基于PLC驱动的三自由度机械手设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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摘 要
当今，在机械、医药、军事等各个领域中，机械手的出现频率越来越高。机械手的应用，使工业生产能够飞速发展，不仅仅提高了生产效率，改进了生产质量，减少次品的出品率，而且机械手能够解放生产力，减少人力劳动的强度，更为重要的是机械手能够在恶劣条件下进行工作作业，完成人力不能完成的任务。机械手涵盖了机械手机、机械原理、控制原理、PLC、力学、材料学、传感器等众多方面的知识和内容，是一门综合性质很强的技术。
本次毕业设计中，根据潘存云教授的发明，用球齿轮代替铰链接，设计一种机械手结构，能够实现机械手在半球体内的360度任意位置自由定位和指向要求。球齿轮最大的优势在于球齿轮的360度可自由性定位，从而实现空间指向和任意位置的定位，该三自由度机械手有三个自由度，满足工件的打磨、钻孔以及部分搬运工作的动作要求。此次设计包括机械手的手部、手腕、手臂的结构和连接方式，驱动机构的选择，底座和机架的设计等方面，主要进行的是机械手整个结构的设计，并且分析球齿轮机构的传递方面的参数，机械手的控制参数等等。在控制系统方面，该三自由度机械手的控制系统采用具有三自由度运动控制功能的PLC，并且进行框架设计、连线设计、程序编写，设计了自动和手动的两套程序，便于机械手应用在机械加工生产线等场合。
关键词：机械手；球齿轮；三自由度；PLC
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本科毕业设计 开题报告 题 目 基于 动的三自由度机械手设计 1 2 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 课题来源、选题依据和背景情况 本课题来源于教师自拟课题，选题的类型是应用于工程或技术开发。随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械手的诞生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性生产由人工操作环节，尤其是在 一些危险性大的行业生产中应用较为实用，如化工生产有存在有毒物质的；如核电厂等存在放射性物质的地方；如烟花等易燃易暴的生产场合等生产环境非常适合使用机械手进行生产。在机械行业中（铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等）应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机械手来搬运上下料材；机械零件的装配生产线中，利用机械手抓零件与另一零件装配在一起；如啤酒生产中用机械手把盖压在瓶子上等等。以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进安全生产、提高产品质量，适合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。 课题研究目的、学术价值或实 际应用 在目前广泛应用的人机工程学科中，工业机器人技术越来越受到重视，工业生产领域中应用的机械手又叫做“工业机械手”，是工业机器人学科的一个分支。在实际的生产过程中，应用机械手系统不但可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，还可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产。 本课题的主要设计一种三自由度机械手。该三自由度机械手有三个自由度，满足工件的搬运和调向的动作要求。该三自由度机械手的控制系统采用具有三自由度运动控制功能的 以应用在机械加工生产线等场合。 根据被加工工件的动作要求，选择适用于各个关节 的伺服电机，末端执行器的作用是抓紧工件，拟选用合适的夹紧机构，根据产品的形状和大小设计合适的机械手。选择合适的电气控制元件，设计机械手的电气控制系统。根据所选择的伺服电机和机械手各个关节的运动要求，选择合适的支撑结构满足机械手动作的要求。 机械手的设计和应用，不仅满足特定情况下的要求，还应该满足特殊情况下的使用要求，机械手的使用极大促进了工业生产。 机械手是为了工业需要而产生的控制装置，其制造商最终的目的是为了获得经济利益而不断研究，产生新技术与成果，引领科技不断的发展。而对于科技人员来说设计成本最小、控制 方式智能化、灵敏的装置是企业效益的生命线。首先要求设计人员有较全面的科技项目能力，掌握最新的科技发展动态，应用最新的科技，创新思维，利用最新的工艺与科技研究最新的机械手，才能使科技获得发展，企业获得利润。在技术方面应该从以下三方面着手：其一、跟踪与创新科技最新技术成果，使企业处于技术最前沿，以获得最新技术；其二、开拓市场，把机械手应用于社会的各行业，尤其是一些危险行业与能大幅降低劳动量的行业；其三、企业用最低的价格促进科技普及，以促进生产发展。 结构上机械手大多是以铰链接为主，在连接方式上加以改进和创新是很 值得研究的。在连接方式上用球齿轮改进是机械手设计最好的改进，球齿轮结构可以实现空间 180 度旋转和位置指定，能够很好适应机械手的功能。 3 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态 ； 查阅的主要文献 一、机械手的分类 机械手按驱动方式分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手和电力传动机械手： 1 液压传动机械手 它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 它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：介质来源极为方便，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 它由机械传动机构 (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 它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。 机械手按自主操作方式一般分为三类： 1. 通用机械手 它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 2. 操作机 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。 3. 专用机械手 主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的 ，因此是专用的。 按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手： 1. 专用机械手 专用机械手 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。4 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。 2. 通用机械手 通用机械手 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、世界各国对机械手的研究 工业机械手是一种用于再现人手功能的自动控制装置。对其研究源于 20 世纪 40 年代末，最早由美国橡树岭国家实验室开始研究搬动核原料的遥控机械手， 逐渐发展成为现代自动控制领域的新技术，涉及力学、机械学、电器液压技术、传感器 技术和计算机技术等的综合，成为一门新兴学科。 经过美国几年的科研攻关，于 1958 年联合控制公司研制出了世界第一台机械手，在机体上安装一个回转长臂，并在端部装有电磁铁的工件抓放机构。之后经过四年的发展由美国的机械铸造公司制造了一台数控示教再现型机械手，取名为万能自动），运动系统采用仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰是用液压驱动后来的许多机械手就是按此模型为基础发展起来的。 1962 年美国的机械铸造公司制造又成功研制了一款叫 械手，能实现点位和轨迹控制，实现灵活搬运。这些成果为全世界的 工业机械手发展奠定了扎实基础。 美国 司联合斯坦福大学、麻省理工学院联合研制了一些定位精度高、平均无故障时间达 1500 小时的高可靠性、低成本的机械手，其中一种定位误差可小于 1有小型电子计算机进行控制的 工业机械手。 日本于 1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究，到 1979 年时日本从事机械手研究与生产的院校、研究单位达 50 多家，至 1979 年时生产机械手数量达 56900 台， 1990 年时有 55 万台机械手，是工业机器人发展最快，应用国家 最多的国家，按每年 55%的速度增长，并在汽车生产线上使用最多，目前成已为世界上工业机械手 (机器人 )应用最多的国家之一。 前苏联从 20 世纪 60 年代以来开始发展机械手并应用于各类生产中，最主要是应用于机械工业，为了减轻劳动强度，自动化水平较低。到 70 年代中期时使用较为广泛，且超过一半是由国内生产。 中国经历了 70 年代的萌芽期，主要以引进先进技术为主，代替部分人工劳动；80 年代的开发期，如上海 程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司等均有应用， 90 年代的应用期，如柯马（上海）汽车设备有限公司、青岛欧 地希机电（青岛）有限公司等均开发适用于用户要求的机械手。就目前来看国内使用的机械手进口所占比例依然较大， 2012 年各占 50%左右，约 15000 台。在我国从制造大国向制造强国迈进过程中，还面临着国际环境与技术、分工的巨大挑战，发展自动化产业是政府必须主导且已经给予资金和政策扶持的重要产业，相信随着我国综合国力增强，科技不断进步，国产机械手应用于生产及走出国门将会更为广泛。 1972 年我国第一台机械手在上海开发成功。随后各大型公司都逐渐开始研制5 和应用机械手。从 1986 年到 1990 年政府的第七年“五年计划”就将工 业机械器人列入了优先发展的地位，通过立项投入了较大的人力与物力研究工业机器人应用于工农业生产的活动，并且研究制造了相关的工业机器人成果，如北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人；大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等等。 随着计算机技术、机械制造技术及自动控制理论的发展，我国在许多工业上采用了机器人控制技术，尤其是近年以来，柔性制造技术和工厂的自动化技术不断应用生产实践，代替了许多繁重的体力劳动，改善了工人的劳动条件，也体现了工业机器人应用生产的强大生命力，不断推动科技更新，设备更新。 第二代、第三代机械 手增加了许多功能，具有视觉、触觉、听觉等能力，把各种传感器安装于机械手的各部位形成自动化水平相当高的机械手。 机械手的发展十分迅速，尤其是工业机械手在各种场所拥有很广阔的应用。在这种情况下，提出新型的机械手的结构，应用于新的场所和场合，不断满足工业场景的新应用。在毕业设计中，提出了一种以球齿轮为基础的机械手结构的设计。 渐开线环形齿球齿轮机构的主要研究者是来自于国防科技大学的潘存云教授。与传统的 齿轮相比 ,新型球齿轮一是采用了渐开线齿廓 ,二是轮齿在球面上呈环形连续分布 ,因而克服了离散齿球齿轮存在传动原理误差和难以加工这两个缺陷。潘存云教授对于球齿轮的设计原理、传动原理以及运动分析都做了详细的研究和介绍，同时在安装、驱动和传动方面进行了深刻的研究。 参考文献： 1 王月芹 . 基于 机电产品开发与创新 , 2011, 24(3): 13 2 张启先 . 空间机构的分析与综合 . 北京 : 机械工业出版社 , 1987 3 潘存云 . 球齿轮传动原理探讨 . 机械科技的未来 青年科学家论坛 . 北京 : 机械工业出版社 , 1994: 6070 4 杨家军机械原理 (基础篇 ). 武汉 : 华中科技大学出版社 , 2005 5 王孙关节式机械本体及控制系统设计 . 西安 : 西安交大机械电子工程研究所 , 2005 6 喻伟闯 ,罗晓曙 ,陈赤 ,杨春慧 . 基于 三自由度机械手控制系统设计与实现 . 现代电子技术 , 2009,11: 14 7 潘存云 ,温熙森 渐开线环形齿球齿轮传动原理与运动分析 2009,11： 14 8 李婷 ,潘存云 ,李强 ,张立杰 . 安装误差对球齿轮姿态调整机构指向精度的影响分析 2009, 30(7): 17 9 潘存云 ,温熙森 . 球齿轮行星传动结构型式与驱动机构分析 2006, 26(3): 16 10 姚齐水 1, 2, 李常义 2, 3, 潘存云 2. 渐开线环形齿球齿轮的几何建模及其齿面方程研究 . 机械设计与研究 , 2006, 22(2): 14 11 张袅娜 . 参数 不确定柔性机械手的神经滑模控制 . 机械工程学报 , 2011,47(1):16 13 张利平 . 液压传动系统设计与使用 . 化学工业出版社 ,2011 14 刘丽凤 . 基于 六自由度机械手三维实体动画仿真 . 机电技术 , 2010(1): 4547.(i 3D of G 2010(1): 4547.) 6 三、研究内容 1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 学术构想与思路 本次毕业设计中，根据潘存云教授提出的球齿轮代替铰链接的机械手结构，能够实现机械手在半球体内的任意位置自由定位。球齿轮最大的优势在于球齿轮的 360 度可自由性定位，从而实现空间指向和任意位置的定位。 传统的机械手结构主要通过铰链连接、底盘转动、正交驱动实现活动，其中的铰链、正交结构都拥有一个自由度， 如图 15 所示。 在图 1、图 2、图 3 的机械手模型包含如下几个关节：夹爪、手腕、上臂、下臂、底座，主要由执行机构、驱动机构和控制系 统三大部分组成。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全。 传统的机械手大多是多关节机械手。多关节机械手的优点是：动作灵活、图 1 六自由度机械手模型 图 2 五自由度机械手模型 图 3 五自由度机械手模型 图 4 三自由度正交机械手模型 图 5 气动机械手模型 1， 2 7 运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作 多关节手臂的灵活性， 定位精度 及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。 但是多关节机械手，多是以铰链接为连接结构。在本次毕业设计中选择了一种以球齿轮为连接结构的机械手。 主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 在查询资料后，本毕业设 计选取了一种新型的结构 为传动机构，如图 6 所示。球齿轮结构是通过齿轮平面绕中心线旋转 180 而成，从而形成立体空间齿轮，球齿轮通过支架连接形成球齿轮结构。 图 6 球形齿轮结构 本课题主要研究球齿轮的应用安装、驱动以及球齿轮在机械臂中的应用。运用机械原理、机械设计的知识，设计在球齿轮支撑下的三自由度机械臂的主体结构，并实现三自由度机械臂在特定条件下的应用。在结构设计中的重点设计是对于球齿轮结构传动、连接、驱动原理的设计。 球齿轮在实现 X、 Y 方向的移动方向上的移动是 通过几个球齿轮关节的二自由度的串联叠加实现自由度的叠加。该课题解决的问题是球齿轮的连接方式、球齿轮的传动以及球齿轮的原理。 如何实现球齿轮的形成加工、结构连接、驱动方式及传动方法的研究设计。 球齿轮 1 球齿轮 2 支架 1 支架 2 8 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 采取的研究方法和技术路线： 本课题中，拟解决的问题和主要任务有以下几个： （ 1）根据课题要求，查阅三自由度机械手相关的中外文资料或专利。 （ 2） 根据球齿轮的结构、原理以及运动方案，设计基于球齿轮的三自由度机械手的总体结 构设计方案，选择合适的 制方案。 （ 3）计算各个运动机构的行程，选择合适的伺服电机，确定并对各个自由度的支撑方案。 （ 4）根据被加工工件的尺寸，设计合适的夹紧机构。 （ 5）设计各机械部件的结构和尺寸，利用三维设计软件绘制装置的三维设计图。 （ 6）设计 制系统，编写 制程序。 （ 7）绘制二维总体装配图，并对各个零件进行详细设计，绘制零件的二维设计图。 （ 8）撰写毕业说明书。 通过各种文献查询各种自由度下的机械臂的情况，并通过对三自由机械手的各种结构 的研究和调查分析，了解机械手的运转方案和原理。在此基础上，将机构的方案运用移植创新方法，将三自由度机械手的原理和性质运用到球齿轮运动上。 在研究球齿轮和机械臂的连接问题上，首先需要通过三维软件模拟球轮的形成原理、传动机构原理、驱动机构，球齿轮的整体驱动方案以及整体传动方案，如图 810 所示。 其次，通过三维软件的建模，模拟仿真球齿轮的可行性和球齿轮运动原理的可操作性。在三维软件中，模拟球齿轮结构支持下的机械手的空间立体指向、图 7 基于球齿轮驱动的机械手模型 9 指定位置的移动以及在到达指定位置的运动方案。 在方案确定之后，确定机械手的整体尺寸， 进而确定球齿轮的尺寸。定义机械手在实际运动过程中的运动姿态，运用 件模拟仿真机械手在运动过程中的各关节，以及各个关节的联动，并在此基础上分析角度的变化。 图 8 球齿轮的形成原理 图 9 球齿轮的传动原理 10 图 10 球齿轮的整体驱动方案 图 11 球齿轮的整体传动方案 11 图 12 球齿轮的驱动机构运动简图 主体的三个自由度分别来自于底部大转盘的转动自由度，上部球齿轮的横向和纵向自由度。 从如图 12 所示的运动简图中可以看出 , 该机构有 7 个活动构件、 4 个球面副、 2 个移动副、 2 个转动副、 2 个螺旋副、 1 个球销副组成。去掉 8 个虚约束、2 局部自由度以及 2 非独立自由度 , 得到该机构的实际自由度数为： 式中 P 运动副的个数； P 虚约束的个数； F 自由度。 最后， 将 三维 软件里得到的三维模型通过导入 运动仿真分析 ，进行多体动力学仿真，得到 机械手 在 空间 的虚拟运动情况，并且通过此仿真优化 机械手 的主体结构和推进方式，以达到高效的推进。 机械手模型完成之后，根据模型的运动状况，制定机械手特定状态下的运动模式，并根据机械手的运动模式进行动作划分和运动轨迹的定义，根据运动情景，进 行 程。 图 13 机械手的三个自由度 球齿轮结构 两个自由度 底部齿轮 一个转动自由 度 12 四、 论文（设计）进度安 排 起止时间 主要内容 预期目标 2015 年 2 月 22 日
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