搬运机械手的结构和控制系统设计.docx

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搬运机械手的结构和控制系统设计

机电工程学院

机电一体化系统设计

课程设计

设计题目：

专业：

学号：

姓名：

指导老师：

毕业论文（设计）任务书

一、题目：

搬运机械手的结构和控制系统设计

二、研究容与目标：

本设计主要的研究容是

1.用proe绘制搬运机械手三维立体图

2.用proe转配搬运机械手及制作仿真动画并生成仿真视频制作

3.利用PLC实现控制系统设计

4.设计说明书（1份）

目标：

让搬运机械手能搬运物品，掌握机械手的设计原理和控制过程

三、研究方法：

通过不断地查找资料，研究工业机械手的作用，并不断分析最后制作出工业上需要的机械手。

四、主要参考文献：

（5篇以上）

[1]明保，吕春红等主编.机械手的组成机构及技术指标的确定.高等专科学校学报，2004.120-134

[2]超主编.气动通用上下料机械手的研究与开发.科技大学，2003.103-121

[3]陆祥生，绣莲主编.机械手.中国铁道,1985.56-58

[4]建编.工业机械人.：

理工大学,1992.76-79

[5]允文主编.工业机械手设计.机械工业,1996.

[6]蔡自兴主编.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.12-15

[7]金茂青，曲忠萍，桂华等主编.国外工业机械人发展的态势分析.机械人技术与应用,2001.23-24

[8]王雄耀主编.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999.31-32

[9]明主编.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004.64-66

[10]军，封志辉主编.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.27-28

第一章绪论2

1.1工业机器人的简介2

1.2机械手概述3

1.3工业机械手的发展趋势4

1.4国外研究现状和趋势5

1.6液压系统传动原理7

第二章电机驱动和液压驱动混合式搬运机械手方案设计8

2.1电动驱动和液压驱动式搬运机械手的组成及各部分关系概述8

2.2液压式搬运机械手方案设计8

2.3机械手的系统工作原理及组成9

2.4机械手手臂的结构设计13

第三章尺寸设计与校核18

3.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核18

3.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核19

3.3腰部传动负载作回转运动的设计与校核20

第四章机械手的PLC控制系统设计22

4.1PLC的工作原理22

4.2可编程序控制器的选择及工作过程23

4.3可编程序控制器的使用步骤24

4.4机械手可编程序控制器控制方案25

第五章 四自由度机械手运动仿真27

5.1  运动学仿真过程及定义分析27

结论30

致30

搬运机械手的结构和控制系统设计

[摘要]用于再现人手功能的技术装置称为机械手。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、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。

共业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。

机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。

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。

本课题要设计一套4自由度电机和液压混合搬运机械手（主要用来搬运圆柱状的物体如车轮）主要的设计有以下几个方面：

根据装配生产线搬运机械手的特点，确定液压搬运机械手的总体方案，保证机械手在空间有限位置的定位。

然后根据考虑的总体方案确定机械手的总体结构，可采用模块化的设计，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，最后把这些模块拼装起来组成机械手。

以机械手代替人工来提高工作效力，减轻劳动力提高生产力。

本课题设计的目的就是采用低成本、抓取力量大和易于控制的液压来组成液压搬运机械手，最终实现装配生产线上工件的自动搬运。

第一章绪论

1.1工业机器人的简介

工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。

经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。

工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。

其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。

目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段[1]。

随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。

如何适应快速变化的国外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。

近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。

我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。

但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。

目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。

我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。

尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。

首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。

同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。

其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。

第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的开发，使之与国民经济的发展密切相结合。

经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。

如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。

机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24小时连续运转。

如擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。

当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。

去年9月在汉诺威EMO2005展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。

然而在这次CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。

该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作围扩展到了金属切削及抛光领域。

工作单元还可以配备各种上料方式：

如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。

DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。

适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。

可以代替至少四个工人的工作量。

3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。

意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。

随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。

而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。

由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广。

1.2机械手概述

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：

（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。

（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。

（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

（5）宇宙及海洋的开发。

（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。

由于以上诸多原因，因此在装配生产线上我们用液压自动搬运机械手来完成目的。

1.3工业机械手的发展趋势

（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:

由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进