气动机械手升降臂结构设计【三自由度圆柱坐标】
35页 16000字数+论文说明书+5张CAD图纸【详情如下】
A0气动机械手装配图.dwg
A1数据管理图.dwg
A1机械手工作流程图.dwg
A1机械手旋转阀.dwg
A1气动阀.dwg
气动机械手升降臂结构设计说明书.doc
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，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏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，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。
本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。
利用可编程序控制器（PLC）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，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。
关键词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教
Abstract
This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration.
This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part.
This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting.
With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) Point Demonstration part.
Keywords: industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen;
Demonstration
目 录
摘要(中文) I
(英文) II
第一章 绪 论
1.1工业机械手概述 1
1.2机械手的组成和分类 1
1.2.1机械手的组成 1
1.2.2机械手的分类 2
1.3 PLC与触摸屏概述 3
1.4国内外发展状况 3
1.5课题的提出及主要任务 4
1.5.1课题的提出 4
1.5.2课题的主要任务 5
第二章 机械手的设计方案
2.1机械手的类型和自由度的选择 6
2.2机械手的驱动方案设计 6
2.3机械手的控制方案设计 6
2.4机械手的手部结构方案确定 6
2.5 机械手的手臂结构方案设计 6
2.6机械手的主要参数 7
2.7机械手的技术参数列表 7
第三章 手部结构的选择,手臂伸缩的选择，升降、回转气缸的设计与校核
3.1 夹持式手部结构 9
3.1.1 手指的形状和分类 9
3.1.2 设计时注意的问题 9
3.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择 9
3.2.1 气缸的分类 9
3.2.2 升降缸的尺寸设计与校核 11
3.2.3 伸缩缸的选择 16
3.3 回转气缸的尺寸设计与校核 16
第四章 气动系统设计 20
第五章 机械手的PLC控制设计
5.1可编程序控制器的选择 21
5.2机械手可编程序控制器控制方案 21
5.2.1 系统简介 21
5.2.2可编程序控制器的工作流程设计 21
5.2.3 可编程序控制器的存储区设计 22
5.3硬件、软件的设计与调试 23
5.3.1 系统硬件设计与组态 23
5.3.2 软件设计 23
5.3.3 硬件调试与系统调试 23
5.3.4 梯形图设计 23
5.3.5 机械手控制程序 23
第六章 触摸屏上位机设计 25
第七章 结论 28
结束语 29
参考文献 30
第一章 绪 论
1.1 工业机械手的概述
工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(主要是动作功能)、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。 “机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧《罗素姆万能机器人》中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人； 60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体，输入已编好的程序。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。
第三章 手部结构的选择，手臂伸缩，
升降、回转气缸的设计与校核
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。
3.1夹持式手部结构
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。
3.1.1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。
3.1.2设计时注意的问题
(一)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。
(二)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。
(三)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。
(四)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。
(五)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。
3.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择
3.2.1 气缸的分类
普通气缸的结构组成见图3-1。主要由前盖、后盖9、活塞6、活塞杆4、缸筒5 其他一些零件组成。
界面说明:在按下手动演示后，可操作者可进行手动的演示，此时不能储存数据。当操作者又按下自动时，再按下开始储存后，系统开始储存数据，此时操作者的每一步骤都被系统识别并记录下来直到操作者按下结束储存后，系统结束自动储存。在结束储存状态下，如果需要在现演示，操作者必须先初始化，使机械手处在原始状态，然后在按下预备示教，此时系统自动识别示教程序，等待操作者按下在线示教，，一旦按下此键，机械手就按先前的储存程序进行示教过程。操作者也可以按下储存程序来储存本次演示程序，以备将来需要重新演示本次内容。当需要演示先前存储的程序时，只需要按下在线储存程序，在弹出的窗口中选择先前所储存的文件就可进行演示。
第七章 结 论
1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。
2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。
3、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。
4、本课题实现了机械手的再现过程,有利于教学研究和学生的课程设计。
结束语
本文是在我尊敬的导师副教授悉心指导下完成的。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。也感谢北京信息科技大学四年来对我的栽培。谢谢！
参考文献
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