畢業(yè)設(shè)計機械手及其應(yīng)用

1、.機械手課程設(shè)計說明書設(shè)計題目機械手及其應(yīng)用選擇與分析總體方案選擇驅(qū)動系統(tǒng)方案選擇控制方式選擇相關(guān)計算驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計PLC控制系統(tǒng)設(shè)計參考文獻及設(shè)計心得設(shè)計：湯周平指導：劉玉峰班級：機制024時間：2006.3一、設(shè)計題目1、任務(wù)：機械手抓取工件，提高300 mm，順時針轉(zhuǎn)90，前進300mm放下工件，回到原位置。2、工件尺寸：40mm40mm40mm 工件重量：0.5Kg工作空間：8000mm800mm800mm動力源： 380V 10A 20A 220V 10A5A 36V 24V 6V 液壓源 氣壓源控制：PLC，計算機，各種傳感器3、設(shè)計時間安排：2月20日2月22日 查資料2月23日2

2、月24日 確定方案2月27日3月1日 確定零部件，元器件的設(shè)計計算3月2日3月7日 繪制機械圖，電路圖3月08日3月10日 整理說明書，答辯二、機械手及其應(yīng)用機械手是一種能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實現(xiàn)抓取，搬運工件或操做工具的自動化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機器人稱做操作機械手。機械手的特點：（1）對環(huán)境的適應(yīng)性強 能代替人從事危險，有害的工作。在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理的設(shè)計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，

3、以及沖壓，滅等危險環(huán)境中勝任工作。（2）機械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。（3）由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可以避免人為的操作錯誤。（4）機械手特點是通過用工業(yè)機械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。因此采用機械手最明顯的特點是提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不

4、斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。例如：在機床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調(diào)重復易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險場合下工作等。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人與機械手的應(yīng)用范圍不斷擴大，其技術(shù)性能也在不斷提高。在國內(nèi)，應(yīng)用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機器人特別是示教再現(xiàn)性機器人不斷增多，而且計算機控制的也有所應(yīng)用。在國外應(yīng)用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機器人多為示教再現(xiàn)型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人是工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展方

5、向。三、選擇與分析為實現(xiàn)機器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個自由度，可以有不同的運動組合，通常可以將其設(shè)計成如下五種形式。圓柱坐標型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。直角坐標型 直角坐標型機器人，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。球坐標型 又稱極坐標型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮，其工作

6、空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點，但是結(jié)構(gòu)比較復雜。關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。平面關(guān)節(jié)型采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運動，其工作空間的軌跡圖形如圖所示，它的縱截面為一矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角的大小決定

7、了回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的接插、裝配中應(yīng)用廣泛。根據(jù)本次設(shè)計的要求，工件要垂直升降、旋轉(zhuǎn)、水平移動?？紤]其復雜程度選擇圓柱坐標型。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：四、總體方案要執(zhí)行的詳細的動作為：（1）定位 （2）抓?。?）提升（4）順時針轉(zhuǎn)90（5）前進 （6）下降 （7）松開 （8）提升 （9）后退 （10）逆時針轉(zhuǎn)90（11）下降，完成一個工作循環(huán)。五、驅(qū)動系統(tǒng)方案選擇一般情況下機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇大致按照如下原則進行選擇：1）物料搬運用有限點位控制的程序控制機

8、器人，重負載用液壓驅(qū)動，中等載荷可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。2）用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)，需采用液壓驅(qū)動或電動驅(qū)動系統(tǒng)方能滿足要求。按照動力源分為液壓、氣壓和電動三大類，根據(jù)需要，也可以將這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。液壓驅(qū)動 液壓技術(shù)比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。氣壓驅(qū)動 具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便價格低等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中。難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中，

9、在上下料和沖壓機械手中應(yīng)用較多。電動驅(qū)動 隨著低慣量、直流伺服電機及配套的伺服驅(qū)動器的廣泛采用，這種驅(qū)動系統(tǒng)被大量選用。目前廣泛采用的驅(qū)動系統(tǒng)的比較如下表：特性輸出功率和使用范圍控制性能和安全性結(jié)構(gòu)性能安裝和維護要求效率和制造成本氣壓驅(qū)動氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結(jié)構(gòu)尺寸將過大只適用于小型，快速驅(qū)動壓縮性大，對速度、位置精確控制困難。阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標準化。易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密封問題不突出安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，維護方便效率低，（為0.150.2）氣源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低液壓驅(qū)動油壓高，可獲得較大的輸出功率，適用于重型，低速驅(qū)動

10、器液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應(yīng)靈敏，可無級調(diào)速、能實現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動平穩(wěn)，泄漏對環(huán)境污染結(jié)構(gòu)較氣動要小，易于標準化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動，密封問題顯得重要安裝要求高（防泄漏），要配置液壓元設(shè)備，安裝面積大，維護要求較高效率中等為0.30.6，管路結(jié)構(gòu)較復雜，成本高交直流普通電動機適用于抓其重量較大而速度低的中、重型機器人的驅(qū)動 輸出力較大控制性能差，慣性大，不易精確定位對環(huán)境無影響電動機驅(qū)動以實現(xiàn)標準化，需減速裝置，傳動體積較大安裝維修方便成本低效率為0.5左右步進、伺服電動機步進電動機輸出力較小、伺服電機可大一些適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人控制性能好，控制靈活性強，可

11、實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響體積小，需減速裝置維修使用較復雜成本較高效率為0.5左右綜合考慮以上驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及工作要求，選擇氣動驅(qū)動系統(tǒng)作為驅(qū)動方式。六、控制方式選擇根據(jù)條件選擇PLC控制。型號：西門子S7-200系統(tǒng)為非伺服型：七、相關(guān)計算 1.爪部氣缸為了減少重量選用材料ZL203,=30MPa,=2700kg/m3內(nèi)徑 D: 由于工件重：考慮到附件重以及慣性力等因素，適當取大。取,氣壓P=1MPa。則： 考慮工件尺寸等因素，取標準值活塞桿直徑：(標準值)活塞桿受軸向拉伸，只做強度校核。故強度足夠。缸筒臂厚：進排氣孔直徑：（標準）活塞行程：，?。号艢饬浚海ㄈ。?、懸臂氣缸：

12、同樣材料選為ZL203由設(shè)計要求可知：活塞行程：參數(shù)計算：由于外負載分析復雜，這里依式：，取：考慮重量適當取?。簞t：可以選用。查表：校核：氣缸水平放置，當活塞伸出是最危險。主要受彎曲載荷。受力圖如下： （取系數(shù)200%） 所以：則： 合適。3、本體氣缸計算：本體氣缸主要承受懸臂、爪部以及零件等的重量?；钊麠U受壓縮和彎曲。由設(shè)計要求知： 主要受力：本體活塞桿以及活塞自重：所以：由式：選擇：則： 而：可以。穩(wěn)定性校核： 形式為：一端固定、一端自由 柔度： 由于是脆性材料其應(yīng)小于45#，則：故應(yīng)用歐拉公式計算： 故： 穩(wěn)定。緩沖計算： 取 由：取4、基座部分設(shè)計：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：包括兩個軸承以及密封圈的摩

13、擦力矩。氣缸近似為一細長桿：懸臂： 本體：齒輪：設(shè)節(jié)圓半徑為r 則。取轉(zhuǎn)速 材料為40Cr ，m=5，Z=20。則：質(zhì)量：則：所以： 取系數(shù)200%。則：基體氣缸內(nèi)經(jīng)：考慮齒條寬度取活塞桿直徑： 材料：45# 臂厚不考慮?；钊谐蹋喊?、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計機械手時，要根據(jù)機械手的用途、作業(yè)要求、機械手的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗，性價比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮。一般情況下機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的選擇應(yīng)按以下原則：物料搬運用有限點位控制的程控機械手，重負載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，重等負載的可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕負載的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機械手多選用氣動系統(tǒng)。九、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)

14、計1、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容一個PLC控制系統(tǒng)由信號輸入元件（如按鈕，限位開關(guān)，傳感器等），輸出執(zhí)行器件（如電磁閥，接觸器，電鈴等），顯示器件和PLC構(gòu)成。因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計，就包括這些器件的選取和連接等。 號輸入器件，輸出執(zhí)行器件，顯示器件等。一個輸入信號，進入PLC后和PLC內(nèi)部可以多次重復使用，而且和可獲得其常開，常閉，延時等各種形式的觸點。因此，信號輸入器件只要有一個觸點即可。輸出器件應(yīng)盡量選取相同電源電壓的器件，并盡可能選取工作電流較小的器件。顯示器件應(yīng)盡量選取LED器件，其壽命較長，而且工作電流較小。 設(shè)計控制系統(tǒng)主回路。應(yīng)根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)是否需要正，反向動作，是否需要高

15、低速，設(shè)計出控制系統(tǒng)主回路。 選取PLC。根據(jù)輸入，輸出信號的數(shù)量，輸入輸出信號的空間分布情況，程序容量的大致情況，具有的特殊功能等，選取PLC。 進行I/O分配，繪制PLC控制系統(tǒng)硬件原理圖。 程序設(shè)計及模擬調(diào)試。設(shè)計PLC控制程序，并利用輸入信號開關(guān)板進行模擬調(diào)試，檢查硬件設(shè)計是否完整，正確，軟件是否能滿足工藝要求。 設(shè)計控制柜。在控制柜中，強電和弱電控制信號應(yīng)盡可能進行隔離和屏蔽，防止強電磁干擾影響PLC的正常運行。編制技術(shù)文件，包括電器原理圖，軟件清單，使用說明書，元件明細表等。2、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟對控制任務(wù)的分析和軟件的編制，是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對控制任務(wù)

16、的分析，確定PLC控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件工作過程；通過軟件的編制，實現(xiàn)被控對象的動作關(guān)系。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟為：對控制任務(wù)進行分析，對較復雜的控制任務(wù)進行分塊，劃分成幾個相對獨立的子任務(wù)，以減小系統(tǒng)規(guī)模分散故障。如卷煙廠中香煙的自動包裝，就可以分成三個子任務(wù)，盒包裝，條包裝，箱包裝，而且每個子任務(wù)都具有一定的復雜程序，機械設(shè)備上也相對獨立。分析各個子任務(wù)中執(zhí)行機構(gòu)的動作過程。通過對各個子任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)動作過程的分析，畫出動作邏輯關(guān)系圖，列出輸入信號和輸出信號，列出要實現(xiàn)的非邏輯功能。對于輸入信號，每個按鈕，限位開關(guān)，開關(guān)式傳感器等作為輸入信號占用一個輸入點，接觸的輔助觸點不需要輸入P

17、LC，故不作為輸入信號。對于輸出信號，每個輸出執(zhí)行器件，如接觸器，電磁閥，電鈴等，均作為輸出信號占用一個輸出點，對于狀態(tài)顯示，如果是輸出執(zhí)行器件的動作顯示，可與輸出執(zhí)行器件的動作的顯示，可與輸出執(zhí)行器件共用輸出點，不再作為新的輸出信號；如果是非動作顯示，如“運行”，“停止”，“故障”等指示，應(yīng)作為輸出信號占用輸出點。根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量，要實現(xiàn)的非邏輯功能，輸入輸出信號的空間分布情況，選擇PLC.根據(jù)PLC型號，選擇信號輸入器件，輸出執(zhí)行器件和顯示器件等。進行輸入輸出（I/O）口的分配，繪出控制系統(tǒng)硬件原理圖，設(shè)計控制系統(tǒng)主回路。利用輸入信號開關(guān)板模擬現(xiàn)場輸入信號，根據(jù)動作邏輯關(guān)系圖編制PL

18、C程序，進行模擬調(diào)試。制作控制柜。進行現(xiàn)場調(diào)試，對工作過程中可能出現(xiàn)的各種故障進行模擬，考察PLC程序的完整性和可靠性。編制技術(shù)文件，進行控制系統(tǒng)現(xiàn)場試運行。3、機械手動作過程分析將機械手的原點（即原始狀態(tài)）定位左位，高位，放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，檢測到下工作臺有工件時，機械手下降到低位，吸附工件，上升到高位，右轉(zhuǎn)到右位。在右工作臺上無工件時，機械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左轉(zhuǎn)回原位。其動作邏輯關(guān)系圖如下：原位 下降夾緊上升順時針轉(zhuǎn)90度 逆時針90度 上升 放松 下降 前進3個啟動按鈕，分別完成自動方式、半自動方式、手動方式的啟動1個停止按鈕4個限位開關(guān)（高位限位開關(guān)、低位限位開關(guān)、左位限位開關(guān)、右位限位開關(guān)）7個輸入信號（下降按鈕、上升按鈕、夾緊按鈕、順轉(zhuǎn)按鈕、逆轉(zhuǎn)按鈕、左移按鈕、右移按鈕）7個輸出信號（下降驅(qū)動信號、上升驅(qū)動信號、右移驅(qū)動信號、左移驅(qū)動信號、夾緊驅(qū)動信號、順轉(zhuǎn)驅(qū)動信號、逆轉(zhuǎn)驅(qū)動信號）4.I/O地址分配輸入/出 地址號 信號名稱1 I0.0 自動按鈕2 I0.1