机械手手爪部位毕业设计说明书讲解

1、温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计目录摘要 1引言 11. 机械手总体方案设计 21.1 设计要求 21.2 运动形式的选择 21.3 驱动方式的选择 41.4总体结构设计 52. 机械手手部设计 62.1 结构分析 62.2 计算分析 63. PLC控制系统设计 113.1 机械手移动工件控制系统的控制要求 113.2 机械手移动工件控制系统的 PLC 选型和资源配置 133.3 机械手移动工件控制系统的 PLC 程序 144. 动画制作 184.1 建立机械手模型 184.2 制作机械手的动画 18结束语 26致谢 26参考文献 26附录 27温州大学毕业论文基于 PLC 控制

2、的机械手设计摘要机械手设计包括机械结构设计， 检测传感系统设计和控制系统设计等， 是机 械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。 本课题通过对设计要求的分析， 设计出机械手的总体方案， 重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设 计，完成了整个系统工作的动画设计。 实现了机械手的基本搬运功能， 达到了预 期要求，具有一定的应用前景。关键词 ：机械手 PLC 动画引言随着世界经济和技术的发展， 人类活动的不断扩大， 机器人应用正迅速向社 会生产和生活的各个领域扩展， 也从制造领域转向非制造领域， 各种各样的机器 人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、 娱乐

3、等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用， 很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。工业机器人是一种能进行自动控制的、 可重复编程的， 多功能的、 多自由度 的、多用途的操作机 , 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而 且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材 料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工 业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。机械手是一种模仿人手动作， 并按设定的程序来抓取、 搬运工件或夹持工具， 机械手可在空间抓放物体， 动作灵活多样， 适用

4、于可变换生产品种的中、 小批量 自动化生产， 广泛应用于自动生产线、 自动机的上下料、 数控设备的自动换刀装 置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，主要完成 移动、转动、抓取等动作。控制系统是机械手的指挥系统， 它通过控制驱动系统， 让执行器按照规定的 要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（ PLC）是一种数定运算操作 的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用 指令形式存放在存储器中， 并通过数字式、 模拟式的输入和输出， 控制各种机械 或生产过程。与继电器控制线路相比， PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强； 编程 简单、使用方便；

5、设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积 小、能耗低等特点。因此，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计1.机械手总体方案设计1.1 设计要求：1. 机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上2. 要求完成手抓结构的设计，进行夹紧力的计算分析。初值给定如下：工件质量 m=0.1kg摩擦系数 =0.15重力加速度 g=9.8m/s 2垂直加速度 a=0.3g=2.94m/s水平加速度 a=0.3g=2.94m/s回转半径 r=0.5m角速度 3.5rad/s 角加速度 2.1rad/s 2 安全系数 S=1

6、.45夹角 453. 要求选用 PLC 作为控制系统1.2 运动形式的选择： 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。 常见机器人的运动形 式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。1. 直角坐标型机器人 直角坐标型机器人的结构简图如图 1-1 所示，它在 x,y,z 轴上的运动是独立 的，3 个关节都是移动关节， 关节轴线相互垂直， 它主要用于生产设备的上下料， 也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是：(1) 在三个直线方向上移动，运动容易想象。(2) 计算比较方便。(3) 由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4) 要求保留较大的移动空间，占用空

7、间较大。(5) 要求有较大的平面安装区域。(6) 滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2. 圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人的结构简图如图 1-2 所示， R、 和 x 为坐标系的三个坐 标，其中 R 是手臂的径向长度， 是手臂的角位置， x 是垂直方向上手臂的位置。 这种形式的主要特点是：(1) 容易想象和计算。(2) 能够伸入形腔式机器内部。(3) 空间定位比较直观。(4) 直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5) 手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。3. 极坐标型机器人极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图 1-3 所示，R， 和 为坐标系的坐标

8、。 其中 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面 内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计(1) 在中心支架附近的工作范围较大。(2) 两个转动驱动装置容易密封。(3) 覆盖工作空间较大。(4) 坐标系较复杂，较难想象和控制。(5) 直线驱动装置仍存在密封问题。(6) 存在工作死区。4. 多关节机器人多关节机器人结构简图如图 1-4 所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对 角位移作为坐标系的。 、和为坐标系的坐标， 其中 是绕底座铅垂轴的转 角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。

9、这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置， 所能达到区域的形状取决于 两个臂的长度比例。其特点是：(1) 动作较灵活，工作空间大。(2 关节驱动处容易密封防尘。(3) 工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5) 运动难以想象和控制，计算量较大。(6) 不适于液压驱动。图 1-1 直角坐标型图 1-3 极坐标型图 1-2 圆柱坐标型图 1-4 多关节型温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计选择方案的准则：1. 满足设设计要求：机械手能够旋转一定角度。2. 结构简单，便于计算分析。分析比较以上四种运动形式，确定选用圆柱坐标型机器人。1.3 驱动方式的选择：

10、机器人关节的驱动方式有液压式、 气动式、 和电动式。 下面将三种驱动方式 进行分析比较。1. 液压驱动 机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：(1) 液压容易达到较高的压力(常用液压为 2.5 6.3MPa)，体积较小，可以 获得较大的推力或转矩；(2) 液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；(3) 液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；(4) 液压系统采用油液作介质， 具有防锈性和自润滑性能， 可以提高机械效率， 使用寿命长。液压传动系统的不足之处是：(1) 油液的粘度随温度变化而变化， 影响工作性能， 高温容易引起燃爆炸等危 险；(2) 液体的泄

11、漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；(3) 需要相应的供油系统， 尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置， 否则会 引起故障。液压驱动方式的输出力和功率更大， 能构成伺服机构， 常用于大型机器人关 节的驱动。2. 气压驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是：(1) 压缩空气粘度小，容易达到高速；(2) 利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备；(3) 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；(4) 气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是：(1) 压缩空气常用压力为 0.4 0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对 增大；(2)

12、 空气压缩性大， 工作平稳性差， 速度控制困难， 要达到准确的位置控制很 困难；(3) 压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈， 导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的机器人。3. 电动机驱动 电动机驱动可分为普通交、 直流电动机驱动， 交、直流伺服电动机驱动和步 进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性 大，适用于中型或重型机器人。 伺服电动机和步进输出力矩相对小， 控制性能好， 可实现速度和位置的精确控制， 适用于中小型机器人。 交、直伺服电动机一般用温州大学毕业论文基

13、于 PLC 控制的机械手设计于闭环控制系统， 而步进电动机则主要用于开环控制系统， 一般用于速度和位置 精度要求不高的场合。本课题设计的机械手的特点： 1.点位控制进行搬运工作，采用顺序控制方式。2.负载小，精度要求不高。3. 要求成本低。 根据以上特点，确定选用气压驱动。1.4 总体结构设计根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选定， 对机械手进行总体结构的 设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图 1-5 所示。图 1-5 机械手总体结构图温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计2.机械手手部设计2.1 结构分析机械手的手部是最重要的执行机构， 是用来握持工

14、件的部件。 常用的手部按 其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类， 本课题采用夹持类手部。 夹持类手 部又可分夹钳式、 托勾式和弹簧式。 本课题选用夹钳式， 它是工业机器人最常见 的一种手部。手部传动机构可分回转型、 平动型和平移型。 回转型的特点是当手 爪夹紧和松开物体时， 手指作回转运动。 当被抓物体的直径大小变化时， 需要调 整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。 平动型的特点是手指由平行四杆机 构传动，当手爪夹紧和松开物体时， 手指姿态不变， 作平动。和回转型手爪一样， 夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。 平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件 时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不

15、变，不受工件直径变化的影响。为 便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图 2-1 所示的是靠导槽保持手指作 平移运动。手部结构也采用气压驱动。图 2-1 手部装配图2.2 计算分析因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合， 所以伴随有速度和加速 度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱 动力为 P， P气缸有效截面积使用的气压 .作用在一个指尖上的夹紧力为 Q（方向沿手指的运动方向） .设两个手指以摩擦力 2Q，工件重量为 G=mg夹. 起 工件要计算的是单个手指所必须的力 Q.1. 垂直上升的情况如图

16、2-2 所示，工件以加速度 a 垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立 .2 Q mg ma 0ag2温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计代入数据，得 Q 0.1 0.3 1 9.84.25N2 0.152. 水平旋转的情况机械手部绕垂直轴以半径 r 作水平旋转，工件夹紧面与旋转圆弧切线方向平 行，如图 2-3 所示。切线方向： 2 Qt mr 0主法线方向：2 mr(QFn mr 0.15后指：) 0(QRn mr 2) mr 0副法线方向：(QFb mr 2) mg 0(QRb mr 2) mg 0联立上式，求解得Qm(r )2 g2 2r 2 2代入数据，得 Q 0.17.37

17、N0.5 2.1 2 9.82 2 0.5 3.52温州大学毕业论文(QR masin )macos )22)Qm(acos )2 g2 2 asin2基于 PLC 控制的机械手设计(m2g)2由于是机械手部机构， QF=QR, 所以结果 Q必须满足下式2 0.15代入数据，得0.3 9.8 cos459.82 2 0.15 0.3 9.8 sin 45Q 0.1 3.55N工件水平直进时受力分析图图 2-4综上所述，得 Q最大值7.37N温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计由于考虑到设计的机械手的安全问题， Q 应再乘上一个安全系数 S。Q安全值 Q最大值 S 7.37 1.45

18、10.69N夹紧力 Q与压强的关系由实验测得，如图 2-5 所示。由设计要求得知夹持长度 L25mm,根据图 2-5 可知所加的压强约为 0.5MPa.图 2-5 夹紧力、夹持长度、压强关系图温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计3.PLC 控制系统设计3.1 机械手移动工件控制系统的控制要求3.1.1 机械手移动工件的基本结构、工作流程和工作原理1.机械手移动工件的基本机构机械移动工件的基本结构图如图 3-1 所示。图 3-1 机械移动工件的基本结构图2.机械手移动工作的工作流程 机械手移动工件单个工作流程示意图如图 2-2 所示。机械手移动工件的单个工作流程由复位到初始位置、 将机

19、械手移动到工件处、 夹 紧工件、将工件移动到目标位置、 放下工件和移动到初始位置 6个过程组成。 机 械手移动工件通过 PLC 平控制，可以实现这 6 个过程全自动依次运行。10温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计3. 机械手移动工件的工作原理 由于本机械手采用气动传动，为方便检测，选用磁性开关作为传感器。安装 在气缸外部即可。机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来控制。(1) 机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别通过左转电磁阀、右转 电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移 动或转动的最大位置由左转限位开关 SL0、右转限位开关 SL1、左移限位

20、开关 SL2、右移限位开关 SL3、上移限位开关 SL4、下移限位开关 SL5 来 控制。(2) 放松、夹紧工件通过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件通过定时 器控制，根据实际情况，夹紧时间设为 3 秒。放松工件通过放松限位开 关来控制。(1) 按下启动按按钮，系统先检查机械手是否在初始位置，若不是机械手先 进行复位，然后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手 运行到初始位置后，再停车。 按下急停按钮，断开 PLC 外部负载电源和 气动装置电源，系统立即停止。图 3-2 机械手移动工件单个工作流程3.1.2 设备控制要求该系统要求机械手能自动进行工作， 转动时要求回转半径最小，

21、要具体控制 要求如下：(1) 按下启动按钮，系统进行自检查机械是否在初始位置，不是的话先进行 复位工作，然后进行正式工作。11温州大学毕业论文基于 PLC 控制的机械手设计(2) 复位工作控制要求如下： 机械手首先上移，直到运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手开始左转，至此，复位工作完成。(3) 正式工作控制要求如下： 机械手开始左移，一直运动到最左端。 运行到最左端后，机械手开始向下运动。 到达最下端后， 机械手开始夹紧工件， 一直到把工件夹紧为止， 时间 由定时器控制，定时为 3 秒。 机械手开始向上运动，运动到最上端。 上移后，机械手开始右移。 右移完成后，机械手

22、开始右转，直到右转限位开关检测到信号。 右转完成后，机械手下移。 运行到最低位置后， 机械手把工件松开， 一直到放松限位开关检测到 信号。 工件松开后，机械手开始向上运动。 到达最上端后， 机械手开始左转， 真到左转限位开关检测到信号， 此 时机械手已加到初始位置。(4) 该系统进行自动连续循环工作。 正常停车时， 要求机械手回到初始位置 时才能停车。急停时，切断所有电源，系统停止运行。重新启动后，由 于急停时机械手位置的不确定性，要进行复位工作。3.2 机械手移动工件控制系统的 PLC 选型和资源配置3.2.1PLC 选型由于机械手控制系统的输入 /输出接点少，要求性价比高，编程简单，维护

23、方便，机身小巧，故选用三菱公司的 FX1N-24MR-001 型号。市场为 3330 元。 该机有 14个输入点， 10个输出点，辅助继电器 1536点，定时器 256点，计数 器 235 点，数据寄存器 8000 点。3.2.2 系统资源分配1.I/O 触点分配根据系统控制要求， I/O 分配如表 3-1 所示。输入设备输入地址左转限位开关 SL0X000右转限位开关 SL1X001左移限位开关 SL2X002右移限位开关 SL3X003上移限位开关 SL4X004下移限位开关 SL5X005放松限位开关 SL6X006表 3-1 I/O 触点分配表输出设备输出地址左转电磁阀Y000右转电磁

24、阀Y001左移电磁阀Y002右移电磁阀Y003上移电磁阀Y004下移电磁阀Y005放松电磁阀Y00612启动按钮X007夹紧电磁阀Y007停止按扭X010基于 PLC 控制的机械手设计温州大学毕业论文2.定时器部分这个控制系统夹紧工件需要定时器来控制夹紧程度。 时间设为 3 秒。定时器分配 如表 3-2 所示。表 3-2 定时器分配定时器功能T0夹紧工件时定时 3s3.2.3硬件电路接线图图 3-3 硬件电路接线图硬件电路接线图如图 3-3 所示3.3 机械手移动工件控制系统的 PLC 程序3.3.1 编程软件采用三菱公司编程软件 FXGP/WIN-C ，其界面如图 3-4 所示13温州大学毕业论文基于