三自由度机械手的结构设计论文Word文档下载推荐.doc

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英文摘要................................................2

一、引言

1.1简要介绍机械手的概念...........................4

1.2机械手的组成和分类.............................5

1.2.1机械手的组成...............................5

1.2.2机械手的分类...............................5

1.3国内外发展状况.................................6

二、三轴自由度机械手的结构及动作过程....................7

2.1机械手的结构....................................7

2.2机械手的动作过程..............................8

2.3机械手的驱动方案设计..........................9

2.4机械手的控制方案设计..........................9

2.5机械手的座标型式与自由度......................10

2.6机械手的技术参数列表..........................11

三、控制器件选型.......................................11

3.1步进电机及其驱动器选择............................11

3.2直流电机及其驱动器选择........................12

3.3旋转编码器的选择..............................14

四、机械手的PLC控制设计...............................15

5.1可编程序控制器的选择..........................15

5.2可编程序控制器的工作过程......................16

总结..................................................19

致谢..................................................20

参考文献...............................................20

附录..................................................21

一、引言

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。

由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。

本文讲述的气动机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。

主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。

随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。

机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。

机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。

1.1机械手概述

机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。

机械手实例

1.2机械手的组成和分类

1.2.1机械手的组成

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机械手设计的关键参数。

自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

1.2.2机械手的分类

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；

按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；

按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械手一般分为三类：

第一类是不需要人工操作的通用机械手。

它是一种独立的不附属于某一主机的装置。

它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。

它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工才做的，称为操作机。

它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。

这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；

除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人

1.3国内外发展状况

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：

机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；

控制系统用磁鼓作为存储装置。

不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。

该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±

1毫米。

联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；

改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手,附属于某一设备,其工作程序是固定的。

通用机械手也有发展,目前应用的都是开关式点位控制型,伺服型已试制出数台在调试中,连续轨迹控制型还没有。

控制方式—有触点固定程序控制占绝大多数,专用机械手多采用这种控制

二、三轴联动简易机械手的结构及动作过程

2.1机械手的结构

机械手结构如下图1所示，有气控机械手

（1）、XY轴丝杠组

（2）、转盘机构（3）、旋转基座（4）等组成。

其运动控制方式为：

三自由度机械手为圆柱坐标型。

图1为机械手结构示意图，

（1）气控机械手（有光电传感器确定起始0点）；

（2）机械手手臂的左右运动（左右方向）由步进电机驱动丝杠组件完成，上下运动（垂直方向）由升降步进电机控制；

（3）逆时针和顺时针旋转运动可由回旋360°

的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转（其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成）；

（4）旋转基座主要支撑以上3部分；

（5）机械手的夹紧装置采用关节结构，气控机械手的张合由气压控制压驱动，并由电磁阀控制（充气时机械手抓紧，放气时机械手松开）。

机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。

SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。

如图2.1所示。

2.2机械手的动作过程

其工作过程为：

当货物到达时，机械手系统开始动作步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；

转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；

步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后气

阀放气，机械手松开货物；

系统回位准备下一次动作。

图2.1

2.3机械手的驱动方案设计

驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。

根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。

2.4机械手的控制方案设计

目前，对机械手的控制可采用以下几种方式[1]：

1）用继电器控制，这种控制系统故障率高、控制方式不灵活且功率消耗大，已逐渐被人们所淘汰；

2）用微机控制，虽然它在智能控制方面有较强大的功能，但它的抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，广泛应用也不太容易；

3）ＰＬＣ控制，此控制系统具有运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强、能经受恶劣环境的考验等优越性，已经成为在机械手控制系统中使用最多的