拾取轴类零件机械手的设计说明.docx

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拾取轴类零件机械手的设计说明

淮海工学院

毕业设计（论文）说明书

题目：

拾取轴类零件机械手的设计

作者：

郭鑫鑫学号：

0102101109

系（院）：

机械工程系

专业班级：

机械设计制造及其自动化机械021

指导者：

郭廷良教授

评阅者：

席平原讲师

2006年6月连云港

毕业设计（论文）中文摘要

拾取轴类零件机械手的设计

摘要：

本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标型式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国外的发展状况。

通过对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。

同时，设计了利用气压传动系统来实现机械手夹持的手部结构并选择了一种较好的夹持方案；通过对手腕、手臂转动所需的驱动力矩的计算设计了机械手腕、手臂的结构并实现了利用步进电动机对手腕手臂的控制。

利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，设计了机械手的步进电动机控制电路图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：

工业机器人机械手气动可编程序控制器

毕业设计（论文）外文摘要

TheDesignofMechanicalHandPickingupAccessoriesLikeAxes

Abstract:

Thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobot,thecompositionandclassificationofthemechanicalhand,thefreedomandcoordinatesofthemechanicalhand,thecharacteristicsofthepneumatictechnologyandPLC,andthedevelopmentinhomeandabroad.

Inthispaper,authordiscussedtheoverallprojectforthedesignofmechanicalhand,anddeterminedthecoordinatesofpatterns,freedomandtechnicalparametersofthemechanicalhand.Atthesametime,usedthepneumaticdrivesystemtorealizetheholdingstructureofthemechanicalhandandselectedabetterprojecttoholdaccessories.Throughthecalculationstodrivemomentneededbythewristsandarmrotation,designedthestructureofthewristsandarmandrealizedthecontroltothewristsandarmbyelectricmotors.AuthoralsousedprogrammablecontrollertocontrolmechanicalhandandselectedasuitablePLCmodels.Basedonmechanicalhandworkflow,developedPLCprojectanddrawnacontrolcircuitdiagramofelectricmotorsforthemechanicalhand,anddevelopedaprogramforthePLC.

Keywords:

industrialrobot;mechanicalhand;pneumaticdrive;PLC.

1引言（或绪论）……………………………………………………………………………1

1.1国外机器人发展趋势………………………………………………………………………1

1.2课题的提出及主要任务………………………………………………………………………2

2制定设计方案………………………………………………………………………………4

2.1机械手的坐标型式与自由度………………………………………………………………4

2.2机械手的驱动设计方案……………………………………………………………………4

2.3手部结构的设计方案………………………………………………………………………5

2.4手腕结构的设计方案……………………………………………………………………6

2.5手臂结构的设计方案……………………………………………………………………6

2.6机械手的控制设计方案…………………………………………………………………6

2.7机械手的主要参数……………………………………………………………………7

3手部结构设计……………………………………………………………………8

3.1设计时考虑的几个问题…………………………………………………………………8

3.2手部夹紧气缸的设计……………………………………………………………………8

4手腕结构设计………………………………………………………………19

4.1执行元件的选择……………………………………………………………………19

4.2轴的设计………………………………………………………………………………21

4.3轴承的选用……………………………………………………………………………22

4.4销、螺栓的选用……………………………………………………………………………23

5手臂升降运动设计……………………………………………………………………24

5.1滚珠丝杠的选择……………………………………………………………………24

5.2步进电动机的选择…………………………………………………………………28

5.3轴承的选用…………………………………………………………………………29

6手臂旋转运动设计…………………………………………………………………30

6.1步进电动机的选择……………………………………………………………………30

6.2减速器的选择……………………………………………………………………31

7机械手的PLC控制设计…………………………………………………………………32

7.1可编程控制器的选择及其工作过程……………………………………………………32

7.2机械手可编程控制器的控制方案……………………………………………………32

7.3步进电动机的环形分配器…………………………………………………………33

7.4步进电动机的单片机控制…………………………………………………………33

结论………………………………………………………………………………36

致…………………………………………………………………………………37

参考文献………………………………………………………………………………38

1引言

现代工业机器人在结构形式上与人臂和遥控机械手相似，控制原理则是基于数控（NC）和遥控的概念。

因此，现代工业机器人可以看成是“数控操作臂”，其中操作人员直接操作的主臂由计算机数控装置所代替。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多科学而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

机器人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长期进化过程的产物，它是工业生产中重要的生产设备和服务性设备，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”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动效率；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应用。

1.1国外机器人发展趋势

1.1.1国外机器人领域发展趋势

近年来，国外的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。

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

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；大大提高了系统性、易操作性和可维修性。

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；多传感器融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

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。

当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统，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入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.1.2国机器人的发展趋势

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人己经应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:

可靠性低于国外产品：

机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量