《河南科技大學(xué)》word版.doc

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河南科技大學(xué) 畢業(yè)論文 姓 名 ： 學(xué) 號 : 專 業(yè)： 論文題目：PLC 控制機械手設(shè)計 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講師 2012年1月 1日 中文摘要 機械手是能夠模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運工件或工具或進(jìn)行操作的自動化裝置，它能部分的代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。在我國，工業(yè)機械手近年來有較快的發(fā)展，投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，并且很好的效果。本課題主要研究的問題是quot近距離自動移動式機械手臂設(shè)計--氣壓驅(qū)動式quot。設(shè)計包括兩大方面，其中之一是自動行走部分，另一部分為手臂的運轉(zhuǎn)。采用同一驅(qū)動能源--氣泵。行走部分可以采用氣壓馬達(dá)帶動兩輪轉(zhuǎn)動。氣壓泵固定在某處，用一根軟管將泵與馬達(dá)相連，馬達(dá)安裝在行走裝置中。運動手臂的直線運動用氣缸來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動用氣壓馬達(dá)來實現(xiàn)。行走的時候手臂不動，手臂運動的時候，行走部分停止運動。 關(guān)鍵詞 機械手 氣壓驅(qū)動 自動移動 氣泵 目 錄 1 引言（或緒論）………………………………………………………………… 1 1.1機械手及其組成 ………………………………………………………………1 1.2 機械手的分類………………………………………………………………… 2 1.3 應(yīng)用機械手的意義…………………………………………………………………3 1.4 機械手的發(fā)展概況…………………………………………………………………3 2 機械手的設(shè)計…………………………………………………………… 5 2.1 機械手設(shè)計的總體方案……………………………………………………………5 2.2 機器人的規(guī)格參數(shù)…………………………………………………………………6 2.3 氣動部件設(shè)計的簡要分析…………………………………………………………7 3 機械手的計算………………………………………………………… 17 3.1 設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題………………………………………………………17 3.2 小車的設(shè)計及計算………………………………………………………… 23 4 機械手臂的工作原理………………………………………………………… 21 4.1 氣動原理圖………………………………………………………… 25 4.2 電磁鐵動作程序表………………………………………………………… 27 4.3 機械手的緩沖和定位………………………………………………………… 28 5 PLC 控制機械手設(shè)計………………………………………………………. 29 結(jié)論 …………………………………………………………………………………35 致謝 ………………………………………………………………………………36 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………37 附錄 A 裝配圖 ………………………………………………………… 38 附錄 B 零件圖 ………………………………………………………… 39 緒 論 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。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(yīng)用的機械手被稱為quot工業(yè)機械手quot。生產(chǎn)中應(yīng)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)；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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。 1.1 機械手及其組成 1.1.1 什么是機械手機械手是一種能模仿人手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手是工廠企業(yè)高度自動化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機械手起到了不可取代的作用。 1.1.2 機械手的組成機械手的組成及其相互之間的關(guān)系如圖所示。機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。 （二） 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 2、 手部 即與物件接觸的部件。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。4、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(zhuǎn)運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。5、行走機構(gòu) 機械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的或是無軌的兩種。6、機座 它是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。7、其它部分 行程檢測裝置和傳感裝置等。行程檢測裝置是檢測和控制機械手各運動行程（位置）的裝置。傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物件的位置是否準(zhǔn)確、手指對物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)。（二）、運動機構(gòu) 、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有 2～3 個自由度。1.2 機械手的分類一、按機械手的使用范圍分類：⑴ 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線，用以自動的傳送物件或操作某一工具。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。⑵ 通用機械手（也稱工業(yè)機器人）即指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機器，而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。二、按機械手的驅(qū)動方式分類：⑴ 液壓驅(qū)動機械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動。⑵ 氣壓驅(qū)動機械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動。⑶ 電力驅(qū)動機械手 直接用電機進(jìn)行驅(qū)動。⑷ 機械驅(qū)動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。三、按機械手臂力大小分類：⑴ 微型機械手 臂力小于 1 公斤。⑵ 小型機械手 臂力為 1～10 公斤。⑶ 中型機械手 臂力為 10～30 公斤。⑷ 大型機械手 臂力大于 30 公斤。四 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 3、 1.3 應(yīng)用機械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的主要目的：一、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。 應(yīng)用機械手，有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、可以改善勞動條件、避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作時有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。 4、 1.4 機械手的發(fā)展概況 5、 1.4.1 對機械手的一般要求：1、 降低機械手的成本 為了擴大機械手的使用范圍，必須降低機械手的成本。據(jù)統(tǒng)計，機械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。2、 品種多樣化 為了適應(yīng)不同工作的需要，應(yīng)使的機械手的品種多樣化，用機械手代替更多的人的手工勞動，進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。特別是那些工作比較單一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動量較大的工種，更應(yīng)注意設(shè)計和使用各種類型的機械手。3、 零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化 為了加速擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計和制造周期。這樣，就要求機械手的某種零件、部件如手部、臂部等）系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件（或再相應(yīng)地增加一些其它零件、部件）進(jìn)行組合，組成需要的機械手。當(dāng)然，這樣的機械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利的重新組合。4、 產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠 機械手的重要技術(shù)指. 綜 述 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。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(yīng)用的機械手被稱為quot工業(yè)機械手quot。生產(chǎn)中應(yīng)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)；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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。 （1） 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 （2） 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。 （1） 2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。 （2） 3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。4、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(zhuǎn)運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。5、行走機構(gòu) 機械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。滾輪式行走機構(gòu)可分為有軌的或是無軌的兩種。6、機座 它是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。（二）驅(qū)動系統(tǒng)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。1、 液壓傳動 是以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。其主要特點是：抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然有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。2、氣壓傳動 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動。其主要特點是介質(zhì)來源極方便、氣動動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性差，而且氣源壓力較低，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3、機械傳動 即由機械傳動機構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等）驅(qū)動。其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠、動作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于為工作主機的上、下料。4、電力傳動 即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進(jìn)電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)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。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。（三）控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，一般常見的為電氣控制。它是機械手的重要組成部分，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給與機械手的指令信息（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(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)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(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的進(jìn)度達(dá)到設(shè)定位置。這里介紹我將要做的近距離自動移動式機械手臂設(shè)計--氣壓驅(qū)動。一、氣源系統(tǒng)壓縮空氣是保證氣動系統(tǒng)正常工作的動力源，空氣壓縮機是將動力機供給的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。二、氣動執(zhí)行機構(gòu) 氣動執(zhí)行機構(gòu)由氣缸和氣動馬達(dá)。氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它可以輸出力，驅(qū)動工作部分作直線往復(fù)運動或往復(fù)擺動。氣缸可分為：單向作用式氣缸和雙作用式氣缸。氣動馬達(dá)是把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其作用同于液壓傳動的油馬達(dá)。它輸出力矩，驅(qū)動機構(gòu)作回轉(zhuǎn)運動。 三、空氣控制閥1、 壓力控制閥分為：調(diào)壓閥、安全閥和順序閥等。2、 流量控制閥是用來調(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的流量、流速以改變執(zhí)行機構(gòu)的工作速度。流量控制閥主要有節(jié)流閥、單向截流閥和排氣節(jié)流閥等。3、方向控制閥是用來控制氣流的方向、氣路的通斷，從而使執(zhí)行機構(gòu)的動作發(fā)生變化的氣動原件。方向控制閥在整個氣動元件中數(shù)量占有相當(dāng)大的比例，并在氣動系統(tǒng)中起著神經(jīng)中樞的作用。四、氣動基本回路1、方向控制回路主要有：單作用氣缸中間停止回路，雙作用氣缸換向回路，雙作用氣缸的活塞可在任意位置停止的回路，延時控制回路。2、速度控制回路主要有：單作用氣缸的速度控制回路，雙作用氣缸單向速度控制回路，雙作用氣缸雙向速度控制回路，雙作用氣缸速回運動控制回路，雙缸同步動作的速度控制回路，緩沖回路。 （3） 五、其他部分行走機構(gòu)有：車輪式行走機構(gòu)，履帶式行走機構(gòu)，步行式行走機構(gòu)。六、機械手的發(fā)展趨勢： 機械手目前多數(shù)應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按事先制訂的程序完成操作，但普通不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，將引起零件甚至機械手本身的損壞。為此，機械手發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手，設(shè)它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化作相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時即能更正，并自行檢測。重點是研究視覺功能，將機械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前的機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 參考文獻(xiàn) 1 曹承志.電機、拖動與控制學(xué).第 3 版. 北京：機械工業(yè)出版社.2000 2 王庭樹.機器人運動學(xué)及動力學(xué).第 2 版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1990.12 3 孟繁華.機器人應(yīng)用技術(shù).第 1 版. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989.6 4 馬香峰.機器人機構(gòu)學(xué).第 1 版.北京：機械工業(yè)出版社.1991.9 5 趙錫芳.機器人動力學(xué).第 1 版.上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.12 6 高松海.遙控機器人.第 1 版.北京：原子能出版社，1981 7 孫耀明.微型機算計在機器人技術(shù)中的作用.第 1 版.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987 8 路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊.第 2 版.北京：機械工業(yè)出版社.2002 9 陳奎生.液壓傳動與氣壓傳動.第 1 版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.8 10 何存興.張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動.第 3 版.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998 11 宋學(xué)義.袖珍液壓氣動手冊.第 1 版.重慶：重慶大學(xué)出版社，1997 12 機械工業(yè)部.中小型電機產(chǎn)品樣本.第 1 版.北京：機械工業(yè)出版社，1995 13 李發(fā)海.王巖.電機與拖動基礎(chǔ).第 1 版.北京：清華大學(xué)出版社，1994 14 諸靜.機器人與控制技術(shù).第 1 版.浙江：浙江大學(xué)出版社，1991 15 熊有倫.丁漢.劉恩滄.機器人學(xué).第 1 版. 機械工業(yè)出版社，1993 16 吳廣玉.姜復(fù)興.機器人工程導(dǎo)論.第 1 版.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988  畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。本課題主要研究的問題是quot近距離自動移動式機械手臂設(shè)計--氣壓驅(qū)動式quot。設(shè)計包括兩大方面，其中之一是自動行走部分，另一部分為手臂的運轉(zhuǎn)。采用同一驅(qū)動能源--氣泵。行走部分可以采用氣壓馬達(dá)帶動兩輪轉(zhuǎn)動。氣壓泵固定在某處，用一軟管將泵與馬達(dá)相連，馬達(dá)安裝在行走裝置中。運動手臂的直線運動用氣缸來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運動用氣壓馬達(dá)來實現(xiàn)。分析手臂的受力，考慮到整個裝置的平衡。行走的時候手臂不動，手臂運動的時候，行走部分停止運動。 行走部分我采用滾輪式，用輪子在地面上滾動的方式完成行走運動時比較穩(wěn)定的，應(yīng)為輪子總是離不開地面的。運動手臂采用三個自由度，分別為上升下降，前后和轉(zhuǎn)動。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告 指導(dǎo)教師意見： 1． 對quot文獻(xiàn)綜述quot的評語：該生對機器人的類型及應(yīng)用領(lǐng)域已比較清楚，說明該生已閱讀了一定的相關(guān)資料。并對畢業(yè)設(shè)計任務(wù)所要面臨的問題有了初步的了解，并已明確了設(shè)計任務(wù)中所要用到的氣動原件，為開展畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。該生的開題報告已達(dá)到了學(xué)校規(guī)定的要求。 2． 對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文） 結(jié)果的預(yù)測： 該生的設(shè)計任務(wù)適中，且已明確了目標(biāo)，故預(yù)計能夠圓滿完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。 指導(dǎo)教師： XXX 2010 年 9 月 13 日 所在專業(yè)： 審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日