机电一体化方向综合课程设计任务书

1、机电一体化方向综合课程设计任务书学院专业班级指导教师学生姓名日 期 2019.12.13机械一体化课程设计任务书、题目：热轧钢球四自由度机器人二、设计对象研究背景、意义1.1课题背景和意义机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，它能模仿人手和手 臂的某些动作功能，按照固定程序抓取、搬运物件或操作工具。机械手的出现是 人类自动化研究过程中的一个里程碑，它预示着人们不再局限于对自动化单一学 科的研究，而是将机械技术、人工智能技术、控制技术、传感器技术以及计算机 技术等进行融合研究。它可以用在生产线、加工中心、工厂等代替人类的重复劳 动，以提高生产的自动化水平，同时，它还能够在恶劣的环境（

2、比如高温、有毒 等）下正常工作。机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分姐成。执行机构是用 来抓取工件的，由于被抓持工件的形状、尺寸、重量、材料等不完全相同，机械 手的执行机构有多种形式，比如常见的有夹持型、托持型和吸附型等。通常情况 下机械手的执行机构都是用户根据加工工艺和工件等设计的，它具有专一性，执 行机构的好坏对机械手的加工精度和加工效率等有很大的影响。驱动机构能够使执行机构完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动 作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方 式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械 手的灵活性越大，通

3、用性越广，其结构心越复杂，现有学者已经证明为了抓取空 间中任意位置任意方位的物体，机械手需要6个自由度。一般的专用直角坐标机 械手有2个或3个自由度，而工业常用机械手以4自由度和6自由度居多。目前 国内己有冗余的机械手，它的自由度超过6个，比如宁波韦尔德斯凯勒智能科技 有限公司己经制造出7自由度的机械手，这种冗余机械手的好处是通过调整机械 手的某个参数可以轻松的避开障碍物，防止周边物体与机械手之间出现干涉的情 况。控制系统通过对机械手每个自由度的电机的控制来使机械手完成特定动作。 它同时接收编码器的反馈信息，以形成稳定的闭环控制。控制系统是机械手最为 核心的部分，它好比人的大脑，时刻控制着各个

4、轴电机的运动。由于各种机械手的使用场合不完全相同，因此不同用途的机械手，其驱动方 式可能不尽相同。按照驱动方式，机械手可分为液压式、气动式、电动式和机械 式。液压式驱动具有很强的抓举能力，其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、 耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将 污染环境。气压式驱动的特点是动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便，但 难以进行速度控制，气压不可过高，故抓举能力较低。电气式驱动的特点是电源 方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的 控制方案。机械式驱动特点是动作可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。在大多数的应用场

5、合，由于电气式驱动较其他几种驱动方式具有构简单、造 价较低、易于控制、维护方便的特点，因而电气式驱动是机械手使用最多的一种 驱动方式。比如常见的6自由度机械手、SCARA机械手以及直角坐标机械手等 基本上都是采用电气式驱动，本文要设计的机械手就是采用电气式驱动。自动上下料是近年的一个研究热点。在许多的工厂和数控加工中心、，需要 周期性的给机器和机床上下料，上下料不仅劳动强度大、机械、枯燥，而且还有 一定的危险性。由于上下料的上述特点，这类工作由机械手来完成最为合适。但 非常遗憾的是受前期投入和技术等方面的限制，目前国内机床的上下料大多数仍 然采用非常传统的办法，即通过人工进行上下料。这给企业带

6、来的问题是生产效 率低、精度低、工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。相对于人工上下料而言，采用机械手上下料的化点主要表现在：机械手自动上下料装置动作快速、动作灵活、运动惯性小、通用性强重 复、定位精度高，可长时间连续作业。采用机械手上下料可提高工业生产的自动化水平和劳动效率，可减轻操 作者的劳动强度、改善劳动条件、降低成本、保证产品质量、提高劳动生产力。在一些高温、恶劣的加工环境中如铸锻、热处理等，如果采用人工上下 料，会严重影响工人的身体健康。由于机械手具有不知疲劳、不怕危险、抓举重 物的力量比人手力大的特点，它更适合在恶劣环境下工作。因此，鉴于采用机械手上下料的诸多优点及采用人

7、工上下料的种种不足，研 究机械手代替人工进行上下料的操作有很迫切的需求。三、设计总体方案(参数、目标；五大结构和功能组成)1参数：材料：45号钢；柱形工件：长250mm，半径40mm，重量10 kg的圆柱工件；球状工件：半径约为67.26mm，重量10 kg的球状工件；垂直方向向上移动1000mm，水平方向向右移动1000mm，速度1m/s；抓手范围：30mm-100mm；工效：一分钟完成两次操作过程。2目标：本次设计的目标是制作一个能自动夹取柱形工件至指定位置锻造成所需球 状工件。此装置可以自我进行识别、调节工件锻造位置直至达到所要求的球状工 件。高温锻造过程中，使用工业机器人替代人工，进行

8、锻造。3结构和功能组成：3.1机械结构及电机选择3.1.1夹持器设计的基本要求应具有适当的夹紧力和驱动力；手指应具有一定的开闭范围；应保证工件在手指内的夹持精度；要求结构紧凑，重量轻，效率高；应考虑通用性和特殊要求。3.1.2设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧一放松；（2）所要抓紧的工件直径为80mm放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s， 1s 抓紧，夹持速度 20mm/s；（3）工件的材质为10kg；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。球坐标型图1.机械手整体1、抓重：10Kg （夹持式手部）2、自由度数:4个自由度3、座

9、标型式:球座标4、最大工作半径：1500mm5、手臂最大中心高：1200mm6、手臂运动参数伸缩行程：1000mm伸缩速度：80mm/s升降行程：300mm升降速度：70mm/s回转范围：180因为此机械手手臂最大工作半径为1500mm，伸缩行程为1000mm，伸缩行程较 大，工作半径相对较小，所以采用单级液压缸不能满足要求，初步选用二级液压 缸。此设计因为要抓取的工件比较重，所以考虑到对手臂抗弯曲强度的要求，手 臂的直径应较大，为了使手臂尽量较细，所以使用内导杆防转结构。可以设置内 部液压缸的内杠导轨，使其不会发生相对转动。机械臂全部使用液压系统，液压 缸在传动中起到定位的作用，其内部的活塞

10、杆上有多出的部分，会在液压缸的导 轨沿着导轨移动，不会发生偏转的现象。10图2.机械手抓大尺寸柱状零件抓取机械手，其特征是：它包括机架（1）、正反旋丝杠（2）、 电机（3）、第一支座（4）、方形丝杠螺母（5）、直线轴承（6）、直线轴承支 座（7）、手爪（8）、滑块组件（9）、第二支座（10）、弹簧（11）、L型压板 （12）和圆导杆（13），第一支座（4）与机架（1）相联接，第二支座（10） 与机架（1）相联接，两套滑块组件（9）设置在机架（1）的横梁上，电机（3） 与第一支座（4）相联接，正反旋丝杠（2）的一端设置在第一支座（4）上， 正反旋丝杠（2）的另外一端设置在第二支架（10）上，两个

11、方形丝杠螺母（5） 分别设置在正反旋丝杠（2）两侧对称位置，两个直线轴承支座（7）分别与 两个方形丝杠螺母（5）相联接，两个直线轴承（6）分别与两个直线轴承支 座（7）相联接，两个L型压板（12）分别与两个滑块组件（9）相连接，两 个手爪（8）分别与两个滑块组件（9）相联接，圆导杆（13）一端与L型压 板（12）相联接，圆导杆（13）另一端设置在直线轴承（6）上，弹簧（11） 设置在圆导杆（13）上，整体构成大尺寸柱状零件抓取机械手。3.1.3直动液压缸设计图3直动液压缸机械手抓取过程主要由手臂升降缸（A缸）、手爪开闭缸（B缸）和横向移动 气缸（C缸）所完成。在初始状态，手臂在左端；B缸缩回，

12、手爪开启；A缸 缩回，手臂上升处于上面。整个动作顺序为A缸伸出（手臂下降），下降到工 件位置一B缸伸出（夹取工件），抓取工件一A缸缩回（手臂上升）一C缸右 移（手臂右向横行）一A缸伸出（手臂下降手抓旋转）一B缸缩回（气抓放下 工件）一A缸缩回（手臂上升）一C缸左移（手臂左向横行），如此循环。3.1.4电机选择电机预选YS5012的三相异步电动机，由于目标材料质量较大，需要一个大 功率电机，校核需要后续计算核实3.2控制系统本模块首先介绍PLC的高速计数器、通讯参数的设置办法，然后介绍了机械 手上下料的具体过程，确定了上下料过程的控制程序方案，包括回原点、示教、 轨迹规划、轨迹执行4个部分。最后

13、，详细介绍了各部分触摸屏界面的功能、操 作步骤以及各部分的控制程序实现方法。1机械手控制系统的硬件设计是机械手设计过程中必须重点考虑的一个方 面。首先将对机械手控制系统的硬件进行设计，主要包括X轴、Y轴、Z轴驱动 器的选择、PLC及扩展单元的选择、I/O地址的分配、信号转换器的设计及触摸 屏的选择。然后由于要用到PLC的高速计数器功能和串口通讯功能，需要先在编 程软件里对PLC进行设置。2其次将介绍机械手的上下料过程，然后根据上下料过程和控制要求，确定 上下料控制程序设计方案，并将对控制方案中的回原点技术、示教技术、轨迹规 划技术以及轨迹执行技术四个方面进行深入的研究。机械手的上下料过程主要分

14、为3个阶段，即取料阶段、上料阶段以及下料 阶段。取料阶段，机械手从原点运动到取料点进行取料操作；上料阶段，机械手 将待加工工件放置于数控车床夹具处；下料阶段，机械手从数控车床夹具处取下 已加工好的工件放置到传送带上便进行下一操作。3控制程序设计方案控制程序方案包括回原点、示教、轨迹规划和轨迹执行四个部分。回原点部分的作用是当机械手上电后或者机械手一次上下料动作结束，使机 械手回到其坐标原点以便进行下一操作。示教部分的作用是示教出机械手运动轨迹上的点的坐标，并将示教得到的点 的坐标存储到PLC的内存区。同时，对于己示教好的某个点，可根据实际需求， 再次对其进行示教。轨迹规划部分的作用是对机械手的

15、运动轨迹进行规划，具体的来说就是指定 轨迹上的点与示教库中点的对应关系。轨迹执行部分主要用来设置机械手运动时的一些参数，比如待执行轨迹的编 号、机械手的减速比等。图4 PLC控制流程图3.3传感器传感检测技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，其水平高低在很大程度上 影响和决定着系统功能。它是自动化及相关领域的技术基础，不管是在工程技术 还是在基础学科中都具有独特而重要的作用和地位。在设计中将会使用到非接触式测障传感器，超声波测距传感器，反射式速度传感 器，力传感器，红外测距传感器，压力传感器等。每种传感器各自实现不同的功 能。非接触式测障传感器：非接触式测障传感器一般的工作原理与声纳和雷达相

16、似，发射声波或某种射 线，遇到障碍物，声波或射线被反射回来，并被传感器接收，这时传感器就认为 发现了障碍物。我们最常用的便是发射和接收红外线的传感器。用于测量钢球是 否到达指定位置。超声波测距传感器：超声波测距传感器也是一种很常见的测距传感器，依靠超声波的发射与反射 接收中的时间差来判断距离，这和动物界的蝙蝠是一样的，算是仿生学的一项应 用。超声波测距传感器规格很多，测试距离也从远到近都有，价格相差也较大， 一般机器人爱好者使用的是测量范围在几厘米到几米的。超声波测距的优点在于 测量范围较大且不使用光学信号，所以被测物体的颜色对于测量结果没有影响， 但其成本较高。由于它依靠声速测距，所以对于一

17、些影响声速的因素较敏感，比 如温度、风速等，而且最大允许角度较小。用于测量机械手在运动过程中与指定 位置的位置。反射式速度传感器：反射式的基本结构是在电机的旋转轴上加一个圆形的黑白相间码盘，很多都 是粘在轮子上的，离码盘很近的地方固定一个红外发射/接收一体模块，利用黑 白色对红外线的吸收率不同来进行判断。红外线照射到黑色部分时，大部分被吸 收，而无反射信号；红外线照射到白色部分时，大部分红外线被反射回来，而产 生强烈的反射信号。当码盘随电机旋转时，红外接收端的输出信号便是一个由旋 转速度决定频率的方波，进而我们便可知道此时电机的旋转速度。测量机械手臂 的运行速度以及机械手回转的速度。力传感器：

18、将力的量值转换为相关电信号的器件。力是引起物质运动变化的直接原因。 力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。具体 的器件有金属应变片、压力传感器等，在动力设备、工程机械、各类工作母机和 工业自动化系统中，成为不可缺少的核心部件。测量机械手夹持钢球过程中的受 力情况。热电式传感器：热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元 件的性能随温度变化的特性来进行测量的。温度是表征物体冷热程度的物理量。 它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。温度可以利用物体的某些物理性质 （电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。测量方法按作用原理分接触 式和非接触

19、式。测量钢球的温度是否达到锻造要求。红外测距传感器：红外测距传感器是一种传感装置，是用红外线为介质的测量系统，测量范围 广，响应时间短，主要应用于现代科技，国防和工农业领域。红外测距传感器具 有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束 红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后 利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出 物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很 高的频率响应，适合于恶劣的工业环境中。安装在工作台对称四周，当四台传感 器到工件的距离相同时，便可以将球推出。压力

20、传感器：压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用 的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元 组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝 压传感器。位于工作台下方，当压力传感器测量不到压力存在时，反馈到PLC 程序冲发出机械手进行重新操作的指令。传感器将测量的出的电信号输出到PLC系统等待下一步指令。3.4功能组成由于机械手手臂在上下料时具有升降、收缩及回转运动，因此，其坐标型采用 球坐标型，具有4个自由度。为了弥补升降运动行程小的缺点，增加手臂摆动机 构，从而增加一个手臂上下料摆动的自由度。机械手：使用夹持式手指来抓取和传送工件，设置手动、单动和自动三种工 作方式。手臂升降：手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀、活塞、活塞杆、及其手臂 的自重所引起的油液压力作用可以在调整顺序阀的弹簧力作用下仍保持断路。 其升降行程为300mm。腰部回转：该动作由立柱回转缸实现，把活塞的直线运动改变为立柱的旋转 运动。小臂伸缩：由液压缸实现，采用单向调速阀回程节流，因而速度可调，工 作平稳。具体流程：t=0时，机械手抓夹紧工件，用时1st=1s时，大臂开始做上升运