机械手上下料设计

1 摘要

通过对机械设计、制造及其自动化专业课程的学习，总结电大三年所学的知识，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的应用情况，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了详细的设计。同时对其控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。设计达到了预期目标。

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统

2 目录

第一章 绪论…………………………………………………………..4

1.1 选题背景…………………………………….................................4

1.2 设计目的…………………………………….................................4

1.3 发展现状和趋势…………………………….................................4

第二章 机械手各部分的设计………………………………………..4

2.1机械手的总体设计………………………………………………..5

2.1.1 机械手总体结构的类型………………………………………..5

2.1.2 具体采用方案…………………………………………………..5

2.2 机械手腰坐结构的设计…………………….................................6

2.2.1 腰坐结构的设计要求…………………………………………..6.

2.2.2 具体设计方案…………………………………………………..6

2.3 机械手臂的结构设计……………………….................................7

2.3.1 机械手臂的设计要求…………………………………………..7

2.3.2 设计具体采用方案……………………………………………..7

2.4 机械手腕部的结构设计……………………………………….8

2.4.1 机器人手腕结构的设计要求…………………………………..8

2.4.2 设计具体采用方案……………………………………………..8.

2.5 机械手手爪的结构设计………………………………………….8

2.5.1 机械手手爪的结构设计要求………………. …………………8

2.5.2 驱动方式………………………………………………………..9

2.5.3 典型结构………………………………………………………..9

2.5.4具体设计方案…………………………………………………...9

2.6 机械手的机械传动机构的设计…………………………………10

2.6.1 工业机器人传动机构设计应注意的问题…………………….10

2.6.2 工业机器人常用的传动机构形式…………………………….10

2.6.3 具体设计方案………………………………………………….11

2.7机械手驱动系统设计…………………………………………….11

2.7.1常用驱动系统及其特点………………………………………..11

2.7.2 具体设计方案………………………………………………….11

2.8机器人手臂的平衡机构设计…………………………………….11

2.8.1机器人平衡机构的形式………………………………………..12

2.8.2设计具体采用方案……………………………………………..12

第三章 理论分析和设计计算……………………………………….12

3.1 液压传动系统设计计算…………………………………………12

3.1.1 确定液压系统基本方案……………………………………….12

3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路.............................................13

3.1.3 液压源系统的设计.....................................................................13

3.1.4 绘制液压系统图.........................................................................13

3.1.5 确定液压系统的主要参数.........................................................14

3.1.6 计算和选择液压元件.................................................................17

3.2 电机选型有关参数计算................................................................17

3.2.1 有关参数的计算.........................................................................17

3.2.2 电机型号的选择.........................................................................19 3 第4章 机械手控制系统的设计........................................................20

4.1 硬件设计...........................................20

4.1.1 机械手工艺过程与控制要求.........................20

4.1.2 机械手的作业流程..................................20

4.1.3机械手操作面板布置................................21

4.1.4 控制器的选型..........................................................................22

4.1.5 控制系统原理分析..................................................................22

4.1.6 PLC外部接线设计………………………………………….23

4.1.7 I/O地址分配...........................................................................23

4.2机械手控制系统软件设计.............................24

4.2.1 机械手控制主程序流程图...........................24

4.2.2 机械手控制程序设计...............................25

结论...................................................25

参考文献…………………………………………………………….25

附录………………………………………………………………….26

致谢………………………………………………………………….27

4

第一章 绪论

1.1 选题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动刚健功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类的劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，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中的一个重要组成部分。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，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性更强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好的适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及已工程应用的水平和国外比还有一定距离，应用规模和生产化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑是十分必要的。因此，界携手的研究设计是非常有意义的。

1.2 设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

1.3 发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

1.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。

2.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和维修性。

3.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术进行决策控制；传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

4.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

5.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

. 总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。