【正文】 河北工程大學 課程設計 機電工程學院 課程設計（專業(yè)方向設計）說明書 （ 2021 /2021 學年第一學期） 課程名稱 ： 機電一體化課程設計 題 目 ： 工業(yè)機械手設計 專業(yè)班級 ： 學生姓名 ： 學 號： 指導教師 ： 設計周數(shù) ： 三 周 設計成績 ： 2021 年 12 月 31 日 河北工程大學 課程設計 目錄 第一章 工業(yè)機械手綜述 ......................................................... 1 工業(yè)機械手的發(fā)展概況 .................................................. 1 工業(yè)機械手的應用 ...................................................... 1 工業(yè)機械手的組成及原理 ................................................ 1 第二章 伸縮臂的設計方案 ....................................................... 4 設計方案論證以及確定 .................................................. 4 設計參數(shù)及要求 .................................................... 4 設計方案的比較論證 ................................................ 4 機械手伸縮臂總體結構設計方案 .......................................... 4 執(zhí)行裝置的設計方案 .................................................... 5 滾珠絲杠的選擇 .................................................... 5 減速齒 輪的有關計算 ............................................... 10 電動機的選擇 ..................................................... 15 第三章 PLC 控制系統(tǒng)設計 ...................................................... 18 PLC 的構成及工作原理 ................................................. 18 選擇 PLC ............................................................. 18 PLC 外部 I/O 分配圖 ................................................... 19 軟件設計 ............................................................. 20 硬件設計 ............................................................. 28 總 結 ............................................................................ 29 參 考 文 獻 ..................................................................... 30 河北工程大學 課程設計 1 第一章 工業(yè)機械手綜述 工業(yè) 機械手在先進制造技術領域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備，是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作 。 工業(yè)機械手即工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代化制造業(yè)重要的自動化裝備。 機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 應用 機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛 廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效 率，完成工人難以完成的或者危險的工作。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 廣泛采用工業(yè)機械手，不僅可提高產(chǎn)品的質量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。同計算機、網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機械手的廣泛應用正在日益改善著人類的生產(chǎn)和生活方式。 組成及原理 工業(yè)機械手一般應由機械系統(tǒng) 、 驅動系統(tǒng) 、 控制系統(tǒng) 、 檢測系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)等組成 。機械系統(tǒng)是完成抓取工件實現(xiàn)所需運動的執(zhí)行機構；驅動系統(tǒng)的作用是向執(zhí)行機構提供動力，執(zhí)行元件驅動源的不同，驅動系統(tǒng)的傳動方式有液動式、氣動式、電動式和機械式四種，采用液壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便；控制系統(tǒng)是工業(yè)機械手的指揮系統(tǒng)，它控制工業(yè)機器人按規(guī)定的程序運動；檢測傳感系統(tǒng)主要檢測工業(yè)機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置、狀態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)進而及時比較調整。 河北工程大學 課程設計 2 本次設計的工業(yè)機械手屬于圓柱坐標式的液壓驅動機械手，具有手臂升降、伸縮、回轉等三個自由度。 因此相應地有手臂伸縮機構、手臂升降機構、手臂回轉機構等組成。每一部分均用液壓缸驅動與控制。下圖為本次設計的機械手總平面圖： 圖 11 機械手總平面圖 1 底座、 2立柱、 3液壓缸、 4 伸縮臂、 5升降臂、 6機械手 河北工程大學 課程設計 3 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC 程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構 發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。下圖為機械手的系統(tǒng)工作原理框圖： 圖 12機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 河北工程大學 課程設計 4 第二章 伸縮臂的設計方案 設計方案論證以及確定 設計參數(shù)及要求 伸縮長度： 300mm； 單方向伸縮時間： ～ ； 定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2mm； 前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊。 設計方案的比較論證 根據(jù)設計參數(shù)及要求，選擇齒輪、滾珠絲杠來實現(xiàn)工業(yè)機械手伸縮臂的伸縮運動，結構簡單，易于控制，更經(jīng)濟實用。 機械手伸縮臂總體結構設計方案 經(jīng)過本人的反復思考及論證，先做出運動簡圖?，F(xiàn) 如 下圖 21所示，該機構 中支座安裝在機器人床身上，用于安裝滾珠絲杠和伸縮桿等零件。由 步進電動機（ 1）驅動，帶動一級齒輪 減速器（ 2）。通過 減速器 輸出軸與絲 杠 （ 3）相連， 以電機為動力驅動滾珠絲杠轉動，通過絲母的直線運動，推動導向桿運動，利用電機正反轉動 實現(xiàn)伸縮換向 。 法蘭用于安裝機械手，構成如圖所示的結構： 圖 21 步進電機伸縮機構示意圖 河北工程大學 課程設計 5 執(zhí)行裝置的設計方案 滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠副的選擇： （ 1）由題可知：伸縮長度 S為 300 毫米，伸縮時間 t 為 2 秒 ，所以速度 smsmmsmmtsV ???? ,初選螺距 P=10mm （ ） 則： m in900m in10 60150 rrPVn m ???? （ ） （ 2）計算載荷： ???CF mAHFC FKKKF ???? （ FK 為載荷系數(shù)， HK 為硬度系數(shù)， AK 為精度系數(shù)） 由題中條件，取 ?FK ??5 ，取 ?HK