实际的设计实践的转变。所设计的结构拥有拥有材料成本低，控制简单等众多优势，但是也存在不足之处，就是使用的范围不够广。我收获了很多东西，如复习和复习