机械手课题设计.docx
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机械手课题设计
课题简介……………………………………………………………….第2页
绪论…………………………………………………………………….第3页
第一章设计课题及意义…………………………………………....第8页
第二章设计的总体方案…………………………………………..第10页
第三章驱动机构的设计与计算…………………………………..第11页
第一节气压及电气原理图的设计………………………………第11页
第二节机械手的受力分析及尺寸的确定………………………第13页
第三节气动及电气元件的选择…………………………………第17页
第四章控制系统的设计与编程…………………………………..第20页
第一节控制要求的确定………………………………………….第20页
第二节PLC的选择……………………………………………....第21页
第三节控制程序的设计（梯形图）…………………………….第23页
第四节梯形图的外部接线图及操作面板的设计……………….第28页
设计小结………………………………………………………………第30页
参考文献………………………………………………………………第31页
课题简介
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计算机的广泛应用，机械手的研制和生产已成为高技术领域内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，使机械手更好的实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然不如人手那样灵活，但它具有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，并越来越广泛的得到了应用。
气动技术是实现生产工业自动化的方式之一，由于气压传动系统安全可靠，可以在高温、振动、腐蚀、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣的环境下工作，所以应用日益广泛。
用气控机械手代替手工作业是工业自动化发展的一个方向。
步进电机的技术的日益成熟和广泛应用，使其定位精度高，便于控制的优势得以发挥，将步进电机与气动组合应用，使机械手的性能大大提高。
同时，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用领域非常广泛，目前，PLC在国内外广泛应用于冶、机械、石油、交通运输等各个方面。
一般来说，PLC是自动生产线上不可缺少的控制部件。
PLC作为一种通用的工业控制器，适用于工业机械手的控制。
在该设计中，机械手的手爪的抓紧、放松采用气压驱动，手臂的上升、下降由步进电机来驱动，底盘的旋转由直流电机驱动，控制部分采用F1系列小型PLC，型号为F1-40MR。
目前，机械手向越来越紧凑，越来越快，越来越强力的方向发展，因为，紧凑的设计可便于在车间中安装。
较快的速度可提高生产量，而提高有效载荷能力
可以操作更大的零件。
因此我们采用气动驱动提高速度。
使用PLC控制室设计紧凑。
所以我们采用PLC控制的气动机械手是综合性能比较好的机械手。
绪论
机械手是一种能按给定的程序或要求自动地完成物件（如材料、工件、零件、或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分的代替人的手工劳动。
较高级形式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。
一、机械手的组成
1、手部包括手指、传动机构等，主要起抓取和放置物体的作用。
2、传送机构包括手腕、手臂等，主要起改变物体方向和位置的作用。
3、驱动部分是驱动前两部分的动力，也称为动力原，常用的有液压驱动、气动驱动、机械驱动、电力驱动四种形式。
4、控制部分是机械手的指挥系统，由它控制动作的顺序、位置和时间（甚至速度与加速度）。
5、其他部分如机体，行走机构，行程检测装置和传感装置
1）机体是用以支撑和连接其它零件、部件的基础
2）行走机构是为了扩大机械手的使用空间而设置的，它本身又包括动力源、传动机构、滚轮和连杆机构，目前大多机械手还缺乏行走机构。
3）行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程的装置。
4）传感装置其中装有某种传感器，是手指具有敏感性和控制性，用以反映手指与物件是否接触，物件有无滑下或脱落，物件的方位是否正确，手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应等。
二、机械手的应用及意义
机械手在机械工业中，如冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等都有应用在其它部门，如轻工业、建筑业，国防业等工作中都有应用。
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，从而可以提高生产小路和减低生产成本。
同时，在高温、低温、有灰尘、噪声、有辐射或有毒性污染以及工作空间狭窄的场合，用人手直接操作是有为危险的，而用机械手即可部分或全部的代替人安全的完成工作，是劳动强度得以改善。
尤其是较笨重的、简单而重复次数多的操作中，以机械手代替人手，可避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
而且应用机械手代替手工作，这是直接减少人力的一个方面，同时应用机械手可以连续的工作，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，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。
因此，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
三、机械手的分类
1、按机械手的使用范围分类
1）专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。
在现代企业中，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送，这类机械手结构简单，成本低，使用于动作比较简单的大批大量生产的场合。
2）通用机械手（也称工业机器人）具有可变程序和单独驱动的控制系统。
不仅可以从属某种机器，而能自动的完成传送物体或操作某中工具底机械装置。
通用机械手按其定位和控制方式的不同，可以氛围简易型和伺复型。
通用机械手由于手指可换，程序可变，使用于中、小批量生产，但因其结构复杂、运动较多，技术条件要求较高，故制造成本较高。
2、按机械手臂的运动坐标形式分
1）直角坐标式机械手手臂可以沿直角坐标系前后伸缩，左右移动和上下移动。
2）圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴转动，又可前后伸缩，左右转动，上下升降。
3）求坐标式机械手臂部可以沿坐标轴移动，可绕坐标轴转动，手臂可前后伸缩，上下摆动，左右转动。
4）多关节机械手这种机械的手臂分为小臂和大臂。
3、按机械手的驱动方式分类
1）液压驱动机械手以压力油进行驱动
2）气压驱动机械手以压缩空气进行驱动
3）电力驱动机械手直接用电动机进行驱动
4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇等传给机械手的一种驱动方式。
4、按机械手的臂力大小分类
可分为：
微型机械手小型机械手中型机械手大型机械手
本项目设计的机械手为专用机械手，通过本次设计，可以增强对工业机械手的认识，同时熟悉并掌握PLC技术，位置控制技术，气动技术等工业控制中常用的技术。
四、驱动系统的区别
目前，机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动、电力驱动和机械驱动，在这四种驱动中，当前液压驱动约占50%，气动驱动约站40%，电力驱动占的比例比较小。
我们在此比较液压驱动、气动驱动及电力驱动的优缺点：
气动机械手以压缩空气进行驱动，机械手的动作迅速，压缩空气可以从大气中取得，所以动力源获得方便、价格低廉，而且废气不污染环境，废气处理方便，压缩空气黏度小，因此，在管路中的压力损失小，故利于远程控制和远距离输送。
但压缩空气的可压缩性大，因此，机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还要考虑润滑和防锈，压缩空气的工作压力较低，导致机械手的结构较大，因此气压机械手常用于臂力小于30公斤，运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。
液压机械手：
驱动力或驱动力矩较大，臂力可达100公斤以上，速度反应快，不考虑油液的温度变化时，被驱动的滞后也基本没有.而且液压机构的重量请，惯性小,调速范围大,可以无级调速,使机械的通用性更大。
使运动平稳，能吸收振动，减小冲击力，可以实现较频繁的换向，定位精度高，但液压系统的泄露对机构的稳定性有一定的影响，油液中如果混有空气，将降低传动机构的刚性，影响定位精度，油液的温度和黏度变化会影响传动性能。
液压机械手多用于要求臂力比较大而运动速度较底的场合。
电力驱动机械手：
步进电机驱动的速度和位移的大小均由电气控制系统发出的脉冲数目及脉冲频率来决定，步进电机的驱动速度一般较低，但可以达到较高的定位精度。
电力驱动时，直线运动可采用电动机带动丝杠、螺母机构。
电气驱动的优点是动力源简单，维护、使用方便。
驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力，出力比较大。
本设计采用步进电机驱动手臂运动，直流电动机驱动机械手的旋转运动。
五、机械手的控制系统
机械手的控制系统是机械手的重要组成部分之一，控制系统使机械手以一定的规律运动，因此，机械手的控制内容主要包括：
动作的顺序，动作的位置与轨迹，动作的时间等，而动作的速度与加速度，通常在工作前预先调好。
机械手的控制方法总的来说可分为：
机械控制，电气控制和气动控制。
目前，机械手绝大多数是采用电气控制的。
因此，我们在下面的设计中选用电气控制，即使用PLC编程进行控制机械手实现各种规定的工序动作。
这样可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现，具有编程简单、修改容易、可靠性高等优点。
六、机械手的发展概况及发展趋势
1、机械手的发展概况
早在四十年代随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节的第一代机械手，屋十到六十年代，即制成了传送或装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手，这种机械手也称为第二代机械手。
七十年代，又相继把通用机械手用于汽车的车身的点焊和冲压生产自动线上，是第二代机械手进入了应用阶段。
八十年代开始研制具有更多的自由度的机械手，接着能自动编程的机械手，有行走机构的机械手及自动编程的机械手便产生了。
目前工业机械手主要用于流水线工件传送、焊接、装配、机床加工、铸锻、热处理等方面，无论数量品种和性能方面都能满足工业发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手，组合式机械手等，将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移，俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用范围，同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好的发挥机械手的作用。
专用机械手经过几十年的发展，如今进入了以通用机械手为标志的时代，由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制，智能机器人涉及的内容，不仅包括一般的机械，液压、气动知识，而且还应用一些电子技术，通讯技术，计算机技术，仿生学和假肢工艺等，它是一门综合性较强的新技术。
目前，国内外对其发展都很重视，几十年来，这类技术的发展和研制，一直比较活跃，设计在不断的改进，品种在不断的增加，应用领域也不断的扩大。
2、机械手的发展趋势
1）研制能自动编程和自动改变程序的机械手。
重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。
机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。
编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。
2）研制具有一定“感触”和“智力”的机器人。
这种机械手，具有各种传感装置，并配有计算机，根据仿生学的理论，用计算机，充当其“大脑”，使它能“思考”能“分析”，能“记忆”。
3）多智能体调控制技术：
这是目前机械手研究的一个崭新领域。
主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
4）微型和微小机械手技术：
这是机械手研究的一个新的领域和重点发展方向。
过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。
5）软机器人技术:
主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。
传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。
其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。
另一问题就是传感系统的实用化。
6）仿人和仿生技术：
这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。
因此，机器人将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。
本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪采用气压传动。
第一章设计课题及意义
一、设计课题：
气动机械手驱动系统及控制系统的设计
二、设计的技术要求
1、机械手搬运物品的控制要求
机械手搬运物品示意图
图1机械手搬物示意图
图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5，对机械手分别进行抓紧、左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。
传送带A上装有光电开关SP，用于检测传送带A上物品是否到位。
机械手的起、停由图中的起动按钮SB1、停止按钮SB2控制。
传送带A、B由电动机拖动。
机械手的上、下、左、右由电力驱动：
手部的抓紧、放松动作由气压驱动，步进电机由步进驱动器来驱动，直流电机由PLC控制其正反转，气缸由两个电磁阀来控制。
2、机械手顺序动作的要求
1）按下起动按钮SB1时，机械手系统工作。
首先B步进电机正转，手臂上升，至上升限位开关SQ4动作；
2）C步进电机正转，手臂左转，至左转限位开关SQ2动作；
3）B步进电机反转，手臂下降，至下降限位开关SQ5动作；
4）启动传送带A运行，由光电开关SP检测传送带A上有无物品送来，若检测到物品，则抓紧电磁阀通电，机械手抓紧，至抓紧限位开关SQ1动作；
5）手臂再次上升，至上升限位开关SQ4再次动作；
6）C步进电机反转，手臂右转，至右转限位开关SQ3动作；
7）手臂再次下降，至下降限位开关SQ5再次动作；
8）放松电磁阀通电，机械手松开手爪，经延时2秒后，完成一次搬运任务，然后重复循环以上过程。
9）按下停止按钮SB2或断电时，机械手停止在现行工步上，重新起动时，机械手按停止前的动作继续工作。
3．课题主要设计的内容
1）设计机械手的电力驱动与气动驱动系统以及PLC电气控制系统。
2）使机机械手具有手动与自动两种工作方式，手动方式有“单步操作”与“返回原点”两种情况，自动方式时，有“步进操作”、“单周期操作”和“连续操作”三种情况。
4、设计课题的意义
1）通过毕业设计进一步培养我们的综合应用所知识和技能，解决实际工程问题和进行创造性工作。
2）使我们受到电力驱动、气动系统与PLC系统开发的综合训练。
3）掌握典型机械手的工作原理与设计思路，掌握资料的收集与分析整理能力。
4）培养实事求是、科学严禁、勇于创新的作风和团队协作精神。
第二章设计的总体方案
我们主要对机械的执行机构，驱动系统，控制系统进行设计
一、执行机构
执行机构包括手部、手臂、躯干。
手指是我们采用回转式手指。
回转式手指一般没有手掌，全靠手指握紧物体。
这类手指类型比较多，常见的有：
单滑销杆式、连杆杠杆式、齿轮杠杆式、以及具有锁紧性能和弹性性能的手部。
我们采用的手部形式为单滑销杆式。
手臂采用直臂式，这样有足够的强度和刚度，而且结构简单，紧凑，不易损坏。
躯干采用两杆支撑的立柱做竖直方向运动的形式。
二、驱动机构
驱动装置主要是液压驱动，气压驱动，电压驱动和机械驱动四种。
由于气压传动具有防火，防爆，节能，高效使用PLC控制使设计紧凑。
所以我们采用PLC控制气动机械手是综合性能比较好的。
这样设计还可适用于高温，粉尘等较恶劣的环境。
因此气动驱动的机械手，用起来比较安全，方便优符合我国的国情；节约资源，保护环境，而且，气压机械手结构简单，重量轻，动作迅速，平稳，可靠是一种比较理想的工业产品之一。
因此，我们选用气压驱动的方式。
本设计方案在气压驱动的基础上添加电力驱动系统。
我们采用一个直动式气缸，分别实现机械手指的抓紧、放松；采用一个步进电机实现机械手的上升、下降一个直流电机实现左转、右转运动。
三、控制系统
主要有数字控制，小型计算机控制或微处理器控制。
因为PLC具有可靠性高，抗干扰性强，控制系统构成简单，通用性强，编程简单，使用维护方便，体积小，重量轻等特点。
因此PLC作为一种通用的工业控制器，适用于工业机器人，在生产自动线上广泛使用，在我们选用的小型计算机控制，使用PLC编程。
我们用PLC编程控制一个气缸、两个电机的运动实现机械手的各种动作，并且机械手的手动和自动操作方式，实现它的各种控制要求。
第三章驱动机构的设计与计算
第一节气压及电气原理图的设计
一、驱动机构的设计及电力--气压驱动机械手的示意图
1、根据动作的要求制定驱动机构的设计方案。
该电力--气压机械手进行抓紧，旋转及升降运动。
因为该机械手的结构简单，所以搬运的工件较轻，总体重量比较轻，为减小系统的总体积，以及利于与外部的连接。
我们采用步进电机带动丝杠旋转实现手臂在垂直方向的运动，利用两齿轮的啮合，由步进电机带动齿轮，从而实现机械手的旋转运动。
手部通过气缸带动连杆机构通过拔叉的运动实现夹紧，放松运动。
2、气压及电力驱动系统设计的示意图（如图3-1）
附图（01）：
机械手气压及电力驱动系统的装配图
采用一个气压缸，两个电机，A气缸实现机械手的抓紧放松运动，B步进电机带动丝杠使手臂在垂直方向直线运动，实现机械手的升降运动。
C直流电机带动齿轮旋转，通过齿轮啮合的传动，实现机械手的旋转运动。
二.工作程序图：
该机械手电力及气压驱动动作顺序要求为：
原点→立柱上升→手臂左转→立柱下降→机械手夹紧→力主上升→手臂右转→立柱下降→机械手放下物件
气缸的动作顺序为：
原点→B步进电机正转上升→C直流电机正转左转→B步进电机反转下降→A缸夹紧→B步进电机正转上升→C直流电机反转右转→B步进电机反转下降→A缸放松
图3-1气压及电力驱动系统设计的示意图
三.设计气压控制原理图（图3-2）
图3-2气动控制原理图
四.系统电气原理图（如图3-3）
本设计中设计的机械手，它共有三个自由度，即：
手臂上下摆动，手臂回转，手指抓握。
第二节机械手的受力分析及尺寸的确定
一、机械手的手部设计
我们假设机械手抓取得重物为0.25千克，用Q表示，机械手手部的尺寸用L,l,a表示。
为了计算的方便，我们先不考虑机构本身的重量，摩擦力，以及运动的惯性，计算以后用系数进行补偿。
如下图所示，物体重力方向垂直向下，依靠手指对重物接触部位的摩擦力F，与重物的重力Q，相平衡而约束住重物。
下图为我们设计的机械手的手部示意图
输入
输出
X003
竖轴上限位
Y000
竖轴脉冲
X004
底座正限位
Y001
竖轴方向
X005
竖轴下限位
Y002
直流电机正转
X007
底座反限位
Y003
直流电机反转
X006
抓紧限位
Y004
电磁阀动作
I/O地址分配一览表
1为拉杆
2为滑销
3为杠杆手指
二、机械手的受力分析
下图为机械手的手部和物件的受力分析图
三、机械手的受力分析计算
由受力分析图得知，手指受力平衡的条件是：
4F-Q=0（以为手指与物件有四处接触，所以为4F）
因为F=N1f所以4N1f=Q
N1=N1计/2sina
由上式得N1计=Q/2fsina
K=K1K2
式中：
F———物件与手指接触处的摩擦力
N1------物体与手指接触处的正压力
f------物体与手指接触处的摩擦系数，一般为0.1---0.25接触比较光不滑时取小值，接触面比较粗糙时取大值。
N1计-----手指应该具有的握紧力
a------手指的抓取角，一般为45—75度
需要的握紧力为
N1需=N1计K/η=Qksina/2fη
式中：
η-----手部的机械效率，一般为0.85---0.9
K1----安全系数，一般为1.1---1.5
K2----工作情况系数，一般为1.2---2.5
假定传动力P需分别作用在两个手指上，每个手指上的所得到的传动力各为P需/2，根据其力矩平衡条件得：
P需l/2-N1需L=0
P需=2LN1需/l
P需=LKQsina/lfη
我们取l=10mmL=45mma=60度Q=0.25kgη=0.9K1=1.3
K2=2.0f=0.2
将数值带入上式
P需=54mm×1.2×2.0×0.25×sin60/15mm×0.2×0.9=9.45N
取整P需=10N
第三节气动及电气元件的选择
一、气缸的选择
A缸的设计
我们选压力为P=0.5MP。
所需缸A的面积A1=P需/P=10N/0.5MP=25mm2
缸A的直径D1=
=
=5.6mm
圆整并查机械设计手册取标准值
缸筒的内径取D1=8mm活塞杆直径取4mm
活塞宽度b1取20mm喷气口直径取6mm最大行程取30mm
进排气孔直径、管及阀通径取4mm
为减小机械手的总体重量，我们A缸选用铝合金ZL104
二、电气元件的选择
1）电源模块
采用Dm150系列开关电源，其特点是输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高，适应宽范围的输入电压波动，具有完备的过电压、过电流保护功能。
主要参数：
输入交流电压：
110-220V/50Hz、60Hz。
输出直流电压：
24V/6.5A
最大功率：
156W
工作环境：
-10～40℃
2）B步进电机的选择
机械手臂及手部的总体重量为3kg
采用梯形螺纹的滑动螺旋副，螺杆和螺母材料为钢对耐磨铸铁，
取摩擦系数为u=0.12
F=uN=0.12×3×9.8=3.528N
选取BYG系列步进电动机，型号为42BYGH101
该电机是二相八拍混合式步进电机，主要特点：
体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点，电气原理图（如图3-4）
其基本参数为
相数2，步距角0.9°，额定电压12V，保持转矩78.45mN·m，静态电流0.24A
3）步进电动机驱动模块
采用中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分，信号输入部分，输出部分等。
（如图3-5所示）
电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。
信号输入部分：
信号源由可编程控制器提供，由于PLC提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。
输出部分：
与步进电机连接，注意相序。
4）C直流电机的选择
设机械手的总体质量为5㎏
G=5×9.8=49N
齿轮传动效率为0.99，
选取直流电机的型号为36ZYJ-12型，输入电压为12-24V，由PLC控制电动机正反转。
三选择换向阀及电磁
升级会员 