【正文】 山東大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 姓名： 1 1 論 文 摘 要 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目為四自由度工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是根據(jù)三年專科所學(xué)的課程進(jìn)行的，主要有：機(jī)械零件設(shè)計(jì)，機(jī)械零件圖測繪，液壓與氣動(dòng)技術(shù)， PLC 電子編程技術(shù)，理論力學(xué)，工程力學(xué)等。設(shè)計(jì)共分為六章，第一章緒論是說明本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，意義，研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求，簡述本課題在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題。第二章總體設(shè)計(jì)以及總體說明，對工業(yè)機(jī)械手的 工作原理、組成及其種類型式進(jìn)行介紹，確定整個(gè)機(jī)械手的總體方案。第三章工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，是介紹各部件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)的確定、性能的分析和各參數(shù)的計(jì)算；第四章工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（氣動(dòng)系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)，包括：回路設(shè)計(jì)，執(zhí)行元件選擇，控制元件選擇以及動(dòng)作順序表等進(jìn)行介紹。第五章工業(yè)機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要介紹了 PLC 的程序梯形圖。第六章是設(shè)計(jì)的總結(jié)。 在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能順利的完成，最重要的是由三位優(yōu)秀的，具有豐富經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)師王曉初和李克天老師的詳細(xì)耐心的解說，教導(dǎo)。而本人也通過《畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》、《可編程序控制器》以及參考其它有關(guān)機(jī)械手設(shè)計(jì)的專業(yè)書籍 ,經(jīng)過十三周的努力終于把此畢業(yè)設(shè)計(jì)編制而成。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣動(dòng)系統(tǒng)， PLC， 2 2 目 錄 1 緒論 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 3 1． 1 課題設(shè)計(jì)的論述 ―――――――――――――――――――――――――――― 3 1． 1． 1 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述 ―――――――――――――――――――――― 3 1． 1． 2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 ―― ――――――――――――――――――――― 4 1． 2 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟 ―――――――――――――――――――――― 5 2 總體設(shè)計(jì) ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 1 總體說明 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì) ――――――――――――――――――――――― 6 2． 1． 3 整體機(jī)構(gòu)的確 定 ―――――――――――――――――――――――― 7 3 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì) – ―――――――――――――――――――――― 8 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) ――――――――――――――――――――――――― 8 工業(yè)設(shè)計(jì)手的參數(shù)計(jì)算 ―――――――――――――――――――――――― 8 手部質(zhì)量計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――― 8 機(jī)械手的爪部夾緊氣缸的選擇 ――――――――――――――――――― 9 腕部傳動(dòng)氣缸的選擇 ――――――――――――――――――――――― 10 伸縮氣缸的選擇 ―――――――――――――――――――――――――― 11 對伸縮導(dǎo)桿的校核 ――――――――――――――――――――――――― 12 配重計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――――― 13 升降部分計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――― 14 對升降導(dǎo)桿的核算 ――――― ――――――――――――――――――― 15 撓度計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――――― 15 轉(zhuǎn)臺(tái)型齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸的計(jì)算 ―――――――――――――――― 16 4 工業(yè)機(jī)械手的控制部分設(shè)計(jì) ――――――――――――――――――――――― 17 4． 1 回路計(jì)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(jì)算和空壓機(jī)的選擇 ―――――――――――――――――― 21 4． 5 氣動(dòng)元件的清單 ――――――――――――――――――――――――――――― 22 動(dòng)作順序表 ――――――――――――――――――――――――――――――― 23 5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 1 電氣控制方案設(shè)計(jì)和元件的選擇 ―――――――――――――― ――――――― 25 5． 2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及 PLC 及 I/O 端口分配圖的設(shè)計(jì) ―――――――――――― 25 5． 3 PLC 梯形圖的設(shè)計(jì) ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5． 4 PLC 的控制程序 ―――――――――――――――――――――――――――――― 25 總結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn) 3 3 1 緒論 1． 1 課題設(shè)計(jì)的論述 機(jī)械是現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)行生產(chǎn)的主要要素之一，機(jī)械制造工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)化國家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國社 會(huì)主義現(xiàn)代化的重要領(lǐng)域之一。 機(jī)械設(shè)計(jì)是從使用要求等出發(fā)，對機(jī)械的工作原理，結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)形式，力和能量的傳遞方式，以至各個(gè)零件的材料和形狀尺寸，以及使用維修等問題進(jìn)行構(gòu)思，分析和決策的工作過程，這種過程的結(jié)構(gòu)一般要表達(dá)成設(shè)計(jì)圖紙，說明書以及各種技術(shù)文件。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，是決定產(chǎn)品性能及影響產(chǎn)品制造過程的首要環(huán)節(jié)。 因此，機(jī)械設(shè)計(jì)課程是講授一般工作條件和常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用設(shè)計(jì)的課程。 1． 1． 1 工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)概述 ㈠ 工業(yè)機(jī)械手的工作原理和分類 ⒈ 原理 機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、 軌跡和要求代替人手抓搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。 ⒉ 分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多 按使用范圍可分為：專用機(jī)械手、通用機(jī)械手。 專用機(jī)械手 —— 一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備，動(dòng)作程序固定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立，亦可以附屬與工作機(jī)械設(shè)備。 通用機(jī)械手 —— 獨(dú)立工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 按驅(qū)動(dòng)方式可分為：液壓機(jī)械手、氣壓機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)械手和機(jī)械式機(jī)械手。 液壓機(jī)械手 —— 輸出力大 ，傳動(dòng)平穩(wěn)。如采用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，油溫對油的粘度影響較大。 氣壓機(jī)械手 —— 氣源方便，輸出力小，氣壓傳動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)大。 電動(dòng)機(jī)械手 —— 直接用直線電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等來驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源簡單，不需要能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，維護(hù)使用方便。 機(jī)械式機(jī)械手 —— 由工作機(jī)械帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，工作可靠，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但動(dòng)作固定不可變。 按控制系統(tǒng)可分為：點(diǎn)位控制、連 續(xù)控制。 點(diǎn)位控制 —— 只能控制工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)點(diǎn)的位置，運(yùn)動(dòng)軌跡不受控制。目前使用的專用和通用的工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 連續(xù)控制 —— 工業(yè)機(jī)械手按給定的速度沿給定的路線（軌跡）實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)是無限的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要求在控制之下。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 ⒊ 工業(yè)機(jī)械手的自由度 所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作不計(jì)在自由度數(shù)目內(nèi)。 工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少，決定著工 業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度。自由度數(shù)越多，它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣。但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保 4 4 證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，應(yīng)按生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目為２～５個(gè)。 4． 工業(yè)機(jī)械手手臂的坐標(biāo)形式 按照工業(yè)機(jī)械手手臂所具有的運(yùn)動(dòng)及其組合情況，若以坐標(biāo)形式可分為下列四種： （ 1）直角坐標(biāo)式 手臂的運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組合而成。 （ 2） 圓柱坐標(biāo)式 手臂的運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 （ 3） 球坐標(biāo)式 手臂運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng) 和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 （ 4）關(guān)節(jié)式 手臂運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。 ㈡ 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多。從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。 ⒈ 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由手部、手腕、手臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。 ⑴ 手部 它具有人手某種單一動(dòng)作的功能。是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件進(jìn)行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位準(zhǔn)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(jī)構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，應(yīng)用較少。平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(diào)整工作的方位（即姿勢）。它可以有上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)，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(jī)械手沒有手腕。 ⑶ 手臂 手臂是機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)三個(gè)自由度。 工業(yè)機(jī)械手的手臂是支撐通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件（如油、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等）與驅(qū)動(dòng)源（如液壓、氣壓或電機(jī)等）相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 ⑷ 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)，可在機(jī)座輪，軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。 ⒉ 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。通常由動(dòng)力源、控制調(diào)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(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋位）系統(tǒng)組成。 1． 1． 2 現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢： 1．工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 萬美元降至 03 年的 萬美元。 2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化，可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)，減速機(jī)，檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊，連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī) 器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 3．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；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(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺，力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺，聲覺，力覺，觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 5．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿 真，預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 6．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 7．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國的工業(yè)機(jī)器人從80 年代“七五”科技 攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”，“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌道規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，弧焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，