基于plc控制的轻型平动搬运机械手设计(编辑修改稿)

基于plc控制的轻型平动搬运机械手设计(编辑修改稿)内容摘要：

多达 50 多个。 1976 年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用 42%。 1979年日本机械手的产值达 443 亿日 元，产量为 14535 台。 其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。 具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比1978 年增长 50%。 智能机械手约为 17亿日元，为 1978 年的 6 倍。 截止 1979 年，机械手累计产量达 56900 台。 在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50%～ 60%的速度增长。 使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。 预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。 它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。 研究安装各种 传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。 目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。 它与电子计算机和电视设备保持联系。 并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 3 随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展越来越多。 研究工业机械手的目的和意义 在 现代工业中，随着社会经济的快速发展，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。 据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。 从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 进入 21 世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象， 迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。 我国机械手发展起步比较晚，但发展速度快，并且机械手技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。 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。 本课题以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。 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，在构造和性能上建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。 本课题研究的轻型平动搬运机械手是工业机械手中的一种，它具有工业机械手的特点并且有着独特的应用场合和广大的经济市场。 该机械手主要的工作是搬运，它能部分替代人工操作，按照生 产工艺的要求，遵循给定的程序来完成所需物体的传送，并且可以不断重复的运动。 该机械手还具有结构简单，工作稳定性高，精度准确，研究成本低，使用寿命长等特点。 可以应用在不同的场合，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，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 近年来，该类机械手在我国发展速度快，受到了各企业单位的高度重视，投入大量的人力物力来研究和应用，并取得了一定的效果。 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。 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 4 国内外研究现状及展望 机器人技术的发展，应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。 机器人的发展也 归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供 了强大的技术保证。 目前 机器人已经从制造业逐渐转向了非制造业和服务行业， 例如： 如图 所示，在美国，他们研制的像大型客机这种清洗工作，如果人来做的话十分繁重，那么大一个机体来清洗的话，工作量是很大，而且也很不方便，那么他们采用这种机器人来实现像飞机的这些清洗的工作，包括一些国家开发像高层建筑的清洗机器人，这也都是服务行业的机器人，还包括像家庭使用的，还有一些宾馆和一些公共场合使用的这种清洁机器人，对地面来进行清扫，还包括网球场上能够自动地把撒下的球，集中收集起来，这种机器人也都是存在的。 我国 目前 主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人 （如图 ） ，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。 目前国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 ： (1)工业机器人性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91年的 97年的 65万美元。 (2)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 ； 国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3)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、网络图 飞机清洗机器人 图 水下 机器人 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 5 化 ； 器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 ： 大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4)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来进行环境建模及决策控制 ； 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于 远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 本课题研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。 在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工 作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计及 PLC 控制系统设计和调试。 根据 机械 结构的设计 计算结果，绘制机械手的整体装配图。 1）机械 手爪 重 5kg； 2）自由度 4（即左移 /右移、上升 /下降、夹紧 /放松、左旋 /右旋）； 3）手腕运动参数： 回转范围 0～ 180176。 ，最大速度 45176。 /s； 4）手臂运动参数：伸缩范围 500mm，最大速度 200mm/s，升降行程 40mm； 5）机座运动参数： 旋转范围 0～ 180176。 重庆科技学院本科生毕业论文 2 机械手总体设计 6 2 机械手总体设计 总体构想 工业机械手是一种模仿人手动作，并 按设定的程序，轨迹和要求代替人手搬运或操作工具或进行操作自动化装置。 机械手的总体设计要进行综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑，容易操作安全可靠，安装维护方便，经济性好。 为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构域材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材料，通常用高强度的铝合金制造。 据设计题目给定的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构，其中已确定的各项有 ： 1）本工业机械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动作灵活多样的机械手。 通用机械手工作的范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。 本工业机械手的控制定位方式是简易型的定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。 2） 如图 所示，工业机械手手臂的坐标形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式及关节式。 本工业机械手是圆柱坐标的坐标形式，其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成，即沿 X 轴的伸缩，沿 Z 轴的升降和 Z 轴的回转。 特点：占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛，但因机械手结构关系，沿 Z 轴方向移动的最低位置的限制，故不能抓取地面上的物体。 3）本工业机械手是 四 自由度机械手。 所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。 驱动方式的选择和计算 根据有关资料显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要以下几种方式，分析并进行比较选择： （ 1）机械传动机械手，它是由机械传动机构（凸轮、连杆、齿轮、齿条、间歇机构等）驱动执行机构运动的机械手。 它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机图 机械传动机械手 图 机械手手臂的坐标形式 重庆科技学院本科生毕业论文 2 机械手总体设计 7 械传递的。 它的主要特点是运动准确可靠、动作频率高、但结构尺寸较大，动作程序不可变。 一般用作自 动机的上料或卸料装置。 （ 2） 液压传动机械手，它是以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。 抓重能力大，结构小巧轻便，传动平稳，动作灵便，可无级调速，进行连续轨迹控制。 但因油的泄露对工件性能影响较大，故它对密封装置要求严格，且不宜在高温或低温下工作。 若机械手采用电液伺服驱动系统 ，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 （ 3）气动传动机械手，它是利用压缩空气的压力，来驱动执行机构运动的机械手。 其主要特点是介质来源方便，气动动作迅速，结构简单，成本低。 能在高温、高速和粉尘大的环境中工作、但由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，且因气源压力低，只宜轻载下工作。 （ 4）电力传动机械手，它是由特殊设计的电动机、直线电动机或步进电动机直接驱动执行机构运动的机械手。 因不需中间转换机构，结构简单，其中直线电机机械手的运动速度快，行程长，使用和维护方便。 目前机械手设计正朝 “ 机电一体化 ” 方向发展，采用电力直接驱动机械手将日益增多。 综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求，应选用气压传动来实现，则其抓重和定位都可达到，且结构简单 ，其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。 因此，本设计选用气压传动机械手作为驱动方式。 整体机构的确定 （ 1）手部：即与物体直接接触的部件。 由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。 夹持式手部由手指 (或 手爪 )和传力机构所构成。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。 常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 ： 手指有外夹式和内撑式 ；指数有双指式、多指式和双手双指式等。 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。 传力机构型式较多时常用的有 ： 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。 本课题采用 V形面双指式手指和滑槽杠杆式传力机构。 图 液压传动机械手 图 电动缸机械手 图 气动搬运机械手 重庆科技学院本科生毕业论文。