机电一体化课程设计报告书.docx
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机电一体化课程设计报告书
机电一体化系统课程设计
题目自动分拣工件机械手的设计
班级机械1211
学生蒋金成学号1220116105
同组凌一锐上文龙薛俊
起迄日期2015年12月25日~2016年1月5日
指导教师汪帮富讲师
机械工程学院
1.自动分拣工件机械手设计的要求、目的及意义……………………………1
1.1要求……………………………………………………………………………3
1.2目的及意义……………………………………………………………………3
2.总体方案设计与论证…………………………………………………………4
2.1总体方案设计…………………………………………………………………4
2.1.1主体功能…………………………………………………………………4
2.1.2执行机构…………………………………………………………………5
2.1.3驱动机构…………………………………………………………………6
2.1.4控制机构…………………………………………………………………6
2.2总体方案论证…………………………………………………………………4
2.2.1调试过程……………………………………………………………………6
2.2.2调试中出现的问题及解决方法……………………………………………7
2.2.3 结果分析……………………………………………………………………8
3.机构分析与计算…………………………………………………………………3
3.1机械手总体设计…………………………………………………………………8
3.2机身的总体设计…………………………………………………………………9
4.关键部件设计与校核……………………………………………………………4
4.1机械手手抓的设计计算…………………………………………………………9
4.1.1选择手抓的类型及夹紧装置………………………………………………10
4.1.2手抓的力学分析……………………………………………………………11
4.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算…………………………………………11
5.结论……………………………………………………………………………12
6.收获、体会………………………………………………………………………12
7.参考文献…………………………………………………………………………13
1、自动分拣工件机械手设计的要求、目的及意义
1.1要求
1、机械手将传送带A上的大号物品传送到传送带B上，其他小号的物品让其流走。
机械手所有的动作均由液压驱动，上升，下降，左移，右移均由（双线圈）三位四通电磁阀控制，夹紧，放松用一个（单线圈）二位四通电磁阀控制，通电夹紧，断电放松。
所有电磁线圈驱动电源：
直流，电压24V，电流1A,位置检测用：
行程开关，光电开关，压力继电器。
2、系统操作可实现单循环，自动循环功能。
3、设计控制系统和输入/输出信号调理电路及功率驱动电路原理图。
4、设计控制系统程序流程图并用汇编语言编写其中的某一段程序。
5、设计操作台面板布置示意图。
6、编写设计说明书和使用说明书。
7、在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单，经济。
1.2目的及意义
现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。
在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。
而机械手控制系统则逐步发展为与计算机互联，使机械手控制系统更加智能化，操作更加简单方便。
随着自动化的发展，机械手（机器人）应用将更加普遍，尤其随着汽车行业和塑胶行业的发展，西欧、日本、苏联和中国等地域机械手开始百花争放，可以这样讲，未来的人类社会将是机械手的时代。
该课程设计的自动分拣机械手属于搬运机械手。
所谓搬运机械手，就是将机械手安装在移动平台之上。
这种结构使机械手拥有很大的操作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械手，因此在危险作业、制造业、服务业等行业具有广阔的应用前景。
但由于结构复杂、强耦合、非线性、非完整性等问题的存在，都使得对搬运机械手的研究具有相当的挑战性。
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“上下料机械手”。
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应用。
2、总体方案设计与论证
2.1总体方案设计（执行机构、驱动机构、控制机构）
2.1.1主体功能
设计如图所示的工作台
机械手系统构成图
（1）pb1、pb2系统总控制开关,继电器XO、X1
（2）PS1工件检测光电开关，继电器X6
（3）LS1控制机械手的夹紧与放松，继电器Y5
（4）LS2控制工作台的左转和右转，继电器Y3、Y4
（5）LS3控制工作台的上升与下降，继电器Y1、Y2
（6）图上省略左转和右转（X3、X4）、上升与下降限位开关（X5、X2）以及传送带A、B电动机（Y6、Y7）、液压马达（Y0）
按下工作启动按钮，传送带A、B开始工作。
当光电开关检测到工件时传送带A电动机停止运转，机械手下降电磁阀工作，机械手下降，到达下降限位接近开关，机械手停止下降, 夹紧电磁阀工作，夹紧工件，2秒钟后机械手上升电磁阀工作，机械手上升，到达上升限位接近开关，电动机左转电磁阀工作，机械手旋转电动机左转，将工件运到传送带B上方，机械手左转压到左转限位开关，机械手旋转电动机停止运转，同时机械手下降，到达限位接近开关，机械手停止下降并松开释放工件，2秒钟后机械手上升，到达限位接近开关，传送带B电动机工作，传送带B带动工件运行，同时机械手旋转电动机右转，机械手右转压到右转限位开关，传送带B电动机停止运转，传送带A电动机又开始工作，机械手开始循环工作…………
2.1.2执行机构
即直接抓取工件的部分，由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手。
本设计项目中采用夹持式手部结构。
夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。
手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。
回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛，本设计采用回转型。
手部多为两指（也有多指，本设计采用两指）；指形也有不同设计，常用的指形有平面、V形面的和曲面的，本设计采用平面行的设计；手指有外夹式和撑式，本设计采用外夹式；另外，根据需要分为外抓式和抓式两种，本设计采用外抓式。
如上图可以看出。
2.1.3驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。
根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
本驱动机构是液压驱动，所有动作都可以通过液压实现。
2.1.4控制机构
本设计是自动化分拣工件机械手，所以肯定采取自动控制。
我们学过单片机和PLC课程。
俩者各有利弊，可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置,它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点。
PLC在电磁阀的控制等领域已经得到了广泛的应用。
所以，对于该分拣机械手首先想到的是PLC。
采用PLC能灵活控制机械手的操作，而且操作简单方便；另外，PLC控制器的稳定性是其成为工控首选的原因。
所以本设计采取三菱FX2N-48MRPLC。
（1）控制系统设计
在一条自动生产线上，由机械手将传送带A上的物品传送到传送带B上。
机械手的上升、下降、左转、右转、夹紧、放松动作分别由电磁阀控制液压传动系统工作，并用限位开关及光电开关检测机械手动作的状态和物品的位置。
传送带A、B均由三相鼠笼型异步电动机驱动。
电动机应有相应的保护。
（2）PLC（I/O）分配
输入元件
输入继电器
输出元件
输出继电器
启动开关
X0
上升电磁阀
Y1
关闭开关
X1
下降电磁阀
Y2
复位开关
M10
左转电磁阀
Y3
上升限位开关
X5
右转电磁阀
Y4
下降限位开关
X2
夹紧电磁阀
Y5
左转限位开关
X3
传送带A电机
Y6
右转限位开关
X4
传送带B电机
Y7
光电开光
X6
复位电磁阀
M4
液压马达
YO
辅助继电器
M10,M11,M12
（3）程序设计
上图为实现自动化控制所画的流程图，根据上图可以轻松的设计出如下的梯形图：
这个程序是严格按照设计要求来编的,程序中加入的M4辅助继电器起到复位作用,启动开关是X0,停止开关是X1,程序中还加入了了两个计数器C0、C1。
其中计数器C0对下降限位SP2（X2）计数，从而实现机械手到达二号（B）传送带时松开机械手放置物品的控制。
计数器C1对上升限位SP1（X5）计数，从而实现机械手在松开机械手放置物品以后上升第二次压到上升限位SP1（X5）的时候实现右转的控制。
2.2总体方案论证
2.2.1调试过程
按下启动开关X0以后,观察六秒钟以后,传送带A（Y6）的灯是否亮,如果不亮,说明传送带A的电磁阀Y6没有得电,相关开关没有动作,重新查看程序,修改好;如果灯亮,说明这一步程序正常.接下来按下光电开关（模拟光电开关检测到物品）,观察机械手是否下降（Y2）,如果没有下降,说明这一步程序设计得有问题,修改程序,再监测;如果机械手下降,程序正常,继续下一步程序检查.
压下下降限位开关,不要松开,观察机械手的夹紧（Y5）检测灯是否同时亮起来,如果没有,程序错误,修改程序,再作检测;如果灯同时亮了,程序正常,继续下一步检查.看看两秒钟以后机械手是否上升（机械手上升[Y1]检测灯是否亮）,如果灯没有亮,说明定时器没有起作用,检查修改这一步程序;如果灯亮了,说明程序正常,继续下一步的检查.压下上升限位开关,同时松开之前所压的下降限位开关,观察机械手是否左转（机械手左转[Y3]监测灯是否亮）,如果没有亮,说明这一步程序有问题,检查问题然后修改;如果灯亮了,说明程序正常,继续下一步检查.
接下来按下左转限位开关（注:
上升限位开关依然被紧压,机械手下降才松开）,观察机械手是否下降,如果不下降,说明程序有问题,检查程序,作相应修改;如果机械手下降（机械手下降的监测灯亮）,松开之前压下的上升限位开关,但左转限位开关不能松开.按下下降限位开关,刚才机械手是否动作（机械手松开）,如果动作,程序正常,不然就不正常,机械手动作以后,观察两秒钟以后机械手是否上升,如果不上升,程序有问题;如果上升,松开下降限位开关,此时左转限位开关依然处于压下状态.继续下一步检查.
按下上升限位开关,观察传送带B是否动作,以及机械手是否同时右转（Y4）,如果同时动作,什么程序准确,不然就有错误,得修改程序.然后同时松开左转限位开关和上升限位开关,观察传送带B和机械手是否同时停止动作,及传送带A是否动作,如果答案是:
是,那程序正常,所有程序调试完成。
接下来调试复位开关,当机械手传送带在运作中的时候,按下停止按钮,看看能不能复位,如果可以,什么复位正常,程序准确,如果不能,就应该找出问题并且修改程序了。
2.2.2调试中出现的问题及解决方法
调试过程中,由于好多按键是配合使用的,使用经常会出问题,对程序的设计要求比较高,有时候好难顾及到多个方面,例如:
机械手还没有上升的时候,下降限位开关必须被压下,机械手还没有左转的时候,右转限位就必须一直被按着,虽然只是简简单单的描述,但真正到了编程的时候,要求就比较高了,好多时候,在顾及到机械手右转的同时,传送带B没有动作;或者在松开上升限位和左转限位的时候,传送带B和机械手右转还是动作的.
解决方式也是有好多的,最好用的就是一边调试一边修改程序,最终完成程序的编写.
2.2.3 结果分析
通过运行自己设计的正确程序，可以实现用机械手将物品从传送带A移到传送带B，整个过程通过手动结合程序控制，PLC控制的机械手传送带系统比较大的优点就是容易作出相应的修改，从而适应不同的场合，而且控制比较简单明了。
机械手的上升、下降、左转、右转、夹紧、放松动作分别由电磁阀控制液压传动系统工作，并用限位开关及光电开关检测机械手动作的状态和物品的位置。
传送带A、B均由三相鼠笼型异步电动机驱动。
3、机构分析与计算
3.1机械手总体设计
3.1.1机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:
（1）直角坐标型机械手;
（2）圆柱坐标型机械手;（3）球坐标（极坐标）型机械手;（4）多关节型机机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。
3.1.2机械手的主要部件及运动
在圆柱坐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，本设计关于机械手具有5个自由度既：
手抓合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。
本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：
（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的合；
（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转180°；（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动50mm；（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
3.1.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。
根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。
采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。
因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。
3.1.4机械手的技术参数列表
一、用途：
搬运:
用于车间搬运
二、设计技术参数:
1、抓重:
6Kg（夹持式手部）2、自由度数:
5个自由3、座标型式:
圆柱座标4、最大工作半径:
60mm5、手臂最大中心高:
100mm
3.2机身的总体设计
按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。
为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。
机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。
常用的机身结构有以下几种：
（1）回转缸置于升降之下的结构。
这种结构优点是能承受较大偏重力矩。
其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。
（2）回转缸置于升降之上的结构。
这种结构采用单缸活塞杆，部导向，结构紧凑。
但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。
（3）活塞缸和齿条齿轮机构。
手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：
齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。
分析：
经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。
本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。
如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。
手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。
回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。
活塞杆采用空心，装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。
花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。
这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。
这种结构是导向杆在部，结构紧凑。
具体结构见下图。
驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。
回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转180°
4、关键部件设计与校核
4.1机械手手抓的设计计算
4.1.1选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：
手抓合角
=
，夹取重量为6Kg。
常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。
吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。
本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。
平移型手指的开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板方料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差零。
若采用典型的平移型手指,驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。
显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。
夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指开。
4.1.2手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：
滑槽杠杆图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。
（a）（b）
图3.1滑槽杠杆式手部结构、受力分析
1——手指2——销轴3——杠杆
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线
和
并指向
点，交
和
的延长线于A及B。
由
=0得
=0得
由
=0得
h
∴F=
式中a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）；
——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。
由分析可知，当驱动力
一定时，
角增大，则握力
也随之增大，但
角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好
=
-
。
4.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。
特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定围变化，一定进行机械手的夹持误差。
图3.3手抓夹持误差分析示意图
该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持围为80mm-180mm。
一般夹持误差不超过1mm,分析如下：
工件的平均半径：
手指长
取V型夹角
偏转角
按最佳偏转角确定：
计算
当
S时带入有：
夹持误差满足设计要求。
5、结论
本智能系统拥有强大的分拣能力，可以根据物体的大小，颜色进行现场调试从而快速的进行调整和分拣。
该系统具有良好的开放性能，可用来分拣材料、零件、工具等物件；为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专用系统。
适用于大批量大规模小型工件的分拣工作，然后所采用的机构和动力驱动都是精度很高，适用性很强的元器件。
所采取的PLC可编程控制器也是简单易操作，在工厂的实际生产作业中，可以发挥很大的作用。
该套设备设计简单，维修方便，即便是毫无经验的一线操作工都可以在设备处理简单故障时进行快速有效的紧急维修。
该设备采用的材料等也是成本低廉，方便各小型工厂的大批量的购买，对生产实际可以发挥巨大作用。
该套设备都是采用了模块化设计，从机械部分到电气部分，方便安装也方便适应各种各样工件的分拣，如果在加上一些更多的光电检测开关可以对更多不同种类的工件进行高效快速的分拣工作，方便适应不同厂家的不同需求，后期的可继续开发性特别好，实用性和适用围也是很广泛。
6、收获、体会
经过这次的机电一体化课程设计，我觉得收获相当大，在这个实践环节中我学到了很多知识，同时也提高了自身的实践能力。
在这次设计中我发现了很多问题，对于出现的问题，我们翻找了专业书籍来复习，以前学的大多是理论性极强的东西，这是一个实际应用问题。
查找了很多资料，与同学讨论。
缺乏一个完整的知识体系，以前所学的知识没有在学完之后进行总结归纳，对于机械类跟电子类的知识分别进行总结，只有这样才能形成自己的知识体系，在面对机电一体化这样的综合问题才能有步骤地进行解决。
学会掌握常用伺服电动机的工作原理、设计计算方法与控制驱动方式，学会软件的设计思路，CPU的选择等。
培养了独立分析问题和解决问题的能力，学会并初步树立“系统设计”的思想。
7.参考文献
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[2]金茂青，曲忠萍，桂华.国外工业机器人发展势态分析.2001.2
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[4]马小军．可编程控制器及其应用．：
东南大学，2007.8
[5]史宜巧，田敏．PLC控制系统设计与运行维护．北京：
机械工业，2010．9
[6]阮友德．电气控制与PLC实训教程．北京：
人民邮电，2006．9
[7]巫莉．电气控制与PLC应用．北京：
中国电力，2008．6
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