3个自由度搬运机械手的设计【全套5张cad图纸和毕业论文】

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3个自由度搬运机械手的设计

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关键词：: 自由度搬运机械手设计全套 cad 图纸以及毕业论文

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摘要

机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。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，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题．解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便，结构简单。
关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度

ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom

第1章绪论 4

1.1机械手的历史 4
1.2机械手的组成 5
1.3机械手的分类 6
第2章搬运机械手机构总体方案设计 8
2.1搬运机械手设计要求 8
2.2基本设计思路 1
2.3搬运机械手结构设计 11
2.4 机械手材料的选择 11
2.5机械臂的运动方式 11
2.6搬运机械手驱动与控制系统分析 12
第3章搬运机械手机械结构设计与计算 13
3.1搬运机械手手爪设计 13
3.2 搬运机械手手臂设计 13
3.3 手部设计计算 16
3.4腕部设计计算 20
3.5液压驱动系统设计 21
3.6机身结构的设计 23
第4章机械手控制系统的设计 27
4.1 PLC简介 27
4.2 PLC工作原理 27
4.3 PLC机型的选择 27
4.4 PLC控制面板的拟定 29
4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定 30
4.5 PLC程序编写 33

总结与展望 40
参考文献 41
致谢 42

1 绪论
随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多

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内容简介：: 轴承坯料搬运机械手的设计摘要机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。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，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便，结构简单。关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度- 43 -ABSTRACTManipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom目录第1章绪论41.1机械手的历史41.2机械手的组成51.3机械手的分类6第2章搬运机械手机构总体方案设计82.1搬运机械手设计要求82.2基本设计思路12.3搬运机械手结构设计112.4 机械手材料的选择112.5机械臂的运动方式112.6搬运机械手驱动与控制系统分析12第3章搬运机械手机械结构设计与计算133.1搬运机械手手爪设计133.2 搬运机械手手臂设计133.3 手部设计计算163.4腕部设计计算203.5液压驱动系统设计213.6机身结构的设计23第4章机械手控制系统的设计274.1 PLC简介274.2 PLC工作原理274.3 PLC机型的选择274.4 PLC控制面板的拟定294.5 机械手工艺过程和控制方案的确定304.5 PLC程序编写33总结与展望40参考文献41致谢421 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机械手或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO)；。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国iRobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。由于机械手的迅猛发展，机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是机械手的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。1.1机械手的历史机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环节。1.2 机械手的组成一般来说，机械手主要有以下几部分组成： 1. 手部(或称抓取机构)：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 传送机构(或称臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。 3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。 4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。 5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.2.1执行机构一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。1.2.2驱动机构驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa,最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。1.2.3控制机构机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.3 机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为： 1. 按使用范围分类： (1) 专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 (2) 通用机械手指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 2. 按运动坐标型式分类： (1) 直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)； (2) 圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； (3) 球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)； (4) 多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 3. 按驱动方式分类： (1) 液压驱动机械手以压力油进行驱动； (2) 气压驱动机械手以压缩空气进行驱动； (3) 电力驱动机械手直接用电动机进行驱动； (4) 机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。 4. 按机械手的臂力大小分类： (1) 微型机械手臂力小于1； (2) 小型机械手臂力为110； (3) 中型机械手臂力为1030； (4) 大型机械手臂力大于30。我所设计的搬运机械手，是以搬运物料为目的的圆柱坐标式三自由度机械手。它采用液压与机械传动两种驱动方式，属于小型机械手。第2章搬运机械手机构总体方案设计2.1 搬运机械手设计要求图1 机械手工作示意图(1) 初始状态，按启动按钮传送带A开始传送物料，光电传感器开始工作，机械手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下降，机械手抓抓紧来获得传送带A上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放松，将物体运送到传送带B上。(5) 机械手完成这一系列动作后，开始重复工作。2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作：(1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。(2) 分析机械手所在的系统工作环境。(3) 认真分析系统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。对此，我进行如下分析：(1) 本设计课题为物料传送机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手。(2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。（3）再者是搬运物体的考虑，由于是小型物件，所以对机械手的抓取力量并无太高要求，而物体形状初步拟定为圆柱形，方便设计。 2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 2.2.3 搬运机械手的基本参数 1. 机械手的最大搬运物料的重量是它的主参数。本论文物料传送机械手所搬运的物料质量可设定为5kg。 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料传送机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。该机械手的最大平移速度为1m/s。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。过大的工作半径和伸缩行程，会增大机械手的运动负载，使得机械手刚性降低，而工作半径过小则不能够实现机械手的功能，限制了机械手的应用和扩展性。本论文物料传送机械手设定水平反向伸缩行程200mm，回转角度范围为90。机械手竖直方向的升降行程为100mm。 4.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料传送机械手的定位精度设定为士0.5到士1mm之间。物料传送机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料传送机械手各关节的行程和时间分配来决定。表1 物料传送机械手基本参数（自定）水平机构伸出范围：0500mm垂直机构升降范围：100mm伸出速度：334mm/s上升速度：200mm/s收缩速度：334mm/s下降速度：200mm/s定位精度：士1mm定位精度：士1mm回转机构回转角度：180手爪搬运范围500mm回转速度：90/s定位精度：士52.3 搬运机械手结构设计2.3.1 搬运机械手坐标形式的选择根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降，机械臂的伸缩，得到了机械臂的三个自由度。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。2.4 机械手材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料：(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了45倍、弹性模量E大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料;(2)铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量E不大，但是材料密度小，则E/p之比仍可与钢材相比;(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人手臂的样品;从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件2.5机械臂的运动方式根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种:直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。图3 常见的运动方式2.6 搬运机械手驱动与控制系统分析2.6.1 驱动方式的选择机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，功率较小，速度不易控制，精度不高。电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，控制灵活。起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用气压或者液压传动，就必须带有旋转气压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用电机传动的驱动方式，通过电机带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用气压驱动方式。2.6.2 控制系统的选择这里选择用PLC控制的控制系统。3 搬运机械手机械结构设计与计算3.1 搬运机械手手爪设计设计时考虑的几个问题： 1. 具有足够的夹紧力：在确定手爪的握力时，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。 2. 手爪间应具有一定的开闭角：两手爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手爪只有开闭幅度的要求。3. 保证工件准确定位：为使手爪和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手爪形状。考虑被抓取对象的要求，手爪形状设计成V型。4. 具有足够的强度和刚度：手爪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，应当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。3.2 搬运机械手手臂设计机械手臂，在我的设计中，涉及到三个自由度：升降、伸缩、旋转。水平手臂作伸缩用，而垂直手臂则有两部分组成。与底座连接部分为机械臂旋转部分，通过电机带动齿轮链使得机械臂旋转；上面部分为机械臂升降部分，通过气压驱动控制机械臂的升降。所以，我将机械手臂的设计分为三个步骤，先完成垂直臂的设计，再完成水平臂的设计。3.2.1 伸缩机械臂的设计 1.尺寸校核(1) 在校核尺寸时，只需校核气压缸内径=50mm,半径R=25mm的气压缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,则驱动力： (3-1)（2）分析计算伸缩手臂加速度：如下图所示，,将其分为三段，分别为加速状态，匀速状态和减速状态。切运动距离L为500mm，所以有公式： (3-2) 又有加速度公式 (3-3) (3) 测定手臂质量为,加速度，则惯性力： (3-4) (4) 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数, (3-5) 总受力 (3-6) 所以气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。3.2.2 升降机械臂的设计1. 尺寸设计气压缸运行长度设计为=80mm,气压缸内径为=80mm,半径R=40mm,压强p=0.4MPa,则驱动力： (3-7) 2. 尺寸校核（1）测定手臂质量为,则重力： (3-8)(2) 分析计算伸缩手臂加速度：如下图所示，,将其分为三段，分别为加速状态，匀速状态和减速状态。切运动距离L为100mm，所以有公式： (3-9) 又有加速度公式 (3-10) 则惯性力为： (3-11)（3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数，如图所示：若安装时升降臂完全竖直，则摩擦力为零。但在实际操作中，不能达到此效果，所以设定偏斜角度为13。所以重力G在机械臂面上有一个分力对机械臂侧面产生压力，故产生了摩擦力。则有公式： (3-11) (3-12) 总受力 (3-13)所以设计尺寸符合实际使用要求。3.2.3 旋转机械臂的设计如图所示，旋转机械臂固定在底座上。对于其传动方式，我选择了齿形带传动。通过电动机带动齿轮O1，经由齿形带传动，达到让齿轮O2转动的效果。同时，旋转臂与齿轮O2通过键连接达到旋转臂转动效果。图4 齿轮链传动原理图齿轮带的传动比计算公式为 (3-14) 齿轮带的平均速度为 (3-15)3.3 手部设计计算(1)对手部设计的要求(a)有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。(b)有足够的开闭范围根据工件外圆大小,夹持的大小直径必须大于120mm 。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图5所示。图5 机械手机构开闭示例简图(c) 力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。(d) 手指应有一定的强度和刚度(e)其它要求：因此送料，夹紧机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。(2)拉紧装置如图6所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。P图6油缸示意图（a）右腔推力为设定活塞的直径D=50mm,系统压力P=25Mpa （3-16）=4908.7N(b)根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：（3-17）其中 N=498N=392N，带入公式2.2得： =(2150/50)（cos30）392 =1764N则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ （3-18）=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N由公式得： a=50.5 mm b=72 mm(c)计算手部活塞杆行程长L,即（3-19） =25tg30 =23.1mm经圆整取l=25mm(d)确定“V”型钳爪的L、。取L/Rcp=3 （3-20）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-21）由公式得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=2239(5)机械运动范围（速度）(a)伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s(b)上升运动 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s(c)下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s(d)回转 =90/s =30/s所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s (6)手部右腔流量（3-22）=60=603.1425=1177.5mm/s(7)手部工作压强（3-23） =3500/1962.5=1.78Mpa3.4 腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转90 角速度=45/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l =650mm。如图7所示。(1)计算扭矩设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩为：（3-24）=109.80.2=19.6（NM）工件 F S F 图7 腕部受力简图(2)油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 F =5kg S =10cm带入公式2.9得=59.80.1 =4.9（NM） (3)摆动缸的摩擦力矩=300（N）（估算值）S=20mm （估算值）=S =6（NM）(4)摆动缸的总摩擦力矩 =+ （3-25） =30.5（NM） (5)由公式（3-26）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；摆动缸内径, 这里取=10cm；转轴直径, 这里取=3cm。所以代入公式=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因为所以 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s3.5 液压驱动系统设计液压控制机械手机构的一种主要的控制形式。机械手机构的运动速度和操作室根据油的流量与压力来确定，因而只要控制油的流量和压力，就可以控制机械手机构的运动速度和操作力，油压压力一般在5140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。主要优点：(1)液压执行元件(马达和油缸)结构紧凑，重量轻，功率小。(2)可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并由于液压油的润滑作用，可延长元件的使用寿命。(3)液压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。(5)液压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。缺点:(1)液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。(2)油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，易于使阀和执行元件堵塞。(3)控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便。总体系统图图 8 总体系统图(1)总体系统图如图8所示,(2)工作过程: 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松(3)电磁铁动作顺序表: 表2总体系统图元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂收缩手部放松卸荷-+-+-+-+-(4)确电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P =10Mpa，工作流量在3270ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率（3-27）式中：=0.8 （经验值）所以代入公式得： N =1080103106/600.8=16.7KN选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。3.6机身结构的设计机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手机构的总体布局。本课题机械手机构的机身设计成机座式，这样机械手机构可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手机构。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。3.6.1 电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。带动臂部升降的电机：初选上升速度 V =100mm/s P =6KW所以n =（100/6）60=1000转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表3 Y90S-4电动机技术数据所示：表3 Y90S-4电动机技术数据型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.23.6.2 螺柱的设计与校核螺杆是机械手机构的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P （3-28）=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.656=3.9mm （3-29）螺杆强度 = s/35 （3-30）=150/35=3050Mpa螺纹牙剪切 =40弯曲=4555(1)当量应力 (3-31)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力所以代入公式得：= = =（2495/ d1）+3（61.2/ d1）90025001012=6225025/d14+11236/d16900250010126225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切强度 =160/6 （旋合圈数）（3-32）（3-33） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)弯曲强度=32009.83/2.93.92（160/6）=0.48Mpa=45Mpa合格3.6.3 机座的机械结构示意图带动机身回转的电机：初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分选择 Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如表4 Y90S-6电动机技术数据所示：表4 Y90L-6电动机技术型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y9OL-61.13.291073.50.726.02.02.0机座的机械结构如图9所示:轴承坯料搬运机械手的设计4 搬运机械手控制系统的设计4.1 PLC简介 PLC(Programmable Logic Controller)，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。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：(1)电源；(2)中央处理单元(CPU)；(3)存储器；(4)输入输出接口电路；(5)功能模块；(6)通信模块。4.2 PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段2.用户程序执行阶段3.输出刷新阶段4.3 PLC机型的选择我选择使用三菱PLC。原因如下：首先是语言方面。西门子的编程语言相当复杂。不仅有我们学过的LAD(梯型图)，FBD(功能图)，STL(语句表)，还有我们没有接触到的许多编程方式。对于我们这些大学生来说，西门子编程语言太过繁琐，不适合我们短时间的设计理解。在程序结构上，西门子采用结构化设计，而且在用户界面上，将数据和程序代码严格分开。而三菱就相对比较简单，方便我们快速掌握。综上，因为本次工艺流程设计的语言较为简单，只需要简单的指令编程即可实现，三菱可以对整体的I/O进行预先设置是直接方式还是刷新方式，而且有指令可以实现对局部I/O的立即刷新执行。有利于程序的设计，所以故选用三菱PLC。4.3.1 PLC机型的选择因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异。三菱PLC的型号有多种多样，FR-FX1N、FR-FX1S、FR-FX2N、FR-FX3U、FR-FX2NC、FR-A FR-Q要选择相对应的机型，就要分析被控对象：此次PLC需要控制的对象为物料传送机械手，由于用途比较固定，I/O点数并不复杂，所以选择小型PLC即可。故选择三菱PCL中FX1N系列的PLC。4.3.2 所选PLC的参数表5 FS1S系列PLC的参数项目规格备注运转控制方式通过储存的程序周期运转I/O控制方法批次处理方法I/O指令可以刷新运转处理时间基本指令：0.55至0.7s应用指令：3.7至几百s编程语言逻辑梯形图和指令清单使用步进梯形图生成SFC类型程序程式容量内置2K步EEPROM存储盒(FX1n-EEPROM-8L)可选I/O配置最大总I/O由主处理单元设置指令数目基本顺序指令：27步进梯形指令：2应用指令：85 最大可用167条应用指令，包括所有的变化辅助继电器(M)一般384点M0至M383锁定128点（子系统）M384至M511特殊256点M8000至M8255状态继电器(S)一般128点S0至S127初始10点（子系统）S0至S9定时器(T)100毫秒范围：0至3276.7秒63点T0至T5510毫秒范围：0至327.67秒31点当特殊M线圈工作时T32至T621毫秒范围：0.001至32.767秒1点T63计数器(C)一般范围：1至32767数16点C0至C15类型：16位增计数器锁定范围：1至32767数16点C16至C31类型：16位增计数器数据寄存器(D)一般128点D0至D12732位元件的16位数据存储寄存器对锁定128点D128至D25532位元件的16位数据存储寄存器对外部调节范围：0至255 2点通过外部设置电位计间接输入D8013或D8030&D803114数据特殊256点（包含D8030，D8031）从D8000至D825516位数据存储寄存器变址16点V和Z16位数据存储寄存器指标(P)用于CALL64点P0至P64用于中断6点100*至130*（上升触发*=1，下降触发*=0）常数十进位K16位：-32768至+3276832位：-2147483648至+2147483647 十六进位H16位：0000至FFFF32位：00000000至FFFFFFFF4.4 PLC控制面板的拟定我初步设想的机械手工作，有三种工作状态：第一种是自动工作，用于批量物料搬运，使用时间长，普遍；第二种是单步工作，就是机械手只运送一次工件就停止运行，用于个别物料的搬运，使用时间不长；第三种为手动操作，是根据实际情况人为操作的控制方式。图10 建议控制面板的设计4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定4.5.1 明确工艺要求(1) 初始状态，按启动按钮传送带A开始传送物料，光电传感器开始工作，机械手回原点。(2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。(3) 机械手从初始位置开始运动，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下降，机械手抓抓紧来获得传送带A上的物料。(4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放松，将物体运送到传送带B上。(5) 机械手完成这一系列动作后，自行复位，开始重复工作。(6) 传送带B获得物体后，通过光电传感器测定是否有物体在传送带B上，来控制传送带B的工作。4.5.2 确定工艺流程确认工艺要求后，开始着手思考工艺流程。根据我的设计思路，完成一次物料传送动作需要完成如下几个步骤：判断物料；机械手准备(其中包括机械臂的上升旋转、机械手抓张开)；机械臂旋转到指定位置；机械臂下降；机械手抓取；运输过程(其中包括机械臂上升、旋转、下降到指定位置，此期间机械手不放松)；机械手放松。在执行这个过程前，考虑到机械手在工厂中使用，不排除机器被误开状况，所以加入若20s内无物料信号则系统自动停止这条指令。执行中，分析整个流程，发下如下问题：（1）如何设置机械臂运动限位，设置值为多少合适。为了最快速有效的完成传送工作，并且简化程序，我想为机械臂直接设计限位，而机械臂的每次运动都直接运动至限位，这样方便编程，并且方便操作。（2）在整个过程中，无疑需要涉及到传感器。现在已知需要光电传感器来判断是否有物料，需要判断机械臂旋转的磁性传感器。那是否还需要其他传感器来完善整个系统也成为了一个需要思考改进的地方。确定工艺流程后，就需要制作工艺流程图，来更清晰的表现机械臂系统的运行情况。工艺流程图如下：图11 工艺流程图根据工艺流程，可知此物料传送机械手工作的步骤，也能比较清晰的了解整个系统的运行情况。根据流程图，我们可以开始展开接下去的工作：根据工艺流程确定控制方案、选择传感器以及确定I/O分配点数。然后再根据流程图编写单步程序、总程序，调试，改进，最后的出设计成果。4.5.3 传感器选择从工艺流程的先后来看，传感器基本上可分为：上料机构用于检测物料有无的光电传感器；机械手机构上用到感应机械手旋转的电感传感器和磁性传感器。其中，光电传感器为光电漫反射型传感器，检测到有物料在皮带轮上时为PLC提供一个输入信号。电感传感器是测定机械手旋转到位后，提供输出信号。磁性传感器是用于检测机械手与运货皮带轮的相对位置，当位置达到要求，传感器提供输出信号。表6 选定的各类传感器名称型号数量光电传感器E3Z-LS632电磁传感器D-A736电感传感器LE4-1K1 4.5.4 确定I/O点数表7 PLC的I/O点数分配序号PLC地址名称及功能说明序号PLC地址名称及功能说明1X1启动按钮1Y1上升电磁阀2X2停止按钮2Y2下降电磁阀3X3回原点开关3Y3伸长电磁阀4X4上升限位开关4Y4缩短电磁阀5X5下降限位开关5Y5步进电动机正转6X6伸长限位开关6Y6步进电动机反转7X7缩短限位开关7Y7抓紧电磁阀8X10左旋转限位开关23X31单周期运行9X11右旋转限位开关22X30单步运行10X12急停按钮21X27手动放松11X13手动操作20X26手动夹紧12X14光电传感器19X25手动右旋转13X15复位按钮18X24手动左旋转14X20手动上升17X23手动缩短15X21手动下降16X22手动伸出4.6 PLC程序编写编写程序时，我主要运用的是先思考程序原理图，再进行编写的方法。通过对工艺流程的分析，以及出于人性化考虑，我把物料传送机械手的程序分为了一下几个部分：4.6.1 总体程序设计思路首先，需要让IST在每个扫描周期里都能够处于执行状态，用PLC M8000驱动。其次，使用IST指令时，一共有七种控制信号：(1)自动控制；(2)手动控制；(3)单步运行；(4)单周期运行；(5)回原点操作；(6)启动按钮；(7)停止按钮。所以，运用状态元件S最为妥当。将S0S2分配给初始状态下的三大类程序使用：S0为手动；S1为回原点，S2为自动(其中包括单步和单周期)。再将大模块拆分，分成个小模块。如S10S19用于回原点模块；S21S29用于自动控制模块。然后，尝试作出IST内部的自动梯形图，仅供参考。图12 IST内部自动梯形图其程序如下：图13 IST内部自动程序说明：M8040M8047是特殊的辅助继电器。M8040的作用为禁止转移。M8041为初始状态转移的条件辅助继电器。M8042为启动脉冲辅助继电器。M8043是原点结束继电器；M8044是原点的条件。4.6.2手动程序的编写由于手动程序较为简单，没有画其原理图。图14 手动控制梯形图手动控制的梯形图如图所示，S0为手动控制的初始状态。而手动控制，是由手动控制开关来控制的。当手动控制程序启动，即X13置1时，打开启动按钮，即X1置1，S0获得启动状态。按下各个相对应的运动按钮，机械手开始进行相应的运动，直至碰到限位开关为止。而当操

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