升降臂机械手及其控制系统设计

1、毕业设计（论文） 题目 升降臂机械手及其控制系统设计 院系名称 机械设计制造及自动化 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 答辩教师 时 间 摘要摘要 经济的快速发展，机械手应用越来越广泛，所以我们要对其了解。对机械手进行设计，对于机械手的起源发展、设计要求、控制系统、驱动系统和执行系统进行设计。机械手的夹持部分重点分析，控制系统进行设计运用PLC进行编程，对各部分有所了解和分析。 机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹极其它要求，实现抓取，搬运工件或操做工具的自动化装置。在我国由于大多数工业机器人所执行的工作为模拟人的手臂而工作，因而通常把工业机器人称做操作机械手。关键字：机械

2、手,夹持部分,执行,控制山东科技大学继续教育学院毕业论文 AbstractABSTRACT The rapid development of economy, manipulator used more widely, so we want to its understanding. Design of manipulator, the origin of the development for manipulator, design requirements, control system and drive system and implement system design. The c

3、lamping manipulator part focuses on the analysis, the control system design using PLC programmable, part of the understanding and analysis. Design of manipulator, the origin of the development for manipulator, design requirements, control system and drive system and implement system design. The clam

4、ping manipulator part focuses on the analysis, the control system design using PLC programmable, part of the understanding and analysis.Keywords ： Manipulator，Clamping part，Implement, Control 目录目录摘要2ABSTRACTIII第一章 绪论11.1机器人的发展过程11.2工业机器人的发展趋势1第二章 机器人的设计要求32.1工业机械手介绍32.1.1机械手的特点32.2技术参数4第三章 工业机器人驱动系统

5、的分类 5第四章 工业机器人的执行系统74.1机身和臂部结构74.1.1机身结构74.1.2臂部结构84.2手腕结构84.3手部加紧气缸的设计8第五章 控制系统125.1简介125.2 PLC简介12致谢18参考文献19 绪论第一章 绪论 1.1机器人的发展过程 近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，

6、并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。 现在机器人学这一学科已从幼年转入青年时代。许多国家先后成立了机器人学会和协会。并召开了一些以机器人学为中心的国际学术会议，还出现了许多于此相关的杂志如Robtics等，在我国也自1985年开始创立各种关于机器人学的学会和协会，还出版了一些专业刊物如机器人等。这一学科也在我国形成了一定规模。 近几年，智能机器人研究工作很重视，其具有了学习、推理和决策的能力。许多新技术又运用到了智能机器人上如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、多传感器融合技术等。1.2工业机

7、器人的发展趋势 研究新型机器人结构：随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，应开发新型微动机构保证动作精度；开发多关节、自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂的作业的需要。 朝着智能化方向发展：在多品种，小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体有适应能力，即具有一定的“智能”，机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等，即有很强的检测功能和判断功能。为此必须开发类似人类感觉器官的传感器，发展多传感器的信息融合技术。通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息，以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料，以完成模式识别，用

8、“专家系统”智能系统进行问题求解，动作规划。 研究机器人协作控制：先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。在这样的生产线上，机器人是作为一个群体工作的，不论每个机器人在生产线上起什么作用，它总是作为系统中的一员而存在。因此，要从组成敏捷制造生产系统的观点出发，来研究工业机器人的进一步发展。而面向先进制造环境的机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。因此，以系统的观点来发展的机器人控制系统，有大量的理论与实践的工作要

9、做。18 机器人的设计要求第二章 机器人的设计要求2.1工业机械手介绍 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成，其组成及相互关系如下图：控制部分驱动部分执行机构行程检测装置被传动物件手部2-1 系统组成图2.1.1机械手的特点（1） 对环境的适应性强 能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。（2） 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人

10、的功能。（3） 由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。（4） 机械手特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品的不断变化，以满足柔性生产的需要。图2.2圆柱坐标式机器人 直角坐标式机器人 按机器人研究进程分类：第一代机器人具有示教再现功能，或具有可编程的NC装置，但对于外部信息不具反馈能力。第二代机器人不仅具有内部传感器，而且具有外部传感器，能获取外部环境信息。第三代机器人具有多种智能传感器，能感知和领悟外部环境信息，包括具有理解诸如人下达的语言指令这样的能力，能进行学习，具有决策上的自治能力。2.2技术参数抓重夹

11、持:10Kg，气流负压吸附；5Kg；自由度:4个；坐标型式:圆柱；最大工作半径：1500mm；手臂最大中心高度：1380mm；手臂运动参数： 伸缩行程：600mm伸缩速度：500mm/s 升降行程：200mm升降速度：300mm/s 回转范围：002400回转速度900/s定位精度：±0.5mm；手腕运动系数：回转速度1800/s 回转范围001800控制方式：点位程序控制PLC；驱动方式：分析后选择气动手指夹持范围： 棒料80150mm 片料S0.5m2 驱动系统第三章 工业机器人驱动系统的分类 一般情况下机器人驱动系统的选择大致按照如下原则进行选择：(1)物料搬运用有限点位控制的

12、程序控制机器人，重负载用液压驱动，中等载荷可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系统。(2)用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统，需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足要求。按照动力源分为液压、气压和电动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。液压驱动:液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。气压驱动:具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点，适用于中小负载的系统中。难于实现伺服控制，多用于程序控制

13、的机械手中，在上下料和冲压机械手中应用较多。电动驱动:随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统被大量选用。目前广泛采用的驱动系统的比较如下表：特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于小型，快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控制困难。阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音结构体积较大，结构易于标准化。易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境种工作，维护方便效率低，（为0.150.2）气源方便，结构简单，成本低液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适用于重

14、型，低速驱动器液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.30.6，管路结构较复杂，成本高交直流普通电动机适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动 输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制

15、灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右 综合考虑以上驱动系统的优缺点以及工作要求，选择气动驱动系统作为驱动方式。 执行系统第四章 工业机器人的执行系统工业机器人的机械结构是机器人的重要组成部分，是运动的最终执行部件。机械结构的基本组成：手部、手腕臂部和机身四部分。手部：机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器。手腕：手腕是连接手部和手臂的部分，其作用是改变手部的空间方向以及将作业载荷传递到手臂。臂部：臂部是连接机身和手腕的部分，其作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机

16、座。机身：机身是机器人的基础部分，起支撑作用。4.1机身和臂部结构4.1.1机身结构机身是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动机构及有关的导向装置、支承件等组成。由于机器人的运动形式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。常用的机身结构有：升降回转型机身结构、俯仰型机身结构、直移型机身结构、类人机器人机身结构。升降回转型机器人的机身主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。机身的回转运动可采用回转轴液压缸驱动、直线液压缸驱动的传动链、涡轮蜗杆机械传动等。机身的升降运动可采用直线缸驱动、丝杆螺母机构驱动、直线缸驱动的连

17、杆式升降台。俯仰型机器人的机身主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的组成部件，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。俯仰运动大多采用摆式直线缸驱动。直移型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传动机构外，导轨是一个重要的构件。类人机器人的机身上除装有驱动臂部的运动装置外，还应装有驱动腿部运动的装置和腰部关节。靠腿部和腰部的屈伸运动来实现升降，靠腰部关节实现左右和前后的俯仰和人身轴线方向的回转运动。4.1.2臂部结构手臂部件是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。主要包括：臂杆以及伸缩、屈伸或自转等运动有关

18、的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件，与腕部或手臂的运动和连接支承等有关的构件、配管配线等。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为伸缩型臂部结构、转动伸缩型臂部结构、屈伸型臂部结构、其他专用的机械传动臂结构。机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。如:横梁式配置、立柱式配置、机座式和屈伸式等。4.2手腕结构 手腕是连接手臂和手部的结构部件，它主要作用是确定手部的作业方向，因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。

19、确定手部的作业方向，一般需要3各自由度，这3个回转方向分别为：臂转、手转和腕转。 （注：腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉等要求。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。）4.3手部加紧气缸的设计本设计设气动机械手的设计，常用的机械手手部按握持工件原理分为夹持和吸附两类，吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体不适合本方案，本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手的运动形式可分为会转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种适合于夹持平板方料，而且结构复杂体积庞大，不适合本次设计，通过综合考虑本设计采用二指回转型手抓，采用滑槽杠杆结构方式，加紧装置选择

20、开式加紧，他在弹簧的作用下机械手手抓闭合，在气压的作用下弹簧被压缩从而机械手手指张开。手指夹在工件上的夹紧力式设计手部的重要依据，必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，要克服工件重力所产生的静负荷以及工件运动状态变化的惯性里产生的载荷，以便保证可靠地加紧状态。气缸右腔停止进气时，弹簧力夹紧工件，气缸右腔进气时松开工件。图4.1气缸示意图1.右腔推力为：FP=（4）D²P （3-1） =（4）0.5²2510³=4908.7N2.根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba）（cos）²N （3-2） 其中 N=498N=392N

21、，带入公式3-2得：F1=（2ba）（cos）²N =(2150/50)（cos30º）²392 =1764N则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ =17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N3.气缸直径本气缸属于单向作用的气缸，根据力平衡原理单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆运动时的总阻力。即 ： ：活塞杆上的推力；：弹簧的反作用力；：气缸工作时的总阻力；：气缸工作压力式中：弹簧的刚度; l：弹簧预压缩量；s：活塞行程：弹簧钢丝直径；：弹簧平均直径；n：弹簧有效圈数；G：弹簧切削模量，取在设计中必须考虑负载率的影

22、响即 ： 有以上分析可知单向作用气缸直径为：代入相关数据可知查有关手册可知 D=65mm4缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：=DPp/2式中：缸筒壁厚，mm；D气缸内径，mm；Pp实验压力，取Pp=1.5PtPa材料为：ZL3，=3MPa代入已知数据，则壁厚为：DPp/2=65×6×105/(2×3×106)×103=8mm取=8mm，则缸筒外径为：D=65+8×2=81mm。 控制系统第五章 控制系统5.1简介 工业机器人的控制技术是在传动

23、机械系统控制技术的基础上发展起来的，由于机器人本身的机构特点，所以控制系统产生了不同的改进。控制系统的基本类型 ：程序控制系统是目前工业用的绝大多数第一代机器人，其结构包括程序装置、信息处理器和放大执行装置。适应性控制系统多用于第二代工业机器人，他是具有力觉、触觉或视觉等功能是具有知觉的工业机器人。结构包括传感器、信息处理器和放大执行装置。智能控制系统用于第三代机器人，它是最高级、最完善的控制系统，在外界环境变化的条件下，为了保证控制系统所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变，具有检测所需新信息的能力，在某种程度上模拟了人的智力活动。结构包括智能控制装置、信息处理器和放大执行装置。我们设

24、计的机器人运用简单的程序控制系统，运用PLC来控制。5.2 PLC简介特点：它是可编控制器的简称，它是一种运用数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器 ，运来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其相关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体你，易于扩展其功能的原则设计。 它是有许多“软继电器”组成，采用无机械触电的逻辑运算微电子技术，复杂的控制由PLC内部运算器完成，寿命长、可靠性高；“软继电器”可编程的触点数有无限对；其控制功能是通过软件编程来实现的，只有改

25、变程序，功能即可改变，控制灵活；在PLC中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，每个“软继电器”受制约接通的时间是短暂的。 它包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统是指构成PLC的各个结构部件，是有形实体，由主机、I/O扩展机及外部设备组成；软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，它包括系统程序和用户程序。PLC的工作原理：循环扫描工作方式即PLC对用户程序逐条顺序执行，直至程序结束，然后再从头开始扫描，周而复始，直至停止执行用户程序。其有两种基本的工作模式即运行模式和停止模式；输入/输出滞后时间运用PLC控制的优优势：寿命长、可靠性高、编程的触点数有无限对、控制灵活、受制约接通的时

26、间短暂。通过编程器可以输入程序，并可以对用户程序进行检查、修改调试和监视，还可以调用和显示PLC的一些状态和系统参数。5.3图5.1机械手工作示意图机械手的工作过程示意图：原位下降抓紧上升右移 左移上升放松 下降控制要求1. 在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。2. 机械手在原位时，按下启动按钮，系统启动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。3. 传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B上。4. 机械手返回原位后，自动在启动传送带A运转，进行下一个循环。5. 按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返还原位，停止工作。6. 机械手的上升/下降和左移/右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。7. 抓紧/放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置