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三自由度搬运机械手设计,自由度,搬运,机械手,设计
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本科毕业设计（论文）题 目：三自由度搬运机械手设计与仿真 学 号： 20144818758 姓 名： 李克勤 班 级： 14机自A2 专 业： 机械设计 学部(院)： 工学部 入学时间： 2014级 指导教师： 沈歆迪 日 期： 2018 年 5 月14日3毕业设计（论文）独创性声明本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。除文中已经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名：日 期：三自由度搬运机械手设计与仿真摘要现代运输及仓储的过程中，棒料搬运始终是一个难题。本次设计旨在用先进的机器人替代传统工人劳动，从而提高劳动生产效率，减轻工人工作强度，增加工作劳动的可靠度，减少总体的经济成本。本次设计的棒料搬运机械手共有三个自由度。设计的目的是为了实现搬运固定尺寸的芯模，降低工人劳动强度。机械手包括了动力部分，传动部分，控制部分，末端执行器。机械手可以在平台上实现180范围内的旋转，在水平面上伸缩，通过气控使得手爪闭合或张开。驱动系统选择了较为廉价、环保，但是有噪音，稳定性差的气压传动，由PLC来控制。市场上一套机械手设备均价18万元，一个技术工人用工年成本约为6万元，再考虑到购买费用的机会成本，购买机械手对企业资金链的影响，所设计的产品至少需要稳定工作6年以上，才能有利可图。本次设计是对大学四年机械设计专业所学进行的一次综合考量。根据机械手所要达成的功能，进行整体的设计，机械传动的选择，PLC系统的使用，强度校核计算，零件选择，最终根据计算结果画出装配图，零件图。关键词：机械手，气压传动，PLC控制系统，RoboguideDESIGN OF ROD HANDLING MANIPULATORABSTRACTIn the process of modern transportation and storage, bar handling is always a difficult problem. This is designed to replace the traditional labor with advanced robots, thereby improving labor production efficiency, lighten the working strength of workers, increase the reliability of the work of labor, reducing the overall economic costs.There are three degrees of freedom in this design. The purpose of the design is to carry the core mold of the fixed size and reduce the labor intensity of the workers. The manipulator includes the power part, the transmission part, the control part, the end-effector. Manipulator can be realized on the platform within the scope of 180 rotation, on the level of scale, through pneumatic gripper closed or open. The driving system is cheaper and more environmentally friendly, but with noise and poor stability, it is controlled by PLC. A set of mechanical equipment on the market the average price of 180000 yuan, a skilled workers labor cost is about 60000 yuan, and considering the opportunity cost of purchases, buying manipulator influence on enterprise capital chain, the designed product needs at least stable work 6 years, can be profitable.This design is a comprehensive consideration of the four-year mechanical design of the university. According to manipulator to achieve the function of the overall design, the choice of mechanical transmission, the use of PLC system, strength check calculation, parts selection, the final draw assembly drawings, according to the results of the calculation part drawing.Key words: manipulator, pneumatic transmission, PLC control system, Roboguide目录1 绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 文献综述（目前国内外研究现状以及发展趋势）11.2.1 机械手的运用21.2.2 机械手的发展31.2.3 可编程控制器（P L C）机械手的发展与运用52 机械手的总体方案设计72.1 研究内容72.2 研究方案72.2.1 总体方案设计72.2.2 机械结构设计83 机械手本体设计103.1 机械手气爪的设计103.1.1 结构设计103.1.2 夹紧力的计算113.1.3 手爪夹紧气缸设计123.2 伸缩手臂的气缸设计133.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型134 机械手传动部分设计164.1 电机的类型与特点164.2 滚珠丝杠的电机选择174.3 旋转台的电机选择195 机械手的控制设计225.1 电控的选择与优点225.1.1 P L C的基本概念225.1.2 PLC的基本结构225.1.3 P L C的特点235.2 机械手的工作流程235.3 控制面板按键分布图255.4 I/O口分配255.5 气压接线图265.6 PLC梯形图286 Roboguide仿真306.1 Roboguide软件306.2 Roboguide 建模与仿真306.3 Roboguide 仿真程序32设计小结34参考文献361 绪论1.1 课题研究的背景与意义本次课题研究的机械手主要用来搬运芯模。用机械手操作来替代传统人工操作，实现在搬运棒料过程中，效能最大化，降低企业成本，减少出错率，提高精确度，减少工人的劳作强度，最终使得企业的经济利益最大化，更高效地利用社会资源，极大程度上提高企业生产力。机械手在机电一体化领域中占据着重要的地位，通过设计机械手来培养机械专业学生的工科素养，又能够很好地检验大学中学习的专业知识。同时，机械手在自动化生产中也占据着举足轻重的地位。在国内外的制造业，尤其在发达国家，例如德国、日本，机械手被广泛使用在家用汽车，小型机械，啤酒制造业等等。工厂里使用大量的高级机械手，自动化完成汽车的零部件制造、装配，从而将有限的工人资源合理地利用起来。因此，机械手的设计与应用不仅仅是我国目前制造业的研究方向，也是国内外制造业趋于工业4.0的一个重要标志，更是制造业越来越精确，越来越先进，越来越高效的一个必然趋势。本次课题设计所牵涉到的专业知识和理论实验是相当多的，其中包括plc控制系统、机械制图、Autocad的使用、机械设计、计算机控制、液压与气压传动等等。1.2 文献综述（目前国内外研究现状以及发展趋势）机械手问世于上世纪六十年代，至今发展已有近五十年，已经逐步成为自动化制造业中最重要的机械设备之一。由于机械手有众多的优点，机械手解决了人工的不稳定性问题，更加精确高效，维修方便，产品质量高。现今，国内外的机械手性能越来越高，价格也越加低廉。机械手趋于可重构化，模块化，能够更加通用多种场合，性价比更高。13年，国内工业机器人的市场规模达到50亿元，9成依赖进口。KUKA（库卡）、ABB、YASKAWA（安川电机）、FANUC（发那科）等国际机械手巨头公司，生产销售的6轴机械手均超过了20万支，国内相比之下相对落后。（1）执行器机器人末端执行器附着于机器人关节之上，包括了手部、手臂和躯干能够实现机器人抓取功能。机械手趋向模块化，末端执行器的不同可以实现不同的运动，能按照需求换上扳手、焊枪等专业工具。基座、手腕、腰部、手臂、手部共同构成了机械手的本体。（2）驱动器机械手接受到控制系统发出的命令或信号后，驱动器会驱动机械手的机械部分。市面上，主流的机械手驱动有液压式、电动式、气动式、机械式等。（3）检测机构检测装置的作用是为了实现机械手按照预先设定的状态下工作并完成指定的工序，当机械手内部或外部周围环境发生变化时，检测系统能及时检测并反馈给控制系统来进行调整变更。传感器有内外两种，内传感器在机械手工作时检测其内部环境，将信号迅速输入控制系统。外传感器用来监测机械手外部使用环境，实现机械手应对不同的外部条件。在不同条件下，完成外部行动，实现高自动化、高效率、高精度。（4）控制系统机械手的控制系统主要为集中控制系统或PLC控制系统。经过开放型控制器PC机的蓬勃发展，机器人的控制系统更趋向于标准且网络化、模块化。操作系统变得更容易操作，可靠性、可维修性也随之提升。机械手控制分为点位控制和连续轨迹控制两种，能依照要求，采取数字顺序控制，同时控制顺序、位置、速度、时间。1.2.1 机械手的运用随着机械手问世后，作为一个朝阳行业迅速发展，成为了工业化自动化生产制造中举足轻重的地位。机械手主要用来货物搬运、上下料、喷漆绘制、电工焊接等等方面。人类无法再恶劣环境下长期工作，如高温、有毒、危险、放射性物质、多粉尘环境下工作。但是随着机械手的问世，完美地解决了这个难题，它能够高效地在恶劣且危险的环境下稳定工作生产。此外，在现今的生产线上，上下料和搬运材料的工作都可以用机械手来替代。只要实现准备好工序与程序，就能更高效地完成作业。避免了疲劳操作或者人为疏忽的事故，减轻了人力成本，全面提高了自动化水准。图1-1 机械手模型如图1-1所示，大臂上的电动机运转，带动关节转动。传动到小臂上，其电机运转使得钢带工作。钢带工作后带动末端关节运动，使得手腕转动。等到全部完整的动作结束，才是机械手的一个工作周期。1.2.2 机械手的发展上个世纪第一批液压驱动机械手由美国研制而成，之后对传统人工工业生产造成了颠覆般的影响。机械手的产生彻底将人类从繁杂枯燥单一又危险的劳动生产工作中解放出来，实现真正的自动化工业制造不再是梦想，是机械手把他变成了现实。在德国、日本、美国、中国等制造大国的工厂里，屡屡可见到大型的工业机械手，它们灵活地游走在零部件之间，精准地完成每一次装配、搬运、电焊。现今，广泛为人所见的机械手主要是由程序控制的第一代机械手，由人工进行控制。我们将预先编好的程序输入控制器，使得机械手完成单一简单的工作。这一代机械手也是机械手家族的鼻祖，结构相对简单，程序容易，没有自带的感觉传感器，无法应对外部的复杂多变的环境。第二代机械手在先前机械手的基础上完成了革命性的创新，添加了微型电子计算控制系统，在冰冷的机械上添加了各种传感器，使得机械手获得了触觉、听觉、视觉乃至是综合整理的能力。这类机器人在算法和结构上都日益复杂起来，具备了人类的部分智能，能够对外部环境变化作出及时的反馈和信息处理。至今，机械手已经经过了遥遥半个世纪的发展，科学家们正在研制第三代机械手，这类机械手不仅拥有系统的感受器官，而且能够对外部环境信息采集并且处理，具备识别三维立体实物的能力，有独立思考能力，自身的操作系统能够根据环境改变作出调整和应对，能够在无人操控的环境下独立完成作业。这类机器人能够模拟人类的动作具备仅次于人类的智能，能够系统地学习知识不断地提高专业水平，在记忆存储能力上遥遥领先人类。近日，美国少年Easton潜心学习了机械手的三维设计、电子元件设计、计算机编程为残疾人研制了意念控制的机械手，实现了微控制器和微处理器与电机信号的转换。Easton受启发于一款用脑电波控制小球的游戏，发现了脑电波与小球运动方式之间的关系，将其运用到机械手的设计中，完成了第一代意念控制机械手，是全世界手部残疾者的福音。机械源于工具，最早的史前工具有制陶的转台；中世纪，欧亚逐渐出现四轮马车；随后，杠杆、滑轮、车床等一一被发明出来。机械手的设计涉与研究及到仿生学，以模仿人类手部手臂活动为主要研究方向。起先，由于人工限制，部分有毒有害，高温低温恶劣环境下的作业无法由人工完成，随即便产生了用机械手臂代替人工的想法。随着制造业发展与进步，机械手的功能远远大于预期设想，成为了各行各业许许多多领域生产制造的中流砥柱。机械手是机电一体化的产品，被广泛地运用到产生制造之中，对工人来说，降低了劳动强度，提高了作业的精准度，避免了危险有毒等工作环境，提高了机械专业素养。对于企业来说，机械手极大程度上提高了企业生产效率，降低了工作的危险系数，节约了生产成本。可以通过更改机械手程序，更换机械手的末端执行器，来达成各种各样的生产目的，实现真正意义上的柔性制造。对于社会而言，机械手的发展无疑极大程度上造福了人们的日常生活，加快了社会发展。现代机器人的研究已经不局限于机械的智能系统，而是将设计的核心理念放在了人机交互中，实现人机交流与对话，这也是机器人能够早日走入寻常百姓家的必要阶段。例如小米公司正在销售的智能家居系统，就是机器人实现人机交互的一个最典型的例子，通过手机终端可以互联全部的家居家电设备，实现人与机器互动的理念。我国机器人研究并没有赶上最先的时代，真正的起步阶段从80年代开始，由于在国家75、85科技攻关的政策帮助，机器人研究取得了极大突破。具备了机器人生产制造的技术和人工智能设计的能力，只有少数零件无法独立制造。在政策支持下，企业和个人都开发了各式各样的机器人，在业内取得了大规模地应用。由于起步相较于国外略晚，和机器人生产大国德国、日本相比，仍然有较大的进步空间。主要是在机器人零件的生产装配上、信息网络部分、系统技术上具有一定劣势。虽然近年来，我国机器人专利申请极速增加，但是真正能转变成实用的科研成果却是极少。相对于发达国家，我国的工业化机器人的市场占有率仍未饱和，行业的发展前景是非常可观的。我国在机器人研究领域中的，仿生学技术、图像与语言识别技术、数据挖掘技术都有相当可观的突破。在国家863计划实施下，智能机器人发展突飞猛进，6000m的水下机器人领跑世界，机器人的感官识别技术也日益先进。在机器人行业，我国与世界一流机器人国家仍然有将近10年的差距，国内的发展也是不断地在缩小差距，有望在未来的十年里赶上甚至赶超一流机器人强国。就国外而言，上世纪60年代第一批液压机械手出现于世，被用来搬运危险有毒的材料。随着机器人的技术日益成熟，世界机器人发展突飞猛进，具有各国特色的机器人显现了出来，例如日本发那科企业（FANUC）、瑞典公司ABB Robotics、德国企业KUKA Roboter等等。国外的机器人趋向模块化和可重构化，试图将虚拟现实与机器人相联系起来。近日，美国Easton研发了一种机械手能够将脑电波和机器人联系起来，开创了人脑控制机械手的先河。机器人研究的人机交互成为重要的研究方向，实现机器人为人服务的宗旨，满足柔性制造的需求。机器人发展已经被日本视为战略产业，韩国也证明了机器人是提高企业生产效率的重要手段，各国通过设立基金和实行政策来驱动鼓励机器人研究设计。下图1-2所示为机械手搬运物品的示意简图。设计目标是将工件从A传送带搬运到B传送带。经过简易的编程后，机械手能够进行旋转、升降、手爪松紧的动作。图示机械手选用坐标系为圆柱坐标型或者球坐标型，此外根据企业不同的需求和应用，机械手还有其他2种坐标形式直角坐标型机械手与关节坐标式机械手。图1-2 示意图1.2.3 可编程控制器（P L C）机械手的发展与运用PLC是在传统的顺序控制器上引入多项技术改进而成。PLC的出现取代了传统继电器控制系统、计时器、执行逻辑、计数器等控制系统，实现了真正柔性控制系统。使用PLC系统代替传统继电器控制系统，使编程变得更加容易，便于随时更改。体积更小，成本更低，能更快捷地将数据输入计算机。此外，PLC系统的程序可以储存、系统的维护更加便捷、抗干扰能力强、稳定性极高，所以可编程控制器系统被广泛地运用到机械手控制中。2 机械手的总体方案设计2.1 研究内容本课题设计实现棒料搬运的机械手，目标是搬运转移芯模棒料。机械手必须能够完成升降、伸缩、顺时针和逆时针的90%旋转、气爪张开、手爪闭合等。本次设计内容包括：1.设计芯模搬运机械手的机械部分，设计手爪的形状。2.设计机械手执行系统与驱动系统。3.进行公式计算与强度校核，选择与设计相应零部件。4.使用Roboguide软件进行机械手仿真。5.PLC控制系统设计，驱动系统控制执行系统工作。2.2 研究方案2.2.1 总体方案设计要求芯模搬运机械手能在规定时间内完成指定搬运动作。此外，还要保证搬运过程中效率极高，搬运目标精准稳定，力求每次搬运在相同位置，机械手的安全性即能够保证被搬运物件不受损伤，保障机械手运行过程中无危险。机械手的用料驱动尽量对环境不产生危害，气压传动正是对环境无危害。所设计的机械手应当符合耐用，经济的标准。根据搬运棒料的需求进行设计,考虑到实际工作环境和外部条件，来设计合适高效的操作流程与工作工序，且最终能完成目标达成任务。已经确定的数据包括：工件尺寸、工件材料、定位精度要求，和各个部件在工作中的具体受力情况、各个零部件的尺寸和参数等。通过以上的数据情况，可以确定搬运机械手的运动控制和机械结构。在条件许可的情况下，标准组件是优选。在兼顾到机械手的通用性、经济性、环保性、实用性之后，应当尽可能地简化机械手臂的设计。1.旋转装置2.垂直升降丝杠3.气缸4.夹紧气缸5.手抓6.基座图2-1.芯模搬运机械手示意简图正如图2-1所示的是机械手示意简图，其工作行程如下:起初由3气缸工作，机械手臂伸出，带动水平伸缩丝杠运动，随即4气缸被夹紧，带动5气爪开始工作，气爪收紧抓紧平台上的棒料，然后3气缸继续工作收缩回来，之后2伺服步进电机开始工作，使机械手手臂上升预设高度，此刻电机带动整个机体开始旋转，3气缸再次被横移到预设距离，接着4气缸再次被夹紧，5手爪开始工作松开物件，物件落在指定位置，收缩旋转手臂并做竖直下降运动，最终芯模搬运机械手完成复位。2.2.2 机械结构设计（1）气爪的结构设计依据最初设计思路，同时也要考虑机械手的稳定性和通用性，所设计的手爪能够稳定抓取圆柱形的芯模棒料，综合考量之后选择了V型指夹钳式，这种固定方式不需要配合专用夹具相对而言更加经济实用、结构简单，非常适用于回转体部件。如下图2-2所示：1.传动部分2.支架3.手指4.棒料图2-2 棒料搬运机械手手爪（2）机械手的升降结构设计步进电机与丝杆相连，机械手臂的上升与下降动作都是由步进电机进行控制。丝杆螺母副被装在机械手臂上，实现驱动机械手臂的升降过程。使用丝杠传动相较于液压传动和气压传动而言具有经济、自锁、稳定的优点，但是缺点是结构固定不易更改。（3）机械手的旋转设计如图2-3所示，启动底部的步进电动机，机械手便可以旋转。由于步进电机节约成本，稳定性很高很少出现故障，后期维修也是便捷容易，经过数学计算能够确定最终的选用电机类型。1.步进电动机2.轴承3.轴承套4.旋转部件5.固定电机基座图2-3 棒料搬运机械手旋转机构（4）机械手的控制系统部分的设计控制系统方面选择了PLC控制系统，此系统经济实用，便于后期修改程序，通用性更强，适用性更广泛。如下2-4所示是机械手循环工作图。图2-4 机械手循环工作图3 机械手本体设计3.1 机械手气爪的设计芯模搬运机械手直接能影响搬运精确度的机械结构就是手爪设计，如何设计稳定精确，抓取力大的手爪是一个重要的难题。目标是手爪能够快速、精准、安全、稳定地抓取目标物件。在进行设计过程中应当关注的地方：（1）气爪的夹紧力是否足够大，不仅要计算工件质量还要预留运送过程中的动载荷。（2）根据棒料摆放位置，设计机械手爪的工作范围，考虑周围环境在机械手爪运动过程中造成的影响。（3）机械手爪能否精准地到达预设位置（4）机械手臂的结构设计尽可能紧凑。3.1.1 结构设计机械手爪有许多类型功能，例如搬运、包装、清洁、焊接、上下料、卸运等等。手爪的种类功能不尽相同，若要参与直接抓取物件的手爪。都在仿生学上采取了拟人的方式，模仿人类手部活动。由于外部工作环境的不同，工件形状大小材料质地等等的不同，机械手爪的造型和分类也不同，常见的类型如下（1）夹钳式（2）勾托式（3）弹簧式（4）气吸式（5）磁吸式（1）夹钳式夹钳式是夹持类抓取物件的一种，该气爪只有一个自由度来控制张开与闭合。（2）吸附类吸附类是气吸式和磁吸式的总称，将一个工件所在的平面视为目标进行抓取，该机械手适用于大平面，在工业上被广泛使用。本次设计的机械手爪选择了夹钳式、如下图3-1所示，选用的抓取方式是滑槽式杠杆回转型。1.工件2.手指3.铰销4.圆柱销5.驱动杆图3-1 机械手爪3.1.2 夹紧力的计算通过数学计算，选择合适的夹紧力。夹紧力不应过大或过小，过大的夹紧力容易造成工件的损坏变形，过小的夹紧力易产生工件松落，机械手无法正常工作的情况。在正常工作中，夹紧力由工人进行操作时，无需精确计算所需夹紧力的数值大小。但是本课题中由气缸提供夹紧力，气缸壁厚和大小都会直接影响到夹紧力的大小，通过计算才能确定气缸的参数。若要对夹紧力计算，首先必须计算工件重量，还涉及到摩擦力与机械手重力等。确定夹紧力主要有三要素，三要素应该逐个确定。手爪对于工件重力为M1=8KG，工件最中心部位到圆柱销的距离S=5cm。（3-1）式中K1是安全系数，常取1.22.0K2取1g取9.8代入公式3-1中，得驱动杆的力是F，图3-2是机械手指的受力分析图。图3-2 机械手指受力图3.1.3 手爪夹紧气缸设计用夹紧气缸进行工作来对机械手手爪的松开闭合进行控制。气缸伸长，手爪松开；气缸收缩，手爪闭合。气缸内径D的计算公式如下：D（3-2）作用力F驱动力=67.9 N，系统的压力P=0.4 MPa代入公式3-2D15（mm）依据设计要求，将上述计算的D值增大到120%，再调整到系列标准值。升降气缸D=15+1520%=18（mm）气缸行程选取L=15 mm表3-1 气缸筒的壁厚气缸直径D/mm铸铁HT15045钢，Q235铝合金ZL20350758128087续表3-1气缸直径D/mm铸铁HT15045钢，Q235铝合金ZL2031001081214125108160129200149141725016113201612查表得3.1气缸壁厚取8 mm。3.2 伸缩手臂的气缸设计已知，工件质量M1=8kg，经估算得到手爪质量M2=4kg。气缸内径D计算公式如下所示：D（3-3）其中作用力F驱动力=(8+4)x9.8x0.8=94.08 N，系统压力P=0.4 MPa代入公式3-3D17（mm）依照实际设计要求，把上述计算的D值再增加到120%，再调整到系列标准值。伸缩气缸D=17+1720%=20（mm）气缸行程取L=80 mm查表3-1可得气缸壁厚为7 mm。3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型滚珠丝杠副是被最广泛使用的机械传动装置，优点是精度极高，他能把直线运动和曲线旋转运动相互转化，从而改变基本运动形式。滚珠丝杠副有诸多优点，能够保证高精度，实现微进给可能性，刚性较高没有侧隙，能够实现高速进给。它被广泛地运用在工业机床，精密仪器上。滚珠丝杠副使用应当注意的事项1、滚珠丝杠螺母的运动有效行程有限，必须在行程两端安装限位开关，避免发生螺母越程脱落，。2.、滚珠丝杠副无法自锁，在使用过程中避免其突然停止作业，发生逆传动。滚珠丝杠副的计算（1）最大工作载荷的计算工作台在升降时（垂直于丝杆）时受到 （3-4）估算：G气缸=60N，G工作台=190N,G气爪=40N已知：G工件=78.4N即可得机械总质量为 G总=368.4N依照导轨进行计算查表后3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨摩擦因数=0.005求滚珠丝杠副的正常工作最大载荷：（2）计算最大动载荷升降工作台时速度v=20mm/s，首次选丝杠导程=5mm，则此刻丝杠的转速令滚珠丝杠的工作寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系数（单位为：）。查表3-30，载荷系数取，滚道硬度是60HRC时，硬度系数取，代入上式求得最大动载荷大小为： （3-5）（3）型号选择参考所计算的丝杠杆导程与最大动载荷，查表3-31，选取GD系列2005-3型滚珠丝杠副，其学名是内循环固定反向器单螺母式。其公称直径为20mm，其导程为5mm，循环滚珠为3圈x 2列。丝杠杆精度等级选择5级，额定动载荷计算可得9309N超过，因而符合要求。（4）传动效率的计算把公称直径，导程，分别代入式子，可得丝杠螺旋升角。把摩擦角，代入，可得传动效率为。4 机械手传动部分设计4.1 电机的类型与特点所谓电机是指通过电磁感应定律将电能转换成机械能的装置。按照结构功能来划分，电机的种类纷繁复杂，因此电机选择是很关键的。电机首先应当满足机械设计需求，再根据工作电流的差异，经济成本多少，购买是否便捷，电机的性能与功能来决定究竟选择何种。（1）三相笼型异步电动机。它所使用的电源是应用最广泛的电源三相交流电源。这种电机成本较低，购买使用维修都很方便，运行较为稳定。但是他的启动较慢，调速性能上具有劣势。因此，它被使用在启动调速性能需求不高的地方，例如水泵、机床、通风机等；诸如空气压缩机、传送机、纺织机械这一类生产机械对启动转矩要求较高，则需要高启动转矩的三相笼型异步电动机；三相笼型异步电动机也适用于于需要有级调速的机械生产设备。（2）三相绕线转子异步电动机。一些对调速有高需求的生产机械则适用于该机械，例如起重机。其多数使用转子串接电阻，因为该电机经常需要启动与制动。该电机有限的调速范围，为了增加绕线转子异步电动机的工作范围，可以用晶闸管串级进行调速，诸如用于节能调速的水泵、风机。（3）三相同步电动机。该电机多数运用于大功率机械上，诸如大型空气压缩机，大型水泵设备上。这些机械设备需要很大的功率支持，并对恒定转速有要求。（4）直流电动机。直流电机的启动性能更好，它能实现精确度更高范围更广的无级平滑调速。因此，设计要求在大范围内实现平滑调速且需要精准位置控制的机械设备上，例如有高精度要求的机床。最近，某些大型生产机械设备上，晶闸管一直流电动机组和晶闸管励磁的直流发电机一电动机组被广泛地使用。电气驱动同时还要考虑采用伺服驱动器。电动驱动伺服器有以下多种：（1）直流电机伺服驱动器目前主流伺服电机的驱动器使用脉冲宽度调制伺服驱动驱动器。伺服驱动器三极管由电流内环和速度外环构成，如果要变更电机上的电压，为了更改脉冲宽度需要改变其脉冲数值。末级通常使用功率较大的三极管构成桥式开关电路。P W M伺服驱动器相较而言有更宽的调速范围，更好的低速特性，过载能力更强、响应更快、效率更改高、精确度更高等。因此，伺服电机驱动常常被使用在高精密机床上。（2）步进电机驱动器脉冲发生器是步进电机的控制装置，它由环行分配器以及功率放大器等几部分组成。脉冲发生器通过变更频率来控制电机，并进行速度控制。环形分配器控制是绕组分组通过，按照设定的顺序。其主要作用是将脉冲发生器传输来的的信号按规定的循环规律分配给各绕组，从而使得步进电机按照规律运动。若是机械要求短暂高频的工作时，步进电机无需反馈能够实现开环控制。因为伺服电机成本高昂，考虑经济性后被排除，步进电机成为首选。驱动器与步进电机配合使用，多数驱动器为了使控制更加精确都有细分功能。因此，用步进电机来驱动工业机器人具备许多优势，例如误差小、控制精确、价格低廉。相较而言能独立完成复杂运动，体积更小重量更轻。所以本次设计选用步进电机。4.2 滚珠丝杠的电机选择（1）计算轴上的总体转动惯量为根据已知条件：滚珠丝杠的公称直径=20mm，导程=5mm，总长l=500mm，材料密度大小为；可移动部件总质量G=368.4N。如表4-1所示，各个零部件计算后的转动惯量为：滚珠丝杠的转动惯量联轴器经过综合考量决定型号为55BF009的步进电机，查表4-5可得此型号电动机转子的转动惯量是所以，于步进电动机轴上的总转动惯量为：（2）步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算应当分别计算空载启动与最大承受载荷两种情况。处于空载启动状态，电动机转轴上的负载转矩由式，总共包括三个部分：其一是当电机空载起动时折算到电动机中心轴上的最大加速度转矩；其二是移动部件进行运动相对于电动机中心转轴上的摩擦转矩；其三是滚珠丝杠进行预紧后相对于到电动机中心转轴上的附加摩擦转矩。由于传动效率很高，相对于和比较小，则可以忽略。则有：（4-1）因为传动链的总效率，快速空载起动时相较于电动机中心转轴上的最大加速转矩的计算：（4-2）公式中是空载最快运动速度的步进电机最大转速，单位为；步进电机从静止启动开始到加速至转速所花费的时间，单位为s。其中：（4-3）式中在电机空载时最大移动速度，参考任务书；预选步进电机步距角为0.9；脉冲当量，。代入式子（4-3），算得。若步进电动机从启动开始提速至转速所花费的时间，总的传动链效率。则由式（4-2）求得：根据式可知，当部件运作时，相对于到电动机中心轴上面的摩擦转矩为：（4-4）式中摩擦因数，取；物体总重量不包括工件，；传动链总效率，取0.7。根据式（4-4），可得：根据式（4-1），电动机中心轴在空载动作时所能承受的负载转矩：电动机转轴在满工作负载下所能承受的负载转矩为，根据式，包括三部分：其一是快速空载起动时折算到电动机中心轴上的最大工作负载转矩；其二是移动部件动作时折算到电动机中心轴上面的摩擦转矩；其三是滚珠丝杠经过预紧后相对于到电动机中心轴上的所能附加的摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率极高，相对于以及很小，因此可以忽略不计。则有：（4-5）其中，折算至电动机中心轴的满工作负载转矩由，则有：式中摩擦因数，取；物体总重量，；传动链总效率，取0.7.那么由式（4-4），得：由式可知，当移动部件动作时，相对于到中心轴上的摩擦转矩为：根据式（4-5），中心轴在满工资负载状态下所能够承载的负载转矩为：在全部计算后，步进电机中心轴最大等效负载转矩为：4.3 旋转台的电机选择利用支座上的步进电机驱动转动基座转动，使得机械手作旋转运动。顶部的联轴器与步进电机连接滚珠丝杠，使其转动让手臂上下移动。运用双导柱导向，避免手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂与机座同时转动，旋转平台机构如图4-1所示。1.丝杠电机2.滚珠丝杠3.气缸手臂4.气缸放置平台5.旋转台6.旋转电机图4-1 旋转台简图机构图4-2 旋转平台受力（1）通过4-2平台中各零件受力，计算各个零部件的转动惯量如下：丝杠平台工件与气爪工件与气爪总转动惯量（2）已知为，物体转速3r/min电机功率最终选择反应式电机75BF003。5 机械手的控制设计5.1 电控的选择与优点5.1.1 P L C的基本概念PLC控制系统学名为可编程逻辑控制器，PLC系统问世是为了更好地代替继电器实现更好的逻辑控制。时代不停发展，逻辑控制已经远远不能满足现今的需求，而机械领域中广泛使用微型计算机技术来作为控制系统。这种计算器控制装置被称为可编程控制器，简称PLC。上世纪70年代，首台PLC被美国数据设备公司研发成功，经过产品的不断迭代，美、德、日三国都拥有了成熟可靠的PLC技术。5.1.2 PLC的基本结构 微型计算机也就是PLC可编程控制器，常用于工业领域，其内的硬件结构与微型计算机大同小异。PLC主要组成部分包括：（1）电源PLC控制系统要选用高质量电源，在PLC生产时，对其电源的选用异常严格。通常来说，能直接接到PLC之上的交流电压波动不能超过10%，才不需要采用整流稳压等操作。（2）中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）也是PLC的控制中心，信号由系统发出，处理器实现相应的功能。中央处理器可以存储输入端的信号，例如输入输出、电源状态、存储器、定时器状态、并具备自检功能来检查程序自身错误。PLC工作方式是扫描来接受输入信号，对其存储，放在I/O映象区，之后进行再读取。从存储器中逐条逐一地读取用户编写的应用程序，经过内部分析后，依照程序进行数字和逻辑运算，最终执行结果被存储到数据存储器中。整个程序结束后，结果被传送到输出端，动作循环往复，直到指令结束。为了保障系统能够稳定工作，大型PLC系统常有2-3个中央处理器，即使其一发生故障时，也能继续生产。（3）存储器存储器包含系统程序存储器和用户程序存储器两种，功能有所不同。（4）输入输出电路PLC连接了控制接口和电路，即是输入端。PLC的输出信号和执行元件相连接，即是输出端。（5）通信模块通信模块主要包括RS485、Profibus-DP，以太网等。（6）功能模块计数器与定时器都属于PLC系统的功能模块5.1.3 P L C的特点PLC的特点见下：（1）可以灵活组合，功能实用。通过灵活组合PLC系统可以满足不同的系统，通用性更强使用方便，这正是工业控制所需要的。切换控制也是一个连续的P I D闭环控制和主机构成控制系统，比如D D C和D C S等，最终实现自动化生产。（2）PLC系统方便易学，无需拆卸控制设备，可以编入现成的PLC程序也可以临时修改程序来适应于不同的使用环境，无需将程序全部重新编写，既方便又快捷。（3）PLC系统出错时可以在工作环境中作出简单修改即可，只要现场设备与P L C相应的I/O端子的连接，编写的程序就能正常运行。可编程控制器还具备完善的自我检查功能，为维护提供了极大的方便。每个模块都设有故障指示装置，易于故障排查用户理解。（4）PLC控制系统的抗干扰能力很强。其抗干扰的主要方式是分离和过滤，甚至能保证PLC电源的正常运行。除此为了消除不同电源之间的影响，PLC内部的不同部位不能选用一样的电源。PLC外部设置了防尘、防震封装结构外壳来适用于各式各样的恶劣工作环境。因此PLC系统很难出现故障，即使出现故障也维修容易。（5）对工作环境要求不高。PLC相较于其他控制系统，更能够适应各种恶劣的工作环境，例如高温高压，粉尘多，有震荡的车间甚至强静电的环境。5.2 机械手的工作流程最初按下启动按钮，之后选择手动挡或自动挡，机械手便开始运作，机械手工作流程图如下图5-1所示。当选择自动档位时：（1）从原点开始立柱向左旋转9 0，到达左限位开关时停止；（2）立柱垂直向下运动，到达下限位开关停止；（3）手臂气缸伸出，到达前进限位开关停止；（4）气爪抓紧工件；（5）手臂气缸收缩，到达后退限位开关停止；（6）立柱垂直向上运动，到达上限位开关停止；（7）立柱向右旋转1 8 0，达到右限位开关停止；（8）手臂气缸伸出，到达前进限位开关停止；（9）气爪松开工件；（10）手臂气缸收缩，到达后退限位开关停止；（11）立柱左旋转9 0回到原点，原点灯亮起。按下停止按钮，机械手工作停止；按下启动按钮，机械手运动先归零，再开始运动。若选择手动挡可以继续按下任何按钮来进行操作，直到运动到限位开关为止。初始位置立柱左转手抓松开立柱下降手臂伸出手臂伸出 立柱右转抓取芯模立柱上升手臂收缩图5-1 机械手工作流程5.3 控制面板按键分布图图5-2 控制面板按键分布图5.4 I/O口分配可编程控制器接受信号，再分配到相对应的输入端口；部分信号由可编程控制器输送到被控制的对象，再分配相应的输出端口。此外，定时器与计数器也要对相应的分配可编程序控制器来通过编号来识别信号。依照系统输入输出点的数额，最终选择三菱的FX2N系列FX2N-48MR。如图5-2所示：表5-1 输入点分配表名称代号输入启动SB1X0右转限位SQ1X1左转限位SQ2X2上升限位SQ3X3下降限位SQ4X4手臂前进限位SQ5X5手臂后退限位SQ6X6停止SB2X7续表5-1名称代号输入手动1SAX10自动2SAX11手爪夹紧SB3X12手爪张开SB4X13上升SB5X14下降SB6X15手臂前进SB7X16手臂后退SB8X17左转SB9X20右转SB10X21回原点SB11X22原点限位SQ7X23表5-2输出点分配表名称代号输出丝杠上升丝杠下降Y3平台左转平台右转Y4气爪张开电磁阀1YAY5气爪夹紧电磁阀2YAY6手臂前进电磁阀3YAY7手臂退后电磁阀4YAY8原点灯Y95.5 气压接线图手臂气缸与手指气缸的连接方式如下图5-4和图5-5所示。图5-4 气爪连接三位五通阀图5-5.手臂气缸连接三位五通阀5.6 PLC梯形图图5-3 PLC梯形图6 Roboguide仿真6.1 Roboguide软件本次设计运用到日本发那科公司开发的Roboguide软件进行机械手臂的仿真。日本发那科公司在机器人数控领域走在了世界前沿。发那科公司不断创新，深度挖掘用户需求的精神也是值得学习的，所以本次软件学习颇有意义。本次课题中使用的Roboguide软件版本为7.7，各个版本的操作界面都是不尽相同的。6.2 Roboguide 建模与仿真设计主要思路是先根据图纸要求进行模型构建，然后参考程序进行程序编写。建模的主要流程包括，加入机器人，设置工具坐标系，设置part，然后编程，最后进行仿真。仿真过程如下（1）创立workcell，完成属性与参数的配置。（2）加入机器人并对机器人的属性进行编辑。（3）找到add parts的功能，添加parts并设定质量和尺寸。（4）编辑机器人的手爪，在tooling里找到手爪数据库，在合适的位置安装选用手爪，选择尺寸和定位。（5）以机械手的基座为基准设立坐标系。（6）输入预先编写的程序。（7）机械手工作的仿真与录像。如图6-1所示，机械手臂处于初始位置，起初由机身气缸开始工作，机械手臂伸出，连接水平伸缩丝杆运动。图6-1 机械手仿真图初始位置如图6-2所示，为机械手臂仿真的俯视图。图6-2 机械手臂仿真俯视图如图6-3所示，手腕处气缸被夹紧带动气爪工作，气爪收紧后抓紧了平台上的棒料。图6-3 气爪抓取棒料图如图6-4所示，步进电机带动机体旋转，机身气缸被横移到预设位置，被连接的腕部气缸再次夹紧，手爪松开物件，棒料被摆放在预设位置，机械手完成复位。图6-4 机械手复位图6.3 Roboguide 仿真程序1：OVERRIDE=10%2: J P2 100% CNT1003： J P3 100% CNT1004： J P4 100% CNT1005： J P5 100% CNT1006： J P6 100% CNT1007： J P1 100% CNT1008：9： J P7 100% CNT10010： J P8 100% CNT10011: J P9 100% FINE12: DO 1=ON13: CALL PICK_114： J P10 100% CNT10015： J P11 100% CNT10016： J P12 100% FINE17: CALL DROP_118: DO 1=OFF19： J P13 100% CNT10020： J P14 100% CNT100End37设计小结本次毕业设计综合了本科学习四年内大量机械专业的知识，大跨度地使用多学科的专业知识，对我而言还是相当吃力的。本次设计主要涉及的学习内容有，机械制图、液压与气压传动中的气压传动、PLC控制系统、Fanuc Roboguide仿真软件、机械设计、机械原理、机械制造基础、工业机器人等等知识。当今社会，搬运机械手的设计已经相当成熟，国内外互联网上可以获取大量的信息知识，乃至案例和仿真提供我学习。起初，我大量地借阅了学校图书馆和区图书馆的机电专业方面的书刊，就学校而言存储的机电书刊远远多于浦东图书馆，相对而言更加专业化。一旦将大学四年所学习的知识联动起来，才发现每个学科都各司其职，结合起来才能完成真正意义上的机械设计。在此过程中，工业机器人的书籍对我的启迪最大。在涉及到PLC控制系统的知识时，我并没有很好地掌握，但是我积极寻求帮助，阅读了有关PLC的书籍，请教了沈老师，拿着程
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