机械臂论文.docx

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机械臂论文

摘要

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手，机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反应了一个国家工业自动化的水平，随着工业自动化的普及和发展，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运，可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，减少其他运输工具的局限，从而满足现代经济发展的要求。

本机械手主要用于光轴的搬运工作，能够配合机床（如锻床、数控机床、组合机床）或装配线等进行圆柱形工件搬运。

本机械手将采用三个自由度，为气压驱动。

本设计首先对机械手的手部、手腕、手臂等各个部分进行设计计算，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；其次，在气动系统的基础上对电气控制系统（PLC进行了合理设计和布线。

其动作过程包括：

下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：

回原位、手动、单步、单周期、连续；完成搬运机械手搬运工件的最终要求。

关键词：

机械手，搬运，结构，气压，可编程控制器（PLC

Abstract

Thetechnologydeviceusedtoreproducethestafffunctioniscalledamechanicalhand,themechanicalhandisimitatetheactionofthemanpower,toachieveagivenprogram,trackandrequirementsautomaticallygrab,handlingoroperationofautomaticmechanicaldevice.Robotscanreplacethehandsofheavylabor,significantlyreducethelaborintensity,improveworkingconditions,andimprovelaborproductivityandautomationlevel.

Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,withthepopularityofindustrialautomationanddevelopment,handlingtheapplicationofmechanicalhandgraduallypopularity,mainlyintheautomotive,electronic,mechanicalprocessing,food,medicineandotherareasoftheproductionlineorcargotransport,wecanbemoregoodtosaveenergyandimprovethetransportefficiencyofequipmentorproducts,toreducerestrictionsonothermodesoftransportationtomeettherequirementsofmoderneconomicdevelopment.

Thismanipulatorismainlyusedformetalopticaxishandlingwork,canmatchwithmachinetools（suchasforgingbed,NCmachinetools,combinationmachinetools）orassemblylineofweighttorealizecylindricalworkpieceshandling.Therobotwillusethethreedegreesoffreedomforthepneumaticdrive.First,Idesignandcalculatethehand,wrist,armandvariouspartsofthemechanicalhand.Thenchoosetheproperdrivemethodandtransmissionmethod,buildthemechanicalstructureofthemechanicalhand.Second,designandwiretheelectricalcontrolsystemonthebaseofthepneumaticsystemofthemanipulator.Theircourseofactionshouldinclude:

declineinclampingincreased,slowforward,fastforward,slowprogress,theextensionof,thedropin,relax,rise,slowback,rewind,slowback;itsoperation,including:

backinsitu,manual,single-step,singlecycle,continuous;andfinallycompletethefinalrequirementsofthehandlingrobotporterpieces.

Keywords:

mechanicalhand,transport,structure,pneumatic,programmablelogiccontroller（PLC）.

I

II

5

11

28

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1选题背景5

1.2机械手设计目的及意义5

1.3机械手发展历史及现状6

1.4国内外应用及发展趋势8

1.5设计大纲9

第二章机械手方案设计及计算

2.1机械手的设计要求及技术参数11

2.1.1机械手的总体方案论证11

2.1.2驱动方式的选择11

2.1.3技术参数12

2.2手部结构设计及计算13

2.2.1手部设计要求13

2.2.2手部选型及计算14

2.2.3手部夹紧力和驱动力计算15

2.2.4气缸的直径确定17

2.2.5缸筒壁厚的设计18

2.3腕部结构设计19

2.3.1腕部设计要求19

2.3.2腕部的总体设计要求如下：

20

2.4臂部结构设计及计算20

2.4.1臂部设计要求20

2.4.2伸缩手臂的设计21

2.4.3手臂伸缩气缸的尺寸设计22

2.4.4导向装置23

2.4.5平衡装置23

2.4.6手臂升降气缸的尺寸设计与校核23

2.5机身设计及计算24

2.5.1回转机身设计25

2.5.2尺寸设计及校核25

第三章气动系统的设计

3.1驱动方式的选择28

3.2气动原理图28

3.2.1气动控制系统简介：

28

3.2.2各执行机构的调速30

第四章机械手的PLC控制设计

4.1PLC简介31

4.1.1PLC的发展历史31

4.1.2PLC的结构32

4.1.3PLC系统的其它设备33

4.1.4PLC的分类33

4.1.5PLC的特点

4.1.6PlC的用途

34

34

4.2机械手动作PLC设计

35

4.2.1I/O接口简介

36

4.3PLC设计

36

4.3.1输入输出设备

36

4.3.2选择可编程控制器

36

4.3.3PLC的I/O分配如下：

....

37

4.3.4PLC外围接线图如下：

......

38

总结

40

参考文献

.....41

致谢

错误！

未定义书签。

第一章绪论

1.1选题背景

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。

从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

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。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用

机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率：

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在咼温、咼压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2机械手设计目的及意义

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完

成一个特定功能、特殊要求的搬运机械手的设计，较好地体现了机械专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。

目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。

然而，在国内很多工厂的生产线上装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。

为了提高生产加工的工作效率，降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产，本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

机械手动作周期为：

机械手右旋转

机械手上升

机械手手臂伸长

机械手下降

机械手加紧

机械手上升

机械手手臂收缩

机械手左旋机械手下降

机械手手臂伸长

机械手下降

机械手松开

■■■

机械手手臂收缩

图1-1机械手动作周期

1.3机械手发展历史及现状

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：

机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。

不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业

机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于土1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

德国KnKe公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。

据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。

1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%截止1979

年，机械手累计产量达56900台。

在数量上已占世界首位，约占70%并以每年50%-60%的速度增长。

使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电

视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingsystem）

和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。

图1-2搬运机械手

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。

使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、

噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。

制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。

1.4国内外应用及发展趋势

机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。

各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。

可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75艰小批量生产；金属加工生产批

量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%

从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：

注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体

趋势如下：

1机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；

2•工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性；

3•机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术；

4.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

5.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真；

6.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

总的来说，大体是两个方向：

其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.5设计大纲

在设计之前，先确定一个大纲。

这次毕业设计的设计原则是：

以开题报告所要求

的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。

按照结构设计，驱动方式设计，电气控制设计的顺序，在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。

将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑

个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，认真的做好本次设计。

第二章机械手方案设计及计算

2.1机械手的设计要求及技术参数

2.1.1机械手的总体方案论证

对搬运机械手的基本要求是能快速、准确地搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度等特性。

机械手的主要部件有执行机构、驱动系统、控制系统等装置组成。

图2-1机械手的组成

2.1.2驱动方式的选择

现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：

（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄露损失等）；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性；

（2）工作时受温度变化影响较大。

油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。

且当油污染到一定程度还需更换，降低了经济效益；

（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声；

（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要较高技术水平。

所以本设计将采取气压驱动，相比传统的液压驱动，气动技术有以下优点：

（1）介质提取和处理方便。

气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，介质清洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的问题；

（2）阻力损失和泄漏较小，空气便于集中供应和远距离输送。

外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染；

（3）动作迅速，反应灵敏。

气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。

气动系统也能实现过载保护，便于自动控制；

（4）工作环境适应性好。

在易燃、易爆、多尘埃、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

设计气动机械手的原则是：

充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。

所以本次设计的机械手是光轴气动搬运机械手。

2.1.3技术参数

机械手的技术参数为：

1、抓重：

300N（机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为3002;

2、自由度：

3个（由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。

相应的机械手具有三个自由度）；

3、坐标形式：

圆柱坐标；

工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。

各结构形式及其相应的特点，在这里我们选择圆柱坐标形式。

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图

2-2。

这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

u———u———U

=直甫坐标型b•圆柱塑标型匚球坐标型汕关节型

图2-2机械手的四种坐标形式

4、回转范围：

0-180；

5、手臂最大中心高：

1200mm

6、手臂运动参数

伸缩行程120mm

伸缩速度40mm/s

升降行程120mm

升降速度60mm/s

7、手指夹持范围：

光轴棒料，①60mm©120mm长度450~1200mm

&定位方式：

行程开关或可调机械挡块等；

9、驱动方式：

气压驱动；

10、定位精度：

土1mm

2.2手部结构设计及计算

2.2.1手部设计要求

手部设计要求如下：

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力

应考虑到在一定的夹紧力下，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

（2）手指应具有一定的张开范围，即开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。

手指的开闭角应

保证当机械手夹持工件时能顺利夹住或放松，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，以便于抓取工件。

（3）在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻

手臂负载

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，此外，应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

（4）应保证手抓的夹持精度，使工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状

222