水平夾持四自由度機械人結構設計

1、w編號畢業(yè)設計（論文）題目： 水平夾持四自由度機械人結構設計 信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)學 號： 學生姓名： 指導教師：（職稱：高級工程師 ） （職稱： ）誠 信 承 諾 書本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 水平夾持四自由度機械人結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。信 機系 機械工程及自動化 專業(yè)畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書一、題目及專題：1、題目 水平夾持四自由度機械人結構設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 機械手廣泛應用

2、于鍛壓、沖壓、鑄造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業(yè)，特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環(huán)境中，機械手是提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一個重要手段，國內外都很重視的的應用與發(fā)展 本課題屬于工程設計類課題，要求完成液壓式四自由度工業(yè)機械手的總體和部件設計。通過本設計，可以幫助學生加深對本專業(yè)的相關知識理解和提高綜合運用專業(yè)知識能力 三、本設計（論文或其他）應達到的要求：1.收集相關資料，了解工業(yè)機械手的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢； 2.完成水平夾持四自由度機械人的總體結構設計； 3.完成主要零部件設計計算和關鍵參數(shù)校核； 4.繪制圖紙，完

3、成設計說明書、外文翻譯各一篇； 四、接受任務學生：班 姓名 五、開始及完成日期：自2011年11月7日 至2012年5月25日六、設計（論文）指導（或顧問）：指導教師簽名 簽名 簽名教研室主任學科組組長研究所所長簽名 系主任 簽名2011年11月7日摘要本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標形式，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國內外的發(fā)展狀況。本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持式手部結構，設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩。設計了機械手的手

4、臂結構。設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質量。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。關鍵詞 工業(yè)機器人，機械手，氣動，可編程序控制器（PLC）ABSTRACTAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the

5、 development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary

6、 specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper

7、 designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence c

8、hart and the trapezia chart . Whats more , the paper workout the control program of the PLC. Keywords:industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive, PLC目 錄摘要. . . .III Abstract. . . . .IV目錄. . . . .V1 緒論. . . . 11.1 機械手概述. . .11.2 機械手的組成和分類.11.2.1 機械手的組成. 11.2.2 機械手的分類.31.3 國內外發(fā)展狀況. .41.4

9、課題的提出及主要任務. .61.4.1 課題的提出. .61.4.2 課題的主要任務. .72 機械手的設計方案. .82.1 機械手的座標型式與自由度.82.2 機械手的手部結構方案設計.92.3 機械手的手腕結構方案設計.92.4 機械手的手臂結構方案設計.92.5 機械手的驅動方案設計.92.6 機械手的控制方案設計.102.7 機械手的主要參數(shù).102.8 機械手的技術參數(shù)列表.103 手部結構設計.133.1 夾持式手部結構.133.1.1 手指的形狀和分類.133.1.2 設計時考慮的幾個問題.133.1.3 手部夾緊氣缸的設計.134 手腕結構設計.184.1 手腕的自由度.18

10、4.2 手腕的驅動力矩的計算.184.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩.184.2.2 回轉氣缸的驅動力矩計算.204.2.3 回轉氣缸的驅動力矩計算校核.215 手臂升降，回轉氣缸的設計與校核.245.1 手臂伸縮部分尺寸設計與校核.245.1.1 尺寸設計.245.1.2 尺寸校核.245.1.3 導向裝置.255.1.4 平衡裝置.255.2 手臂回轉部分尺寸設計與校核.255.2.1 尺寸設計.255.2.2 尺寸校核.256 氣動系統(tǒng)設計.276.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖.276.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制.287 機械手的PLC控制計.297.1 可編程序控制器的選擇

11、及工作過程.297.1.1 可編程序控制器的選擇.297.1.2 可編程序控制器的工作過程.297.2 可編程序控制器的使用步驟.297.3 機械手可編程序控制器控制方案.307.3.1 系統(tǒng)簡介.307.3.2 工業(yè)機械手的工作流程.307.3.3 機械手工作時序.318 結論.35致謝.36參考文獻.371 緒論1.1 工業(yè)機械手概述工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速

12、更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取

13、、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通

14、用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 機械手的組成和分類1.2.1 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。圖1-1 機械手組成方框圖:Pane chart of composition of manipulator(一) 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成

15、。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的

16、部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪

17、、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運

18、動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(二)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置

19、反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.2.2 機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“叻口工中心”2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣

20、的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大

21、的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作

22、主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為

23、空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。致 謝本文是在我尊敬的導師鮑虹蘇悉心指導下完成的。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的工作作風使我受益匪淺。在此，我首先向導師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意!在課題的研究和開發(fā)階段，得到了工程學院老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在日常生活和學習中，工程學院的各位老師，鮑虹蘇導師，以及全體同學給與我大力支持和幫助，在此我向他們以及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師和同學們表示衷心的感謝。感謝父母 、家人，感謝

24、所有關心我的朋友和老師，感謝無錫太湖學院的學習環(huán)境。參考文獻1 建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，19882 自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001, 43 茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術與應用 ， 2001, 24 雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封，1999, 55 學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，19926 械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，19867 錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，19818 大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社9 洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，198710 振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，199511 永生.氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社，1990, 512 G L Batten. Programmable Logical Controllers: hardware, software and applications. Mc Graw-Hill. 1994.13 SIEMENS AG. SIMATIC S7-200 Programmable Controller Sys