【正文】 摘要 Ⅰ 重慶科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于 PLC 控制的輕型 平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 講 師 評(píng)閱教師 職稱 副教授 2022 年 6 月 1 日 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 摘要 Ⅰ 摘 要 本課題研究的輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定性高，精度準(zhǔn)確，研究成本低，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。 the last two chapters on the manipulator control, PLC programming and debugging were reviewed in this paper. Through the study of the manipulator39。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科 —— 機(jī)械手工程。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性 。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。 1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手 的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。 毫米。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪 箱毛刺等。 1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用 42%。智能機(jī)械手約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。預(yù)計(jì)到 1990 年將有 55萬(wàn)機(jī)器人在工作。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 緒論 3 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展越來(lái)越多。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。本課題以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間?？梢詰?yīng)用在不同的場(chǎng)合，尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng) 合應(yīng)用的更為廣泛，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 我國(guó) 目前主要單位像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來(lái)看，我們國(guó)家在高校里邊，有很 多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人 （如圖 ） ，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國(guó)際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國(guó)家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒(méi)有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀? (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)圖 飛機(jī)清洗機(jī)器人 圖 水下機(jī)器人 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 緒論 5 化 ； 器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。美國(guó)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。 機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù) 1）機(jī)械 手爪 重 5kg； 2）自由度 4（即左移 /右移、上升 /下降、夾緊 /放松、左旋 /右旋）； 3）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 0～ 180176。 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行綜合考慮，盡可能使之做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，容易操作安全可靠，安裝維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)性好。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位方式是簡(jiǎn)易型的定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。 3）本工業(yè)機(jī)械手是 四 自由度機(jī)械手。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠、動(dòng)作頻率高、但結(jié)構(gòu)尺寸較大，動(dòng)作程序不可變。但因油的泄露對(duì)工件性能影響較大，故它對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，且 不宜在高溫或低溫下工作。能在高溫、高速和粉塵大的環(huán)境中工作、但由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，且因氣源壓力低，只宜輕載下工作。 綜合上述四種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合本設(shè)計(jì)之工業(yè)機(jī)械手的各項(xiàng)規(guī)格要求，應(yīng)選用氣壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，則其抓重和定位都可達(dá)到，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其傳動(dòng)平穩(wěn)和動(dòng)作靈敏性可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。夾持式手部由手指 (或 手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有 ： 滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、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)。～ 180176。本課題采用氣壓傳動(dòng)。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。 （ 2）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。 選擇 手爪 的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)： 手爪 張合角△ λ=60176。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指 ， 夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移 型。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型 手爪 ，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。驅(qū)動(dòng)桿上的圓柱銷套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。 由 ?xF =0 得 F1=F2 ?yF =0 得 ?cos21 FF ? 39。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 F 一定時(shí)， ? 角增大，則握力 FN也隨之增大，但 ? 角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好 ??? 4030～? 。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： FN≥ ≥K1K2K3G （ ） 式中 K1— 安全系數(shù)，通常 ～ ； K2— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 則活塞桿內(nèi)徑為 ： d=12? =6mm， 選取 d=6mm 手爪 夾持范圍計(jì)算 為了保證 手爪 張開(kāi)角為 60176。 +25cos30176。特別是 在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一 定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。 偏轉(zhuǎn)角 β 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 11 60c o s c o s 4 6si n 1 0 0 si n 6 0CPRl? ?? ? ??? ? ?? 計(jì)算 R0=lsin? cosβ=100 sin60176。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小 于 360176。 1— 工件 2— 爪 部 3— 手腕 圖 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 ： M驅(qū) = M +M偏 +M慣 +M封 式中 ： M驅(qū) — 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 (Ncm)； 下面以圖 ，分析各阻力矩的計(jì)算 ： （ 1） 手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 若手腕 起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ω，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為Δ t， 則： M慣 = (J+J1） ω/Δt 式中 ： J— 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ； J1— 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ； Ω— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 (弧度 /s)； Δ t— 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間 (s)； 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1為 ： J1= 211c GJeg? 式中 ： Jc— 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ； G1— 工件的重量 (N)； 1e — 工件的 重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm)； （ 2） 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 M偏 M偏 =G1 1e +G3e3 式中 ： G3— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量 (N)； e 3— 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm)； 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 G1 e 1=0。動(dòng)片封圈 4把氣腔分隔成兩個(gè) 。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的 P應(yīng)代以工作壓力 P1與背壓 P2之差。 當(dāng)工作壓力為 1 MPa時(shí)輸出力矩為 62 Nm2) 工件的質(zhì)量為 5kg， 質(zhì)量分布于長(zhǎng) l=100mm的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 212c mlJ ? 25 ?? =(kgm） （ 3） 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 M摩 ， 對(duì)于滾動(dòng)軸承 f =，對(duì)于滑動(dòng)軸承 f =， d1， d2為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 ， d1=30mm， d2=20mm， RA， RB為軸頸 處的支承反力，粗略估計(jì) RA=300N， RB=150N, M摩21()2 ABf R d R d?? 0 . 0 1 ( 3 0 0 0 . 0 2 1 5 0 0 . 0 3 )2? ? ? ? =（ Nm） M驅(qū) ＜ M ∴ 設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全 。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。 2） 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 。 （ 1）伸縮范圍 500mm，最大速度 200mm/s； （ 2）升降行程 40mm。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo) 向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 尺寸校核 1） 在校核尺寸時(shí) ， 只需校核氣缸內(nèi)徑 為 50mm， 半徑 R=25mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可 ， 設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ? MPa， 則驅(qū)動(dòng)力： 2F P R??? = 620. 4 10 3. 14 0. 02 5? ? ? =785N 測(cè)定手腕質(zhì)量為 10kg， 設(shè)計(jì)加速度 10a? （ m/s2）， 則慣性力 1F ma? =10? 10 =100（ N） 2)考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) k= 1mF k F?? =? 100 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 手臂設(shè)計(jì)及計(jì)算 20 =20(N) ∴ 總受力 01mF F F?? =100+20 =120（ N） 0FF? 所以標(biāo)準(zhǔn) QGAⅡ 氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求?！?180176。 則氣缸運(yùn)動(dòng)的行程為 l=πD/2=157mm， 氣缸行程符合要求。m) 尺寸校核 測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 m1=40kg，通過(guò)分析各部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 r=125mm的圓盤(pán)上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 212mrJ? 重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文 6 機(jī)座設(shè)計(jì)計(jì)算 22 = 240 ? =（ 2kgm? ） M慣 =J t??? = ? =(Nm) M驅(qū) ＜ M 即設(shè)計(jì)尺寸滿足要求。 1DT， 2DT； 3DT， 4DT； 5DT， 6DT； 7DT， 8DT， 9DT,10DT分別表示各氣缸的電磁閥的兩個(gè)線圈