四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

編號：本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目：四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 年 級：12 級 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2016 年 5 月 31 日 目錄摘要 .1Abstract.21 引言 .31.1 機(jī)械手研究的背景及其意義 .31.2 機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景 .41.3 機(jī)械手的種類及其應(yīng)用 .41.4 機(jī)械手研究的主要內(nèi)容 .52 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì) .62.1 機(jī)械手的功能以及技術(shù)要求 .62.2 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .62.3 機(jī)械手的主要部件及其自由度 .72.3.1 機(jī)械手的主要部件組成 .72.3.2 機(jī)械手的自由度 .72.4 機(jī)械手的動作過程及其時(shí)間配置 .82.4.1 機(jī)械手動作形式及其順序的確定 .82.4.2 機(jī)械手動作過程中的時(shí)間配置 .82.3 機(jī)械手動作過程中基本參數(shù)的確定 .93 機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .103.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì) .103.1.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)模塊劃分所遵循的原則 .103.1.2 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)的一般方法 .113.2 機(jī)械手的組成及其模塊化 .113.3 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其設(shè)計(jì)流程 .113.3.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu) .113.3.2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)流程 .123.4 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .123.4.1 機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .133.4.2 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)（夾持爪）的計(jì)算 .143.5 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .153.6 機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .164 機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .174.1 氣動驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .174.2 氣動元件的選擇 .174.2.1 氣壓泵的選擇 .174.2.2 氣動系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選擇 .195 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .215.1 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 .215.2 PLC 類型的選擇及 I/O 點(diǎn)的確定 .215.2.1 PLC 類型的選擇 .215.2.2 PLCI/O 點(diǎn)的確定 .225.3 PLC 程序的編制 .245.3.1 編寫 PLC 程序 .245.3.2 制作 N-S 流程圖 .245.3.3 PLC 在程序編程中需要注意的具體事宜 .276 總結(jié)及展望 .286.1 總結(jié) .286.2 展望 .28參考文獻(xiàn) .29致謝 .301四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘要機(jī)械手是由于現(xiàn)代科技高速發(fā)展以及其在現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域中的高度應(yīng)用而出現(xiàn),特別是機(jī)械手在工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用使得人類從繁重的、單調(diào)的、無意義的臟、亂、差的工作環(huán)境中徹底解放出來，大大推動了人類社會的前進(jìn)步伐。所以本論文旨在設(shè)計(jì)出一款既實(shí)用成本又低還能應(yīng)用于一般勞動工作中的四自由度搬運(yùn)機(jī)械手,具體設(shè)計(jì)過程采用的是在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較先進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)方法，就是對機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制和驅(qū)動系統(tǒng)、以及各零部件等分類、分步進(jìn)行設(shè)計(jì)。本課題所設(shè)計(jì)的這種四自由度搬運(yùn)機(jī)械手可應(yīng)運(yùn)于一般的流水作業(yè)線和個(gè)體貨倉的搬運(yùn)等工作中,具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；四自由度；氣動驅(qū)動；可編程控制 2Design of for degree of freedom manipulatorAbstractRobot is due to the rapid development of modern science and technology and its emergence in modern industry, the manufacturing sector in the height of the application, especially in robot applications in industry, the manufacturing sector so that humanity from the heavy, monotonous, meaningless dirty, chaotic, poor working environment completely liberated, and has great significance for the development of the human society. Therefore, this paper aims to design one that is both practical and low cost can be applied to general labor work carrying four degrees of freedom manipulator, the specific design process uses a more advanced modular design approach in the field of mechanical design, is the manipulator mechanical structure, control and drive systems, as well as parts and other classification, step by step design. This paper designed a robot that can carry four degrees of freedom should be transported to the firing line and individual general warehouse work moving the like, have a positive practical importance and utilization value.Key Words: Manipulator; four degrees of freedom; pneumatic actuators; programmable control31 引言1.1 機(jī)械手研究的背景及其意義機(jī)械手是當(dāng)今世界的科技革命發(fā)展飛速變革的必然產(chǎn)物，它的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)今的工業(yè)、制造業(yè)水平發(fā)展到了前所未有高水平階段。最初出現(xiàn)的機(jī)械手只是應(yīng)用在航空航天和海洋勘探等高端科技領(lǐng)域，隨著近幾十年來計(jì)算機(jī)在科技領(lǐng)域全面應(yīng)用，科技革命的變革也加速了科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在此背景下機(jī)械手技術(shù)也在飛速發(fā)展，并且在其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地深入、飛速地拓寬，特別是近些年來機(jī)械手在現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域更是得到了非常廣泛的應(yīng)用。由于機(jī)械手是通過預(yù)先編寫好的程序來控制其動作次序和軌跡，所以機(jī)械手可以代替人力去完成那些單調(diào)的、重復(fù)的、特別是對于人類來說毫無意義的工作，除此之外機(jī)械手還能夠在惡劣的環(huán)境中完成那些人類不想完成的或不能完成的工作，特別是在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境或者是對精度要求較高的工作條件之下，機(jī)械手相比較人力有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢機(jī)械手在某些鄰域能夠完全替代人力，將人類從臟、亂、差的工作環(huán)境中解放出來，這是人類社會幾千年來的又一次變革和人類生活方式的又一次蛻變。特別是近幾十年來工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域在機(jī)械手的廣泛應(yīng)用下發(fā)生了偉大的變革，在此背景下整個(gè)社會的生產(chǎn)力水平、產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率大大提高，與此同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)代工人的勞動強(qiáng)度也大大降低。機(jī)械手技術(shù)雖然發(fā)展迅猛，但現(xiàn)在市場上的機(jī)械手大多還處在高端應(yīng)用領(lǐng)域，價(jià)格也相對昂貴，不能滿足低成本、低層次應(yīng)用領(lǐng)域的需求。所以本課題希望設(shè)計(jì)出一種成本低、應(yīng)用層次相對較低的機(jī)械手，填補(bǔ)這一領(lǐng)域市場的空白，這對于工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域以及人類社會的發(fā)展都具有及其重要的意義和價(jià)值。在機(jī)械手技術(shù)領(lǐng)域中，機(jī)械手在模型設(shè)計(jì)上，四自由度機(jī)械手是機(jī)械手產(chǎn)品中的典型設(shè)計(jì)模型，在技術(shù)上，四自由度機(jī)械手技術(shù)門檻相對較低四自由度便于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用層面上，四自由度機(jī)械手對于一般的重復(fù)性工作條件完全滿足，在成本上，四自由度機(jī)械手在滿足一些復(fù)雜動作的工作條件下便于實(shí)現(xiàn)低成本，也就說其性價(jià)比相對較高，所以本論文以四自由度搬運(yùn)機(jī)4械手為課題進(jìn)行研究旨在設(shè)計(jì)出一個(gè)比較實(shí)用的、成本低的、具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的機(jī)械手。1.2 機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景機(jī)械手是現(xiàn)代工業(yè)革命變革、現(xiàn)代工業(yè)水平高度提高催生的一種新技術(shù)產(chǎn)品，從較高應(yīng)用層次來說，機(jī)械手是集機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)程序控制等多領(lǐng)域知識和多種設(shè)計(jì)方法于一身的一種新型自動化裝備，特別是近年來互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)和應(yīng)運(yùn)機(jī)械手已開始從自動化向智能化領(lǐng)域邁進(jìn)。機(jī)械手雖然在近幾十年來才出現(xiàn)，其發(fā)展歷史并不算太長，機(jī)械手最早起源于美國，接著又在德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國得到了飛速發(fā)展，然而我國近十年來雖然工業(yè)發(fā)展迅猛，可機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，機(jī)械手設(shè)計(jì)的技術(shù)水平同國外仍有很大差距，特別實(shí)是在機(jī)械手的高端應(yīng)用領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在機(jī)械手的可靠性和精度指標(biāo)上面。近年來機(jī)械手在工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，這對于工業(yè)文明的進(jìn)步產(chǎn)生了“雪崩式效應(yīng)” ，越來越多的無人化工廠隨著機(jī)械手的發(fā)展如春筍般涌現(xiàn)。隨著進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域正發(fā)生著一場偉大的變革，從美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”到德國的“工業(yè) 4.0” ，再到“中國制造 2025”，世界工廠已經(jīng)開始由“無人化工廠”向“智能化工廠”轉(zhuǎn)變，在此歷史背景下機(jī)械手也正在從自動化向智能化的方向發(fā)展。1.3 機(jī)械手的種類及其應(yīng)用本課題研究的機(jī)械手其動作自由度為 4，雖然其動作自由度種類大多類似，但是因其在工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用條件和具體工作要求的差異，所以機(jī)械手的外觀形狀、結(jié)構(gòu)、功能以及其具體動作次序和形式千差萬別，不過為了方便機(jī)械手的設(shè)計(jì)，機(jī)械手按照其的各系統(tǒng)的組成大致可以分為：動力驅(qū)動系統(tǒng)、傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)三大類。按照機(jī)械手的驅(qū)動動力源又可以細(xì)分為：氣動驅(qū)動型機(jī)械手、液壓驅(qū)動型機(jī)械手。按照機(jī)械手的應(yīng)用環(huán)境又可以細(xì)分為:通用型機(jī)械手、專用型機(jī)械手 1。按照機(jī)械手的運(yùn)動軌跡又可以細(xì)分為：點(diǎn)位控制型機(jī)械手、連續(xù)式控制型機(jī)械手。機(jī)械手種類繁多其應(yīng)用領(lǐng)5域和應(yīng)用場合頗多,特別是在工業(yè)、制造領(lǐng)域，機(jī)械手正在逐步取代人力成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的裝備。1.4 機(jī)械手研究的主要內(nèi)容本課題研究的是四自由度搬運(yùn)機(jī)械手，此類型的機(jī)械手大多為應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械手，一般執(zhí)行一些單調(diào)的、重復(fù)性的工作，所以從設(shè)計(jì)層面上來說，在控制方面的設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，本論文關(guān)于四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法采用的是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較前瞻的模塊化設(shè)計(jì)方法，模塊化設(shè)計(jì)的工作主要是應(yīng)運(yùn)在機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，通過主程序和子程序的單獨(dú)編程和有效調(diào)用大大簡化了機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度 2。此外針對機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)、傳動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)以及各零部件等分類、分步進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)工作簡化且有序進(jìn)行。機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體工作內(nèi)容如下：機(jī)械手的總體方案的設(shè)計(jì)。機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。62 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的功能以及技術(shù)要求機(jī)械手是通過模仿人手臂的功能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的動作次序和軌跡來完成各種具體的工作和實(shí)現(xiàn)既定的功能，特別是在完成一些比較復(fù)雜的運(yùn)動形式和在一些比較危險(xiǎn)或有限的空間內(nèi)工作。本課題研究的四自由度固定式搬用機(jī)械手，主要應(yīng)運(yùn)于一般的流水作業(yè)線和一些重量較輕的個(gè)體貨倉搬運(yùn)等工作中，因其可實(shí)現(xiàn)大部分人手的功能，所以在現(xiàn)實(shí)應(yīng)運(yùn)中具有一定的實(shí)際意義和較大的應(yīng)運(yùn)價(jià)值。因?yàn)闄C(jī)械手大多應(yīng)運(yùn)于一般的流水作業(yè)線，所以對其具體動作路勁和動作次序、時(shí)間的精度和偏差有較高的要求，我們要求機(jī)械手在實(shí)現(xiàn)其基本功能的過程中能夠做到平穩(wěn)的、迅速的、準(zhǔn)確的搬運(yùn)物體，保證整條流水線工作的有序運(yùn)行，完成預(yù)先設(shè)定各種工作要求。2.2 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在對機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足理論上對其動作具體過程的要求，還要同機(jī)械手的具體工作環(huán)境、工作空間的要求和限制相匹配，所以在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中必須嚴(yán)格遵守如下基本原則：要給予機(jī)械手的動作范圍留有盡可能大的活動空間，并且所設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能完成多種運(yùn)動形式以滿足不同的工作要求。在進(jìn)行機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求通過模仿人的手臂功能，然后在滿足工作要求的運(yùn)動形式下來設(shè)計(jì)機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)和機(jī)械手的姿態(tài)以及運(yùn)動方式。機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并不是淡淡的做到其性能的最佳，還要同時(shí)考慮它的經(jīng)濟(jì)性，要力求以最簡單的結(jié)構(gòu)、最輕的自身重量、最低的成本取滿足具體的工作性能要求，如機(jī)械手的行程范圍、最大負(fù)載能力和運(yùn)動的平穩(wěn)性、準(zhǔn)確性等。72.3 機(jī)械手的主要部件及其自由度2.3.1 機(jī)械手的主要部件組成本論文所研究的四自由度搬運(yùn)機(jī)械手，主要是用來模仿人手的功能，所以其結(jié)構(gòu)部件也類似人手臂的組成，從整體上來說包括機(jī)械手部、機(jī)械臂、和底座三大部分。可是機(jī)械手畢竟和人手有很大的不同，它還需要有動力驅(qū)動的部分、控制的部分和執(zhí)行的部分，所以機(jī)械手的主要部件包括：電動機(jī)、氣壓泵、氣壓缸、底座、立柱、大臂、小臂、機(jī)械夾手部等。2.3.2 機(jī)械手的自由度機(jī)械手是對于人的手臂功能模仿相當(dāng)成功的產(chǎn)品，基本上可以實(shí)現(xiàn)人手的一些基本的動作形式，不過區(qū)別在于機(jī)械手不需要做的像人手那樣靈活自如，在具體實(shí)際工作的應(yīng)用中進(jìn)行了一定的簡化處理，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這要看機(jī)械手實(shí)際的工作環(huán)境、要求以及成本等問題，也就是盡可能以最少的自由度實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工作要求。人的手臂堪稱是世界上最完美的機(jī)器，因?yàn)樗灿?6 個(gè)自由度，能過完成任何復(fù)雜的動作過程和任何方式的運(yùn)動，所以在各種仿生學(xué)井噴的今天，對機(jī)械手的研究具有極其重要的意