机
械
专
业
课
程
设
计指导老师：
设计者：学号：专业班级：设计题目：搬运机械手
完成时间：2011年07月02日
目录
一、设计任务 (1)
1.1 设计任务介绍 (1)
1.1.1课程设计的目的 (1)
1.1.2 课程设计的内容 (1)
1.1.3 课程设计的要求 (1)
1.1.4 课程设计的具体任务 (2)
1.1.5 研究机械手的意义 (2)
1.2 设计任务明细 (3)
1.2.1 总体方案的设计 (3)
1.2.2机械系统的设计 (3)
二、总体方案设计 (3)
2.1 驱动系统 (3)
2.2 执行机构 (4)
2.3 控制系统 (4)
3.1 机械传动装置的组成及原理 (5)
机械手的机械传动装置示意图如下 (5)
3.2 滚珠丝杠简介与特点 (6)
3.3 滚珠丝杠的设计及选型 (6)
3.3.1 螺旋类型及种类 (6)
3.3.2初始条件 (7)
3.3.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸 (7)
3.3.4计算过程 (7)
3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核 (9)
3.4电机选型及联轴器选型 (9)
3.4.1电机选型 (9)
3.4.2 联轴器的选择 (9)
3.5键的选择与校核 (10)
3.5轴承的选型与校核 (10)
3.5.1 轴承的选型 (10)
3.5.2 轴承的校核 (10)
3.6主要联接部位螺栓的校核 (12)
3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计 (13)
四、电气控制系统设计 (13)
4.1控制系统的基本组成 (13)
4.2 电气元件的选型 (14)
4.2.1可编程序控制器的选择 (14)
4.2.2步进电机驱动器的选择 (14)
4.2.3步进电机选择与控制 (15)
4.3电气控制电路的设计 (16)
4.4控制程序的设计 (17)
4.4.1机械手搬运流程图 (17)
4.4.2输入/输出地址分配 (17)
4.4.3机械手位移控制程序 (18)
4.4.4 搬运机械手搬运程序设计 (21)
五、课程设计总结 (28)
六、参考文献 (29)
一、设计任务
1.1 设计任务介绍
1.1.1课程设计的目的
通过课程设计培养学生综合运用所学知识和能力、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计时建立的专业基础课程和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：
1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统产品的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。
2、培养学生搜索、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍一集编写技术文件的能力、提高计算、绘图等基本能力。
3、培养学生掌握机电产品设计的一半程序和方法，进行工程师基本素质的训练。
4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。
1.1.2 课程设计的内容
专业课程设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其内容包括机械传动机构和其电气控制系统设计，基本内容如下：
1、总体方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析材料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案。针对具体的原理方案进行总体设计，给出机电系统的工作示意图一张。
2、机械传动系统的设计：通过对动力和传动参数的选择计算，设计机械传动系统，完成机械传动系统装配图一张。
3、电气控制系统设计：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图一张。
1.1.3 课程设计的要求
课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘的设计图纸上，量化要求如下：
1、每位同学采用不同方案独立完成；
2、每位同学独立完成课程设计说明书一份，A4纸30页左右，计算机打印并提交电子稿；
3、每位同学应完成设计图纸不少于三张，计算机绘图并提交电子稿。
1.1.4 课程设计的具体任务
1、题目：直角坐标系搬运机械手
2、方案选择：
●电机驱动方式：步进电机
●机械传动方式：螺旋丝杠
●电气控制方式：PLC控制
●功能控制要求：位置控制，速度控制
3、主要设计参数：
●移动负载质量：100kg
●工作行程：第一段行程400mm，第二段行程100mm
●移动速度控制：第一段行程速度为0.2m/s,第二段行程速度为0.1m/s
1.1.5 研究机械手的意义
随着现代工业技术的不断发展，工业自动化技术也越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化和简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，具有十分重要的意义。
综上所述，本次专业课程设计本人选择了设计直角坐标系搬运机械手，为明年的毕业设计打下基础。由于时间仓促，本人仅设计了机械手的立柱、手臂，和控制部分。
1.2 设计任务明细
1.2.1 总体方案的设计
通过比较气压、液压、以及机械传动机械手的优缺点，根据课程设计
题目要求，最终选择PLC控制两台步进电机，步进电机带动滚珠丝杠，将圆周运动转换成沿X-Y轴的直线运动。
1.2.2机械系统的设计
1）传动机构的设计与选型
2）联轴器选型，键的校核
3）轴承的选型与校核
4）主要连接部位螺栓的受力分析与校核
5）轴承座，机架，导向柱，底座等基本构件的结构设计
3、电气控制系统的设计
1）电机的选型
2）步进电机驱动模块的选型
3）PLC接线原理图设计
二、总体方案设计
一台完整的机电设备主要包括动力源、传动装置、执行机构和控制系统。因此，在设计机械手时应分部分别设计。
机械手主要由驱动机构（动力源和传动装置）、执行机构和控制系统构成。各部分的关系如下图所示
图1、工业机械手组成框图
2.1 驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。
结合专业课程设计的要求，为实现位置和速度控制，气压传动很难实现速度控制，液压传动系统比较复杂，在短时间内不可能取得成果，因此本人选择电力
传动和机械传动相结合。
2.2 执行机构
机械手的执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
1）手部
即直接与工件接触的部分。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。
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。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2）手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。如图1-3。它可以有上下摆动，左右摆动和绕自身轴线的回转三个动作。如果有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部的自由度。
3）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。
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，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
6）机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
本次专业课程设计，由于时间仓促，在机械手的执行机构方面，本人只设计了机械手的立柱、手臂和机座。
2.3 控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前控制系统可大体分为三类，工控机控制系统、单片机搭建的控制系统以及PLC控制系统。
课程设计中本人采用PLC控制系统，因为与其它工控产品相比，有以下优点：
1）PLC 控制器适应恶劣环境，抗电磁干扰能力强，能够较好适应井下环境，系统稳定。
2）编程简单、安装简便、调试方便，响应速度快结果简单、组态方便。 3）造价比较便宜，系统扩展方便。
4）维修工作量小、维护方便，且体积小、能耗低。
课程设计中的控制要求---位置控制、速度控制。本人采用步进电机进行开环控制。因为步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制和速度控制。这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，和速度传感器。只需对输入指令脉冲信号计数、控制脉冲信号的频率，就能进行电机的位置控制和速度控制。
综上所述，本次课程设计动力源选择电机，传动装置选择滚珠丝杠，执行原件选择夹手，控制系统选择PLC 控制系统。机械手控制系统原理图如下所示：
计算机
PLC
驱动器
步进电机驱动器
步进电机
X 轴滚珠丝杆Y 轴滚珠丝杆
程序
脉冲数脉冲频率
图2、机械手控制系统原理图
三、机械传动系统设计
3.1 机械传动装置的组成及原理
机械手的机械传动装置示意图如下
图3、机械手传动装置示意图
3.2 滚珠丝杠简介与特点
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。
2)高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度·湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3)微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4)无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。
5)高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。
3.3 滚珠丝杠的设计及选型
3.3.1 螺旋类型及种类
螺旋传动类型：滚动螺旋传动
滚动螺旋副接触形式：内循环
3.3.2初始条件
精密螺杆，材料42CrMo 热处理：高、中频加热,表面淬火 螺母材料：ZCuSn10Zn2热处理：渗氮、淬火 返向器材料：60Mn 热处理：高、中频加热,表面淬火 螺纹滚道法向截面形状：半圆弧 轴向载荷与运动方向反 3.3.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸
图4、滚珠丝杠的组成和主要尺寸
3.3.4计算过程
同理，选择手臂（X 轴）滚珠丝杠型号为CBM2505-5，工作行程选900mm ,采取一端固定支撑，一端铰接的安装方式，经机械设计2008软件校核通过。
3.3.5 滚珠丝杠最小轴经校核
由于选择的是企业系列产品，为了使用安全。选用者对滚珠丝杠与电机连接轴段进行校核。
11014d ≥=≈ 最细轴段直径为16，校核通过。
3.4电机选型及联轴器选型
传动装置各传动零件的机械传动效率查（东南大学出版社《机械设计课程上机与设计》）表9-1取得：
滚动轴承10.09η= 联轴器：50.99η= 总传动效率：120.970.990.96ηηη=?=?=总
'19070.14500//95595500.96 1.0036P T n kw η=??==
3.4.1电机选型
步进电机选型根据保持转矩，步进电机保持转矩KT T '≥ ，转矩储备系数K=1.1~1.5，取K=1.1
KT=1.151907022N m T '=?≈?
在全球电机网上查得：山东开元电机厂生产的磁阻式三相六拍步进电机，型号为160BC380
该电机主要参数：相数3；步距角0.75/1.5；电压80-300V ；电流13A ；保持22N/m ；最高空载启动频率1000，运行频率12000。
3.4.2 联轴器的选择 联轴器选择原则：
1）根据被联接轴两端轴经（联接两端直径相差不得大于最小直径的1/3） 2）所选联轴器公称转矩应大于电机的最大转矩。
3）所选联轴器尽可能的经济实用。
通过查机械设计手册，推荐丝杠轴与电机直接连接，采用无间隙的弹性联轴
器。选择弹性套柱销联轴器，型号TL3，1222,16d mm d mm ==。
3.5键的选择与校核
键选择45号钢，其许用应力为[]
MPa p 150=σ
对于联轴器与滚珠丝杠之间的键14d mm =选择键为普通A 型平键
8,7,25b mm h mm L mm ===，431.13p T
MPa dhL
σ==（合格）
对于联轴器与电机轴之间的键22d mm =选择键为普通A 型平键
8,7,25b mm h mm L mm ===，419.8p T
MPa dhL
σ==（合格）
3.5轴承的选型与校核
机械手立柱和手臂的滚珠丝杠采用一端固定一端简支承的结构方式。采取此方案的原因为：
1）此种支承结构方式适用于中等转速，且具有较高精度定位。
2）丝杠有热涨的余地
3）压杆的稳定性和临界转速比同长度的F-O 型高 3.5.1 轴承的选型
Y 轴方向滚珠丝杠竖立放置，轴承承受的力里主要在底部，故立柱底端采用止推球轴承和圆锥滚子轴承组合使用。止推球轴承主要承受Y 轴方向轴向力，圆锥滚子轴承主要承受径向力（由倾覆力矩产生），其次还可以起到径向固定作用。电机端采用成对安装的角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大的抗弯刚度支承。
X 轴方向滚珠丝杠水平放置，电机端采用成对安装的角接触球轴承，能承受双轴向载荷，有较大的抗弯刚度支承，适合于悬臂轴的支承，夹持端采用圆锥滚子轴承。
根据轴经进行轴承的选型
Y 轴方向轴承选型：底座--止推球轴承51204型，圆锥滚子轴承32004型，电机端成对安装的角接触球轴承7204AC/DB ，安装固定如下图所示： 底座 电机端
X 轴方向轴承选型：电机端成对安装的角接触球轴承7204AC/DB ，夹持端圆锥滚子轴承32004型安装固定如下图所示：
电机端
夹持端
3.5.2 轴承的校核
1、止推球轴承校核
1）设计参数
径向力 Fr=100 (N)，轴向力 Fa=2500 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑。
2）被选轴承信息
通过查机械设计手册，可得轴承类型 BType=推力球轴承，轴承型号 BCode=51204，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=40 (mm)，轴承高度 B(T)=14 (mm)，基本额定动载荷 C=22200 (N)，基本额定静载荷 Co=37500 (N)，极限转速(脂) nlimz=3800 (r/min)
3）当量动载荷 接触角 a=45 (度)，负荷系数 fp=1，判断系数 e=1.25，径向载荷系数 X=0.66轴向载荷系数 Y=1，当量动载荷 ()2556p r a P f XF YF N =+=，额定动载荷计算值 C'=17177.649 (N)
4）校核轴承寿命
轴承寿命 61021586()1060t h f C L h n P ε
??
==≈ ???
年，校核合格
2、圆锥滚子球轴承
因设计时选用了两个同型号的圆锥滚子球轴承，为节约设计时间，选受力较大的圆锥滚子球轴承进行校核。 1）设计参数
径向力 Fr=2500 (N)，轴向力 Fa=1000 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑
2）被选轴承信息
通过查机械设计手册，选轴承类型 BType=圆锥滚子轴承，轴承型号 BCode=32004，轴承内径 d=20 (mm)，轴承外径 D=42 (mm)，基本额定动载荷 C=25000 (N)，基本额定静载荷 Co=28200 (N)，极限转速(脂) nlimz=8500 (r/min)
3）当量动载荷 接触角 a=10 (度)，负荷系数 fp=1.2，判断系数 e=0.973，径向载荷系数 X=1，轴向载荷系数 Y=0，当量动载荷 P=3000 (N)，额定动载荷计算值 C'=13070.292 (N)
4）校核轴承寿命
轴承寿命 610=3908160t h f C L n P ε
??
= ???
（h ） 校核合格 3、角接触球轴承校核
1）设计参数
径向力 Fr=1500 (N)，轴向力 Fa=700 (N)，轴颈直径 d1=20 (mm)，转速 n=500 (r/min)，要求寿命 Lh'=10000 (h)，温度系数 ft=1，润滑方式 Grease=脂润滑
2）被选轴承信息
轴承类型 BType=角接触球轴承,轴承型号 BCode=7204AC/DB,轴承内径 d=20 (mm),轴承外径 D=47 (mm),轴承宽度 B=28 (mm),基本额定动载荷 C=14000 (N),基本额定静载荷 Co=7820 (N),极限转速(脂) nlimz=13000 (r/min)
3)当量动载荷
接触角 a=25 (度),负荷系数 fp=1.5,判断系数 e=0.68,径向载荷系数 X=0.41,轴向载荷系数 Y=0.87,当量动载荷 P=1528.5 (N),轴承所需基本额定动载荷 C'=11867.176 (N)
4)校核轴承寿命
轴承寿命 610=2468260t h f C L n P ε
??
= ???
（h ） 校核合格 3.6主要联接部位螺栓的校核
当机械手搬运工件运动到右极限位置是所受倾覆力矩最大，故以此状态下校核联接部位螺栓。
联接部位主要有两部分组成：立柱联接支架（一端与滚珠丝杠上的滚珠螺母联接，另一端与立柱联接支架联接），手臂联接支架（一端与滚珠丝杠上的滚珠螺母联接，另一端与手臂联接支架联接），如下图所示
图6、立柱与手臂联接图
经过受力分析可知：螺栓杆主要承受横向载荷，用配合螺栓联接承受横向载荷大，其次手臂在安装时需要精确定位，及要求安装精度高，而用配合螺栓联接比普通螺栓联接定位精度高。
由图分析可知，螺栓组承受旋转力矩T 的作用，单边联接支架所受力矩1T
111
0.9 1.50.675222
T T Rl kN m =
==??=? 对单边列静力平衡方程;
111223344T Fr F r F r F r =+++
（1）
有变形协调原则
3124
1234
F F F F r r r r === （2）
联立（1）（2）式得：2
2221111111234/()F F F F Tr r r r r ====+++
其中，12
3476r r r r mm ====，所以11111580F F F F N ====
因为螺栓材料为45号钢，6.6级，查机械设计书表7.6可得2480/s N mm σ'=
查表2.8选取许用安全系数[]5s τ=，所以2[]96/[]
s N mm s τστ'
=
=
单个螺栓所受剪切力2
14[]F
d m
ττπ=
≤
，即1d 1m =
带入数值得
112.52
d mm
。在设计时，为提高其安全系数，设计者选用M16螺栓联接。
3.7轴承座、机架、导向柱、底座等基本构件的结构设计
轴承座的设计要根据轴承外经、受力大小来确定轴承座的尺度和厚度。本次课程设计中所有非标准件都是根据查阅技术标准后，独立设计的。
图7、立柱底座零件图
在设计时，机械手中增加导向柱有两个重要作用；
1)起导向作用，能够较精确的定位，较少系统定位误差
2)能承担一部分倾覆力矩，减少滚珠丝杠的变形
图8、导向柱零件图
四、电气控制系统设计
4.1控制系统的基本组成
此次课程设计本人在机械结构设计方面花的时间较多，留给电气控制系统设计时间就相应的少了，为能按时完成题目设计要求，本人不设计复杂的电气硬件控制系统，而采取外购相应的模块，来组建电气控制系统，然后编写控制程序，达到目的要求。
机械手的控制系统包括：计算机，PLC可编程控制器，转换器，步进电机驱动器，步进电机，开关直流电源。控制系统示意图如下
图9、控制系统示意图
4.2 电气元件的选型
4.2.1可编程序控制器的选择
PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定区别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己设计需要，考虑如何选择。
西门子的中国业务是其亚太地区业务的主要支柱，活跃在中国的信息与通讯、自动化与控制、电力、交通、医疗、照明以及家用电器等各个行业中，其核心业务领域是基础设施建设和工业解决方案，我们在本科方面学习时主要的教材都是基于西门子PLC编写的，所以对于西门子PLC比较熟悉。采用PLC系统与采用其它形式的控制系统相比较，具有较好的性价比，使用和维修方便；选用的PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求；必须是功能较强的PLC机型。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展，在满足确定的要求外，留有一定的余量；确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度，以及编程指令的易懂性。综合比较，我选用西门子S7-200 CPU224来做控制逻辑单元。S7-200系列PLC是由西门子公司推出的高性能小型可编程控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。
S7-200 CPU224的主要特点：集成14输入/10输出共24个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至232路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统
因此，本次课程设计中PLC可编程控制器选S7-200 CPU224。
4.2.2步进电机驱动器的选择
驱动器原理
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。
图10、控制系统示意图
以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为,电机就逆时针转动。
本次所选步进电机驱动器是常州双杰电子有限公司生产的，型号为SJ-380BF。
4.2.3步进电机选择与控制
在机械系统设计中，电机选型已经选好，步进电机的型号为160BC380，山东开元电机厂生产的反应式三相六拍步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件,具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。步进电机转子的位移与脉冲数成正比,因而其转速与脉冲频率成正比,而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步,这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度,脉冲的频率决定了旋转的速度,方向信号决定了旋转的方向。
步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关,从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的是三相步进电机。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。系统采用三相六拍工作方式,在三相六拍工作方式中,控制电流切换6次,磁场旋转1周,转子移动1个齿距,各相的通电顺序为: A2AB2B2BC2C2CA2A。六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。其中细线表示磁极绕组中的电流波形,可见磁极的驱动电压是方波,而电流不是方波,这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。
图11、步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形
常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同的步进电机在控制方式上基本一样。在实际应用中,反应式步进电机较常用。步进电机直接由数字信号控制,其基本控制包括转向控制和速度控制。步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。用PLC实现步进电机的加减速控制,实际上就是控制发送脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时降低。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。若选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,则能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。
步进电机有以下特点：
1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；
2）定位精度高，并且没有累积误差，且具有锁定转矩；
3）具有优良的起动、停止、反转响应，可低速运行，直接驱动负载；
4.3电气控制电路的设计
根据控制系统的基本思路，利用AutoCAD二维绘图软件绘出控制系统接线图。如下图所示
图12、控制系统接线图
4.4控制程序的设计
4.4.1机械手搬运流程图
4.4.2输入/输出地址分配
根据控制电路，本文中设计的PLC控制搬运机械手的PLC控制系统中一共用到了11个输入口，这是12个输入口有两个按钮、4手调微动开关、5个限位开关组成；5个输出口,由1个电磁阀上的电磁开关和4个控制步进电机输出口组成。I/O分配如下表所示
I/O分配表
输入输出
启动按钮I0.0 高速脉冲输出口Q0.0
停止按钮I0.1 高速脉冲输出口Q0.1 Y轴正方向微动开关I0.2 控制电机方向口Q0.2
Y轴负方向微动开关I0.3 控制电机方向口Q0.3
X轴负方向微动开关I0.4 夹持电磁阀Q0.4
X轴正方向微动开关I0.5
立柱下降限位I1.2
立柱上行限位I1.3
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
机电工程学院 课程设计说明书（2014 /2015 学年第一学期） 课程名称：机电一体化课程设计题目：工业机械手设计 专业班级：11级机电七班 学生姓名：王岩 学号：110200719 指导教师：赵喜敬 设计周数：二周 设计成绩： 2014年12月30日
目录 第一章工业机械手综述 (1) 1.1工业机械手的发展概况 (1) 1.2工业机械手的应用 (1) 1.3工业机械手的组成及原理 (1) 第二章伸缩臂的设计方案 (3) 2.1 设计方案论证以及确定 (3) 2.1.1 设计参数及要求 (3) 2.1.2 设计方案的比较论证 (4) 2.2 机械手伸缩臂总体结构设计方案 (4) 2.3 执行装置的设计方案 (4) 2.3.1 滚珠丝杠的选择 (4) 2.3.2减速齿轮的有关计算 (10) 2.3.3电动机的选择 (15) 第三章 PLC控制系统设计 (17) 3.1 PLC的构成及工作原理 (17) 3.2 选择PLC (17) 3.3 PLC外部I/O分配图 (18) 3.4 软件设计 (19) 3.5 硬件设计 (27) 总结 (28) 参考文献 (29)
第一章工业机械手综述 1.1工业机械手的发展概况 工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 工业机械手即工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化制造业重要的自动化装备。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 1.2工业机械手的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。 广泛采用工业机械手，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。同计算机、网络技术一样，工业机械手的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。 1.3工业机械手的组成及原理 工业机械手一般应由机械系统、驱动系统、控制系统、检测系统和人工智能系统等组成。机械系统是完成抓取工件实现所需运动的执行机构；驱动系统的作用是向执行机构提供动力，执行元件驱动源的不同，驱动系统的传动方式有液动式、气动式、电动式和机械式四种，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；控制系统是工业机械手的指挥系统，它控制工业机器人按规定的程序运动；检测传感系统主要检测工业机械手执行系统的运动位置、状态，并反馈给控制系统进而及时比较调整。
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
气动机械手设计说明书
作者: 日期：
目录 气动机械手及继电器控制系统设计 (4) 第一章绪论 (4) 1.1气动机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1.......................................................... 机械手的组成 5 1.2.2.......................................................... 机械手的分类 5 1.3 课题的提出及主要任务 (7) 第2章继电器硬件系统设计 (8) 2.1系统分析 (8) 2.2方案确定 (9) 2.3元器件介绍 (9) 第三章软件系统设计 (14) 3.1控制方案的确定 (14) 3.2工作过程 (17) 第四章调试过程 (19) 第五章设计总结 (23) 第六章附图 (25) 6.1 三维零件图： (25) 6.2三维装配图： (26) 第七章参考文献 (28)
气动机械手及继电器控制系统设计 第一章绪论 １.1 气动机械手概述 气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、驱动系统和检测传感装置构成, 是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率, 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。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“工业机械手”。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
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
第一章引言 1.1 工业机械手概述 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，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，适用范围比较广的“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引用。 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。
电气控制与PLC 课程设计说明书 题目机械手控制 院系机械工程学院 专业机械工程及自动化(电梯工程) 班级0722112 学号072211221 学生姓名孙奇 指导教师胡朝斌、易风 机械工程学院 2014年6月
目录 一、绪论 (3) 二、机械手的工作原理 (4) 2.1机械手的概述 (4) 2.2机械手的工作原理 (5) 三、机械手的工作流程图 (7) 四、输入和输出点分配图及原理接线图 (8) 五、元器件选型清单 (10) 六、控制程序 (14) 6.1初始化流程图设计 (14) 6.2手动操作梯形图 (15) 6.3回原点方式顺序功能图 (16) 6.4自动方式顺序功能图 (17) 6.5 PLC总程序梯形图 (18) 七、总结 (23) 参考文献 (24)
一、绪论 1.1 可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC （programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 1.2 PLC的应用概况 PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。 （1）用于逻辑控制 这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 （2）用于模拟量控制 PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 （3）用于机械加工中的数字控制 现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。 （4）用于工业机器人控制 （5）用于多层分布式控制系统 高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 1.3 PLC概况及在机械手中的应用 （1）可靠性高、抗干扰能力强 （2）控制系统构成简单、通用性强 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。
（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。
机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min； 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角0 30功能） 方案一 实现平面转角0 30的过程：电机带动不完全 齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运动，与全 齿轮固结的四杆机构，使滚子在预先设计好形 状的槽内运动，左右运动的极限位置恰好是30 度。 机构评价： 优点：因为槽的形状固定，所以能保证在一个 行程内，机构的平面转角就是30度。 不完全齿轮的使用，为机械手在抓放物 体时留下了工作时间。 缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最短杆 无法做周转运动，导致机构的回程要求齿 轮的翻转，必须在前面加入变速箱改变速 度方向。 方案二 实现平面转角0 30的过程：皮带轮传动给蜗 轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿 轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复 地带动固接杆转动0 30 机构评价： 优点：同样具有结构简单，传力较小运 动灵活，造价低准确地实现转角0 30的 要求，可以控制间歇实现循环功能。 缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮尺 寸过大加工难。 方案三 30的过程：使用槽 实现平面转角0 轮实现平面转角30度，只要计算好槽轮 的槽数，就能在主动圆盘转360度时， 使从动轮转30度。机构评价： 优点：结构简单，外形尺寸小，机械效
率高，并能平稳的间歇地进行转位。 缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。 方案的选择与比较： 只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。 §2-2 上升机构（实现上升100功能要求） 方案一 实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。通过控 制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100. 机构评价： 优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平 稳，啮合冲击小。 缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦 磨损较大，传动效率较低，易出现发热 现象，常用耐磨材料制作，成本高。 方案二 实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆 从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑 动，从而使工作杆上升100mm。 机构评价： 优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就 可以达到所需要的高度。 缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日
摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理
目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................
课程设计说明书 2015 年 6 月9 日
目录 摘要 (2) 第1章概述 (3) 1.1设计目的 (3) 1.2课题的内容和要求 (4) 1.3进度安排 (4) 1.4设计进度安排 (4) 1.5基本要求 (5) 第2章课程设计的总体方案 (6) 2.1总体方案的确定 (6) 2.2 机械结构的设计 (6) 2.3 软件设计 (6) 第3章机械部分设计 (7) 3.1 元器件选型 (7) 3.2 机械结构构件及说明 (7) 3.3 工作台外形尺寸及重量初步估算 (8) 3.4 滚珠选择 (8) 3.5滑块导轨的选择与校核 (8) 3.6 弯曲应力σm的计算 (9) 3.7选择联轴器的考虑因素 (10) 3.8 轴承的选用与校核 (11) 第4章控制系统的设计 (14) 4.1 控制系统硬件电路的设计 (14) 4.2控制系统软件编程设计 (16) 参考资料 (18) 附录一：cad图纸 (19) 附录二：proe图 (20) 附录三：程序 (22)
摘要 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 本课题以52单片机为核心设计，通过AutoCAD，proe技术对机械手进行结构设计，实现所需要的功能。 关键词：机械手、52单片机、AutoCAD、Proe
第1章概述 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。 简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。 要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成 1.1设计目的 《单片机原理及接口技术课程设计》是机械电子工程专业的学生在完成《单片机原理及接口技术》等专业课程的学习之后，进行综合性设计训练的实践性教学环节。目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查、复习和提
第一章引言 1.1 液压机械手概述 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 1.2 液压机械手的设计要求 1.2.2 课题的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下: (1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1.机械手总体方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2运动形式的选择 (2) 1.3驱动方式的选择 (4) 1.4总体结构设计 (5) 2.机械手手部设计 (6) 2.1结构分析 (6) 2.2计算分析 (6) 3.PLC控制系统设计 (1) 1 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (1) 1 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (1) 3 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (1)
4 4.动画制作 (1) 8 4.1建立机械手模型 (1) 8 4.2制作机械手的动画 (1) 8 结束语 (2) 6 致谢 (2) 6 参考文献 (2) 6 附录 (2) 7
摘要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手PLC 动画 引言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，
机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案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。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼：1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标准和规范等。 4．进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合素质。 二．主要内容 （1）根据以上相关设计参数及要求，完成精锻机上料机械手方案设计、结构设计及控制系统设 （2）撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。
1．机械手总装图1张（0号图纸）、部件图若干张（0号图纸）； 2．全部非标零件图（图纸类型是零件类型及复杂程度而定）； 3．液压原理图和电器控制原理图各一张； 4．撰写专业课程设计报告一份，不少于10000字。 五、考核方式 专业课程设计的成绩评定采用四级评分制，即优秀、良好、通过和不通过。成绩的评定主要考虑学生的独立工作能力、设计质量、答辩情况和平时表现等几个方面，特别要注意学生独立进行工程技术工作的能力和创新精神，全面衡量学生的真实质量。 学生姓名：安蕾刘国威刘欣磊彭澎孙赫俊 指导教师：杨晓红、花广如、杨化动 2011年12月30日
工业机械手设计 一、毕业设计题目概述 机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。 机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。 该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(图1)。机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC电控系统与液压控制系统设计。夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。连接方式均为法兰盘螺栓连接。 机械手工作过程如图2所示。 图2 机械手工作流程图 码垛机械手结构如图3所示。工作程序为：液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4夹紧工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转→（到达位置后）液压缸2伸出→四边形机构3下降→夹持器4放开工件5→液压缸2缩回→四边形机构3上升→底座1回转至原位。然后进行下一循环。 改变夹持器形状，可夹持不同工件或物体。 二、设计参数 （说明：工业机械手改换末端执行器和工作方式，可完成不同工件或物体的操作，基本结构、设计内容和控制程序大体相同。本设计题目共分四种：工件工序转换机械手；箱体类物体移位机械手；工件翻转机械手；装箱机械手。） 本设计工业机械手由四个部分组成：底座回转部分、机身升降部分、伸缩臂伸缩部分和末端执行器夹持部分。 主机总体参数：圆柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm，伸缩长度为300mm。 三、设计方案及要求 （一）底座回转部分设计方案及要求 1、转动角度90度，单向运动时间2秒；定位准确，要有定位措施。 2、采用回转支承机构，齿圈固定，液压马达行星齿轮传动或电机驱动。 3、与大臂和地基采用法兰联接。 （二）机身升降部分设计方案和要求 1、升降臂起升高度：0—500mm，任意可调； 2、单向升降运动时间：0—3s； 3、可采用电机驱滚珠丝杠传动或液压传动齿轮倍程升降机构，共两种方案。 4、升降臂定位可靠、精确。 5、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接； 6、结构设计时考虑伸缩臂工作时的整机平衡； （三）伸缩臂设计方案和要求 1、伸缩长度：300mm，伸缩臂固定在升降台上，随升降台做上下运动和旋转运动；伸缩臂