机电设计机械手new

1、机电课程设计 简易型机械手 姓 名: 学 号： 专业班级： 学 院： 指导老师：2013年12月I目录目录II第一章 设计任务书11.1控制要求11.2动作顺序：1第二章 机械手机械部分的选择与设计22.1手部设计基本要求22.1.1典型的手部结构22.1.2选择手抓的类型及夹紧装置22.2腕部设计的基本要求32.2.1典型的腕部结构32.2.2腕部结构和驱动机构的选择32.3臂部设计42.3.1臂部设计的基本要求42.3.1手臂的典型机构以及结构的选择42.4机身的设计52.4.1机身的整体设计5第三章机械手控制系统设计63.1输入和输出点分配表及原理接线图63.2 控制程序73.3梯形图及

2、指令表93.3.1梯形图93.3.2指令表13课程设计总结以及体会14参考文献14II第一章 设计任务书为简易型机械手设计自动控制方案，要求采用可编程控制器控制。机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。1.1控制要求 如图a所示，将物体从位置A搬至位置B机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制机自动控制或半自动控制（又称单周期控制），以便对设备进行调整和检修。图b是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位、左位。 图a机械手动作原理图图b1.2动作顺序：（1）机械手从原点位置起始下移到A处下限位从A处夹紧物体后上升至上限位

3、右移至右限位机械手下降至B处下限位将物体放置在B处后上升至上限位左移至左限位（原点）为一个循环。（2）上限、A、B下限、左限、右限分别由限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。（3）机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。（4）机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。（5）若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。第二章 机械手机械部分的选择与设计2.1手部设计基本要求（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力

4、大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。2.1.1典型的手部结构（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。（3）平面平移型。2.1.2选择手抓的类型及夹紧装置 本设计是设计平动搬运机械手的设计，常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不

5、适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。2.2腕部设计的基本要求（1） 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同

6、手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.2.1典型的腕部结构(1) 具有一个自由度的升降驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部

7、回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。2.2.2腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕能够升降，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的升降驱动腕部结构，采用气压驱动。 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空

8、间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 2.3臂部设计2.3.1臂部设计的基本要求一、 臂部应承载能力大、刚度好、自

9、重轻1.根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2.提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。3.合理布置作用力的位置和方向。4.注意简化结构。5.提高配合精度。二、 臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,大部分平均移动速度为，。在速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：1.减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。2.减少臂部运动件的轮廓尺寸。3.驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，

10、尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。2.3.1手臂的典型机构以及结构的选择 常见的手臂伸缩机构有以下几种：1.曲柄滑杆（活塞）机构具有结构简单、承载能力强、工作可靠等优点，但曲柄滑杆（活塞）机构存在急回特性、传动效率较低等不足，其行程增加也受到很大限制，如需增加行程，就要按比例增加曲柄的回转半径和滑杆（活塞）的长度，结果将导致整机重量的急剧增加，而出现大幅度增加生产制造成本、影响运输和安装等一系列问题。2.凸轮滑杆机构是结

11、构简单的高副机构，存在着行程短、磨损严重、传动效率低等缺点，主要应用传递较小动力的机械，如内燃机的配气系统等。3.齿轮齿条机构具有配比自由、制造容易、承载能力强、移动平稳、安装定位精度不高等在现代机械中得到广泛应用。但齿轮齿条容易出现磨损而需要补偿、其行程大小也受到一定限制。4.螺杆螺母（滚珠丝杠）机构的加工精度和定位要求比较高，需动力机的正反旋转来实现而导致传动效率低，还存在承载能力小、容易出现磨损而需要补偿等缺点。5.双导杆伸缩机构杆不旋转，带左右导向杆，刚度和精度较高，安装尺寸比较紧凑（比较薄），适合在空间小的地方用，且使用在有一定定位精度要求和夹紧要求的场合。手臂的典型运动形式有：直线

12、运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气压缸空心结构。通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。2.4机身的设计 机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。2.4.1机身的整体设计 按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处

13、。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。 机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种： 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图

14、所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。 驱动机构是气压驱动，回转缸通过两个气孔，一个进气孔，一个排气孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间

15、可以回转1800。 第三章机械手控制系统设计3.1输入和输出点分配表及原理接线图 表1 机械手传送系统输入和输出点分配表 名称代号输入名称代号输入名称代号输出启动SB1XO夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移 SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17原理接线图3.2 控制程序 操作系

16、统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。 其原理是： 把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。 回原位程序 回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。 手动

17、单步操作程序 如图5所示。图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位图5 手动单步操作程序 自动操作程序自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动下降Y0，当到达下限位使行程开个会X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高

18、位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性强。3.3梯形图及指令表3.3.1梯形图 如图所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。 回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初始态S1。而自动操作程序能自动返回初始态S2。回原位状态程序手动单步操作程序自动操作程序3.3.2指令表 课程设计总结以及体会 在本次课题设计中，坐标式机械手控制系统采用PLC进行控制，大大提高了该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器、时间继电器盒硬件接线，提高了控制系统的可靠性。同时，使用PLC进行控制可方便更改生产流程，增强控制功能。通过本次设计，可以根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，实现机械手控制系统的不同工作需求，机械手控制系统具有了很大的灵活性和可操作性。 本文中介绍的坐标式机械手模型控制系统对于教学有很好的辅