畢業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)械手及其應(yīng)用.doc

機(jī)械手課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目機(jī)械手及其應(yīng)用選擇與分析總體方案選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案選擇控制方式選擇相關(guān)計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)心得設(shè)計(jì)：湯周平指導(dǎo)：劉玉峰班級：機(jī)制024時(shí)間：2006.3一、設(shè)計(jì)題目1、任務(wù)：機(jī)械手抓取工件，提高300 mm，順時(shí)針轉(zhuǎn)90，前進(jìn)300mm放下工件，回到原位置。2、工件尺寸：40mm40mm40mm 工件重量：0.5Kg工作空間：8000mm800mm800mm動(dòng)力源： 380V 10A 20A 220V 10A5A 36V 24V 6V 液壓源 氣壓源控制：PLC，計(jì)算機(jī)，各種傳感器3、設(shè)計(jì)時(shí)間安排：2月20日2月22日 查資料2月23日2月24日 確定方案2月27日3月1日 確定零部件，元器件的設(shè)計(jì)計(jì)算3月2日3月7日 繪制機(jī)械圖，電路圖3月08日3月10日 整理說明書，答辯二、機(jī)械手及其應(yīng)用機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序軌跡極其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取，搬運(yùn)工件或操做工具的自動(dòng)化裝置。在我國由于大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所執(zhí)行的工作為模擬人的手臂而工作，因而通常把工業(yè)機(jī)器人稱做操作機(jī)械手。機(jī)械手的特點(diǎn)：（1）對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn)，有害的工作。在長時(shí)間工作對人體有害的場所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，放射線作用下，以及沖壓，滅等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。（2）機(jī)械手能持久，耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。（3）由于機(jī)械手的動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可以避免人為的操作錯(cuò)誤。（4）機(jī)械手特點(diǎn)是通過用工業(yè)機(jī)械手的通用性，靈活性好，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。因此采用機(jī)械手最明顯的特點(diǎn)是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。例如：在機(jī)床加工，裝配作業(yè)，勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險(xiǎn)場合下工作等。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械手的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其技術(shù)性能也在不斷提高。在國內(nèi)，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人特別是示教再現(xiàn)性機(jī)器人不斷增多，而且計(jì)算機(jī)控制的也有所應(yīng)用。在國外應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人多為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，而且計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人占有相當(dāng)比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機(jī)器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向。三、選擇與分析為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器在空間的位置而提供的3個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，通?？梢詫⑵湓O(shè)計(jì)成如下五種形式。圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動(dòng)作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。平面關(guān)節(jié)型采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形如圖所示，它的縱截面為一矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角的大小決定了回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的接插、裝配中應(yīng)用廣泛。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，工件要垂直升降、旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)?？紤]其復(fù)雜程度選擇圓柱坐標(biāo)型。其結(jié)構(gòu)簡圖如下：四、總體方案要執(zhí)行的詳細(xì)的動(dòng)作為：（1）定位 （2）抓?。?）提升（4）順時(shí)針轉(zhuǎn)90（5）前進(jìn) （6）下降 （7）松開 （8）提升 （9）后退 （10）逆時(shí)針轉(zhuǎn)90（11）下降，完成一個(gè)工作循環(huán)。五、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案選擇一般情況下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇大致按照如下原則進(jìn)行選擇：1）物料搬運(yùn)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，重負(fù)載用液壓驅(qū)動(dòng)，中等載荷可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕載荷可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2）用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手，要求具有任意點(diǎn)位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，需采用液壓驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方能滿足要求。按照動(dòng)力源分為液壓、氣壓和電動(dòng)三大類，根據(jù)需要，也可以將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng) 液壓技術(shù)比較成熟，具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手。氣壓驅(qū)動(dòng) 具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便價(jià)格低等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中。難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中，在上下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 隨著低慣量、直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的廣泛采用，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被大量選用。目前廣泛采用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較如下表：特性輸出功率和使用范圍控制性能和安全性結(jié)構(gòu)性能安裝和維護(hù)要求效率和制造成本氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓較低，輸出功率小，當(dāng)輸出功率增大時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸將過大只適用于小型，快速驅(qū)動(dòng)壓縮性大，對速度、位置精確控制困難。阻尼效果差。低速不易控制，排氣有噪音結(jié)構(gòu)體積較大，結(jié)構(gòu)易于標(biāo)準(zhǔn)化。易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封問題不突出安裝要求不高，能在惡劣環(huán)境種工作，維護(hù)方便效率低，（為0.150.2）氣源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低液壓驅(qū)動(dòng)油壓高，可獲得較大的輸出功率，適用于重型，低速驅(qū)動(dòng)器液體不可壓縮，壓力、流量易控制，反應(yīng)靈敏，可無級調(diào)速、能實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，傳動(dòng)平穩(wěn)，泄漏對環(huán)境污染結(jié)構(gòu)較氣動(dòng)要小，易于標(biāo)準(zhǔn)化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，密封問題顯得重要安裝要求高（防泄漏），要配置液壓元設(shè)備，安裝面積大，維護(hù)要求較高效率中等為0.30.6，管路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高交直流普通電動(dòng)機(jī)適用于抓其重量較大而速度低的中、重型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng) 輸出力較大控制性能差，慣性大，不易精確定位對環(huán)境無影響電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，需減速裝置，傳動(dòng)體積較大安裝維修方便成本低效率為0.5左右步進(jìn)、伺服電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力較小、伺服電機(jī)可大一些適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)器人控制性能好，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響體積小，需減速裝置維修使用較復(fù)雜成本較高效率為0.5左右綜合考慮以上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及工作要求，選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)方式。六、控制方式選擇根據(jù)條件選擇PLC控制。型號：西門子S7-200系統(tǒng)為非伺服型：七、相關(guān)計(jì)算 1.爪部氣缸為了減少重量選用材料ZL203,=30MPa,=2700kg/m3內(nèi)徑 D: 由于工件重：考慮到附件重以及慣性力等因素，適當(dāng)取大。取,氣壓P=1MPa。則： 考慮工件尺寸等因素，取標(biāo)準(zhǔn)值活塞桿直徑：(標(biāo)準(zhǔn)值)活塞桿受軸向拉伸，只做強(qiáng)度校核。故強(qiáng)度足夠。缸筒臂厚：進(jìn)排氣孔直徑：（標(biāo)準(zhǔn)）活塞行程：，取：排氣量：（?。?、懸臂氣缸：同樣材料選為ZL203由設(shè)計(jì)要求可知：活塞行程：參數(shù)計(jì)算：由于外負(fù)載分析復(fù)雜，這里依式：，?。嚎紤]重量適當(dāng)取?。簞t：可以選用。查表：校核：氣缸水平放置，當(dāng)活塞伸出是最危險(xiǎn)。主要受彎曲載荷。受力圖如下： （取系數(shù)200%） 所以：則： 合適。3、本體氣缸計(jì)算：本體氣缸主要承受懸臂、爪部以及零件等的重量?；钊麠U受壓縮和彎曲。由設(shè)計(jì)要求知： 主要受力：本體活塞桿以及活塞自重：所以：由式：選擇：則： 而：可以。穩(wěn)定性校核： 形式為：一端固定、一端自由 柔度： 由于是脆性材料其應(yīng)小于45#，則：故應(yīng)用歐拉公式計(jì)算： 故： 穩(wěn)定。緩沖計(jì)算： 取 由：取4、基座部分設(shè)計(jì)：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：包括兩個(gè)軸承以及密封圈的摩擦力矩。氣缸近似為一細(xì)長桿：懸臂： 本體：齒輪：設(shè)節(jié)圓半徑為r 則。取轉(zhuǎn)速 材料為40Cr ，m=5，Z=20。則：質(zhì)量：則：所以： 取系數(shù)200%。則：基體氣缸內(nèi)經(jīng)：考慮齒條寬度取活塞桿直徑： 材料：45# 臂厚不考慮?；钊谐蹋喊?、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗，性價(jià)比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮。一般情況下機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇應(yīng)按以下原則：物料搬運(yùn)用有限點(diǎn)位控制的程控機(jī)械手，重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，重等負(fù)載的可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)載的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)械手多選用氣動(dòng)系統(tǒng)。九、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容一個(gè)PLC控制系統(tǒng)由信號輸入元件（如按鈕，限位開關(guān)，傳感器等），輸出執(zhí)行器件（如電磁閥，接觸器，電鈴等），顯示器件和PLC構(gòu)成。因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就包括這些器件的選取和連接等。 號輸入器件，輸出執(zhí)行器件，顯示器件等。一個(gè)輸入信號，進(jìn)入PLC后和PLC內(nèi)部可以多次重復(fù)使用，而且和可獲得其常開，常閉，延時(shí)等各種形式的觸點(diǎn)。因此，信號輸入器件只要有一個(gè)觸點(diǎn)即可。輸出器件應(yīng)盡量選取相同電源電壓的器件，并盡可能選取工作電流較小的器件。顯示器件應(yīng)盡量選取LED器件，其壽命較長，而且工作電流較小。 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主回路。應(yīng)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否需要正，反向動(dòng)作，是否需要高低速，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)主回路。 選取PLC。根據(jù)輸入，輸出信號的數(shù)量，輸入輸出信號的空間分布情況，程序容量的大致情況，具有的特殊功能等，選取PLC。 進(jìn)行I/O分配，繪制PLC控制系統(tǒng)硬件原理圖。 程序設(shè)計(jì)及模擬調(diào)試。設(shè)計(jì)PLC控制程序，并利用輸入信號開關(guān)板進(jìn)行模擬調(diào)試，檢查硬件設(shè)計(jì)是否完整，正確，軟件是否能滿足工藝要求。 設(shè)計(jì)控制柜。在控制柜中，強(qiáng)電和弱電控制信號應(yīng)盡可能進(jìn)行隔離和屏蔽，防止強(qiáng)電磁干擾影響PLC的正常運(yùn)行。編制技術(shù)文件，包括電器原理圖，軟件清單，使用說明書，元件明細(xì)表等。2、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟對控制任務(wù)的分析和軟件的編制，是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對控制任務(wù)的分析，確定PLC控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件工作過程；通過軟件的編制，實(shí)現(xiàn)被控對象的動(dòng)作關(guān)系。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟為：對控制任務(wù)進(jìn)行分析，對較復(fù)雜的控制任務(wù)進(jìn)行分塊，劃分成幾個(gè)相對獨(dú)立的子任務(wù)，以減小系統(tǒng)規(guī)模分散故障。如卷煙廠中香煙的自動(dòng)包裝，就可以分成三個(gè)子任務(wù)，盒包裝，條包裝，箱包裝，而且每個(gè)子任務(wù)都具有一定的復(fù)雜程序，機(jī)械設(shè)備上也相對獨(dú)立。分析各個(gè)子任務(wù)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程。通過對各個(gè)子任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程的分析，畫出動(dòng)作邏輯關(guān)系圖，列出輸入信號和輸出信號，列出要實(shí)現(xiàn)的非邏輯功能。對于輸入信號，每個(gè)按鈕，限位開關(guān)，開關(guān)式傳感器等作為輸入信號占用一個(gè)輸入點(diǎn)，接觸的輔助觸點(diǎn)不需要輸入PLC，故不作為輸入信號。對于輸出信號，每個(gè)輸出執(zhí)行器件，如接觸器，電磁閥，電鈴等，均作為輸出信號占用一個(gè)輸出點(diǎn)，對于狀態(tài)顯示，如果是輸出執(zhí)行器件的動(dòng)作顯示，可與輸出執(zhí)行器件的動(dòng)作的顯示，可與輸出執(zhí)行器件共用輸出點(diǎn)，不再作為新的輸出信號；如果是非動(dòng)作顯示，如“運(yùn)行”，“停止”，“故障”等指示，應(yīng)作為輸出信號占用輸出點(diǎn)。根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量，要實(shí)現(xiàn)的非邏輯功能，輸入輸出信號的空間分布情況，選擇PLC.根據(jù)PLC型號，選擇信號輸入器件，輸出執(zhí)行器件和顯示器件等。進(jìn)行輸入輸出（I/O）口的分配，繪出控制系統(tǒng)硬件原理圖，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主回路。利用輸入信號開關(guān)板模擬現(xiàn)場輸入信號，根據(jù)動(dòng)作邏輯關(guān)系圖編制PLC程序，進(jìn)行模擬調(diào)試。制作控制柜。進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，對工作過程中可能出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行模擬，考察PLC程序的完整性和可靠性。編制技術(shù)文件，進(jìn)行控制系統(tǒng)現(xiàn)場試運(yùn)行。3、機(jī)械手動(dòng)作過程分析將機(jī)械手的原點(diǎn)（即原始狀態(tài)）定位左位，高位，放松狀態(tài)。在原始狀態(tài)下，檢測到下工作臺有工件時(shí)，機(jī)械手下降到低位，吸附工件，上升到高位，右轉(zhuǎn)到右位。在右工作臺上無工件時(shí)，機(jī)械手下降到低位，放松，然后上升到高位，左轉(zhuǎn)回原位。其動(dòng)作邏輯關(guān)系圖如下：原位 下降夾緊上升順時(shí)針轉(zhuǎn)90度 逆時(shí)針90度 上升 放松 下降 前進(jìn)3個(gè)啟動(dòng)按鈕，分別完成自動(dòng)方式、半自動(dòng)方式、手動(dòng)方式的啟動(dòng)1個(gè)停止按鈕4個(gè)限位開關(guān)（高位限位開關(guān)、低位限位開關(guān)、左位限位開關(guān)、右位限位開關(guān)）7個(gè)輸入信號（下降按鈕、上升按鈕、夾緊按鈕、順轉(zhuǎn)按鈕、逆轉(zhuǎn)按鈕、左移按鈕、右移按鈕）7個(gè)輸出信號（下降驅(qū)動(dòng)信號、上升驅(qū)動(dòng)信號、右移驅(qū)動(dòng)信號、左移驅(qū)動(dòng)信號、夾緊驅(qū)動(dòng)信號、順轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號、逆轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)信號）4.I/O地址分配輸入/出 地址號 信號名稱1 I0.0 自動(dòng)按鈕2 I0.