【正文】 山東大學 畢業(yè)設計（論文） 直角坐標式機械手 1 1 論 文 摘 要 本次畢業(yè)設計的題目為四自由度工業(yè)機械手的設計。本設計是根據(jù)三年專科所學的課程進行的，主要有：機械零件設計，機械零件圖測繪，液壓與氣動技術， PLC 電子編程技術，理論力學，工程力學等。設計共分為六章，第一章緒論是說明本次畢業(yè)設計的目的，意義，研究范圍及要達到的技術要求，簡述本課題在國內外的發(fā)展概況及存在的問題。第二章總體設計以及總體說明，對工業(yè)機械手的工作原理、組成及其種類型式進行介紹，確定整個機械手的總體方案。第三章工業(yè) 機械手的機械部分設計，是介紹各部件的選擇及相關數(shù)據(jù)的確定、性能的分析和各參數(shù)的計算；第四章工業(yè)機械手驅動系統(tǒng)（氣動系統(tǒng)）的設計，包括：回路設計，執(zhí)行元件選擇，控制元件選擇以及動作順序表等進行介紹。第五章工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)的設計，主要介紹了 PLC 的程序梯形圖。第六章是設計的總結。 在本次的畢業(yè)設計中，能順利的完成，最重要的是由三位優(yōu)秀的，具有豐富經驗的導師王曉初和李克天老師的詳細耐心的解說，教導。而本人也通過《畢業(yè)設計指導書》、《機械設計手冊》、《可編程序控制器》以及參考其它有關機械手設計的專業(yè)書籍 ,經 過十三周的努力終于把此畢業(yè)設計編制而成。 關鍵字：機械手，氣動系統(tǒng)， PLC， 2 2 目 錄 1 緒論 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 3 1． 1 課題設計的論述 ―――――――――――――――――――――――――――― 3 1． 1． 1 工業(yè)機械手的技術概述 ―――――――――――――――――――――― 3 1． 1． 2 現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢 ――――――――――――――――――――――― 4 1． 2 工業(yè)機械手設計的 基本步驟 ―――――――――――――――――――――― 5 2 總體設計 ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1 設計的基本內容 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 1 總體說明 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 2 驅動方式的選擇和設計 ――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 3 整體機構的確定 ―――――――――――――――――――――――― 7 3 工業(yè)機械手的機械部分設計 – ―――――――――――――――――――――― 8 工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù) ――――――――――――――――――――――――― 8 工業(yè)設計手的參數(shù)計算 ―――――――――――――――――――――――― 8 手部質量計算 ――――――――――――――――――――――――――― 8 機械手的爪部夾緊氣缸的選擇 ――――――――――――――――――― 9 腕部傳動氣缸的選擇 ―――――――――――――― ――――――――― 10 伸縮氣缸的選擇 ―――――――――――――――――――――――――― 11 對伸縮導桿的校核 ――――――――――――――――――――――――― 12 配重計算 ――――――――――――――――――――――――――――― 13 升降部分計算 ――――――――――――――――――――――――――― 14 對升降導桿的核算 ―――――――――――――――――――――――― 15 撓度計算 ――――――――――――――――――――――――――――― 15 轉臺型齒桿式回轉擺動氣缸的計算 ―――――――――――――――― 16 4 工業(yè)機械手的控制部分設計 ――――――――――――――――――――――― 17 4． 1 回路計算 ―――――――――――――――――――――――――――――――― 17 4． 2 執(zhí)行元件選擇 ―――――――――――――――――――――――――――――― 17 4． 3 控制元件選擇 ―――――――――――――――――――――――――― ―――― 18 4． 4 執(zhí)行元件用氣量的計算和空壓機的選擇 ―――――――――――――――――― 21 4． 5 氣動元件的清單 ――――――――――――――――――――――――――――― 22 動作順序表 ――――――――――――――――――――――――――――――― 23 5 電氣控制系統(tǒng)設計 ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 1 電氣控制方案設計和元件的選擇 ――――――――――――――――――――― 25 5． 2 PLC 控制系統(tǒng)設計及 PLC 及 I/O 端口 分配圖的設計 ―――――――――――― 25 5． 3 PLC 梯形圖的設計 ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 4 PLC 的控制程序 ―――――――――――――――――――――――――――――― 25 總結 致謝 參考文獻 3 3 1 緒論 1． 1 課題設計的論述 機械是現(xiàn)代社會進行生產的主要要素之一，機械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國家的基礎工業(yè)，是我國社會主義現(xiàn)代化的重要領域之一。 機械設計是從使用要求等出發(fā)，對機械的工作原 理，結構，運動形式，力和能量的傳遞方式，以至各個零件的材料和形狀尺寸，以及使用維修等問題進行構思，分析和決策的工作過程，這種過程的結構一般要表達成設計圖紙，說明書以及各種技術文件。機械設計是機械生產的第一步，是決定產品性能及影響產品制造過程的首要環(huán)節(jié)。 因此，機械設計課程是講授一般工作條件和常用參數(shù)范圍內的通用設計的課程。 1． 1． 1 工業(yè)機械手的技術概述 ㈠ 工業(yè)機械手的工作原理和分類 ⒈ 原理 機械手是一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡和要求代替人手抓搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。 ⒉ 分類 工業(yè)機械手的種類很多 按使用范圍可分為：專用機械手、通用機械手。 專用機械手 —— 一般附屬于工作機器設備，動作程序固定，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨立，亦可以附屬與工作機械設備。 通用機械手 —— 獨立工作的自動化機械裝置。在規(guī)格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。 按驅動方式可分為：液壓機械手、氣壓機械手、電動機械手和機械式機械手。 液壓機械手 —— 輸出力大，傳動平穩(wěn)。如采用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴 格，油溫對油的粘度影響較大。 氣壓機械手 —— 氣源方便，輸出力小，氣壓傳動速度快，結構簡單，成本低。但工作不大穩(wěn)定，沖擊大，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大。 電動機械手 —— 直接用直線電機，功率步進電機和具有特殊結構的感應電動機等來驅動，動力源簡單，不需要能量轉換機構，維護使用方便。 機械式機械手 —— 由工作機械帶動機械手運動，工作可靠，動作頻率高，結構簡單，成本低。但動作固定不可變。 按控制系統(tǒng)可分為：點位控制、連續(xù)控制。 點位控制 —— 只能控制工業(yè)機械手運動的幾個點的位置，運動軌 跡不受控制。目前使用的專用和通用的工業(yè)機械手均屬于此類。 連續(xù)控制 —— 工業(yè)機械手按給定的速度沿給定的路線（軌跡）實現(xiàn)平穩(wěn)準確的運動。特點是設定點是無限的，整個運動過程都要求在控制之下。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 ⒊ 工業(yè)機械手的自由度 所謂工業(yè)機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作不計在自由度數(shù)目內。 工業(yè)機械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機械手動作多樣化的程度。自由度數(shù)越多，它的動作越靈活，應用越廣。但同時 也使控制系統(tǒng)和機械結構越復雜，定位精度難以保 4 4 證，整機的造價高，自重大。所以，應按生產實際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內外現(xiàn)有的工業(yè)機械手的自由度數(shù)目為２～５個。 4． 工業(yè)機械手手臂的坐標形式 按照工業(yè)機械手手臂所具有的運動及其組合情況，若以坐標形式可分為下列四種： （ 1）直角坐標式 手臂的運動是由三個直線運動組合而成。 （ 2） 圓柱坐標式 手臂的運動是由兩個直線運動和一個回轉運動組成。 （ 3） 球坐標式 手臂運動是由一個直線運動和兩個回轉運動組成。 （ 4）關節(jié)式 手臂運動是由三個回轉運動組成 。 ㈡ 工業(yè)機械手的結構組成 目前國內工業(yè)機械手的種類和型式比較多。從結構型式分析，主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 ⒈ 執(zhí)行機構 由手部、手腕、手臂和行走機構等運動部件組成。 ⑴ 手部 它具有人手某種單一動作的功能。是機械手直接用于抓取和握緊工件進行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位準確、小損傷工件。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。 夾持式手部是由手指和傳力機構組成。手指是直接與物件接觸的構件。常用的手指運動型式有回轉型和 平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛；平移型結構比較復雜，應用較少。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，因此適宜夾持變化范圍大的工件。 ⑵ 手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，用來改變或調整工作的方位（即姿勢）。它可以有上下擺動、左右擺動和繞自身軸線的回轉三個運動，如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有手腕。 ⑶ 手臂 手臂是機械手執(zhí)行結構中的部件。其作用是將被抓住工件傳送到規(guī)定 位置上，它具有手臂伸縮、升降、回轉三個自由度。 工業(yè)機械手的手臂是支撐通常由驅動手臂運動的部件（如油、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等）與驅動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 ⑷ 行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作時，可在機座輪，軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。 ⒉ 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置。通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。 ⒊ 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（或機械擋位）系統(tǒng)組成。 1． 1． 2 現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢 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，平均單機價格從 91 年的 萬美元降至 03 年的 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，網絡化；器件集成度高，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。 5 5 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)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(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“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，目前已基本 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，運動學和軌道規(guī)劃技術，生產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 條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，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