毕业设计方案机械手及其应用.doc

机械手课程设计阐明书
设计题目
机械手及其应用
选取与分析
总体方案选取
驱动系统方案选取
控制方式选取
有关计算
驱动系统设计
PLC控制系统设计
参照文献及设计心得
设计：汤周平
指引：刘玉峰
班级：机制024
时间：.3
一、设计题目
1、任务：机械手抓取工件，提高300 mm，顺时针转90°，迈进300mm放下工件，回到原位置。
2、工件尺寸：40mm×40mm×40mm
工件重量：0.5Kg
工作空间：8000mm×800mm×800mm
动力源： 380V 10A 20A 220V 10A 5A 36V 24V 6V 液压源 气压源
控制：PLC，计算机，各种传感器
3、设计时间安排：
2月20日——2月22日 查资料
2月23日——2月24日 拟定方案
2月27日——3月1日 拟定零部件，元器件设计计算
3月2日——3月7日 绘制机械图，电路图
3月08日——3月10日 整顿阐明书，答辩
二、机械手及其应用 
机械手是一种能模仿人手臂某些动作，按预定程序轨迹极其他规定，实现抓取，搬运工件或操做工具自动化装置。在国内由于大多数工业机器人所执行工作为模仿人手臂而工作，因而普通把工业机器人称做操作机械手。
机械手特点：
（1） 对环境适应性强 能代替人从事危险，有害工作。在长时间工作对人体有害场合，机械手不受影响，只要依照工作环境进行合理设计，选取恰当材料和构造，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘，放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。
（2） 机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调劳动中解放出来，并能扩大和延伸人功能。
（3） 由于机械手动作精确，因而可以稳定和提高产品质量，同步又可以避免人为操作错误。
（4） 机械手特点是通过用工业机械手通用性，灵活性好，能较好适应产品不断变化，以满足柔性生产需要。
因而采用机械手最明显特点是提高劳动生产率和减少成本。近年来，随着电子技术特别是电子计算机广泛应用，机器人研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来一门新兴技术，它更加增进了机械手发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化有机结合。机械手虽然当前还不如人手那样灵活，但它具备能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物力量比人手大等特点，因而，机械手已受到许多部门注重，并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳工作环境以及在危险场合下工作等。
随着工业技术发展，工业机器人与机械手应用范畴不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，并且计算机控制也有所应用。在国外应用于生产实际工业机器人多为示教再现型机器人，并且计算机控制工业机器人占有相称比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉“智能机器人”正处在研制开发阶段。带有一定智能工业机器人是工业机器人技术发展方向。
三、选取与分析
为实现机器人末端执行器在空间位置而提供3个自由度，可以有不同运动组合，普通可以将其设计成如下五种形式。
圆柱坐标型 这种运动形式是通过一种转动两个移动，共三个自由度构成运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相似空间条件下，机体所占体积小，而运动范畴大。
直角坐标型 直角坐标型机器人，其运动某些三个互相垂直直线构成，其工作空间为长方体，它在各个轴向移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态编程计算，定位精度高，构造简朴，但机体所占空间大，灵活性较差。
球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一种直线构成，即一种回转，一种俯仰和一种伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并可以抓取地面上东西或较低位置工件，具备构造紧凑、工作范畴大特点，但是构造比较复杂。
关节型 关节型又称回转坐标型，这种机器人手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人普通由和大小臂构成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范畴大，动作灵活，通用性强，能抓取接近机座工件。
平面关节型 采用两个回转关节和一种移动关节；两个回转关节控制先后、左右运动，而移动关节控制上下运动，其工作空间轨迹图形如图所示，它纵截面为一矩形回转体，纵截面高为移动关节行程长两回转关节转角大小决定了回转体截面大小、形状。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大刚度，它构造简朴，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件插接装配，如在电子工业接插、装配中应用广泛。
依照本次设计规定，工件要垂直升降、旋转、水平移动。考虑其复杂限度选取圆柱坐标型。其构造简图如下： 
四、总体方案
要执行详细动作为：（1）定位 （2）抓取 （3）提高 （4）顺时针转90° （5） 迈进 （6）下降 （7）松开 （8）提高 （9）后退 （10）逆时针转90° （11） 下降，完毕一种工作循环。
五、驱动系统方案选取
普通状况下机器人驱动系统选取大体按照如下原则进行选取：
1）物料搬运用有限点位控制程序控制机器人，重负载用液压驱动，中档载荷可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系统。
2）用于点焊和弧焊及喷涂作业机械手，规定具备任意点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统，需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足规定。
按照动力源分为液压、气压和电动三大类，依照需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式驱动系统。
液压驱动 液压技术比较成熟，具备动力大、力惯量比大、迅速响应高、易于实现直接驱动等特点，合用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作机械手。
气压驱动 具备速度快、系统构造简朴、维修以便价格低等特点，合用于中小负载系统中。难于实现伺服控制，多用于程序控制机械手中，在上下料和冲压机械手中应用较多。
电动驱动 随着低惯量、直流伺服电机及配套伺服驱动器广泛采用，这种驱动系统被大量选用。
当前广泛采用驱动系统比较如下表：
特性
输出功率和使用范畴
控制性能和安全性
构造性能
安装和维护规定
效率和制导致本
气压驱动
气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，构造尺寸将过大
只合用于小型，迅速驱动
压缩性大，对速度、位置精准控制困难。阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音
构造体积较大，构造易于原则化。易实现直接驱动，密封问题不突出
安装规定不高，能在恶劣环境种工作，维护以便
效率低，（为0.15~0.2）
气源以便，构造简朴，成本低
液压驱动
油压高，可获得较大输出功率，合用于重型，低速驱动器
液体不可压缩，压力、流量易控制，反映敏捷，可无级调速、能实现速度、位置精准控制，传动平稳，泄漏对环境污染
构造较气动要小，易于原则化，易实现直接驱动，密封问题显得重要
安装规定高（防泄漏），要配备液压元设备，安装面积大，维护规定较高
效率中档为0.3~0.6，管路构造较复杂，成本高
交直流普通电动机
合用于抓其重量较大而速度低中、重型机器人驱动 输出力较大
控制性能差，惯性大，不易精准定位
对环境无影响
电动机驱动以实现原则化，需减速装置，传动体积较大
安装维修以便
成本低
效率为0.5左右
步进、伺服电动机
步进电动机输出力较小、伺服电机可大某些
合用于运动控制规定严格中、小型机器人
控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置精准控制，对环境无影响
体积小，需减速装置
维修使用较复杂
成本较高
效率为0.5左右
综合考虑以上驱动系统优缺陷以及工作规定，选取气动驱动系统作为驱动方式。
六、控制方式选取
依照条件选取PLC控制。型号：西门子S7-200
系统为非伺服型：
七、有关计算
1.爪部气缸
为了减少重量选用材料ZL203,[σ]=30MPa,ρ=2700kg/m3
内径 D：
由于工件重： 
考虑到附件重以及惯性力等因素，恰当取大。取 ,气压P=1MPa。
则：  考虑工件尺寸等因素，取原则值 
活塞杆直径： (原则值)
活塞杆受轴向拉伸，只做强度校核。 
故强度足够。
缸筒臂厚： 
进排气孔直径： （原则）
活塞行程： ，取： 
排气量： （取 ）
2、悬臂气缸：同样材料选为ZL203
由设计规定可知：活塞行程： 
参数计算：由于外负载分析复杂，这里依式： ，取： 
考虑重量恰当取小： 
则： 
可以选用。
查表： 
校核：气缸水平放置，当活塞伸出是最危险。重要受弯曲载荷。受力图如下：
（取系数200%） 

因此： 
则：  适当。
3、本体气缸计算：
本体气缸重要承受悬臂、爪部以及零件等重量。活塞杆受压缩和弯曲。
由设计规定知：

重要受力：
本体活塞杆以及活塞自重： 
因此： 
由式： 
选取： 
则： 
而： 可以。
稳定性校核：

形式为：一端固定、一端自由
柔度：  由于是脆性材料其 应不大于45#，则： 
故应用欧拉公式计算：

故：  稳定。
缓冲计算：

取  由： 
取 
4、基座某些设计：
旋转转矩： 
涉及两个轴承以及密封圈摩擦力矩。
气缸近似为一细长杆：
悬臂： 

本体： 
齿轮：设节圆半径为r 则 。取转速  材料为40Cr ，m=5，Z=20。
则：
质量： 
则： 
因此： 
取系数200%。
则： 
基体气缸内经： 
考虑齿条宽度取活塞杆直径：  材料：45#
臂厚不考虑。
活塞行程： 
八、驱动系统设计
设计机械手时，要依照机械手用途、作业规定、机械手性能规范、控制功能、维护复杂限度、运营功耗，性价比以及既有条件等综合因素加以考虑。普通状况下机械手驱动系统选取应按如下原则：
物料搬运用有限点位控制程控机械手，重负载可选用液压驱动系统，重等负载可选用电动驱动系统，轻负载可选气动驱动系统。冲压机械手多选用气动系统。
九、PLC控制系统设计
1、PLC控制系统设计基本内容
一种PLC控制系统由信号输入元件（如按钮，限位开关，传感器等），输出执行器件（如电磁阀，接触器，电铃等），显示屏件和PLC构成。因而，PLC控
制系统设计，就涉及这些器件选用和连接等。
①号输入器件，输出执行器件，显示屏件等。一种输入信号，进入PLC后和PLC内部可以多次重复使用，并且和可获得其常开，常闭，延时等各种形式触点。因而，信号输入器件只要有一种触点即可。输出器件应尽量选用相似电源电压器件，并尽量选用工作电流较小器件。显示屏件应尽量选用LED器件，其寿命较长，并且工作电流较小。
②设计控制系统主回路。应依照执行机构与否需要正，反向动作，与否需要高低速，设计出控制系统主回路。
③选用PLC。依照输入，输出信号数量，输入输出信号空间分布状况，程序容量大体状况，具备特殊功能等，选用PLC。
④进行I/O分派，绘制PLC控制系统硬件原理图。
⑤程序设计及模仿调试。设计PLC控制程序，并运用输入信号开关板进行模仿调试，检查硬件设计与否完整，对的，软件与否能满足工艺规定。
⑥设计控制柜。在控制柜中，强电和弱电控制信号应尽量进行隔离和屏蔽，防止强电磁干扰影响PLC正常运营。
⑦编制技术文献，涉及电器原理图，软件清单，使用阐明书，元件明细表等。
2、PLC控制系统设计环节
对控制任务分析和软件编制，是PLC控制系统设计两个核心环节。通过对控制任务分析，拟定PLC控制系统硬件构成和软件工作过程；通过软件编制，实现被控对象动作关系。PLC控制系统设计普通环节为：
①对控制任务进行分析，对较复杂控制任务进行分块，划提成几种相对独立子任务，以减小系统规模分散故障。如卷烟厂中香烟自动包装，就可以提成三个子任务，盒包装，条包装，箱包装，并且每个子任务都具备一定复杂程序，机械设备上也相对独立。
②分析各个子任务中执行机构动作过程。通过对各个子任务执行机构动作过程分析，画出动作逻辑关系图，列出输入信号和输出信号，列出要实现非逻辑功能。对于输入信号，每个按钮，限位开关，开关式传感器等作为输入信号占用一种输入点，接触辅助触点不需要输入PLC，故不作为输入信号。对于输出信号，每个输出执行器件，如接触器，电磁阀，电铃等，均作为输出信号占用一种输出点，对于状态显示，如果是输出执行器件动作显示，可与输出执行器件动作显示，可与输出执行器件共用输出点，不再作为新输出信号；如果是非动作显示，如“运营”，“停止”，“故障”等批示，应作为输出信号占用输出点。
③依照输入输出信号数量，要实现非逻辑功能，输入输出信号空间分布状况，选取PLC.
④依照PLC型号，选取信号输入器件，输出执行器件和显示屏件等。
⑤进行输入输出（I/O）口分派，绘出控制系统硬件原理图，设计控制系统主回路。
⑥运用输入信号开关板模仿现场输入信号，依照动作逻辑关系图编制PLC程序，进行模仿调试。
⑦制作控制柜。
⑧进行现场调试，对工作过程中也许浮现各种故障进行模仿，考察PLC程序完整性和可靠性。
⑨编制技术文献，进行控制系统现场试运营。
3、机械手动作过程分析
将机械手原点（即原始状态）定位左位，高位，放松状态。在原始状态下，检测到下工作台有工件时，机械手下降到低位，吸附工件，上升到高位，右转到右位。在右工作台上无工件时，机械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左转回原位。其动作逻辑关系图如下：
原位→ 下降→夹紧→上升→顺时针转90度
↑ ↓
逆时针90度← 上升← 放松← 下降← 迈进
3个启动按钮，分别完毕自动方式、半自动方式、手动方式启动
1个停止按钮
4个限位开关（高位限位开关、低位限位开关、左位限位开关、右位限位开关）
7个输入信号（下降按钮、上升按钮、夹紧按钮、顺转按钮、逆转按钮、左移按钮、右移按钮）
7个输出信号（下降驱动信号、上升驱动信号、右移驱动信号、左移驱动信号、夹紧驱动信号、顺转驱动信号、逆转驱动信号）
4.I/O地址分派
输入/出 地址号 信号名称
1 I0.0 自动按钮
2 I0.1 半自动按钮
3 I0.2 手动按钮
4 I0.3 停止
5 I0.4 高位
6 I0.5 低位
7 I0.6 右位
8 I0.7 左位
9 I1.0 手动下降
10 I1.1 手动上升
11 I1.2 手动夹紧
12 I1.3 手动左移
13 I1.4 手动右移
14 I1.5 有工件
15 I1.6 顺转
16 I1.7 逆转
1 Q0.0 下降
2 Q4.1 上升
3 Q4.2 右移
4 Q4.3 左移
5 Q4.4 夹紧
6 Q4.5 顺转
7 Q4.6 逆转
夹紧定期器T1 定期5S
放松定期器T2 定期5S
5.程序梯形图
启动机械手下降

I0.4 I0.6 I1.5 Q4.1 M1.1 Q4.0
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