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基于PLC控制的三自由度气动机械手设计【机械毕业设计word+CAD图纸】【答辩通过】

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基于PLC控制的三自由度气动式机械手臂设计任务书.doc---(点击预览)

PLCA1.dwg

伸缩缸前端盖A3.dwg

伸缩缸后端盖A3.dwg

伸缩缸装配图A2.dwg

导向套A4.dwg

手爪装配图A1.dwg

机座A3.dwg

机构简图A4.dwg

气动回路图A3.dwg

气缸筒A4.dwg

活塞 A3.dwg

活塞杆A3.dwg

装配图A0.dwg

转动壳体A3.dwg

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关键词：: 基于 plc 控制节制自由度气动机械手设计机械毕业设计 word cad 图纸答辩通过

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摘要

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。

本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。

运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。

关键词：机械手，气缸，可编程序控制器

Abstract

In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly.

This article through to manipulator's composition and the classification, and the domestic and foreign development condition's understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulator's clamp type hand structure; As well as has designed manipulator's gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernail's opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulator's revolving.

The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program.

Key words: manipulator, air cylinder, Programmable controller（PLC）

1 绪言1

1.1 机械手的概述1

1.2 我国机械手的发展1

1.3 气动机械手的应用现状及发展前景3

1.4 本课题设计要求5

2 机械手的总体设计方案7

2.1 机械手的系统工作原理及组成7

2.2 机械手基本形式的选择8

2.3 驱动机构的选择9

2.4 机械手的技术参数列表9

3 机械手的机械系统设计11

3.1 机械手的运动概述11

3.2 机器人的运动过程分析12

4 机械手手部结构设计及计算13

4.1 手部结构13

4.2 手部结构设计及计算14

4.3 夹紧气缸的设计16

5 机械手手臂机构的设计22

5.1 手臂的设计要求22

5.2 伸缩气压缸的设计22

5.3 导向装置27

6 机械手腰部和基座结构设计及计算29

6.1 结构设计29

6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计29

6.3 导向装置33

6.4 平衡装置33

6.5 基座结构设计34

7 气动系统设计37

7.1 气压传动系统工作原理图37

8 机械手的PLC控制系统设计39

8.1 可编程序控制器的选择及工作过程39

8.2 可编程序控制器的使用步骤40

8.3 机械手可编程序控制器控制方案40

9 结论52

参考文献53

致谢54

QQ截图20150603182906.png

QQ截图20150603182925.png

导向套A4.jpg

活塞 A3.jpg

机构简图A4.jpg

机座A3.jpg

气动回路图A3.jpg

气缸筒A4.jpg

伸缩缸后端盖A3.jpg

伸缩缸装配图A2.jpg

手爪装配图A1.jpg

转动壳体A3.jpg

装配图A0.jpg

内容简介：: 基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 I 摘要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。运用了 FX 系列可编程序控制器（ PLC）对上下料机械手进行控制 , 论述了电气控制系统的硬件设计 , 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。关键词：机械手，气缸，可编程序控制器 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 II Abstract In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly. This article through to manipulators composition and the classification, and the domestic and foreign development conditions understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulators clamp type hand structure; As well as has designed manipulators gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernails opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulators revolving. The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program. Key words: manipulator, air cylinder, Programmable controller（ PLC） nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 III 目录 1 绪言 - 1 1.1 机械手的概述 . 1 1.2 我国机械手的发展 . 1 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 . 3 1.4 本课题设计要求 . 5 2 机械手的总体设计方案 - 7 2.1 机械手的系统工作原理及组成 . 7 2.2 机械手基本形式的选择 . 8 2.3 驱动机构的选择 . 9 2.4 机械手的技术参数列表 . 9 3 机械手的机械系统设计 - 11 3.1 机械手的运动概述 . 11 3.2 机器人的运动过程分析 . 12 4 机械手手部结构设计及计算 - 13 4.1 手部结构 . 13 4.2 手部结构设计及计算 . 14 4.3 夹紧气缸的设计 . 16 5 机械手手臂机构的设计 - 22 5.1 手臂的设计要求 . 22 5.2 伸缩气压缸的设计 . 22 5.3 导向装置 . 27 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 - 29 6.1 结构设计 . 29 6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 . 29 6.3 导向装置 . 33 6.4 平衡装置 . 33 6.5 基座结构设计 . 34 7 气动系统设计 - 37 7.1 气压传动系统工作原理图 . 37 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 IV 8 机械手的 PLC控制系统设计 - 39 8.1 可编程序控制器的选择及工作过程 . 39 8.2 可编程序控制器的使用步骤 . 40 8.3 机械手可编程序控制器控制方案 . 40 9 结论 - 52 参考文献 - 53 致谢 - 54 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 1 1 绪言在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。 1.1 机械手的概述机械手（又称机器人，机械人，英文名称： Robot），在人类科技发展史上其来有自。早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。由于科学幻想所系的 “ 永动机 ” 、太空探险以及梦想解决人的机能所无法达致境界的求新意念，推动科学家想研究创造出种种能够代替人的机械。上世纪六、七十年代的自动化机器、无人操纵的飞行器等等，即是此产业发展链条上的一个大胆的尝试与突破。虽然，后来电脑、电子产业的发达引开了人们关注的热点，但关于机械手的研究与开发一直在持续进行着。而近二十年中，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展， “ 机械手 ” 的研发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开发活动，参与者也打破了各行各业的划地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争奇斗妍，蔚成热潮的研究与制作尝试。机械手的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小至微型手术机械，生命监测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机械手的战争。至于工业、农业、遗传生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机械手的大量登场而出现产业革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机械手的 1。 1.2 我国机械手的发展第一台机械手出现后 20年，我国于 1972年开始研制机械手，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型同用机械手，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机械手大约有 1/3用于生产。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 2 在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机械手技术的发展得到政府的重视和支持，在 80年代中期，国家组织了对工业机械手的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机械手的需求主要集中于汽车行业（占总需要的 60% 70%）。在众多的专家的建议和规划下，于 “ 七五 ” 期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机械手基础技术，基础元器件，几类工业机械手整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机械手成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机械手专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到 80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机械手的生产线东风系列驾驶室多品种混流机械手喷涂生产线，该线由 7台国产 PJ系列喷涂机械手和 PM系列喷涂机械手和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂 20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机械手应用的一个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机械手工作站。与此同时，还研制了几种 SCARA型装配机械手样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外 10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机械手标准体系和 12项国标，行标。为了跟踪国外高技术， 80年代在国家高技术计划中，安排了智能机械手的研究开发，包括水下无缆机械手，高功能装配机械手（ DD驱动）和各类特种机械手，进行了智能机械手体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代机械手的发展 2。经过 80年代尤其是后 50年的努力，吸引了 160多个单位从事机械手及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养了一支 2000多人的工业机械手设计、研制、应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国的工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。 90年代初期，我国主要开发下列机械手：（ 1）喷涂机械手（ 2）焊接机械手（ 3）搬运机械手（ 4）装配机械手在 90年代中期，国家已选择以焊接机械手的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机械手应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机械手焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多机通讯，新型焊接机nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 3 械手用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可行性作为主攻目标。虽然我国的机械手研发工作基本上属于科学研究的项目，但据说，中国科学院目前已造出说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机械手，其水准可媲美日本同行，但这台机械手体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机械手能否以二脚行走已成为一个热门及熟练的技术竞赛项目，譬如有 “ 二足机械人竞赛大会 ” （分等级）。其实，机械手的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机械手造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造性的文化产业等方面，比如机械手的关节就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英国的科学家甚至预言，到 2020年，随着机械手愈来愈精密和使用有机零件制造，它们将会受到 “ 机械手权 ” 的保护。 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景近 20年来 , 气动技术的应用领域迅速拓宽 , 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合 , 使整个系统自动化程度更高 , 控制方式更灵活 , 性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展 , 对气动技术提出了更多更高的要求 ; 微电子技术的引入 , 促进了电气比例伺服技术的发展 , 现代控制理论的发展 , 使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制 , 控制精度不断提高 ; 由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点 , 国内外都在大力开发研究。从各国的行业统计资料来看 , 近 30多年来 , 气动行业发展很快。 20世纪 70年代 , 液压与气动元件的产值比约为 9 1, 而 30多年后的今天 , 在工业技术发达的欧美、日本等国家 , 该比例已达到 6 4, 甚至接近 5 5。我国的气动行业起步较晚 , 但发展较快。从20世纪 80年代中期开始 , 气动元件产值的年递增率达 20%以上 , 高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、 PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用 , 气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 1.3.1 气动技术及气动机械手的发展过程气动技术是以空气压缩机为动力源 , 以压缩空气为工作介质 , 进行能量传递或信号传递的工程技术 ,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于 1776年 , Johnwilkimson发明能产生 1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年 , 人们第一次利用气缸做成气动刹车装置 , 将它成功地用到火车的制动上。 20世纪 30年代初 , 气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至 50年代初 , 大多数气压元件从液压元件改造或演变过来 , 体积很大。 60年代，开始构成工业控制系统 , 自成体系 , 不再与风动技术相提并论。在 70年代 , 由于气动技术与电子技术的nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 4 结合应用 , 在自动化控制领域得到广泛的推广。 80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今 , 气动技术突破了传统的死区 , 经历着飞跃性的发展 , 人们克服了阀的物理尺寸局限 , 真空技术日趋完美 , 高精度模块化气动机械手问世 , 智能气动这一概念产生 , 气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位 , 智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。气动机械手作为机械手的一种 , 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式 , 现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术 (可重复编程等 ) , 气动伺服系统 (可实现任意位置上的精确定位 ) , 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。 90年代初 , 由布鲁塞尔皇家军事学院 Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机械手 “阿基里斯”六脚勘探员 , 是气动技术、 PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物” 6个脚中的每一个脚都有 3个自由度 , 一个直线气缸把脚提起、放下 , 一个摆动马达控制脚伸展 /退回运动 , 另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机械手 , 它集遥感技术和真空技术于一体 , 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。 Tron-X电子气动机械手 , 能与人亲切地握手 ,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动 , 并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下 (或通过自身的编程控制 ) 能与人进行对话 , 或作自我介绍等。 Tron-X电子气动机械手集电子技术、气动技术和人工智能为一体 , 它告诉我们 , 气动技术能够实现机械手中最难解决的灵活的自由度 , 具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。 1.3.2 气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠 , 可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种 , 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以 , 气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工 , 食品和药品的包装、精密仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线 , 尤其是主要工艺的焊接生产线 , 大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下 , 在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊 , 都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化 , 堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上 ,在半导体芯片、印刷电路等各种电nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 5 子产品的装配流水线上 , 不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪 , 还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住 , 运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统 , 采用了平稳加速的 SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手 , 牛奶盒装箱气动机械手等。此外 , 气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如 : 气动自动调节病床 ,机械手 ,外科手术机械手等 3。 1.3.3 发展前景及方向（ 1）重复高精度（ 2）模块化（ 3）无给油化（ 4）机电气一体化气动技术经历了一个漫长的发展过程 , 随着气动伺服技术走出实验室 , 气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚 , 但随着投入力度和研发力度的加大 , 我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用 , 为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点 , 可以预见 , 在不久的将来 , 气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。 1.4 本课题设计要求本课题将要完成的主要任务如下 : （ 1）机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。（ 2）选取机械手的座标型式和自由度。（ 3）设计出机械手的各执行机构，包括 :手部、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。（ 4）气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。（ 5）机械手的控制系统的设计 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 6 本机械手拟采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取 PLC型号，根据机械手的工作流程编制出 PLC程序，并画出梯形图 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 7 2 机械手的总体设计方案 2.1 机械手的系统工作原理及组成机械手的工作原理：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。在 PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装置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要求达到设定位置 4。（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。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。（ 3）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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。（ 4）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 6。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 8 （二）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、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 5。（三）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。该机械手采用的是 PLC程序控制系统，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 . 2.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态 ,按坐标形式大致可以分为以下 4种，如图2-1所示 : (1)直角坐标型机械手； (2)圆柱坐标型机械手； ( 3)球坐标 (极坐标 )型机械手； (4)多关节型机机械手。图 2-1 工业机械手基本结构形式其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑 ,定位精度较高 ,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型 6。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 9 2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分 , 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同 , 机械手的驱动方式共有三种方式 :气动方式 ,液压方式 ,电驱动方式 7。（ 1）气动方式 : 成本低 ,出力小 ,噪声大 ,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属于简单非伺服型。（ 2）液压方式 : 功率重量比大 ,低速平稳 ,需液压动力源 ,漏油和油性变化会影响系统 ,各轴耦合较强 ,成本较高。可用于易爆的环境。（ 3）电驱动方式 : A 步进驱动 : 功率小 ,开环控制 ,控制简单 ,可能失步。 B 直流驱动 : 调速性能好 ,功率较大 ,效率较高 ,但换向器需维护 ,不易用于易爆 ,多粉尘的环境。 C 交流驱动 : 维护简单 ,使用环境不受限制 ,成本较低 ,调速性差。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用电机驱动和减速机传动来实现机器人的旋转运动；利用气压缸驱动实现手臂上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用气压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型气压缸驱动夹紧。 2.4 机械手的技术参数列表 2.4.1 用途搬运 :用于车间搬运在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。 2.4.2 设计技术参数 : 1. 机械手最大抓重 : 1kg 2. 工件尺寸：直径约 1.5 2cm 3. 自由度数 : 3个自由度 4. 坐标型式 : 圆柱坐标 5. 手指开合角度： 60 （最大速度 : 60度每秒） 6. 支座旋转角度 : 90（最大速度 : 90度每秒） 7. 手臂运动参数 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 10 伸缩行程： 100mm 伸缩速度： 100mm/s 升降行程： 200mm 升降速度： 100mm/s 8. 机械手（重复）定位精度： mm5.0 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 11 3 机械手的机械系统设计 3.1 机械手的运动概述机械手的运动，可从该机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。图 3-1 机械手的机构简图（ 1）机械手的运动自由度所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的数目，它是表示机械手动作灵活程度的参数。本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转，前后往复三自由度 ,如图 3-1所示。（ 2）机械手的工作空间工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数，工作空间图如图 3-2所示。图 3-2 工作空间图（ 3）机械手的机械结构类型圆柱坐标型为本设计所采用方案，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统（代号 RPP），工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 12 较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。 3.2 机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如表 3-1所示。表 3-1工业机器人的运动过程中各动作机械手开机，处于 A位工步一旋转至 B位工步二手臂下降工步三手臂伸出工步四夹紧工件工步五手臂收缩工步六手臂上升工步七旋转至 A位工步八手臂下降工步九放松工件工步十手臂上升工步十一实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性 8。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 13 4 机械手手部结构设计及计算 4.1 手部结构本课题中采用夹持式手部结构，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，课题中采用齿轮齿条式的传力机构。 4.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、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 9。 4.1.2 设计时考虑的几个问题（ 1）具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，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）手指间应具有一定的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。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。（ 3）保证工件准确定位为使手指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，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。（ 4）具有足够的强度和刚度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，当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。（ 5）考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 14 4.2 手部结构设计及计算本课题气动机械手的手部结构设计 10如图 4-1所示：图 4-1齿轮齿条式手部手部驱动力的计算：其工件重量 G=1公斤， V形手指的角度 1202 ， mmRmmb 5.1230 ，摩擦系数为 25.0f 。（ 1）根据手爪类别 ,计算夹紧力。图 4-2 手爪受力分析图如图 4-2所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得： )(s in2 )( NSagmF G （ 4-1） nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 15 式中， m -工件质量， kg ； g -重力加速度， 2/sm ； a -动态运动时产生的加速度， 2/sm ； S -安全系数； -V型手爪张开的角度，； -气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手抓与工件材料都采用 45钢，查表得 =0.25 所以 )(s in2 )( NSagmF G = 25.028.91 5.260sin N43.42 N45 （ 2）根据手部结构的传动示意图 4-1，其驱动力为 : NRbF 2 (4-2) 所以 RbF 2N )(21 6455.12 302 N（ 3）实际驱动力 : 21KKFF 实际(4-3) 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 94.0 ，并取 5.11 K 。若被抓取工件的为匀速取 0a 时，则 : 112 gaK )(345)(68.34494.0 15.1216 NNF 实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 N345 。 nts基于 PLC控制的三自由度气动机械手设计 16 4.3 夹紧气缸的设计 4.3.1 主要尺寸的确定 1.气缸工作压力的确定由液压传动与气压传动表 4-1取气缸工作压力 MPap 4.0 表 4-1 气压负载常用的工作压力负载 F/N 50000 工作压

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