自考本科机电一体化毕业设计题目.docx

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自考本科机电一体化毕业设计题目

毕业设计说明书（论文）

姓名:

杨永光

学院（系）:

机电工程系

专业:

机电一体化

题目:

PLC控制机械手设计

指导者：

2010年9月13日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

机械手是能够模仿人手动作，并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓（吸）取、搬运工件或工具或进行操作的自动化装置，它能部分的代替人的手工劳动。

较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

在我国，工业机械手近年来有较快的发展，投入了大量的人力物力加以研究和应用，并且很好的效果。

本课题主要研究的问题是"近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动式"。

设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。

采用同一驱动能源--气泵。

行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。

气压泵固定在某处，用一根软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。

运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。

行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。

关键词机械手气压驱动自动移动气泵

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleTHEDESIGNOFMECHANICARMMOVINGAUTOMATICLYINCLOSE

RANGE---THEDRIVEOFATMOSPHERICPRESSURE

Abstract

Manipulatoristobeabletoimitatemanpowermovement,andaccordingtosetprogram,locusandrequirementsubstitutemanpowertograb（inhale）,takethingsortoolortheautomationinstallationthatoperated，itcanbepartialtoreplacethehandworklaborofperson.Themanipulatorofhigherleveltypecanstillimitatethearmmovementofperson，completesmorecomplexwork.Inmechanicalmanufacturingindustry,manipulatorhasbeenappliedextensively，soimprovedthelaborconditionofworkergreatly,raisinglaborproductivitynotably,quicklyrealizethestepofindustrialproductionmechanizationandautomation.Inourcountry,industrialmanipulatorhasmorerapiddevelopmentinrecentyears,haveputinplentyofmanpowermaterialresourcestostudyandapply，andgetverygoodeffect.Theproblemofthisprogrammajorresearchis"thedesignofmanipulatorarmmovingautomaticallyincloserange--thedriveofatmosphericpressure".Designincludestwobigaspects,oneispushcartmovepart,theotheristheoperationofarm.TheybothWithsamedriveenergy--airpump.Walkpartcandrivetwowheelstoturnwiththemotorofatmosphericpressure.Thepumpofatmosphericpressurefixedincertainplace,useaflexibletubelinkedthepumpandmotor,motorinstallationinwalkpart.Themovementofarminstraightlinerealizeswithcylinder,revolvingmovementrealizeswiththemotorofatmosphericpressure.Walkingarmdonotmove,whenthearmmoving,walkpartstopsport.

KeywordsManipulatorThedriveofatmosphericpressureAutomaticmovableAirpump

毕业设计开题报告

学生姓名：

杨永光

专业：

机电工程系

设计（论文）题目：

PLC控制机械手设计

指导教师:

齐俊平

2010年9月13日

毕业设计（论文）开题报告

文献综述

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

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。

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

（一）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1、手部即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。

2、手腕是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

3、手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、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。

5、行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。

滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6、机座它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基座上，故起支承和联接的作用。

（二）驱动系统

机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。

常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

1、液压传动是以油液的压力来驱动执行机构运动。

其主要特点是：

抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格，不然有的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

2、气压传动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动。

其主要特点是介质来

源极方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。

但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性差，而且气源压力较低，适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动。

其动力是由工作机械传递的。

它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。

它常被用于为工作主机的上、下料。

4、电力传动即由特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前途。

（三）控制系统

有电气控制和射流控制两种，一般常见的为电气控制。

它是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给与机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的进度达到设定位置。

这里介绍我将要做的近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动。

一、气源系统

压缩空气是保证气动系统正常工作的动力源，空气压缩机是将动力机供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。

二、气动执行机构

气动执行机构由气缸和气动马达。

气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。

它可以输出力，驱动工作部分作直线往复运动或往复摆动。

气缸可分为：

单向作用式气缸和双作用式气缸。

气动马达是把压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置，其作用同于液压传动的油马达。

它输出力矩，驱动机构作回转运动。

三、空气控制阀

1、压力控制阀分为：

调压阀、安全阀和顺序阀等。

2、流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以改变执行机构的工作速度。

流量控制阀主要有节流阀、单向截流阀和排气节流阀等。

3、方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动原件。

方向控制阀在整个气动元件中数量占有相当大的比例，并在气动系统中起着神经中枢的作用。

四、气动基本回路

1、方向控制回路主要有：

单作用气缸中间停止回路，双作用气缸换向回路，双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路，延时控制回路。

2、速度控制回路主要有：

单作用气缸的速度控制回路，双作用气缸单向速度控制回路，双作用气缸双向速度控制回路，双作用气缸速回运动控制回路，双缸同步动作的速度控制回路，缓冲回路。

五、其他部分

行走机构有：

车轮式行走机构，履带式行走机构，步行式行走机构。

六、机械手的发展趋势：

机械手目前多数应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按事先制订的程序完成操作，但普通不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。

如发生某些偏离时，将引起零件甚至机械手本身的损坏。

为此，机械手发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，设它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更，如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测。

重点是研究视觉功能，将机械手和柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前的机械制造系统的人工操作状态。

主要参考文献：

1曹承志.电机、拖动与控制学.第3版.北京：

机械工业出版社.2000

2王庭树.机器人运动学及动力学.第2版.西安：

西安电子科技大学出版社，1990.12

3孟繁华.机器人应用技术.第1版.哈尔滨：

哈尔滨工业大学出版社，1989.6

4马香峰.机器人机构学.第1版.北京：

机械工业出版社.1991.9

5赵锡芳.机器人动力学.第1版.上海：

上海交通大学出版社，1992.12

6高松海.遥控机器人.第1版.北京：

原子能出版社，1981

7孙耀明.微型机算计在机器人技术中的作用.第1版.北京：

科学技术文献出版社，1987

8路甬祥.液压气动技术手册.第2版.北京：

机械工业出版社.2002

9陈奎生.液压传动与气压传动.第1版.武汉：

武汉理工大学出版社，2001.8

10何存兴.张铁华.液压传动与气压传动.第3版.武汉：

华中理工大学出版社，1998

11宋学义.袖珍液压气动手册.第1版.重庆：

重庆大学出版社，1997

12机械工业部.中小型电机产品样本.第1版.北京：

机械工业出版社，1995

13李发海.王岩.电机与拖动基础.第1版.北京：

清华大学出版社，1994

14诸静.机器人与控制技术.第1版.浙江：

浙江大学出版社，1991

15熊有伦.丁汉.刘恩沧.机器人学.第1版.机械工业出版社，1993

16吴广玉.姜复兴.机器人工程导论.第1版.哈尔滨工业大学出版社，1988

毕业设计（论文）开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大地改善了工人劳动条件，显著的提高劳动生产率加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

本课题主要研究的问题是"近距离自动移动式机械手臂设计--气压驱动式"。

设计包括两大方面，其中之一是自动行走部分，另一部分为手臂的运转。

采用同一驱动能源--气泵。

行走部分可以采用气压马达带动两轮转动。

气压泵固定在某处，用一软管将泵与马达相连，马达安装在行走装置中。

运动手臂的直线运动用气缸来实现，旋转运动用气压马达来实现。

分析手臂的受力，考虑到整个装置的平衡。

行走的时候手臂不动，手臂运动的时候，行走部分停止运动。

行走部分我采用滚轮式，用轮子在地面上滚动的方式完成行走运动时比较稳定的，应为轮子总是离不开地面的。

运动手臂采用三个自由度，分别为上升下降，前后和转动。

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对"文献综述"的评语：

该生对机器人的类型及应用领域已比较清楚，说明该生已阅读了一定的相关资料。

并对毕业设计任务所要面临的问题有了初步的了解，并已明确了设计任务中所要用到的气动原件，为开展毕业设计奠定了良好的基础。

该生的开题报告已达到了学校规定的要求。

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

该生的设计任务适中，且已明确了目标，故预计能够圆满完成毕业设计任务。

指导教师：

齐俊平

2010年9月13日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日

1引言（或绪论）…………………………………………………………………1

1.1机械手及其组成………………………………………………………………1

1.2机械手的分类…………………………………………………………………2

1.3应用机械手的意义…………………………………………………………………3

1.4机械手的发展概况…………………………………………………………………3

2机械手的设计……………………………………………………………5

2.1机械手设计的总体方案……………………………………………………………5

2.2机器人的规格参数…………………………………………………………………6

2.3气动部件设计的简要分析…………………………………………………………7

3机械手的计算…………………………………………………………17

3.1设计手臂结构应注意的问题………………………………………………………17

3.2小车的设计及计算…………………………………………………………23

4机械手臂的工作原理…………………………………………………………21

4.1气动原理图…………………………………………………………25

4.2电磁铁动作程序表…………………………………………………………27

4.3机械手的缓冲和定位…………………………………………………………28

5PLC控制机械手设计……………………………………………………….29

结论…………………………………………………………………………………35

致谢………………………………………………………………………………36

参考文献……………………………………………………………………………37

附录A装配图…………………………………………………………38

附录B零件图…………………………………………………………39

1绪论

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。

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。

1.1机械手及其组成

1.1.1什么是机械手

机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，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。

机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。

1.1.2机械手的组成

机械手的组成及其相互之间的关系如图所示。

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。

（二）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

2、手部即与物件接触的部件。

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。

2、手腕是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。

3、手臂支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、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。

5、行走机构机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。

滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。

6、机座它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基座上，故起支承和联接的作用。

7、其它部分行程检测装置和传感装置等。

行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。

传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。

（二）、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机械手的分类

㈠、按机械手的使用范围分类：

⑴专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。

它从属于某种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。

这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

⑵通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。

㈡、按机械手的驱动方式分类：

⑴液压驱动机械手以压力油进行驱动。

⑵气压驱动机械手以压缩空气进行驱动。

⑶电力驱动机械手直接用电机进行驱动。

⑷机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。

㈢、按机械手臂力大小分类：

⑴微型机械手臂力小于1公斤。

⑵小型机械手臂力为1～10公斤。

⑶中型机械手臂力为10～30公斤。

⑷大型机械手臂力大于30公斤。

㈣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。

1.3应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。

在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。

其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

机械工业中，应用机械手的主要目的：

一、可以提高生产过程的自动化程度。

应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、可以改善劳动条件、避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的。

而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减少人力，并便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。

综上所述，有效地应用机械手，使发展工业的必然趋势。

1.4机械手的发展概况

1.4.1对机械手的一般要求：

1、降低机械手的成本为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。

据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。

2、品种多样化为了适应不同工作的需要，应使的机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。

特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手。

3、零件、部件系列化、通用化、标准化为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。

这样，就要求机械手的某种零件、部件（如手部、臂部等）系列化、通用化、标准化。

然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件（或再相应地增加一些其它零件、部件）进行组合，组成需要的机械手。

当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合。

4、产品性能应准确可靠机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。

为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。

1.4.2机械手的发展概况与发展趋势

机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。

机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。

专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外对发展这一新技术都很重视。

气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统已被接受。

由于气动技术与电子技术