机械手自动送料系统设计毕业作品.docx

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机械手自动送料系统设计毕业作品

BIYESHEJI

（201届）

机械手自动送料系统设计

TheDesignofAutomaticFeeding

SystemforRoboticManipulators

所在学院电子信息学院

专业班级电气工程及其自动化

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月日

摘要

在生产过程中，为了减少人类所负担的繁重的体力劳动及有害作业，实现机械化和自动化；为了显著地减少产品生产中的辅助时间和减少某些基本作业时间，来提高劳动生产率；为了降低产品成本，提高经济收益，人们希望创造一种模仿人手部动作的机械，来代替人类完成繁重的工作和有害的工作。

到20世纪50年代，终于研制成功了机械手。

送料机械手具有模仿人手和臂[1]的某些动作功能，可按固定程序抓取和搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人类从事的繁重的体力劳动以实现生产过程的自动化，同时能够在有害环境下工作以保护人身安全。

本文将针对送料机械手的特点和发展趋势，以气动装置为基础，进行了气动送料机械手的总体结构设计和气动设计，并实现对工件的抓取、搬运和卸载等功能，并提出应用PLC控制送料机械手的方法和途径。

关键词：

气动回路；气缸；PLC控制

Abstract

Intheproductionprocess,inordertoreducethehumanburdenofheavyphysicalandharmfulwork,realizeMechanizationandautomation;inordertosignificantlyreducetheproductionofauxiliarytimeandreducesomeofthebasicoperatingtime，toimprovelaborproductivity;inordertoreduceproductcostsandimprovetheeconomicbenefits,itishopedtocreateamachinerywhichcancopypeoplehandmotions,toinsteadofhumanbeingtocompletetheheavyandharmfulwork.Bythe1950s,themachinehandsuccessfullydeveloped.

Manipulatorisaautomateddevicesthatcanmimicthehumanhandandarmmovementstodosomething,alsocanaccordingtoafixedproceduretomovingobjectsorcontroltools.Itcanreplacetheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkindangerousworkingenvironmentstoprotectthepersonalsafety.

ThisarticlewillfocusonthecharacteristicsoftheManipulatoranddevelopmenttrends,inthebasisofpneumaticdevice,doingoverallstructureofthedesignandpneumaticdesignofpneumaticmanipulator,andrealizethefunctionofcaptureandunloadingworkpiece.InbasedontheproposedapplicationofPLCcontrolBasicmethodsandapproaches.

Keywords:

pneumaticcircuit；aircylinder；PLCcontrolsystem

1引言

1.1送料机械手简介

机械手是现代工业自动化控制领域中常用的一种能够自动抓取，操作的装置。

普遍用于自动生产线，机械设备的上，下料。

在自动化系统控制中，机械手由执行系统，驱动系统，控制系统和人工智能系统组成，主要包括移动，转动，抓取等动作。

送料机械手同时也是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过编写程序来完成各种指定的动作，同时在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，突出体现了人机的智能性和适应性。

由于机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在各领域有着广阔的发展前景。

1.2机械手的分类

目前对机械手还没有统一的分类标准。

按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。

1.2.1按驱动方式分类

按驱动装置[1]的动力源，机械手可分为以下的几种。

1液压式机械手。

这种机械手的驱动系统通常由液动机、油箱、油泵、伺服阀等组成，这类机械手具有较大的抓举能力，且结构紧凑，动作平稳，耐振动、耐冲击，防爆性好，但是对制造精度和密封性要求很高，否则易发生漏油现象。

2气压式机械手。

其驱动系统通常由气缸、空压机、气罐和气阀组成。

其特点是气源方便，动作迅速，简单结构，造价低廉，方便维修，但是却难以进行速度控制，同时由于气压不能太高，固抓举能力较小。

3电动式机械手。

目前机械手中使用最多的驱动方式是电力驱动。

其特点是响应快，电源方便，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，同时可采用多种控制方案。

驱动电机一般采用直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。

但由于电机速度快，通常还须采用减速机构。

1.2.2按用途分类

机械手按用途[4]可分为下列几种。

1搬运机械手；

2喷涂机械手；

3焊接机械手；

4装配机械手；

1.2.3按操作机的位置机构类型和自由度数量分类

操作机[3]的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。

按这一分类要求，送料机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型机械手。

1直角坐标型机械手。

直角坐标型机械手如图1-1所示。

有3个移动关节，关节轴线相互垂直，相当于x轴，y轴和z轴。

其优点是刚性好，位置精度高，运动学简单，控制无耦合；但结构庞大，动作范围小，灵活性差且占地面积较大。

图1-1直角坐标型机械手

2圆柱坐标型机械手。

圆柱坐标型机械手有2个移动关节和1个转动关节，工作范围为圆柱形状的，如图1-2所示。

其特点是：

位置精度高，运动直观，控制简单；结构简单，占地面积小，廉价，因此应用广泛。

图1-2圆柱坐标型机械手

3球坐标型机械手。

球坐标型机械手有1个移动关节和2个转动关节，工作范围为球缺形状，如图1-3所示。

其优点是结构紧凑，动作灵活，占地面积小，但结构复杂，定位精度低，运动直观性差。

图1-3球坐标型机械手

4多关节坐标型机械手。

多关节坐标型机械手有立柱，大臂和小臂组成。

具有3个转动关节可进一步分为1个转动关节和2个俯仰关节，工作范围为球缺形状的，如图1-4所示。

该机械手的优点是工作范围广，运动灵活，能抓取靠近机身的物体，但运动直观性差，定位精确度不高。

图1-4多关节坐标型机械手

5平面关节型机械手。

平面关节型机械手有3个转动关节，其轴线相互平行，可在平面内进行定位和定向。

有一个移动关节，用于完成手抓在垂直于平面的运动，如图1-5所示。

该类机械手的特点是在垂直平面具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔韧性。

图1-5平面关节型机械手

操作机本身的自由度[7]最能反应机械手的作业能力，也是分类的重要依据。

按这一分类要求，送料机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。

1.3送料机械手的发展现状及优势

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是由美国开始研制的。

最早工业机器人的概念于1954年由美国戴沃尔提出，并申请专利。

该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的各个关节，利用人手对机器人进行动作示教，使机器人能够实现动作的记录和再现。

这就是所谓的示教再现机器人。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。

作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”UNIMATION公司推出的“UNIMATE（通用机械手）”。

第二代机械手正在加紧研制。

它具有微型电子计算机控制系统，同时也具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

安装了各种传感器，把感觉到的信息反馈回来，使机械手具有感官能力。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机器人）则能独自完成工作过程中的各种任务。

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和柔性制造单元中重要环节。

1.4送料机械手的组成

工业机械手通常由驱动传动装置、执行机构、控制系统和智能系统四部分组成[1]。

图1-6为工业机械手的组成方框。

图1-6工业机械手的组成方框图

1.5送料机械手的控制技术

由于气压传动系统使用安全，可靠，可以在高温，震荡，易爆，易燃，多尘埃，强磁，辐射等恶劣环境下工作，而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单，重量轻，动作迅速，平稳可靠，节能和不污染环境，容易实现无级变速，易实现复杂的动作等优点，故气动机械手被广泛应用于各行各业中。

由于一般送料机械手的工作环境都比较恶劣，因此设计出性能可靠的控制系统是保证气动机械手正常工作的必要条件之一。

可编程控制器（PLC）是近年来发展起来的一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术的新型控制器。

它具有体积小、功能强、灵活通用、维护方便、高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力等一系列优点。

所以本文气动机械手采用PLC控制方式[6]。

2送料机械手系统工作原理及气动缸选型

2.1送料机械手系统工作原理

目前使用的送料机械手系统形式多样，但基本结构大致相似，一般由机械手、气动系统及电气控制系统三部分组成构成。

送料机械手系统工作原理如图2-1所示，电气控制系统控制气动执行机构工作，气动执行机构驱动送料机械手的运行。

图2-1送料机械手系统工作原理

2.1.1机械手组成

考虑到直角坐标型机械手，球坐标型机械手，圆柱坐标型机械手，多关节型机机械手的各自的优点和缺点。

其中圆柱坐标型机械手结构紧凑简单，占地面积小，高定位精度等优点，所以本设计采用圆柱坐标型机械手。

图2-2是机械手组成物品示意图。

图中机械手的主要任务是将传送带上搬运到工作台上。

图2-2机械手组成示意图

为了分析方便，把机械手示意图放到坐标系中，如图2-3所示。

图2-3机械手坐标形式

1送料机械手结构

在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的送料机械手具有3个自由度：

手臂伸缩；机身回转；机身升降。

本设计的送料机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：

（1）手部采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。

（2）臂部采用直线缸来实现手臂的伸缩。

（3）机身采用一个升降气缸和一个回转气缸来实现机械手升降和回转。

2驱动机构的选择

驱动机构是机械手的重要组成部分，机械手的性价比在很大程度上取决