PLC機械手臂畢業(yè)設計

1、畢 業(yè) 設 計（說 明 書）題 目：plc機械手的設計姓 名： 王鵬召學 號： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院畢 業(yè) 設 計 任 務 書姓名 專業(yè)班級 任 務 下 達 日 期 2014 年 2 月 18 日設計（論文）開始日期 2014 年 2 月 25 日設計（論文）完成日期 2014 年 4 月 30 日設計（論文）題目： 機械手臂設計 指 導 教 師 院（部） 主 任 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計答辯委員會記錄 電力工程 學院 專業(yè)，學生 文）答辯。設計題目： 機械手臂設計 專題（論文）題目： 機械手臂設計 指導老師：答辯委員會根據(jù)學生提交的畢業(yè)設計材料，根據(jù)學生答辯情況

2、，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學生答辯委員會 人，出席 人答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， , 。平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計評語第 頁共 頁畢業(yè)設計及答辯評語： 機械手的設計本文簡要地介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，氣動技術的特點，plc控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，分別設計了機械手的夾持式手部結構以及吸附式手部結構;設計了機械手的手腕結構，設計了機械手的手臂結構。設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣

3、壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編 程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的plc型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關鍵詞：工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器(plc)目錄題 目：機械手的設計i機械手的設計1目錄2第一章 緒 論31.1機械手概述31.2機械手的組成和分類41.2.1機械手的組成41.2.2機械手的分類71.3國內(nèi)外發(fā)展狀況81.4課題的提出及主要任務101.4.1課題的提出101.4.2課題的主要任務11第二章機械手的設計方案132.1機械手的座標型式與自由度132.2 機械手的手部結構

4、方案設計142.3 機械手的手腕結構方案設計142.4 機械手的手臂結構方案設計142.5 機械手的驅(qū)動方案設計152.6 機械手的控制方案設計152.7機械手的主要參數(shù)152.8機械手的技術參數(shù)列表16第三章手部結構設計193.1手指手部結構193.1.1手指的形狀和分類193.1.2設計時考慮的幾個問題193.2氣流負壓式吸盤20第四章手腕結構設計234.1手腕的自由度23第五章手臂結構設計245.1手臂伸縮與手腕回轉部分245.1.1結構設計245.1.3手臂伸縮驅(qū)動力的計算25第六章機械手的plc控制設計276.1 可編程序控制器的選擇及工作過程276.1.1 可編程序控制器的選擇27

5、6.1.2 可編程序控制器的工作過程276.2可編程序控制器的使用步驟286.3機械手可編程序控制器控制方案29第七章結論34致 謝36第1章 緒 論1.1機械手概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人

6、應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);

7、尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)

8、行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。圖1-1機械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機構包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(

9、是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、v形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁

10、鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂可能實現(xiàn)的運動如下

11、:手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和v形槽、燕尾槽等導向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實

12、現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械

13、手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.2.2機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)

14、的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以

15、實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動方式分1、 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的

16、穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類

17、機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均

18、單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于pc機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及

19、決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“

20、七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)

21、的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了

22、一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4課題的提出及主要任務1.4.1課題的提出隨著 工 業(yè) 自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率

23、。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題?，F(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點:(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低

24、，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題.（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。(4) 能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5) 工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動

25、等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6) 成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng) 觀 點 認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用

26、性和前景存在不少疑慮。1.4.2課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(1)機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面必須更廣.(2)選取機械手的座標型式和自由度(3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。 (6)機械手的控制系統(tǒng)的設計本機械手擬采用可編程序控制器(plc)對機械手進行控制，本課題將要選取plc型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出plc程序，并畫出梯形圖。第二章機械手的設計方案對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物

27、件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合

28、。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。2.1機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度圖2-1所示為機械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。圖 2-1 機械手的運動示意圖2.2 機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使

29、用氣流負壓式吸盤。2.3 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。2.4 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。2.5 機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。2.6 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性

30、，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (plc)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變plc程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.7機械手的主要參數(shù)1、主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。2、基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為1.2m/s，最大回轉速度設計為1200/s，平均移動速度為lm/s，平

31、均回轉速度為900/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉行程范圍定為2400(應大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍

32、可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5lmm2.8機械手的技術參數(shù)列表一、用途:用于 100 噸以上沖床上下料。二、設計技術參數(shù):1、抓重10公斤 (夾持式手部)5公斤 ( 氣流負壓式吸盤)2、自由度數(shù)4個自由度3、座標型式圓柱座標4、最大工作半徑1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程 600mm伸縮速度 500mm/s升降行程 200mm升降速度 300mm/s回轉范圍 0 240回轉速度907、手腕運動參數(shù)回轉范圍 0 180回轉速度 180/s8、手指夾持范圍棒料 : 80150mm片料

33、 : 面 積不大于0.5m z9、定位方式行程 開 關 或可調(diào)機械擋塊等10、定位精度士0.5mml1,緩沖方式液壓緩沖器12.驅(qū)動方式氣壓傳 動13、控制方式點位程序控制(采用plc)圖2- 8機械手的工作范圍 第三章手部結構設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部:當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。3.1手指手部結構3.1.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或

34、稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。3.1.2設計時考慮的幾個問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手

35、指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“v”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我

36、們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成v型，其結構如附圖所示.3.2氣流負壓式吸盤氣流負壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負壓將工件吸住。它適用于搬運一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更為明顯。氣流負壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負壓式手部具有結構簡單，重量輕，表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。按形成負壓(或真空)的方法，氣流負壓式手部可分為真空式、氣流負壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機械手中，擬采用噴射式氣流負壓吸盤。圖 3-2 噴

37、 射 氣 流 原 理 圖噴射式氣流負壓吸盤的工作原理如圖3-3所示，根據(jù)流體力學，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡單的情況下，低流速(高壓強)截面的噴嘴應當具有大面積，而高流速(低壓強)截面的噴嘴應當具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進口處a進入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當沿氣流流動方向截面收縮到最小處x時即臨界面積)，流速達到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進口處的壓力之半，即= 0.52 8p,。為了使噴嘴出口處的壓力低于pk，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超

38、音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使c處的氣體不斷的被高速流體卷帶走，如c處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負壓。當在c處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件。圖 3- 4 所示為可調(diào)的噴射式負壓吸盤結構圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應當有適當?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當間隙太大時，離噴射氣體越遠的氣體被帶著向前運動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)， 以便噴嘴有效地工作。在圖3-4中，噴嘴

39、5與噴嘴套6的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大小。1. 株膠吸盤2.吸盤芯子3.通氣壞打4.吸盤體5.噴嘴6.噴嘴套圖 3- 3 可 調(diào)噴 射 式 負 壓 吸 盤 結構第四章手腕結構設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。4.1手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置

40、，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求。目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于3600，并且要求嚴格的密封。第五章手臂結構設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。5.1手臂伸縮與手腕回轉部分5.1.1結構設計手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。同時

41、 ， 氣 壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。在本機械手中，采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。該機 械 手 的手臂結構如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下:手臂主要由雙作用式氣缸1、導向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當壓縮空氣分別從進出氣孔c,

42、e進入雙作用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿6帶動手腕回轉缸5和手部一同往復移動。在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉氣缸5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導向桿2，用它防止活塞套桿6在做伸縮運動時的轉動，以保證手部的手指按正確的方向運動。為了保證手嘴伸縮的快速運動。在雙作用式氣缸1的兩個接氣管口c, e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達到。手臂伸縮運動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn).手腕回轉是由回轉氣缸5實現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結構見a-a剖面;在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手

43、腕回轉氣缸的;d是接到手部夾緊氣缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結構，其特點是機械手外觀清晰、整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運動速度。5.導向裝置氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。目前常采用的導向

44、裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。5.1.3手臂伸縮驅(qū)動力的計算手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力: 圖5-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài)圖4- 3 所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關系式不一樣。當壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動力計算公式為:p驅(qū) = p慣 + p摩 + p密 + p背 n （

45、5-1）式中:p慣手伶在起動過程中的慣性力(n);p摩摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(n);p密密封裝置處的摩擦阻力(n)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力 不 同 。p背氣 缸 非工 作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(n)，若非工作腔與 油箱或大氣相連時，則 p背 =0 。第六章機械手的plc控制設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(plc)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變plc程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程6.1.1 可編程序控制器的選擇目前 ，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，

46、如日本三菱公司的f系列pc,德國西門子公司的simatic n5系列pc、日本omron(立石)公司的c型、p型pc等?？紤]到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了omron公司的c28p型可編程序控制器。6.1.2 可編程序控制器的工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。第一階段是初始化處理?？删幊绦蚩刂破鞯妮斎攵俗硬皇侵苯优c主機相連，cpu對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為i/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信

47、息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時， cpu首先使i/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。第二階段是處理輸入信號階段。在處理輸入信號階段，cpu對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到i/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在i/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態(tài)信息全部進入i/0狀態(tài)表后，cpu工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器

48、對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各i/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入i/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段。cpu對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到i/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，cpu又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。6.2可編程序控制器的使用步驟在可編程序控制器與被控對象(機器、設備或生產(chǎn)過程)構成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進行:(1)系統(tǒng)設計即確定被控對象的動作及動作順序。(2) i/0分配 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配

49、給相應的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進行分配。可編程序控制器是通過編號來識別信號的。(3)畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關系。如果使用圖形編程器(lcd或crt)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉換過程。 (4)助記符機器程序 相當于微機的助記符程序，是面向機器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應將梯形圖轉化成助記符程序，才能將其輸入到可編

50、程序控制器中。(5)編制程序即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。(6)調(diào)試程序即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進行。如ibm-pc機，只要這個機器配有相應的軟件。(7)保存程序調(diào)試通過的程序，可以固化在eprom中或保存在磁盤上備用。6.3機械手可編程序控制器控制方案1、系統(tǒng)簡介控制對象為圓柱座標氣動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉及逆時針方向旋轉。另外，其末端執(zhí)行裝置機械手，還可完成抓、放功能。以上動作均采

51、用氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉及機械手抓放動作。其中旋轉運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉化為旋轉運動。這樣 ，可用plc的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。另外 ，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。2、工業(yè)機械手的工作流程此機械手用于沖床的上下料。當按下機械手啟動按鈕之后，機

52、械手有如下動作:先右轉至右限位開關動作(1dt通電) 下降至下限位開關(5dt通電) 手腕逆時針轉動90(7dt通電) 手臂伸長至限位開關(3dt通電) 檢查有無物品，若有物品，手爪抓緊(9dt通電) 手臂收縮至限位開關(4dt通電) 上升至上限位開關(6dt通電) 左轉至左限位開關動作(2dt通電) 手腕順時針轉動90 (8dt通電) 手臂伸長至最長(3dt通電) 手爪松開(iodt通電) 延時t 手臂收縮最短(4dt通電)。至此，一個工作循環(huán)完畢。3、機械手工作時序圖如附圖所示。4, i/0分配根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，選用omronc 28p型pc，它有16個輸入點，標號為0000001

53、5; 12個輸出點，標號為0500-0511.5、 梯形圖設計(如附圖所示)根據(jù)機械手的邏輯時序圖及1/0分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖可以看出:(1)手臂左轉的條件:左轉不到位(0003為off)，收縮到位(0006為on),上升到位(0007為on)，手腕逆轉到位(0009為on)，手爪抓緊(0002為on),無右轉命令(0501為off).(2)手臂右轉的條件:右轉不到位(0004為off)，上升到位(0007為on),收縮到位(0006為on)，手腕順轉到位(0010為on)，手爪放松(0002為off),無左轉命令(0500為off).(3)手臂伸長的條件:伸長不到位(0005為off)，無收縮命令(0503為off)，并且滿足下列條件之一:1)右轉到位(0004為on)，下降到位(0008為on)，手腕逆轉到位(0