毕业设计气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计.doc

目 录

摘要 - 1 -
1 机械手的基础知识 - 1 -
1.1 气动机械手概述 - 1 -
1.2 机械手的组成 - 1 -
1.3 机械手的工作原理 - 2 -
2 机械手的机构设计 - 2 -
2.1 气压机械手的示意图 - 2 -
2.2 机械手自由度的定义 - 3 -
2.3 机械手气缸的分析 - 3 -
2.4 机械手爪子的选择 - 4 -
2.5 机械手手臂的具体设计方案 - 5 -
2.5.1 手臂的伸缩设计 - 6 -
2.5.2 手臂的升降设计 7 -
2.5.3 回转臂的回转设计 - 8 -
3 气压回路设计 - 10 -
4 机械手的PLC控制设计 - 10 -
4.1 PLC的概述 - 10 -
4.2 PLC梯形图的程序设计 - 11 -
4.2.1 PLC机械手的流程图 - 11 -
4.2.2 PLC机械手的梯形图 - 12 -
致谢 - 14 -
参考文献 - 15 -

气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计
机电工程学院机械制造与自动化专业 朱龙强
摘要:本毕业设计的是气压驱动式四自由度教学型仿真机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动，控制系统设计等，实现了机械手的手臂四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转、手臂的夹紧，设计中分析了教学型机械手的功能要求和实现意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现机械手的回转，设计的机械手结构简单，便于操作，在PLC的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。
关键词: 机械手 教学型 四自由度 PLC
1 机械手的基础知识
1.1 气动机械手概述
气动机械手由操作机(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设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，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.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。
1.2 机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1所示。

图1 机械手组成方框图
1.3 机械手的工作原理
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部件发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当有动作出现错误的时候或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。
2 机械手的机构设计
2.1 气压机械手的示意图

1.机械手夹紧机构 2.机械手伸缩机构 3.机械手升降机构 4.机械手旋转机构
图2 气压驱动式四自由度教学仿真机械手示意图

图3 气压驱动式四自由度教学仿真机械手渲染效果图

2.2 机械手自由度的定义
根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构自由度（degree of freedom of mechanism），其数目常以F表示。
本气压驱动式教学仿真机械手，具有四个自由度：手臂的伸缩；机身的回转；机身的升降；手爪的张合。
2.3 机械手气缸的分析

图4 双作用气缸内部结构图

图4 双作用气缸简化图
本设计的机械手主要是由3个大部件和3个气压缸组成：（1)手部，采用一个气爪，通过机构的运动来实现手爪的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3)机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。
2.4 机械手爪子的选择

图5 机械手气爪的示意图

图6 机械手气爪的渲染效果图
由于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可，选择标准支点开闭型气爪。
2.5 机械手手臂的具体设计方案
常见的机械手臂有以下几种；
（1） 双导杆手臂伸缩机构。
（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气缸空心结构。
（3） 双活塞杆气缸结构。
（4） 活塞杆和齿轮齿条结构。
在本气压机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所能执行的运动示意图如图7所示。

图7 机械手运动示意图
根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大部分：伸缩手臂的设计，实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动；回转臂的设计，完成机械手的回转运动。
2.5.1 手臂的伸缩设计

1.滑动块 2.盖板
图8 机械手伸缩示意图

图9 机械手伸缩手臂的渲染图
伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定，常用的有单导向杆和双导向杆。为使设计标准化和简单化，在本设计中，伸缩手臂采用的是新薄型带导杆气缸，该气缸体积小、轻巧耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承课选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。
2.5.2 手臂的升降设计

1.滑动块 2.固定块
图10 手臂升降的轴侧图

图11 手臂升降的渲染图
机械手升降手臂是直接支撑和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。经查找资料，发现已经有导杆机构的标准气缸，采用这种标准气缸，即可满足设计精度、简化设计结构，又可以节约设计成本。因此本机械手升降手臂的设计采用的是普通单杆直线伸缩气缸。
2.5.3 回转臂的回转设计

图12 回转臂设计的三维示意图

图13 回转臂设计的渲染效果图
回转臂位于机械手结构的最低端，它承担着机械手的全部重量，因此对于回转臂的承载能力有较高的要求。又由于回转臂要带动整个机械手的转动，在回转的时候保持其平稳性，按着设计要求，机械手要实现180〫范围内的回转运动。
在本设计中的回转臂直接选用摆台（齿轮齿条式）MSQ系列，此类型的回转气缸使用高精度滚珠轴承。

图14 齿轮齿条式示意图
3 气压回路设计
机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制盒调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作，设计的气压回路图，如下图图15所示。

1. 气源 2气源调节装置 3.双电控两位五通换向阀
4.可调单向节流阀 5.双作用气缸 6.摆动气缸
图15 气压回路图
本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择双电控两位五通换向阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节约成本，又可以提高劳动生产率。
4 机械手的PLC控制设计
4.1 PLC的概述
可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制系统练成一个整体机易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，其种类繁多，不同厂家的产品有各自的特点，但作为工业标标准设备，可编程控制器又有一定的共性。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

图16 PLC硬件结构示意图
4.2 PLC梯形图的程序设计
4.2.1 PLC机械手的流程图
机械手的动作顺序如下：机械手的初始位置是缩进、下降、右旋均到底部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手手臂开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手手臂开始伸出，伸出到底碰到限位开关，伸出动作停止，机械手开始向左旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行向右旋转，右旋到底，碰到限位开关，右旋动作停止，机械手开始缩回，缩回碰到限位开关，缩回动作停止，机械手执行下降动作，下降到底，碰到限位开关，机械手停止下降动作，机械手放松，此时回到初始位置，一个周期动作完成，根据机械手的动作顺序，可以画出如图所示的流程图。

图17 机械手控制系统流程图
4.2.2 PLC机械手的梯形图

图18 PLC机械手的梯形图1

图19 PLC机械手的梯形图2

图20 PLC机械手的梯形图3

图21 PLC机械手的梯形图4

致谢
在论文完成之际，我首先向我的指导老师陆勇星老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有陆老师的细心指导和认真的解析。在陆老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。
三年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。在此，向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。

参考文献
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