【正文】 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。設(shè)計(jì)共分為六章，第一章緒論是說(shuō)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(jiǎn)述本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題。 2021 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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?？扑鶎W(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(cè)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。第二章總體設(shè)計(jì)以及總體說(shuō)明，對(duì)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。 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(shuō)，教導(dǎo)。 關(guān)鍵字：機(jī)械手，氣動(dòng)系統(tǒng)， PLC， 目 錄 1 緒論 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 3 1 1 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(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) ――――――――――――――――――――――― 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(shuō)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(duì)伸縮導(dǎo)桿的校核 ――――――――――――――――――――――――― 12 配重計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――――― 13 升降部分計(jì)算 ――――――――――――――――――――――――――― 14 對(duì)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) 1 緒論 2 2 1． 1 課題設(shè)計(jì)的論述 AZ 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(guó)家的基礎(chǔ)工業(yè)，是我國(guó)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(guò)程的首要環(huán)節(jié)。 1． 1． 1 AZ 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。 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。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 液壓機(jī)械手 —— 輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，油溫對(duì)油的粘度影響較大。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。 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(jiǎn)單，成本低。 按控制系統(tǒng)可分為：點(diǎn)位控制、連續(xù)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。特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)是無(wú)限的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都要求在控制之下。 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(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。手指的抓取動(dòng)作不計(jì)在自由度數(shù)目?jī)?nèi)。自由度數(shù)越多，它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣。所以，應(yīng)按生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。 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： 3 3 （ 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。 （ 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。 ㈡ 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多。 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。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。 夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型。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。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。 ⑶ 手臂 手臂是機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的部件 。 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)。 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。 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)。 1． 1． 2 現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： 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(wàn)美元降至 03 年的 萬(wàn)美元。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)，減速機(jī)，檢測(cè)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(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn) 市。 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(jué)，力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)，聲覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)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。 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。 7．機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80 年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“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(kāi)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。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多，批量小，零部件通用化程度低，供貨周期長(zhǎng)，成本也不低，而且質(zhì)量，可靠性不穩(wěn)定。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000 米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人 ，雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人，爬壁機(jī)器人，管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)，力覺(jué)，觸覺(jué)，聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。 1． 2 AZ 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本步驟 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的步驟包括以下： 1．根據(jù)機(jī)械手的功能要求，選定其的類型 2．分析機(jī)械手的工作情況，確定作用在機(jī)械手上的載荷。 4．進(jìn)行主要的參數(shù)選擇，根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)則求出零件的主要尺寸，選擇材料，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求。 6．繪制零件圖，制訂技術(shù)要求。 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)要進(jìn)行全面綜合考慮，盡可能 使之做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，容易操作安全可靠，安裝維修方便，經(jīng)濟(jì)性好。 據(jù)設(shè)計(jì)題目給出的坐標(biāo)形式和基本參數(shù)確定該設(shè)計(jì)和各項(xiàng)結(jié)構(gòu)，其中已確定的各項(xiàng)有： 1．本工業(yè)機(jī)械手是通用機(jī)械手，是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的，程序可變，動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。本工業(yè)機(jī)械手的控制定位 方式是簡(jiǎn)易型的點(diǎn)定位控制，因此，其控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜。特點(diǎn)：占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，但因機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系，沿 Z 軸方向移動(dòng)的最低位置限制，故不能抓取地面上的物體。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(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)： 1 手臂的升降； 2 手臂的升縮； 3 手腕部回轉(zhuǎn)； 4．手臂回轉(zhuǎn)。 2． 1． 2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì) 根據(jù)有關(guān)資料的顯示，現(xiàn)在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的成熟控制方式有多種，主要以下幾種方式，并進(jìn)行比較選擇： 1． 液壓傳動(dòng)機(jī)械手，是以油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大影響，且不宜在高溫，低溫下工作。其主要特點(diǎn)：介質(zhì)來(lái)源極方便，不污染環(huán)境，工作可靠，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作維修方便。 3． 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：既由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪，連桿，齒輪和齒條，間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 4．電力傳動(dòng)機(jī)械手：即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，直線電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍柚虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。此類機(jī)械手目前還不多，有發(fā)展前途。 6 6 因此，本設(shè)計(jì)的四自由度工業(yè)機(jī)械手選用氣壓傳動(dòng)機(jī)械手作為驅(qū)動(dòng)方式。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 （ 2）手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。 （ 3）手臂：支撐手腕和手部的部件，以改變工件的位置。 （ 4）立柱：以手臂的升降氣缸兼作立柱，以便實(shí)現(xiàn)該機(jī)械手的緊湊和簡(jiǎn)潔。 2． 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)才用氣壓傳動(dòng)方式。系統(tǒng)由可編程序控制器系統(tǒng)和行程開(kāi)關(guān)電氣定位以及相關(guān)的繼電器系統(tǒng)組成的系統(tǒng)控制。操控人員可遠(yuǎn)離機(jī)械手操作。 5． 手部結(jié)構(gòu) 根據(jù)已知的規(guī)格參數(shù)，我們選擇爪部通過(guò)汽缸推動(dòng)楔塊帶動(dòng)爪部杠桿運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)爪部張合的夾緊運(yùn)動(dòng)。爪部的張合弧度可通過(guò)改變楔塊的斜面角度和杠桿的長(zhǎng)度和比例來(lái)調(diào)節(jié)。 3 直角坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3． 1 機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) 7 7 1． 抓重： 50 N （額定抓取重量或額定負(fù)荷） 2． 自由度：