[科技创新]
2013年2期（上） 081
搬运机械手设计
陈梦雨
（宁波大学阳明学院自然科学类4班 浙江 宁波 315211）
摘 要：本文讨论了在实际应用中经常使用到的几种搬运机械手，并对它们的结构和设计进行了相关探讨，总结了机械手设计中常见的一些问题和解决方案，并由此引申出相关的讨论，进行了一些总结性的陈述。
关键词：机械手；搬运机械手；机械手设计
1 引言
在通常的工业机器人系统中，机械手是起到关键作用的传统的任务执行部件，也是机器人的重要部件之一。在物理结构上，机械手包含了滑竿。滚珠丝杆等器件构成；电气方面，包含了直流和交流电机、变频及传感器等部件组成。这个装置是机电一体化的典型代表之一，全方面地覆盖了多种技术。本文中提及的机械手，是通过传感器感应设备工作状态，并经过PLC 输出控制信号，分别控制机械手在水平和垂直方向的位移，并在适当的时机夹持和放下，具体的控制时机由传感器进行感应和传递，从而实现在一定范围内的物料移动。本文中涉及的搬运机械手，可以做出灵活多变的动作，实现在一定的空间范围内移动和搬运物体，并且根据物料的变化和操作流程的改动随时更新自身参数，实现多种用途。
2 搬运机械手的结构
搬运机械手的作用通常是将物料从一个点搬运到另一个点，根据实际生产的需要，这个搬运过程可能会涉及到水平以及垂直的位移，某些时候还需要机械手可以进行转动，因此在不同的生产过程中，对机械手灵活性的要求并不相同。除了都会涉及到的夹持或者吸附操作之外，其他的操作也可能会有变化。一般来说，搬运机械手是通过螺旋机构和机械手夹持器来工作的。
2.1 螺旋机构
螺旋机构的主要作用，是将电机或者内燃机的转动转变成直线上的运动，同时传递动力。依照其性质，可以将其分类为滚动螺旋和滑动螺旋两种常见的类型。依照其用途，可以分为调整、传导和传力这三种基本类型。无论是什么样的螺旋机构，都是由螺杆、螺母和机架组成。
螺旋机构的优点在于结构足够简单，制造和维护都非常容易，传动平稳，噪音低而且容易自锁。
2.2 滑动螺旋机构
通过滑动摩擦，保持正常工作状态的螺旋机构，就是滑动螺旋机构。这样的螺旋机构通常采用传动性能比较好而且效率高的螺纹，常见的有矩形、梯形和锯齿形螺纹。
滑动螺旋机构有两个主要部件：螺杆和螺母，依据该螺旋机构的构成以及运作方式，可以将其分为两种。
A.仅仅由螺母和螺杆组成的机构，在这样的情况下，螺母会与机架固定在一起，螺杆是转动并且移动的部件。这样的机构，主要作用是传递动力，因此也被称为是传力机构。一般来说这样的机构多半用在工时不长而且运作在较低速度下的场合，通过小转矩产生较大的轴向力。
主要是螺母移动的机构，这样的机构中，螺杆转动会引发螺母的位移，主要用于传递运动，因此也被称为是传导机构。同时，这也是本文中所涉及的机械手采用的一种螺旋机构。对于机械手而言，采用这样的传动形式有很大的好处，其刚性比较大，而且传动的结构形式紧凑，因此带来了更高的传动精度和传动效率。
2.3 滚动螺旋机构
滚动螺旋机构的特点是，在螺旋副内是滚动摩擦，通常是通过滚珠来实现，也可以被称为是滚珠丝杠。这个机构的特征在于，螺杆和螺母之间增添了封闭的循环滚道，其中放置钢球。当转动的时候，钢球会沿着滚道运动并且带动螺母进行运动，由于这个过程中，滚动摩擦力小于滑动摩擦力，因此可以带来更少的损耗和更高的效率。依照滚珠循环的不同方式，可以分为内循环和外循环两种。
内循环是指在整个循环过程中，滚珠始终与螺杆接触。而其中有一部分时间滚珠脱离螺杆的，则被称为外循环。对于外循环螺母，需要设置一个反相器，让滚珠能够返回滚道的另一端完成循环。
本文中，机械手的横向运动采用了滚动螺旋进行传动，这样的滚动螺旋由于有更小的摩擦阻力，从而实现了更高的灵敏度要求，同时其传动效率也做到了90%以上，在实际使用中，通过宜兴的调整还可以消除间隙，进一步提升传动精度。
3 机械手夹持器和机座的结构 3.1 机械手夹持器
一般而言，机械手的夹持器多为双指手抓式，依照夹持器的运动方式，可以分为平移型和回转型。其中后者又可以分为单支点和双支点两种类型，而依照夹持方式，又可以分为外夹式和内撑式。此外，不同的夹持器其驱动方式也不一样，依照驱动方式可以分为电动、液压和气动三种。
回转型夹持器是一种结构比较简单的夹持器，但是通常只用来夹持固定不变的工件。当所
夹持的工件尺寸和重心发生改变的时候，工件的轴心很容易发生偏移。而平移型夹持器则不会受到这种问题的影响，可是相对而言，其机械结构就过于复杂，而且需要更大的体积，对制造工艺的要求也比较高。因此，在设计夹持器的时候，根据工件的具体要求，应当尽可能低采用结构更加简单的回转型夹持器。
本文中所设计的机械手，采用的就是一种回转型夹持器。通过滚动螺旋机构进行连接，当电机带动连杆前行，手抓时间就会产生夹持动作。而当后退的时候，由于弹簧的拉力将手指松开，完成工件的放落动作。这样的设计可以将摩擦力控制在较小的范围内，活动更加灵活而且结构也非常简单。
3.2 机座
对于机械手而言，机座是重要而且唯一的支撑部分，这一部分应当可以承受机械手自身的全部重量，还要额外负担工作载荷。因此，机座在设计的过程中应当注意到给予足够的冗余强度和刚度，提供足够的承载能力，此外，机座还要求比较大的安装基面，这样才能保证机械手的平稳工作。本文中，采用了普通轴承作为机座的支撑原件，设计了机座的支撑机构，这种设计，制造简单而且成本低廉，安装和调试都非常方便。
4 整体设计方案
本文中所探讨的主要是轻型的搬运机械手，并非占地面积很大的大型工程或是重工业用途的机械手，主要的目标是完成机械手的结构以及液压系统的简单设计，因此在机械手的执行和驱动机构是本次的主要目标。
常见的工业机械手，按照手臂的动作形态，大致可以分为四种：①直角坐标型；②圆柱坐标型；③球坐标型；④多关节型。第二种也就是圆柱坐标型的占地面积较小，结构简单紧凑而且很容易实现更高的定位精度，因此本设计中选用了圆柱坐标型作为设计目标。
选定这个设计目标后，设计要求中需要机械手具有四个自由度：手臂升降、回转、手臂伸缩、腕部转动。设计思路是围绕这样的需求，通过液压或者滚动螺旋机构，进行四个自由度的动作，从而实现机械手功能。
5 各部件设计及整合 5.1 手部结构
[科技创新]
2013年2期（上）
082 对于机械手而言，手部是至关重要的一个部分，这个部分是机械手实现其抓取动作的关键，通过模仿人手的功能，抓取和我进工件，或者通过夹持工件，便于后续操作。这个部分一般被安排在机械手手臂的前端。尽管机械手的结构形式其实并不像人手，而且也未必有人的手指形状，甚至没有手掌，只能通过自身的运动包住握持物体，但在实际生产中还是需要它能够实现人手的功能，因此需要结合使用场合和工件的特性来设计专用的手部结构，一般来说，手部结构有钳爪式，气吸式，电磁式和其他。本文中采用的钳爪式，手部结构是由手指和传力机构组成。传力结构有多种不同的设计方案，本文中采取的滑槽杠杆式。
在设计手部的时候，有几个问题需要优先考虑，这样才可以保证设计出的机械手能够正常实现其功能。
①保证足够的夹持力
工件在实际的加工过程中，不仅有本身的重量，还会因为传送带所带来的惯性和震动导致脱落，因此需要足够的夹持力，保证不会因为生产过程中必然发生的意外而导致工件脱落。
②手指间应有最小的开闭角
机械手手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度，称为机械手的开闭角。这个角度需要保证工件可以顺利地进入和脱落，如果机械手需要夹持多种尺寸工件，那么按照最大尺寸来进行设计是比较合理的。
③工件在整个过程中的精准定位
工件能够保持最好的位置，与机械手手部的涉及也是息息相关的，需要根据工件的形状，选择相应的机械手手部。例如，当工件的形状类似于圆柱体的时候，才用弧形或者V 形的手部设计，就能够方便地自动定心。
④应具有足够的强度和刚度
机械手的手部如果强度不足，很容易在搬运的过程中发生弯曲变形甚至折断，此外，还要考虑到工件的影响进行设计，但尽量要求结构简单而且自重小。
⑤应考虑被抓取对象的要求
抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，都会影响到手部的形状设计。假定工件重力为98N ，移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2
，选择120°的V 型钳口，匹配当前条件的夹紧力应为49N 。
5.2 腕部的结构
腕部在整个机械手中，起到了重要的链接和支撑的作用。首先，腕部是连接手部与臂部的唯一部件，具有天然的支撑手部的作用。在进行腕部设计时要注意以下几点：
结构简单，控制重量。 灵活可靠，良好的密封性。
需要注意的事，腕部决定了机械手的灵活性，
需要仔细检查各个自由度，并且由于这里是手部和机械手臂部的连接点，包括管线也在这里布线，因此管线的布置和润滑/维修/调整，都是需要注意的问题，设计中这些问题不仅要考虑到对自由度的影响，也要适应工作环境的需求。
另外，如果手腕有油缸，那么管道要尽量走手臂内部，这样不仅保证了外观的整齐划一，而且也保证了管路不会扭转和外露，减少意外损伤。
结构形式方面，本次机械手设计采用了回转油缸来实现腕部的转动，这样的结构可以保证紧凑的结构和更小的体积，但是有密封性差的缺点。这样的涉及，可以保证回转角度达到±115°。
本文设计中，腕部结构运用了定片和后盖，回转缸体和前盖的定位是用螺钉完成，而动片和手部的夹紧缸体也是这样连接，于底座结合成一体。当回转油缸两侧分别加入压力油的时候，驱动动片转动，这样就实现了手腕的回转运动。
依照之前设定条件，计算腕部的摩擦阻力矩为2.50（N.m ）；偏置力矩为1.96 （N ·m ）；惯性力矩为 1.3（N ·m ）。考虑到实际中的情况，取值可以偏大，取力矩为6.9（N ·m ）。
5.3 臂部的结构
在机械手的所有结构中，臂部是完成位移的主要执行部分，此外还起到了支撑手部和腕部的作用。机械手的手臂可以将被抓取的工件运送到指定的位置上，因此机械手的手臂一般需要三个自由度：手臂伸缩、回转和升降。其中后两者是通过立柱实现，立柱的横向移动就是手臂的横向移动。
一般情况下，手臂上多种的驱动和传动机构实现了手臂的运动，因此这些机构不仅需要推动工件的运动，也要承担推动手臂、手腕和机械手手部的运动。机械手的工作性能直接受到了手臂的结构、灵活性和工作范围的影响，因此需要根据设计所需的抓取重量和运动方式、参考自由度、运动速度和精度要求来设计手臂。同时，手臂的涉及过程中还必须要综合考虑到手臂的受力和一系列管线的布局，因此是一项难度较大的工作。通常来说，设计手臂需要注意以下因素。
① 保证手臂的刚度
臂部在运动中承担较大的力，因此刚度不够的材料可能产生变形。通过合理的选材和结构设计，可以有效地保证变形范围可控。一般来说，弓字形截面弯曲刚度比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都超过实心轴。通常，选择钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
② 良好的导向性
手臂在直线移动中，可能会产生沿运动轴线的相对运动，为了避免这种情况，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。
③ 偏重力矩要小
偏重力矩指的是臂部的重量，对其回转轴所产生的静力矩。要提高机械少的运转效率，就要
尽量减少臂部的重量，这样就可以减少手臂对回转轴的转动惯量。
④ 能够平稳运动，精确定位
一般来说，臂部的动量越大，也就是运动速度越快，本身质量越大，那么就会因为惯性而引起更大的冲击，导致运动的不平稳和降低精度。因此紧凑的结构和较轻的重量，加上一些缓冲措施是非常有必要的。
5.3.1手臂直线运动机构
机械手的直线运动包括伸缩、升降和横向位移。这些运动的实现形式是多种多样的，常用的有丝杆螺母机构、气缸、油压机构以及活塞缸和连杆机构，各自的适用条件也都不尽相同。
5.3.2手臂伸缩运动
通过活塞油缸实现手臂的伸缩运动。活塞油缸采用液压驱动，体积小，重量轻，许多机械手设计中都采用了它。适用这样的设计，可以保证受力条件简单，结构紧凑，因此传动非常平稳而且外形更加整齐。这样的设计适用于抓重大行程长的工作环境。
经过计算，臂部伸缩驱动力为192N ，升降驱动力为1238N ，回转驱动力矩为150.8(N ·m) 。
6 总结
机械手应用于生产已经有几十年的历史，从诞生以来，有许多优秀的机械手设计。本文参照了这些设计，对过往几十年中，出现过的多种形式的机械手设计进行了一定的总结和阐述，并概括性地说明了机械手设计过程中常见的一些问题和需要注意的事项，对于初学者而言应当是具有一定的参考价值。在本文的写作过程中，参考了许多机械手设计方面的经典书籍，借鉴了其中的一些观点，也加入了自己一些不够成熟的理解。通过这些年代不同的典籍之间的对比，能够明显看出在这几十年中，该领域的进步和变化，尤其是近年来新技术的应用，让这个原本已经被研究较为透彻的领域，焕发了新的生机。
参考文献：
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[6]李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.4.
搬运机械手设计
作者：陈梦雨
作者单位：宁波大学阳明学院自然科学类4班 浙江 宁波 315211刊名：
魅力中国
英文刊名：Charming China
年，卷(期)：2013(4)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/7813836971.html,/Periodical_mlzg201304073.aspx
冲压搬运机械手的设计 设计说明书
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Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s 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 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 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 chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC. KEY WORDS:industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，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，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
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
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
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主要符号表 N F 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm 1D 弹簧内径 mm 2D 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 N m ? ρ 偏重力臂 mm M 偏 偏重力矩 N m ? t 螺钉间距 mm 0Q F 螺钉承受的拉力 N Q F 工作载荷 N ' s Q F 预紧力 N φ启 转动缸起动角 度 ω 转动缸转动角速度 rad s
1 绪论 1.1前言格式错误重新排版 机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，用于再现人手的的功能的技术装置称为[]1 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。在工业生产中应用工业机械手。 的机械手被称为[]2 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定 重视。 的效果，受到机械工业的[]3 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应 产品。 产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化[]4 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
毕业设计（说明书） 题目电机壳体搬运机械手 专业机械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 论文字数 完成日期2010年5月
机械设计制造及其自动化 摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator. Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)
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。
目录 前言 1 课题的基本要求 (4) 2 总体设计 (5) 2.1 PLC选型 (5) 2.2 I/O点及地址分配 (7) 2.3 PLC端子接线 (9) 2.4 操作面板示意图 (11) 3 PLC程序设计 (12) 3.1 设计思想 (12) 3.2 显像管搬运机械手顺序功能图 (13) 3.3 PLC梯形图 (15) 3.3.1自动梯形图 (15) 3.3.2复位梯形图 (25) 3.3.3手动梯形图 (26) 4 程序调试说明............. (28) 结束语 (29) 参考文献 (30)
前言 1、PLC的概念 可编程控制器（Programmable Controller）是以微处理器为核心，综合了微电子技术，自动化技术，网络通讯技术于一体的通用工业控制装置。英文缩写为PC或PLC。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更得到用户的好评。因而在机械、能源、化工、交通、电力等领域得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大支柱（PLC,机器人和CAD/CAM）。 2、PLC的特点 （1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 (2)硬件配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 (3)PLC的安装接线方便，一般用接线端子连接外部接线。 (4)PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (5)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程
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第1章课题规划?错误!未定义书签。 1、1 课题背景分析 ......................................................... 错误!未定义书签。 1、２设计任务书?错误!未定义书签。 第２章功能分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2、1 设计任务功能分析 ................................................. 错误!未定义书签。 2、1、1 总功能提炼 ............................................... 错误!未定义书签。 2、１、2 功能分解?错误!未定义书签。 2、１、３功能结构分析及功能结构图绘制?错误!未定义书签。 2、2 本章小结?错误!未定义书签。 第３章系统原理方案设计 ..................................................... 错误!未定义书签。 3、1功能单元求解?错误!未定义书签。 3、1、1分功能求解 ............................................. 错误!未定义书签。 3、1、2 系统原理方案综合求解?错误!未定义书签。 ３、１、３方案优化及评价 ............................... 错误!未定义书签。 3、２本章小结?错误!未定义书签。 第4章总体设计 ................................................................... 错误!未定义书签。 4、1 系统总体结构草图 ................................................. 错误!未定义书签。 4、2 本章小结?错误!未定义书签。 第5章总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。
机械与装备工程学院 课程设计说明书 （2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 0 1.1 机械手的应用现状 0 1.2 机械手研究的目的、意义 0 1.3 设计时要解决的几个问题 0 第二章机械手总体方案的设计 (2) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (2) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (2) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (4) 3.1 坐标形式和自由度选择 (4) 3.2 执行机构 (4) 3.3 驱动系统 (5) 3.4 控制系统 (6) 第四章结构设计及优化 (7) 4.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.2 确定气缸直径 (8) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (8) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (8) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (9) 4.2手臂结构优化设计 (9) 4.2.1问题描述 (9) 4.2.2设计分析 (9) （1）抗拉强度条件 (10) （2）抗剪强度条件 (10) （3）刚度条件 (11) （4）结构尺寸限制 (11) 4.2.3建立数学模型 (11) 4.2.4优化计算 (12) 4.2.5优化结果分析 (14) 第五章 Adams运动仿真 (15) 总结与展望 (18)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，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，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
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目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)
第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车
（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。
搬运机械手运动控制系统设计
搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松
设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定
位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计
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
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................................................................................