机电一体化系统设计
课程设计说明书
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目录
1、机械手总体方案设计 (2)
2、机械部分的设计 (2)
3、滚珠丝杆副传动机构的设计和计算 (4)
4、步进电机的计算和选择 (5)
5、机械手控制系统的方案设计 (6)
6、PLC的硬件接线图 (12)
7、机械手PLC程序设计 (19)
1．机械手总体方案设计
图1是该机械手的动作示意图。机械手的全部动作由步进电机驱动控制。其中，上升／下降和左移／右移，分别由两部电机控制。当控制上下运动的电机正转时，机械手下降；当控制上下运动的电机停止时，机械手下降停止。当控制上下运动的电机反转时，机械手上升；当控制上下运动的电机停止时，机械手上升停止。同样，左移／右移分别由控制左右运动的电机控制。机械手的左旋转/右旋转则由一台伺服电机驱动控制。机械手的放松／夹紧由一个电机带动一个齿轮齿条机构控制，当该电机正转时，机械手夹紧；该电机反转时，机械手放松。当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台的工件尚未搬走时．机械手应自动停止下降。
左工作台
右工作台
夹紧放松上升
下降
左转
右转
图1 机械手的动作示意图
机械手的动作过程如下：(1)复位；(2)横轴前升；(3)手张开，竖轴下降；(4)手夹紧物品；(5) 竖轴上升；(6)横轴收回；(7)底盘旋转；(8)横轴前升；(9)竖轴下降；(10)手放开，物品放下；(11) 竖轴上升；(12)手复位，横轴收回；
机械手的操作方式分为：手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为：单步、单周期和连续操作方式。
手动操作：用按钮操作。
返回原点操作：按下返回原点按钮，机械手自动返回原点。
单步操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作，然后自动停止。
单周期操作：从原点开始按一下启动按钮，机械手便自动完成一个周期然后停止。在工作中，如按下停止按钮，机械手便停止。重新启动时，又继续工作，最后自动停在原点。
连续操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手将自动连续不断地周期性循环，如果按下停止按钮，机械手运动到原点，然后停机机械手的操作面板如图2所示。
启动停止
返回原点
运动选择操作方式选择
左/右上/下
夹紧/放松
左旋/右旋手动
自动
单周期
连续
单步
图2 机机械手的操作面板
2．机械部分设计
2．1 机械手手部的结构设计及计算
机械手的手部是用来抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到机械手的工作性能，它是机械手的关键部件之一。 2．1．1 手部总体确定
手部是承担抓取刀具的机构，由手指传力机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成部分之一。根据被抓起部件的材料，形状，尺寸以及一些特性的不同，此机械手部分为手指式。
2．1．2 手指式手部的类型
手指式手部是以手指的张开和闭合来实现抓持工件。它对抓取各种形状的工件具有较
大的适应性，故应用最广。一般手指式手部具有两指，三指或者多指，后者应用较少。而次此设计手指为两指式手指。
手指式手部按手指的运动形式可分为回转型和平移型。回转型又分为单支点和双支点两种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。
2．1．3 手部要求
1）手指应具有足够的加紧力。在考虑手指的加紧力时，除考虑工件的重量外，还应考虑工件在传送过程中产生的惯性力和震动等影响，以保证夹持牢靠。
2）各构件要有足够的刚度的强度。
3）构件要简单，修理方便。
4）应尽可能结构紧凑。使之重量轻，动作灵活。
2．1．4 设计时应注意的问题
1）手指应有足够的夹紧力。为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外。还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷。
2）手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。
3）应保证工件在手指内准确定位。
4）结构尽量紧凑、重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。
5）根据应用条件考虑通用性。
2．1．5 手指夹紧力的计算
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｇ N
式中
Ｋ1——安全系数（通常取1.5－2）
Ｋ2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，
可按Ｋ2＝１＋a/g估算．
a为机械手在搬运工件过程的加速度 m/s2
g为重力加速度m/s2
Ｋ3——方位系数
Ｇ——被抓持工件的重量 kg
由已知数据得出：
Ｋ1=1.5,
Ｋ2=１＋a/g =1+3/10=1.3
Ｋ3=2
Ｇ=10 kg
Ｎ=1.5×1.3×2×10=39 N
2．1．6 驱动力
手指夹持工件所需要驱动力的大小，在同一夹紧力的条件下，随所采用的传动结构的不同而异。但其计算方法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平衡原理来进行的。
2．2 机械手的手腕
机械手的手腕连接于手和手臂之间,用于调整手的方向.此机械手能旋转任何角度,所以手腕能分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动即实现手×腕的任何角度的伸缩和转动.
手腕回转的驱动力距M由已知条件计算如下：
M=(1.1～1.2)(M摩+M偏+ M惯)(N×m)
式中
M摩—手腕支撑处的摩擦阻力距
M偏—工件重心偏置的偏置力矩
M惯—手腕运动的惯性力矩
1）摩擦阻力矩的计算
M摩=f/2×(N1×D1+N2×D2)
=0.2/2×(10×0.2+12×0.2)=0.44 Nm
式中：N1,N2—轴承处支反力
D1,D2—轴承直径(米)
F—轴承的摩擦系数
2）偏置力矩M偏的计算
M偏=G×e=10×0.3=3 Nm
式中：
G—工件的重量(公斤力)
e—工件重心到手腕转轴线的垂直距离(米)
3）惯性力矩M惯的计算
M惯=0.0175×(J腕+J手+J工) ×w/t
=0.0175×(11+11+13) ×10/1=6.125Nm
式中
J腕—手腕的转动部件对其运动轴线的转动惯量
J手—手部对手腕转动轴线的转动惯量
J工—工件对手腕转动轴线的转动惯量
W—手腕转动的角速度(1/秒)
T—手腕启动过程所需用的时间(秒)
4）求M
M=1.1×(0.44+3+6.125)=10.5215 Nm
2．3 机械手的手臂
手臂部是机械手的主要执行部件,其作用是支承手部，主要用来改变刀具的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。
2．3．1设计时注意的问题
手臂部的运动和结构形式对机械手的工作性能有着较大的影响。设计时应注意下列几点：
1）刚度要好要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。实践证明，空心杆比实心杆刚度大得多。常用钢管作臂部和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。
2）偏重力矩要小偏重力矩是指臂部的总重量对其支承或回转轴所产生的力矩。它对臂部的升降运动和转动，均将产生影响，设计时应使臂部各部分的质量分布合理，以减少其偏重力矩。
3）重量要轻，惯量要小由于机械手在高速情况下经常起停和换向，为了减少在运动状态变化时所产生的冲击，必须采取有效的缓冲装置外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。
4）导向性要好为了防止臂部在直线移动中沿运动轴线发生相对转动，以保证手部的正确方向和准确定位，必须有导向装置。其结构应根据臂部的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。
2．3．2 驱动力计算
1) 手臂水平伸缩时:
P驱=P摩+P惯=50+150=200N
式中 P驱—驱动力
P摩—摩擦力(包括手臂伸缩导轨间、导向杆间和密封装置处的摩擦阻力,公斤力)
P惯—手臂在启动过程中的惯性力,其大小可按下式近似计算:
P惯=G伸×V/g ×t=1×3/10×1=0.3 N
式中 G伸—随同手臂伸缩部件总重量(公斤力)
G—重力加速度(m/s2)
V—手臂的工作速度(m/s)
T—起动过程所用时间(秒)
2) 手臂升降时:
P驱=P摩+P惯+G升=50+0.3+3=53.3 N
式中 G升—随同手臂升降部件总重量(公斤力)
3) 手臂水平左右摆动时:
M驱= M摩+M惯=53.3×0.3+50×0.2=25.99Nm
式中 M驱—驱动力矩(公斤力×米)
M摩—摩擦力矩(包括转轴支撑处和密封装置处的摩擦阻力矩, 公斤力×米) M惯—手臂在起动过程中的惯性力矩.可按下式计算:
M惯=J×w/t=30×1=30Nm
式中 J—随同手臂摆动部件对转轴的转动惯量
W—手臂摆动的角速度（1/秒）
3．滚珠丝杆副传动机构的设计和计算
3．1 螺纹滚道型面的形状
螺纹滚道型面的形状有很多种，常见的截面有单圆弧型面和双圆弧型面两种。滚珠与滚道表面的接触点处公法线与螺纹轴线的垂线间的夹角称为接触角α。本滚珠丝杆副传动机构采用了双圆弧型面两种，因为双圆弧型面滚珠与滚道只在滚道内相切的两点接触，接
触角α不变。而且两圆弧交接处有一小空隙，可容纳一些赃物，这对滚珠的流动很有利 滚珠丝杠副的循环方式有外循环和内循环。本滚珠丝杆副传动机构采用外循环。外循环采用的是螺旋槽式和插管式，他具有结构简单，制造方便等优点。
3．2 滚珠丝杠的计算
1）计算载荷Fc
式中： — 载荷系数 — 硬度系数
— 精度系数 — 平均工作载荷
根据寿命条件计算额定动载荷
式中： —丝杆副的平均转速（r/min ）
—运转寿命（h ） —计算载荷（N ）
丝杆的其他参数如下：
公称直径：D0=12mm 导程：p=7mm
螺旋角：λ=arctan(6/(50π))=2°11′ 滚珠直径：d0=3mm
滚道半径：R =0.52d0=0.52×3=1.56mm
偏心距：丝杠内径：d1=10.5mm
2）稳定性验算：
丝杠较长，所以用压杆稳定性来求临界载荷 式中：E —丝杠的弹性模量，对钢 —丝杠危险截面的轴惯性矩
N
F K K K F m A H F C 4563800.10.12.1=???==F K H K A K m F N L n F C h m C a 2.20421067.1150001004561067.14
4''
≈???=?=m n 'h
L C
F cr
F 2
2
) (l EI F a
cr
μπ=GPa E 206=a I 4
104
41097.564
0105.064m d I a -?=?==ππ
—长度系数，两端用铰接时, m 所以此丝杠是安全的，不会失稳
高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速 。 临界转速可按公式计算：
3）刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F （N ）和转矩T （Nm ）共同作用下引起每个导程的变形量
（m ）为
式中： A —丝杠的截面积， (m2)；
—丝杠的极惯性矩， (m4)
； G —钢的切变模量，对于钢G=83.3GPa ；
T —转矩（Nm ）
按最不利的情况，即取F=Fm ，则
丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
μ3
/2=μ3210922210
895.1)2.13/2(1097.510206)(?=?????==-πμπl EI F a cr 4~5.2][98.438010895.13
=>>=?=S F F m cr 1.2507)2.13
2(0105
.0927.39910) (9910222
12≈???==l d f n c cr μ1000
m ax =>n n cr cr n n p EA pF L π220± ±=?214 d A π =4 132 d J c π=c J 09 .0)408112tan(102 12 380)tan(2"'"'30≈+??=+=-ρλD F T m m Gd T p Ed pF GJ T p EA pF L c μπππ3 492232934 122212010752.60105.0103.83)14.3(8.3)107(160105.01020614.33801074 1642---?≈???? ????????+??????=+=+=?m p L l L μ235.110 710752.62.133 0≈???=?=?--- 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 4）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%~95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求 4．步进电机的计算和选择. 4．1 步进电机的工作原理 步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机须由专门的驱动电源供电。驱动电源和步进电动机是一个整体，步进电动机的功能和运行性能都是两者配合的综合结果。这是步进电动机的又一特点。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。 4．2步进电动机的特点 1) 步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为100％)，所以广泛应用于各种开环控制。 2) 步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比 3) 步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。 m mm μσ1503.02 1 21L =?= .0) 408112tan()112tan()tan(tan "'''=+=+= ρλληη 4) 起制动、正反转、变速等控制方便。 5) 价格便宜,可靠性高。 6) 步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。 7) 步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。 8) 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。 4．3 步进电机驱动系统的基本组成 与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该机械手模型控制系统中采用PLC 作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图3所示 。 图3 步进电机驱动系统的基本组成 4．4 步进电动机的选择计算 在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该机械手模型控制系统中要求步进电动机体积小、电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，具有较高的起动和运行频率，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进 电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i 、轴向力F 、负载转矩l T 、额定转矩n T 和运行频率y f ，以确定步进电机的具体规格和控制装置。 由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为： 移动部分总重 M=25kg 外力 F a = 4kg.cm 磨擦系数 μ=0.04 螺栓机构的效率 η=O. 9 螺栓轴径 B D =1.2cm 螺栓长 B L =42cm 螺距 P=3mm 分辨率 L=0.01mm 移动距离 δ=0.0075mm/步 速度 V=2m ／min 计算： 设拟选用2相、1.8°步距角的HB 型电动机 速比(设使用直接驱动方式) i=m × b θ/(360×L)=2×1.8／(360×O.01)=1 轴向力 F=Fa+μM=4+0.04×25=5kg.?cm 负载转矩 l T =F ×P ／(2 πη)+(0μ×0F ×P )/2 π=5×0.3／(2 ×3.14×0.9)+ (0.3×1.67× 0.3)/(2 ×3.14)=0.289kg.cm 螺栓的惯量 B J =（π×ρ×B L ×4 B D ）/32=（3.14×7.9×3 10-×42×4 2.1）/32=0.0675 kg.2 cm 移动体的惯量 t J =M ×2)2/(πP =25×2 )28.6/3.0(=0.0571kg.2 cm 负载惯量为 L J =B J +t J =0.0675+0.00571=0.1246kg.2cm 根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为M J =0.03 kg.2 cm ，空载起动频率 s f =3000H 。 由要求的速度可求出运行的频率： f=V ／L=2000／(60×0.01)=3333HZ 可知需要加减速的驱动方式。 齿轮比：G=δ360°/b θL=0.0075 ×360°/ (1.8°×0.01)=150 换算到电机轴的负载转矩为 T=G ×L( l T +F)/ 2 πη =150×0.01×(0.289+5)/(6.28×0.9) =1.40 kg.cm 对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩 N T =3T=3×1.40=4.2kg.cm =0.41N.M 根据以上的计算，我们在该机械手模型控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电 科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。电气原理图如图4所示。快接线插头：红色表示A 相，蓝色表示B 相；如果发现步进电机转向不对时可以将A 相或B 相中的两条线对调。 此步进电机的电气技术数据为表1: 表1 图4 步进电机的出线图 4．5 步进电机驱动器的原理与选择 4．5．1步进电机驱动器的选择 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。电源输入部分：由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。 信号输入部分：信号源由FP0 主机提供。由于FP0提供的电平为24V,而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。 输出部分：与步进电机连接，注意极性能、同时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。 4．5．2 步进电机驱动器指示灯说明 驱动器的指示灯共有两种：电源指示灯(绿色或黄色)和保护指示灯(红色)。当任一保护发生时，保护指示灯变亮。 4．5．3步进电机驱动器电源接口 对于超小型驱动器(SH—2H057、SH—3F075、 SH—2H057M、SH-3F075M)，采用一组直流供电DC(24-40V)，注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波(无须稳压)组成;或者由一开关电源提供,参考下图。因为PLC需要采用开关式稳压电源供电,所以在机械手模型中电源应选用开关式稳压电源，见图5 图5 开关式稳压电源 5．机械手控制系统的设计方案 5．1 可编程序控制器的原理与选择 5．1．1 确定输入．输出点数 1）输入设备的数量： 根据系统的控制要求，该机械手模型控制系统共有4个微动开关，X轴限位保护需要2点，Y轴限位保护需要2点，机械手的动作是按行程原则进行的，其输入信号包括横轴的正反限位，竖轴的正反限位，手的正反转限位还有底座正反限位和旋转的脉冲数。 2）输出设备的数量 根据系统的控制要求，X轴，Y轴的运行共需要两台步进电动机，还需要两台直流电动机。在机械手控制中包括底座的正反转，手的正反转，横轴和竖轴的脉冲和各自的方向。 根据上述的计算，我们需要输入9点，输出9点的PLC。又考虑到以后改变方案时，一般要检测电机的转速。而FPO型的PLC有特殊功能指令SPD，可以方便的检测电机的转速；另外该PLC的指令系统不宜算术运算和数据处理功能，加上其扫描速度较快，可以短时间内完成PLD控制的运算。因此，即使控制方案有变化，该PLC仍能继续使用。综合上述各方面的情况，确定使用FP0-C16系列的PLC(FP0-C16T)，再加一块FP0-E16RS扩展单元和一块FP0-El6X型的扩展单元。 5．2 机械手模型的结构特点 机械手模型装置主体由底盘、主机模块（FP0）、运动机械、电气控制及一些电缆电线等部分组成。机械手模型装置的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆等机械器件组成；电气方面步进电机、驱动模块、传感器、开关电源等电子器件组成。涵盖了PLC技术，位置控制技术、气动技术有机结合成一体的设备。 5．3 程序设计流程图 该流程图的设计主要是根据机械手的动作要求来完成的，它要求在接通电源，程序传人后，不论机械手原来在什么位置，都先回到初始位置，为机械手开始动作做准备。当初始化完成后（这是以机械手碰到限位后为标志），横轴前升，手开始旋转至所需位置，手张开，竖轴下降至物品处，手加紧物品，竖轴上升将物品拿起。横轴收回，底盘旋转，横轴前升，手旋转，竖轴下降，手张开将物品放下。竖轴上升，手复位。至此，整个机械手的动作全部结束。 在实际的现代化流水线生产中，机械手并不只是完成一次动作就可以了，它是连续不断的动作，把物品从一处拿到另一处。这时，就要将程序的软件稍加改动，并且在机械手的横、竖轴加限位开关，底盘加限位开关。这样，就能实现机械手不断的动作，直至停止 6 机械手模型的程序设计 6．1 PLC程序设计 6．1．1 控制要求 1）自动复位 2）横轴前伸 3）机械手旋转到位 4）电机带电，机械手张开 5）竖轴下降 6）电机带电，机械手夹紧货物 7）竖轴上升 8）横轴收回 9）底盘旋转到位 10）横轴前伸 11）机械手旋转 12）竖轴下降 13）机械手张开，放下货物 14）竖轴上升复位 6．1．2 I/O分配 6．1．3 PLC的硬件接线图： 6．1．4 PLC控制程序： 目录 摘要 (1) 第一章机械手设计任务书 (1) 1.1毕业设计目的 (1) 1.2本课题的内容和要求 (2) 第二章抓取机构设计 (4) 2.1手部设计计算 (4) 2.2腕部设计计算 (7) 2.3臂伸缩机构设计 (8) 第三章液压系统原理设计及草图 (11) 3.1手部抓取缸 (11) 3.2腕部摆动液压回路 (12) 3.3小臂伸缩缸液压回路 (13) 3.4总体系统图 (14) 第四章机身机座的结构设计 (15) 4.1电机的选择 (16) 4.2减速器的选择 (17) 4.3螺柱的设计与校核 (17) 第五章机械手的定位与平稳性 (19) 5.1常用的定位方式 (19) 5.2影响平稳性和定位精度的因素 (19) 5.3机械手运动的缓冲装置 (20) 第六章机械手的控制 (21) 第七章机械手的组成与分类 (22) 7.1机械手组成 (22) 7.2机械手分类 (24) 毕业设计感想 (25) 参考资料 (26) 论文含全套图纸，需要图纸联系QQ：838899316，加时说明毕业设计，如 需要更多课题请联系。每份设计（含全套图纸），价格为16元，支持支付宝交易。 送料机械手设计 摘要 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。 关键字机械手，AutoCAD。 第一章机械手设计任务书 1.1毕业设计目的 毕业设计是学生完成本专业教案计划的最后一个极为重要的实践性教案环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。 其主要目的： 一、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能 力，拓宽和深化学生的知识。 二、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计 的一般程序规范和方法。 三、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家规范等手册、图 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 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。 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 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) 《机械系统设计》 搬运机械手控制系统设计 姓名： 学号： 学科专业：机械设计制造及其自动化 摘要 由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；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；能显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 关键词：可编程控制器PLC; 机械手; 伺服马达 前言 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。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。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动﹐实现生產的机械化和自动化﹐代替人在有害环境下的手工操作﹐改善劳动条件﹐保证人身安全。20世纪40年代后期﹐美国在原子能实验中﹐首先采用机械手搬运放射性材料﹐人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后﹐机械手逐步推广到工业生產部门﹐用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料﹐也作为机床的辅助装置在自动机床﹑自动生产线和加工中心中应用﹐完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同﹐常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化保护人身安全，因而广泛应用机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 1.系统流程图 机械手整个搬运过程要求都能自动控制。下图是机械手控制系统的逻辑流程图。系统启动之前，机械手处于原始位置，条件是机械手在高位﹑左位。 （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。 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................................................................................ 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 南京大学 毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：学号： 专业：机械工程及自动化 设计(论文)题目：机械手设计 指导教师: 2010年4月 4日 开题报告填写要求 1．开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册)； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。 毕业设计(论文)开题报告 1．结合毕业设计(论文)课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 摘要本文主要介绍了机械手的应用范围、机械手的组成及每个组成部分的作用、工作原理、国内外的发展趋势、发展前景和方向，机械手的应用、机械行业中使用机械手的意义，重点阐述了机械人的各个组成部分的发展趋势和应用场合。 关键词机械手发展趋势意义 1 序言 随着时代的不断进步，经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识，自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，机械人显然更符合现在人们的需求。机械手轻巧、制造成本低、工作效率高、噪声较小、低温起动性较好、使用和维护方便，已在机械、化工、医药、纺织、微电子、食品、运输等领域得到了越来越广泛的运用[1]。在当今的中国社会，经济发展方式正由粗放密集型转向节约内向型，原来的生产方式必须进行较大的变革。这就要求在最短的时间内，创造出最高的加工效率，而且还要保证较高的生产质量。机械加工中的机床﹑机械手就必须符合这种条件下的生产加工。 2 机械手概况 机械手是在机械化、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。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋 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， 第一章（ 第二章绪论 课题研究的目的及意义 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 工业机械手是工业物流自动化中上网重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个重要标志。工业机械手是典型的机电一体化产品。 工业机械手的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科技发展的新技术产品。工业机械手已经在工业生产、资源开发、社会服务、排险救灾以及军事技术等方面发挥着愈来愈大的应用。 工业机械手的应用和推广已经并将获得极大的效益。例如在机械制造工业、汽车工业等生产中采用电焊、弧焊、喷漆等机械手，可以大大提高劳动生产率，保证产品质量，改善劳动条件。又如在微电子、医药等生产部门，采用机械手操作，可以消除人对产品的污染、确保产品质量。 机械手可以在有毒、噪音、高温、易燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定的工作，从根本上解决了操作者的安全保障问题。因而在这方面应用和推广机器人技术是十分迫切和必要的。 近代工业机械手的原型可以从本世纪40代算起。当时适应核技术的发展需要开发了处理放射性材料的主从机械手。50年代初美国提出了“通用重复操作机器人”的方案，59年研制出第一工业机械手原型。由于历史条件和技术水平关系，在60年代机械手发展较慢。进入70年代后，焊接、喷漆机械手相继在工业中应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展、机械手技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人所应用的机械手。如美国Unimation公司PUMA系列工业机器人相关的机械手，即使由直流伺服驱动、关节式结构、多cpu微机控制、采用专用语言编程的技术先进的机械手。到了80、90年代机器人及相关的机械手开始在工业上普及应用。据统计1980年全世界约有两万台机器人在工业上应用，而到今年增长更快。今年已近开发出 无锡科技职业学院 毕业设计（论文）任务书 设计题目基于PLC的机械手控制系统设计 学生姓名 二级学院中德机电学院 专业机电一体化技术 班级 起止日期2013.10-2014.4 指导教师王莉莉 发任务书日期2013年10月20日1.毕业设计(论文)的内容和要求(含技术要求、图表要求等)： 完成一个能实现抓取搬运功能的直角型运动机械手的控制系统的设计。控制方式采用PLC控制，传动方式可选择气动或机械传动。 1、掌握机械手系统设计方法。 2、掌握S7-200系列PLC的构成、内部元器件、基本指令、功能指令。 3、掌握PLC控制系统设计的内容和步骤，会根据实际进行PLC的选择。 4、保证机械手系统使用方便，具有一定实用意义。 5、会熟练使用AUTOCAD绘制电气原理图。 6、会熟练使用S7-200系列PLC的编程软件。 7、符合控制逻辑，程序设计合理。 2.毕业设计(论文)应完成的技术文件： 1、给出硬件控制原理图 2、给出全部的PLC程序（梯形图和指令表） 3、给出PLC的输入输出地址分配 4、给出传动原理图 4、8000汉字的毕业设计说明书 5、5000个英文单词的专业文献翻译 3.主要参考文献： [1]朱世强，王宣银.机器人技术及其应用[M].杭州:浙江大学出 版社,2001. [2]胡海清.液压与液压传动控制技术基本常识高等教育出版社 [3]漆汉宏.PLC电气控制技术机械工业出版社 4.毕业设计(论文)进度安排： 周次工作内容备注 第一周查阅相关文献资料，了解与本课题 相关的研究概况 第二周对课题进行系统的分析，确定主要技术 指标及实现的功能 第三周讨论课题设计过程中可能会碰到的问题，及相应的解决办法 第四周撰写开题报告 第五周整理积累的资料，有选择性的进行消化 并形成书面材料 第六周熟悉被控对象，制定控制方案第七周确定I/O设备，选择合适的PLC 第八周根据生产设备现场需要，合理分配PLC 的I/O地址 第九周讨论PLC在本课题中的具体实现第十周绘制硬件控制原理图 第十一周编制合理的PLC程序 第十二周编制合理的PLC程序 第十三周完成专业英文文献的翻译 第十四周完成专业英文文献的翻译 第十五周全面整理毕业设计材料 第十六周材料评阅送审，毕业资格审查 教研室审查意见： 室主任 年月日院（系）审查意见： 院（系）负责人 年月日机械手设计的任务书
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