机械手课设Word文件下载.docx
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1. 设计任务 4
2. 工艺流程 5
三、实现运动的分析 5
四、运动的结构筛选与选择 6
1．抓取单元 6
2. 升降单元 7
3. 转动单元 10
4. 轴承选择 10
五、控制系统的设计 11
1. 传感器选择 11
2. 语言选择—PLC可编程控制器 12
（1）装配机械手可编程序控制方案 12
（2）程序思路如下：
14
六、课程设计感想 15
七、参考文献 15
一、简介
装配机械手
装配机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:
可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;
尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
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。
机械手性能不断提高，而单机价格不断下降；
机械结构向模块化、可重构化发展；
控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展；
传感器作用日益重要；
虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
1. 设计任务
（1）工件尺寸：
60×
60mm，重量0.6kg。
（2）材料：
45#。
抓取面：
平面。
（3）工艺流程：
识别工件—抓取工件—提升高度260mm—顺时针转动90°
（180°
）—下降240mm—放下工件—回到初始位置。
（4）时间要求：
小于1min（本设计中实际时间为36s为一个周期）。
装配机械手设计要求：
l确定装配机械手的工艺流程，总体方案，绘制总装配图，根据装配机械手组成，确定各机械部分的尺寸大小，加工精度和材料等，绘制部件图和零件图。
l检测部分确定机电一体化工作站各检测量和传感器，确定各传感器型号和工作的电流和电压。
l驱动部分确定机电一体化工作站各动作所需要的驱动类型和装置，确定各驱动装置型号和工作的电流和电压。
l控制部分确定机电一体化工作站各动作所需要的控制类型和控制装置，确定控制装置型号，分析输入和输出接线图，分析软件程序，并能确每一程序动作。
2. 工艺流程
图2机械手的组成方框图
三、机械手的总体设计方案分析
3.1动作分析
机械手的组成包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
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。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电磁力）吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。
造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。
电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。
手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位。
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。
手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
其组成及相互关系如下图：
图1.1工业机械手组成框图
四、运动的结构筛选与选择
1．抓取单元
方案一：
如图3
1．压电陶瓷堆2．柔性铰链3．夹持臂
图3夹持机构位移放大原理
方案二：
如图4
图4伊莱科ELE-P20/15直流吸盘式电磁铁
电磁吸盘是安装在机械手最前端，通过电磁力把工件吸住。
当线圈通如电流后，在铁芯内外激起磁场，由线圈出来的磁力经过铁芯，空气隙和被磁化的衔铁而形成闭合回路。
在通电的情况下，衔铁（工件）被磁化，其磁性与铁芯线圈产生的磁场极性相反，根据异性相吸的特性，衔铁受到电磁力的作用，吸向铁芯。
若切断电源，铁芯内外磁场随即消失，铁芯放下。
因为所抓取物体的表面为平面，且工件较轻；
且电磁吸盘式与钳爪式手部相比较，电磁吸盘式手部具有结构简单、表面吸附力分布均匀、可靠性高、价格便宜等优点。
其工作电压为：
DC12V，直流。
、2. 升降单元
活塞气缸，如图7：
图7普通单活塞气缸
滚珠丝杠结构，如图8：
图8滚珠丝杠结构
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。
滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。
在特殊场合可在无润滑状态下工作。
通常的直线运动采用齿轮齿条结构、凸轮机构等实现，这些机构运行可靠，可以承受较大负载。
但是：
齿轮齿条机构需要导轨，就需要润滑，从而带来污染；
凸轮机构也需要导轨润滑且定位、加工困难；
直线电机竖直方向定位精度不高，定位用位移传感器也很贵等，所以这些机构的结构复杂，设计困难，造价很高。
而对于气缸而言，气缸在竖直方向由于重力等影响导致气体压缩，从而定位不精准。
本次设计的内容，滚动丝杠传动精度高，根据我查得的信息：
我选择江苏德瑞克SFT04010-5。
长度为400mm。
如下图所示：
图9江苏德瑞克SFT04010-5
要实现滚珠丝杠的升降运动，需要为其选择电机驱动，我的方案是：
让电动机与滚珠丝杠直接连接（如下图10），因而这样由于传动链短，运动损失（lostmotion）小，且反应迅速，因此可获得高精度。
图10伺服电机与滚珠丝杠直接连接
3. 转动单元
摆动气马达，如图11
图11 摆动气压马达
步进电动机，如图12
图12步进电动机
综合两种方案，因为气动摆动马达能够实现固定角度（90°
、180°
等）的精确转动，控制结构简单。
同时，它的转速较低，无须齿轮减速结构，使用方便，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，因此本机械手采用气压传动方式。
与此相比，步进电机价格昂贵，控制复杂。
普通电机价格虽然便宜，但是对控制和驱动单元要求较高，更无法实现精确的角度转动。
所以选用摆动驱动气缸：
型号DSR-40-180-P，直径为40mm。
4. 轴承选择
此轴承体积不能太大，选用圆柱滚子轴承。
查阅GB/T283-1994，根据实际需要选择型号为NU2210E的圆柱滚子轴承即可满足要求。
圆柱滚子轴承的简图如图3-7所示。
图14
NU2210E圆柱滚子轴承规格为：
d=50mm，D=90mm，B=23mm，承载能力为基本额定载荷可以满足需要。
五、控制系统的设计
1. 传感器选择
因为FESTO气缸的装配中都含有配套的接近式开关，所以只需针对滚珠丝杠的升降进行传感器控制，因为是螺母副的升降移动，可以采用光电传感器型号选用欧姆龙E3F3-D61。
它的特点为螺纹柱状光电传感器，放大器内置，具备接近传感器外观的光电传感器具有光电-IC技术的高抗干扰性。
图15 光电式传感器
在本设计的工艺流程中，还要求提升高度260mm，下降240mm，再提升20mm，所以需要设置三个光电传感器。
对于电磁吸盘，需要感应其是否已经吸住零件，所以在吸盘头要安置一个接近式传感器欧姆龙E2B-S08KS01-WP-B22M来检测是否已经吸住了元件。
图16欧姆龙接近式传感器
2. PLC可编程控制器
对比C语言，汇编和PLC，类似的操作工作及平台工厂一般采用PLC控制。
所以我也采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。
当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。
目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC，德国西门子公司的SIMATICN5系列S7-200系列PC、日本OMRON（欧姆龙）公司的C型、P型、PC等。
考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了三菱公司的CPM1A系列的PLC，PLC类型为Q4A。
（1）装配机械手可编程序控制方案
用GXDeveloper软件编程，运用三菱PLC语言的CNC系列，Q4A类型。
下图14是我用虚拟打印机打印下的梯形图和指令表程序：
图14 三菱PLC梯形图和指令程序
【传感器】
一个接近式传感器X0000；
三个光电传感器X0001（260mm处）、X0002（20mm处）、X0003（0mm处）；
气缸配套接近式传感器X0004、X0005、X0006、X0007。
1.X0000检测是否有元件，控制真空吸盘的吸气动作--5s；
2.滚珠丝杠连接的电机开始旋转（右转），直到X0001传感器接收信号，电机停止。
5s。
3.无杆气缸开始运动，从0mm（传感器X0004）运动到最大限度（X0005）。
5s
4.摆动气缸开始运动，从0°
（X0006）转动到最大限度90°
（X0007）。
3s
5.滚珠丝杠连接的电机开始旋转（左转），直到X0002传感器接收信号，电机停止。
6.真空吸盘开始放气5s。
7.摆动气缸开始运
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