水平夹持四自由度机械人结构设计.doc

w编号毕业设计（论文）题目： 水平夹持四自由度机械人结构设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 学生姓名： 指导教师：（职称：高级工程师 ） （职称： ）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 水平夹持四自由度机械人结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 水平夹持四自由度机械人结构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 机械手广泛应用于锻压、冲压、铸造、焊接、装配、机加、喷漆、热处理等各个行业，特别是在笨重、高温、有毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中，机械手是提高劳动生产率，改善劳动条件，减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段，国内外都很重视的的应用与发展 本课题属于工程设计类课题，要求完成液压式四自由度工业机械手的总体和部件设计。通过本设计，可以帮助学生加深对本专业的相关知识理解和提高综合运用专业知识能力 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1.收集相关资料，了解工业机械手的发展现状和趋势； 2.完成水平夹持四自由度机械人的总体结构设计； 3.完成主要零部件设计计算和关键参数校核； 4.绘制图纸，完成设计说明书、外文翻译各一篇； 四、接受任务学生：班 姓名 五、开始及完成日期：自2011年11月7日 至2012年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2011年11月7日摘要本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。关键词 工业机器人，机械手，气动，可编程序控制器（PLC）ABSTRACTAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . Whats more , the paper workout the control program of the PLC. Keywords:industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive, PLC目 录摘要. . . .III Abstract. . . . .IV目录. . . . .V1 绪论. . . . 11.1 机械手概述. . .11.2 机械手的组成和分类.11.2.1 机械手的组成. 11.2.2 机械手的分类.31.3 国内外发展状况. .41.4 课题的提出及主要任务. .61.4.1 课题的提出. .61.4.2 课题的主要任务. .72 机械手的设计方案. .82.1 机械手的座标型式与自由度.82.2 机械手的手部结构方案设计.92.3 机械手的手腕结构方案设计.92.4 机械手的手臂结构方案设计.92.5 机械手的驱动方案设计.92.6 机械手的控制方案设计.102.7 机械手的主要参数.102.8 机械手的技术参数列表.103 手部结构设计.133.1 夹持式手部结构.133.1.1 手指的形状和分类.133.1.2 设计时考虑的几个问题.133.1.3 手部夹紧气缸的设计.134 手腕结构设计.184.1 手腕的自由度.184.2 手腕的驱动力矩的计算.184.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩.184.2.2 回转气缸的驱动力矩计算.204.2.3 回转气缸的驱动力矩计算校核.215 手臂升降，回转气缸的设计与校核.245.1 手臂伸缩部分尺寸设计与校核.245.1.1 尺寸设计.245.1.2 尺寸校核.245.1.3 导向装置.255.1.4 平衡装置.255.2 手臂回转部分尺寸设计与校核.255.2.1 尺寸设计.255.2.2 尺寸校核.256 气动系统设计.276.1 气压传动系统工作原理图.276.2 气压传动系统工作原理图的参数化绘制.287 机械手的PLC控制计.297.1 可编程序控制器的选择及工作过程.297.1.1 可编程序控制器的选择.297.1.2 可编程序控制器的工作过程.297.2 可编程序控制器的使用步骤.297.3 机械手可编程序控制器控制方案.307.3.1 系统简介.307.3.2 工业机械手的工作流程.307.3.3 机械手工作时序.318 结论.35致谢.36参考文献.377水平夹持四自由度机械人结构设计1 绪论1.1 工业机械手概述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业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，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.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、电镀、喷漆、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.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1 机械手组成方框图:Pane chart of composition of manipulator(一) 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(二)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“叻口工中心”2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。致 谢本文是在我尊敬的导师鲍虹苏悉心指导下完成的。导师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向导师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了工程学院老师的大力支持和帮助，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，工程学院的各位老师，鲍虹苏导师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们以及多年来为我的成长付出辛勤劳动的老师和同学们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢无锡太湖学院的学习环境。参考文献1 建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，19882 自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 43 茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ， 2001, 24 雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，1999, 55 学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，19926 械设计师手册.北京:机械工业出版社，19867 锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，19818 大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社9 洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，198710 振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，199511 永生.气压传动.北京:机械工业出版社，1990, 512 G L Batten. Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications. Mc Graw-Hill. 1994.13 SIEMENS AG. SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual. 2004.14 Th.