第一章前言
1.1 研究的目的及意义
机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。
可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用PLC的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。
适应工业需要，本课题试图开发PLC对物料分拣机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的程序进行物料分拣的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。
1.2 机械手在国内外现状和发展趋势
机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温
和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。
目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。
我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。
随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。
在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。
1.3 主要研究的内容
随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究物料分拣机械手以下几个方面的内容：
(1)物料分拣机械手执行系统的分析与选择
执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。
(2)物料分拣机械手驱动系统的分析与选择
驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。
(3)物料分拣机械手控制系统的设计
控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制，主要包括对PLC的型号选择、传感器类型进行选择、I/O口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。
1.4 解决的关键问题
1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。
2 执行部件的运动精度的问题。
3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制系统的协调问题。
4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。
5 传感器的类型选择。
第二章执行系统的分析与选择
机器手的执行结构是机械手赖以实现各种运动的实体。执行机构的布局类型直接影响到机械手的工作性能。
2.1执行机构坐标形式的选择
机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：
1、直角坐标式机械手
直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。
其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上个具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。
直角坐标式机械手的优点：
（1）产量大，节拍短，能满足高速的要求；
（2）容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；
（3）适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；
（4）定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；
（5）易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。
缺点：机械手的作业范围较小。
2、圆柱坐标式机械手
圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
（1）手臂水平回转；
（2）手臂伸缩；
（3）手臂上下；
（4）手臂回转动作；
（5）手爪夹紧动作。
圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。
3、球坐标式机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现八个动作：
（1）手臂上下动作，即俯仰动作；
（2）手臂左右动作，即回转动作；
（3）手臂前后动作，即伸缩动作；
（4）手腕上下弯曲；
（5）手腕左右摆动；
（6）手腕旋转运动；
（7）手爪夹紧动作；
（8）机械手的整体移动。
球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。
4、关节式机械手
关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。
关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。
机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑，然后从机械
手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。
直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。
球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。
圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。
2.3 执行机构各部分的分析与选择
2.3.1 手部的选择
1 手部形式的确定
手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:
1）夹持式
夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。
夹持式手部设计时应注意以下事项：
（1）手指应有一定的开闭范围。
（2）手指应具有适当的夹紧力。
（3）要保证工件在手指内的定位精度。
（4）结构紧凑，重量轻，效率高。
（5）通用性和可换性。
2）气吸式
气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。
气吸式又可分为：
负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。
磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。
真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积
是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。
通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用喷气式吸附吸盘。
吸盘机构如图2.1所示。
图2.1 吸盘机构图
喷气式真空吸盘是机械手的一个重要部件，其总体布局直接影响着被吸工件的稳定性和操作过程中的安全性。如果吸盘的布局不合理，被吸工件将会产生一个较大的弯矩，减小吸盘与工件之间的接触面积，减小吸盘对工件的作用力，减小了吸盘的利用率，必需增加吸盘的个数。同时在加速旋转过程中，减应力突然增大，由于较大的弯矩，接触面积减小，从而使工件滑落，这使得在生产过程中产生较大的不稳定因素。因此在设计中对其进行了详细的设计计算，力争使结构更加合理，起到优化设计的目的。
从《液压气动技术手册》查得，真空发生器的吸力可
按式(1)计算：
F=S／（Kl×K2×K3）(PO—P) (1)
式中：PO——大气压力，N／cmz(P0=10．132 5 N／cm )；
S——吸盘负压腔载工作表面上的吸附面积；；
Kl——安全系数，一般取K =1．2—2；
K2——工作情况系数，一般取K2=1～3；
K3——姿态系数(当吸附表面处于水平位置时，K3= 1；当吸附表面处于垂直位置时，K3 =l／f；f为吸盘与被吸物体的摩擦系数。)
根据式(1)得：S=F ×Kl×K2×K3／(PO—P)
因为：mg=Fn(设计选定n为吸盘个数，n=3)
得F=mg／n
所以：S=mg×Kl×K2×K3／n×(PO—P) S=0.013cm2
由上面数据可得波纹吸盘的内腔直径应大于3.4mm，取整选R=4mm.
根据已知数据，我选用上海杜朗双层波纹真空吸盘，产品型号为AB2－008－004 2.3.2 手臂结构的设计和校核
手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动—伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。
1 手臂的组成：
(1)动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮，电机等是驱动手臂运动的部件。
(2)导向装置，是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。
(3)手臂，起着连接和承受外力的作用。
2手臂设计的要求：
(1)手臂承载能力大、刚性好、自重轻。
(2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。
(3)手臂的动作要灵活。
(4)位置精度要高。
(5)通用性要强。
3手臂的结构设计
双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。
双作用双活塞杆油缸：当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积
又小。其缺点是一次行程有两种速度。
丝杆螺母机构：该机构传动的特点行程较长，但易于自锁，且传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。
本机械手的手臂有往复的直线运动，需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用丝杆螺母机构。
机械手在工作在做升降和伸缩运动过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定机械手整体的使用寿命，故传动螺纹副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。
机械手在满足设计性能和要求的前提下，从结构紧凑、减轻重量、节省材料和降低成本考虑。在满足传动要求、传动螺纹副材料及其屈服应力、螺纹头数等基本设计要求和圆锥齿轮副等已定的情况下，可从螺纹副设计着手考虑，使螺纹副所用材料最少，即在满足设计性能的情况下，传动螺杆、螺母所占体积最少。
以下通过建立函数关系和约束条件，来确定螺纹的传动参数
螺杆的体积为：v1=πd22L/2
螺母的体积为：v2=π(Ｄ′2-D22)H/4
式中：d2——螺杆中径，mm；
D′——螺母外径（虚拟），mm；
D2——螺母中径，mm；
L——螺杆总长，mm；
H——螺母高度，mm.
考虑到传动效率要求较高和螺纹受力情况和加工成本等因素，机械手一般采用锯齿形螺纹传动，其大径、中径、小径之间有如下关系：
d2=d－0.75P
d1=d－1.736P
且内、外螺纹有如下关系：D＝d;D2=d2;
式中，D2、d2为内、外螺纹中径；P为螺距;Ｄ、ｄ为内、外螺纹大径；ｄ1为内螺纹小径。则目标函数（即传动螺纹副体积之和）为：
V=V1+V2=πL(d-0.75P)2-/4+π［D′2--(d-0.75P)2-］H/4
从目标函数表达式中可以看出，Ｌ、Ｄ′均为常量，而螺距P取值虽为整数，但其取值随螺纹公称直径而变化，这里将其作为变量。故变量有ｄ、Ｈ、P 三个，记作：
X=［x1,x2，x3］T=［d,H，P］T
目标函数表达式为：
V(x)=πL(x1-0.75x3)3/4+π［D′2-(x1-0.75x3)2］x2/4
1.2 优化约束条件
1.2.1 约束条件分析
(1)耐磨性条件
锯齿形螺纹工作高度h：h=0.75P
根据手动螺旋千斤顶传动螺纹副滑动速度较低，及螺母和螺杆材料等条件，查取许用比压［p］：
计算比压为：p=FP/[(d-0.75P)πhH]＜［p］
(2) 螺纹的自锁条件
螺旋升角ψ：ψ=arctanP/πd2=arctanP/[π(d-0.75P)]
当量摩擦角ρv=arctanuv，uv为螺纹副当量摩擦系数。
自锁条件为：ψ＜ρv－(1°～1.5°),即
arctanP/[π(d-0.75P)]＜ρv－(1°～1.5°)
(3)螺杆的强度条件
螺纹危险截面面积A为：A=π(d-1.736P)2/4
螺杆所受转矩T：T=F·tan(ψ+ρv)(d－0.75P)/2
当量应力为：
式中，F为机械手的重量，单位为N.
查表,确定许用应力［σ］.
当量应力应小于许用应力，即：σca＜［σ］
(4) 螺纹牙剪切强度条件
按机械性能较弱的螺母材料进行计算：
螺母的外径D等于螺杆外径d：D=d
螺纹牙根厚b：b=0.75P
螺纹旋合圈数z：z=H/P
查表取得许用剪切应力［τ］.
按剪切强度进行计算：τ=F/(πDbz)=F/(πd·0.75P·H/P)，τ＜［τ］.
(5)螺纹牙弯曲强度条件
同样，取机械性能较弱的螺母材料进行计算。
按弯曲强度进行计算：σb=3F(D-D2)/(πDb2z)=3F(d-d2)/(πDb2z)=3F［d-(d-0.75P)］/(πDb2z) σb＜［σb］.
对静载，许用应力应取较大值。
(6)螺杆的稳定性条件
确定螺杆的柔度λ值：λ=μL/i
式中，μ为螺杆的长度系数，L为螺杆的总长度，i为螺杆危险截面惯性半径，i=d1/4.
螺杆的长度系数根据螺纹副固定形式取值。
λ值小于许用值［λ］，即：λ＜［λ］.
(7)螺杆公称直径取值范围
查《机械设计手册》，取d 值范围为：20mm≤d≤650mm.
(8)螺母最大高度（螺纹啮合长度）范围：30 mm≤H≤280 mm.
(9)螺纹螺距取值范围
查《机械设计手册》，得P 值范围为2 mm≤P≤24 mm.
1.2.2 约束条件
约束条件表达式如下：
g1(x)=F-［0.75π(x1-0.75x3)x2］［p ］≤0
g2(x)=arctanx3/[π(x1-0.75x3)]-ρv+(1°～1.5°)≤0
g4(x)=F /(0.75πx1x2)-［τ］≤0
g5(x)=3F/(0.75πx1x2)-［σb ］≤0
g6(x)=4μL/(x1-1.736x3)-［λ］≤0
g7(x)=30-x2≤0
g8(x)=x2-280≤0
g9(x)=20-x1≤0
g10(x)=x1-650≤0
g11(x)=2-x3≤0
g12(x)=x3-24≤0
已知：1.螺纹长度L=300mm
2.工作负载R 计算
螺纹的工作负载R 是指工作机构在满负荷情况下，以一定加速度启动时对螺纹产生的总阻力，即：
i m g R R R R =++
式中：i R -工作机构的荷重及自重对液压缸产生的作用力；
m R -工作机构在满载启动时的静摩擦力；
g R -工作机构满载启动时的惯性力。
(1)i R 的确定
① 工件的质量m
2m v r h ρρπ==?=0.035 (kg)
②夹持器的质量 1kg(已知)
③伸缩臂的质量 3kg(估计)
④其他部件的质量 5kg(估计)
工作机构荷重： Ri=(0.035+3+5+1)*10=93(N)
取Ri=100N
(2) m R 的确定 Rm=μRi=100x0.2=20 (N)
(3) g R 的确定 Rg=1721.0102.0860=??=????t g V G t
GV g =100x0.2=20(N) 式中：t ?为启动时间，其加速时间约为0.1～0.5s
t ?=0.1s , υ?=0.2s
总负载 R=Ri+Rg+Rm=100+20+20=140(N)
取实际负载为 R =150N
有上述条件，螺纹中径为20mm ，螺距为2mm,传动为最优结果。
4导向装置
机械手手臂在进行伸缩运动时，为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。手臂的导向装置系根据安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆，本设计中，伸缩运动中选用双导向杆,导杆直径为10mm 。
2.3.3 机座结构的选择
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，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。
机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能
够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。
机座的结构与机械手的总体布置有关，对专用机械手而言，传动和控制部分通常是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手而言，传动部分布置在机架内部或后下方，控制部分则布置在机座的后上方或单独布置一个控制箱。
送料机械手手臂需要一个旋转模块，摆动气缸就要固定在机座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸的输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，并易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线以及各气缸运动产生的冲击都形成作用在摆动气缸转动轴上的倾覆力矩，所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。连接组件主要由四部分组成：双向推力球轴承、底座、转台和扣罩。如图2.2所示。选择双向推力球轴承而不是单向的，因为机座与转台在轴向上无法直接连接。采用双向推力球轴承就可以方便的将轴承内环与转台连接，外环用罩扣固定在底座上。另外，推力球轴承应选择公称尺寸较大一些的，这样可以更好的承受倾覆力矩。
1、底座
2、摆动气缸
3、双向推力球轴承
4、扣罩
5、转台
图2.2机座结构图
底座回转气缸的尺寸设计与校核
1、工件的转动惯量计算
J 的查表3-5可知，按方体计算：
J 工件=J Z +J X
J Z =12m (a l 22+)=12
035.0(3.003.022+)=0.00003kgm 2 J Z =12m (a b 22+)=12035.0(3.003.022+)=0.00001kgm 2
由上可得工件取J 工件=0.00004kgm 2
2、手部的转动惯量计算
根据手部结构，查表3-5可知，按长方体计算。
因为，m 手部总=3（kg ）
表 2-1
（续表）
3、旋转的转动惯量计算
J= J 工件+J 手+J 立=43-3-5-10124.11105.110?+?+?=0.0012624kgm
2 4、旋转回转力矩的计算：
⑴克服启动惯性所需的力矩M 惯：
启腕部惯t J M ω=
式中：ω——手腕回转过程的角速度（1/s ）
t 启——启动过程中所需的时间（s ） t 启=0.1 s
18060223606060n ππωπ?===
那么， m 04.01
.014.3012624.0M N =?=惯 ⑵腕部回转所属的总力矩M 总：
由于手夹持在工件重心（中心）位置转动，
M 偏=0，腕部与手部联接使用非轴承元件，所生
的摩擦力矩M 摩不大，为了简化计算可以将M 惯
适当放大，而省略掉M 偏、M 摩，这时M 总=1.5×M 惯
那么，M 总=1.5×M 惯=0.6(Nm)
查《机械设计手册》第4版资料，选择齿轮齿条转摆动气缸（缸径为50mm ）型号：DRQ-PPVJ-A 。
在0.5Mpa时，转矩为6Nm，大于M总（安全）。
2.4 执行机构的工作原理
运输机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂采用步进电机驱动，吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。
其动作顺序为：1.小臂往前探出 2.立柱部分下降 3.在取料处吸取钢片 4.立柱部分上升 5.小臂缩回 6.立柱旋转90度到清洗工位 7.小臂升出 8.立柱部分下降 9.吸盘放下硅钢片 10.立柱上升 11.小臂缩回 12.立柱回转到取料工位如此循环来进行流水线工作所以这些动作的部分都要用步进电机驱动具体是用一个还是用多个我就不知道了另外PLC程序要有回零和手动操作程序
第三章驱动系统的分析与选择
机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。
3.1 驱动系统的分析与选择
液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。
电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。
气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生产领域。在现代化的成套设备与自动化生产线上，几乎都配有气动系统。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有30﹪装有气动系统，有90﹪的包装机械，70﹪的铸造、焊接设备，50﹪的自动操机、40﹪的锻造设备和洗衣设备、30﹪的采煤机械，20﹪的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械，43﹪的工业机器人装有气压系统。日、美、德等国的气动元件销售平均每年增长超过10-15﹪。许多工业发达国家的气动元件产值已接近液压元件的产值，且仍以较大速度发展，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要使用工具。
表3.1给出了各种控制方式的比较：
表3.1 各种控制方式的比较
通过以上三种驱动方式的比较选用气动、步进电机合用的驱动方式，不仅能够满足了本设计的要求，而且节约了成本。
3.2 机械手驱动系统的控制设计
根据硅钢输送机械手的要求，在驱动系统中气缸的运动方式主要有两种：（1）直线运动（缸体固定，活塞杆运动）；（2）摆动（缸体固定）。其气动驱动系统原理图如图3.1所示。
图3.1 驱动系统原理图
气动系统包括三个三位四通电磁换向阀、两个二位二通电磁阀、三个气缸、一个吸盘、四个调速阀、消声器（若干）等。图中的调速阀控制气缸摆动过程中的速度，防止速度过大对物料及机械手臂的冲击；三位四通电磁换向阀是改变气缸的运动方向；真空发生器的工作原理利用气体的喷射产生真空吸附物料，其主要功能是实现对物料的吸取和释放，真空发生器的动作是由二位二通电磁阀控制的。
3.3 气动元件选取及工作原理
气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。典型的气压传动系统由以下四部分组成：
3.3.1 气源装置
气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。它将原动机提供的机械能
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
目录 第一章绪论 1.1 项目的技术背景与研究意义 1.2 取苗装置的国内外研究现状 1.2.1国外取苗装置的研究现状 1.2.2国内取苗装置的研究现状 1.3论文的研究目标与研究内容 1.4论文研究的技术路线 第二章穴盘苗自动移栽机机械手整机方案设计 2.1 穴盘苗自动移栽机机械手工作原理和结构分析2.2 利用UG建立样机模型 第三章穴盘苗自动移栽机取苗装置的结构设计 3.1 取苗机构的基本构成 基本结构 （1）机械手 （2）穴盘定位平台 （3）驱动系统 （4）控制系统 PLC程序 （5）底座 3.2 取苗机构的工作原理 第四章穴盘苗自动移栽机送苗装置的设计要求分析1穴盘育苗及穴盘的选择 2送苗装置的工作原理和结构组成 3送苗机构的控制系统 第五章取苗装置的实验研究 1.取苗装置影响因素分析 2影响取苗成功率的因素 3取苗装置手臂角度的实验分析
第六章总结与展望1 全文总结 2研究展望 结束语 参考文献 致谢
第一章绪论 1.1项目的技术背景与研究意义 随着社会进步和人民生活水平的提高，设施农业已成为国民经济中的支柱产业，温室蔬菜、花卉及棉花生产对发展农村经济，增加农民收入，丰富人民的菜篮子，改善人民生活具有举足轻重的作用。穴盘苗移栽是近年才兴起的种植新技术，它具有缩短生育期，提早成熟，提高棉花单产，具有广阔的推广前景。过去几年温室大棚育出成品苗向大田移栽，全部是靠人工移栽。穴盘苗自动移栽技术是温室蔬菜或花卉生产实现工厂化和自动化而采用的一种重要的种植方式。目前，国内穴盘苗移栽的取苗、喂苗环节主要靠手工完成，劳动强度大，作业效率低，不能满足规模化生产的需要，从而制约了蔬菜生产的发展。因此，研制开发适合我国国情、结构简单、价格低廉、性能稳定可靠的中小型穴盘苗自动移栽机迫在眉睫，而移栽机械手是温室穴盘苗移栽自动化的关键部分，能够完成“穴盘定位—自动送苗—钵苗抓取—钵苗投放”这一系列连续动作，其性能直接影响移栽机的移栽质量。穴盘苗移栽机械手的研究对实现实现温室穴盘苗移栽生产过程自动化、减轻穴盘苗移栽作业的劳动强度、提高作物移栽质量，推进我国温室农业作物生产机械化和自动化进程，特别是我国“十二五”农业发展规划的顺利实施具有重大意义。 1.2 取苗装置的国内外研究现状 国外穴盘苗移栽机取苗装置的技术较成熟，而且大部分机型开始投入使用，尤其是应用于花卉、蔬菜等经济价值高的作物的大面积移栽，具有很好的经济价值。国内的研究主要集中在各大高校及科研院所，且大部分的研究成果只是样机的试制，尚没有成型的机型投入生产应用。 1.2.1国外取苗装置研究现状 20 世纪初期部分国家开始出现移栽机具。三十年代出现移栽装置或移栽器代替人工取苗。五十年代移栽的生产技术研究，研制出了不同结构的半自动移栽机。八十年代，半自动移栽机已在欧美国家的农业生产中广泛被使用，培育穴盘苗、移栽作物等，实现了制造机械、播种机械、移栽机等各种机械配套使用。到90年代,有关部门加强从育苗到栽植整个系统的研究,使育苗和栽植有机地结合,研制出多种全自动移栽机,如日本90年代初将穴盘苗自动移栽机列为农业机械急需开发的项目,日本农机研究所联合三家农机公司,于1993年至1995年期间开发出了三种型号的全自动移栽机（图1-1～1-3）,可移栽穴盘苗或纸钵苗,主要
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
毕业设计（论文）题目：气动机械手的设计 系部：机电工程系 专业：数控技术 班级： ： 学号：
目录 摘要 (3) 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.2机械手的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.2机械手的手部结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.7机械手的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.8机械手的技术参数列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.1手指的形状和分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.2设计时考虑的几个问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
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
天津机电职业技术学院毕业综合实践报告 专业电气自动化 班级电气自动化三班
目录 1 机械手的基本介绍 (1) 1.1 机械手的基本结构组成 (1) 1.1.1 气动手爪 (1) 1.1.2 伸缩气缸 (1) 1.1.3 回转气缸及垫板 (2) 1.1.4 提升气缸 (2) 1.2 直线运动传动组件 (2) 1.3 气动控制回路 (3) 2 传感器部分 (5) 2.1 传感器简介 (5) 2.2 磁性开关 (5) 2.3 光电传感器和光纤传感器 (5) 3 伺服电机应用 (7) 3.1 伺服系统 (7) 3.2 交流伺服系统的位置控制模式 (8) 3.3 接线 (10) 3.4 伺服驱动器的参数设置与调整 (10) 3.4.1 参数设置方式操作说明 (11) 3.4.2 面板操作说明： (11) 3.4.3 部分参数说明 (11) 3.5 最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）12 3.6 移动包络 (13) 4 PLC程序编写 (15) 4.1 PLC的选型和I/O接线 (15) 4.2 伺服电机驱动器参数设置 (15) 4.3 编写和调试PLC控制程序 (16) 4.4 初态检查复位子程序和回原点子程序 (19) 4.5 急停处理子程序 (20) 个人收获 (23) 参考文献 (24) 附录 (25) 致谢 (28)
1 机械手的基本介绍 1.1 机械手的基本结构组成 1.1.1 气动手爪 用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。见图 1-1 图 1-1 气动手爪 1.1.2 伸缩气缸 用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。见图 1-2 图 1-2 伸缩气缸
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。
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)
（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。
摘要 随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。 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 With the development of microelectronic technology, sensor technology, the rapid development of control technology and machinery manufacturing technology level, the application of robots gradually expanded from cars to other fields. In all types of robots, the articulated robot arm simulation human form, has the advantages of compact structure, small occupied space, large moving space, is one of the most widely used robots. Especially flexible biomimetic robot composed of flexible joint in the field of service robot and rehabilitation robot application and demand more and more prominent. 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
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................................................................................
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，
毕业设计论文题目：气动机械手的设计 设计人： 指导教师： 所属院系： 专业班级： 2014年11月10日
第1章前言 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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.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
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
液压机械手设计毕业设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
一、引言 1.1机械 液压通用机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要课题。 “机械手”（Machanical Hand）：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装臵（国内一般称作机械手或专用机械手）。如自动线、自动机的上下料，加工中心的自动换到的自动化装臵。 1.2机械手特点、结构与研究意义 1.2.1机器人的特点 机器人的主要特点体现在它的通用性和适应性等方面。 1.通用性 机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 2.适应性 机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。 1.2.2机器人的系统结构 一个机器人系统一般由四个相互作用的部分组成，即机械手、环境、任务和控制器。 工业机器人的本体机械系统即为通常的机械手装臵，他由肩、臂、腕、机身或行走机构组成，组合为一个相互依赖的运动机构。 环境即指机器人所处的周围状态，环境不仅由机和条件决定，而且有环境和它所包含的每个事物的全部自然特性决定。 机器人体系结构中的任务一般定义为环境的两种状态（初始状态和目标状态）间的差别，必须用适当的程序语言来描述，并能为计算机所理解。 机器人控制器一般为控制计算机，接收来自传感器的信号，对其进行数据处理，并按照预存信息，即机器人的状态及环境情况等，生成控制信号来驱动机器人的各个关节运动。