设计说明书
课题：凸轮轴加工自动线机械手
班级：数控69902
设计：沈晓春
审核：
二00五年九月
目录
一、目录 (2)
二、前言 (3)
（一）机械手的用途说明 (3)
（二）设计机械手的目的、意义 (3)
（三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4)
三、设计方案论证 (5)
（一）机械手的原始依据 (5)
（二）机械手的运动方案论证 (6)
四、机械手各组成部件设计计算 (8)
（一）抓取机械设计 (8)
（二）手腕机构 (12)
（三）手臂设计 (14)
（四）缓冲装置设计 (22)
（五）定位机构设计 (25)
（六）机械手驱动系统设计 (25)
五、机械手控制系统设计 (25)
六、设计总结 (26)
七、参考文献 (27)
二、前言
（一）机械手的用途说明
机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。
（二）机械手的目的、意义
机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高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，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。
目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各
种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。（三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求
结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以把手臂设计成为沿导向装置运动，直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪，无须另行设计。
外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便，各非标准件加工方便。因此，不必设计成套形式，管道也不必安排在手臂内部，可以采用软管直接连接。
本次设计的手臂不要光用于工业生产，因此，对各部件的加工精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。
三、设计方案论证
（一）机械手设计的原始数据
1.组成结构
机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测等装置组成。各系统的关系如图：
控制系统→驱动系统→执行系统→抓取工件
‖——位置检测——‖
2.执行机构
包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的还增设行走机构。（1）手部：即与物体接触的部件，由物体接触的形式又可分为夹持式和吸附式手部。
（2）手腕：是连接手腕和手臂的比肩，起改变工件的空间位置的作用。
（3）手臂：支撑手腕和手臂的部件以改变工件的空间位置。（4）立柱：支撑手臂的部件，手臂的各部分运动均与立柱有密切的关系。
（5）行走机构：为完成远距离的操作和扩大使用范围，可增设滚轮行走机构。
（6）机座：它是机械手的基础部件，机械手执行机构的各部分和驱动系统均安装在机座上，起支撑和联结作用。
3.驱动机构
机械手臂的驱动系统是驱动执行机构运动的出动装置，常用的有
液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。
4.控制系统
有电力控制和射流控制两种，一般常见的为电力控制，这是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息，对执行机构发出指令，必要时，对机械手的动作进行控制，当动作有错误时，发出警报信号。
5.位置检测装置
控制机械手执行机械的运动位置并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置比较，然后控制系统进行调整，从而使执行机构一定的精度达到预定位置。
（二）机械手的运动方案论证
1.机械手的运动形式（坐标形式）确定
按机械手的运动坐标型可分：直角坐标系式机械手、圆柱坐标系式机械手、极坐标式机械手、关节式机械手。
直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦臂部可以前后伸缩，左右移动，上下升降。采用此种坐标形工作范围小，占地空间大，定位精度好，应用较多，适用于空间布置或与自动线配合。
极坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的X方向运动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦手臂可前后伸缩，上下摆动，左右移动。采用此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定位精度差，应用少。
关节式机械手：这种机械手的臂部可分为大臂和小臂，其中大臂和小臂的连接以及大臂和机体的连接均为关节式连接，亦小臂对大臂可绕肘部上下摆动一定角度，大臂可绕肩部摆动一定角度，手臂可以左右转动一定角度。采用此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定位精度差，应用较小。
圆柱坐标戏式机械手：这种机械手的运动由两个直线运动和一个回转运动组合而成，手臂沿X、Z方向的移动，还有手臂的水平回转。此种机械手工作范围教大，灵活程度教高，占地面积小，结构比较简单，定位进度高，应用比较广泛，多为通用型。
因此本次设计我选用直角坐标系机械手。
机械手方案简图如下：
运动符号：
回转伸缩
平移手爪四、机械手各组成部件设计计算
（一）抓取机械设计
1.抓取机械机构的基本要求
要有足够的夹紧力，在确定手指的握力时，除考虑工件的重量外还应考虑在传送或操作中所产生的惯性和震动，以保证工件不致产生松动或脱落；要有足够的开合度，手指的开合度应保证工件能顺利的进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑；要保证工件在手爪中的准确位置，为使手指和被夹持的工件的反作用力外，还受到机械手在运动中所产生的惯性力和振动的影响要求是有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为佳。保证结构紧凑，重量要轻，便于更换；应考虑手指的多用性，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求可制成组合式手指。
手爪的类型可分成指爪式和吸盘式；手爪式又分外夹式和内胀式。
手爪：即与物体接触的部分，由于与物体接触的形式分为夹持式和吸附式手部。钳式手部结构由手指传力。机构所组成其传力形式比
较多，如滑槽杠杆式、连杠杆式、斜契杠杆式、弹簧杠杆式等结构形式；按手指夹持工件的部分又可以分为内卡式和外卡式；模仿人手指的动作，手指可以分为一支点回转型、二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为例，而二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成一支点回转型手指。同理，当二支点回转型手指的手指长度变为无穷长时，就变为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛，移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，但移动型手指夹持变化的零件时不影响其轴心的位置，其使用于不同直径的工件。
手爪的定位误差分析如图所示：
θ
βsin 2cos min
max
L R R
ab +=
β为偏转角，当满足上式β角时，△误差最小。
2.手爪夹紧力的计算
本次设计中采用外夹式手爪，如下图所示：
手爪夹紧力的计算：
作用在单个手指上的作用力 1.732G/F 根据抓重大小来安排装配手指的方法。
计算式：G N K K K ????=32110 G ——抓重 Kg
K 1
——夹紧方位系数 K 2
——惯性力影响系数 K
3
——安全系数取1.5～2
g a K
+=12
a ——加速度（工件随手爪运动时产生） g ——重力加速度 取10m/s^2
平钳口 水平位置放，水平位置夹时5.01=K V 钳口 水平位置放，水平位置夹时f K θsin 5.01?= 平钳口 垂直放，水平夹时f K 5.01=
水平放，垂直位置夹时fV K 5.01= V 钳口 水平放，垂直位置夹时()b a K +?=θtan 5.01 平钳口 垂直夹，垂直放时f K 5.01= 水平位置夹悬臂工件H L K 31= 3.手爪的驱动装置的选择与驱动力计算
目前机械手常用的驱动方式如前所述，也有其他特殊的驱动方式，如：步进电机驱动、直线电机驱动，但应用不多。所有方式中，最常用的为液压、气动驱动方式，下面仅对这两种方式进行比较选择。
液压驱动：液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被动的杆件相连，，响应快，伺服驱动具有较高的精度，目前多用于机器人系统。
气压驱动：气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下，功率较小（固压底），且速度不易控制。 由于该装置的实验模型，环境要求无污染，材料经费相对短缺，精度和稳定性要求不是很高，启动力矩小，惯性小，尺寸小，只许点位控制且功率小，终上所述，所以选用液压驱动。 （二）手腕机构 1.手腕的作用和动作
手腕是连接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓紧方向，以便能从任意角度抓取工件。因而它具有独立的自由度以便机械手适应复杂的动作要求，手腕运动有力轴转动称为回转运动。绕Y 轴转动称为上下摆动，绕Z 轴转动它称为左右摆动。
手腕的基本运动是回转运动和直线运动。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的是回转气缸，它的结构紧凑，回转角度小于36度并且要求严格的密封。设计时除应满足启动和传递过程中所需的传动力矩外，还要求手腕的结构简单、紧凑、轻巧。另外，通过手腕气缸的管道尽量从手臂的内部通过，以便手腕转动时管道不扭转、不外露、使外型整齐。而考虑到本次设计对手腕的外观要求不高，回转角度比较小的实际情况下，可以把气缸管道安排在外部。
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：
M M M M
摩偏惯驱
++= （Kg ·cm ）
M
驱
——驱动手腕转动的驱动力矩 M 惯
——惯性力矩
M 摩
——手腕转动轴与支撑孔处的摩擦阻力矩 M
偏
——参与转动的部件的重量对轴线产生的偏重力矩
（1）手腕加速度运动时所产生的惯性力矩M 惯，手腕转动时的角度W ，启动过程的时间t 。 ()t W J J M ??+=21惯
J 1
——手爪、手腕的转动惯量 J
2
——工件对转轴中心的转动惯量
W ? ——手腕回转角速度变动量（可取最大值） t ? ——变动时间1～5s
（2）手腕转动工件时工件的偏重对转动轴线的偏重力矩M 偏 E G M ?=偏
G ——手腕抓重的重量
E ——工件中心到手腕回转中心的偏心矩 （3）手腕转动在轴颈处的摩擦阻力矩 ()D N D N M
F 22112+=摩 （Kg ·cm ）
N
N 2
1
——轴承处的约束反力
D
D 2
1
——轴承直径，滑动轴承为轴颈直径，滚动轴承为滚子中心
直径
本次设计没有采用手腕部分，此举仅供参考。 （三）手臂设计
1.机械手手臂应满足的基本要求：
力学方面要有足够的刚度，重量要轻，运动要稳定，结构要美观，使用安全，维护方便，造价经济。
2.为满足基本要求而采取的机构、工艺性措施
手臂是机械手执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件传送到给定的位置和方位上，因而一般机械手臂有三个自由度，即手指伸缩、手臂的左右回转和上下运动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。因此它不仅要承受被抓取工件的重量，而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。所以必须根据机械手的抓取重量，运动形式，运动速度及定位精度的要求来设计手臂的机构形式。 3.手臂伸缩运动的结构设计
按手臂的结构形式分：单臂、双臂及悬挂式。按手臂的运动分：手臂有直线运动的，如：手臂的左右回转，上下摆动；有复合运动，如：直线运动和回转运动组合，两直线运动组合，两回转运动组合。 a.驱动机构的结构形式如下图：
b.驱动机构的运动学计算
F F P 惯摩∑+∑=
dhp K f F
π??=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3 V 型密封f=1 K=1.6 O 型密封F 摩=0.3P h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和） d ——活塞杆直径 D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
t V g G F
???∑=惯
△V ——速度变化值（选最大值） △t ——变化时间0.1～0.5
导向机构的形式与结构：
液压驱动的机械手臂在进行伸缩时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，一增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置，它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取等重要因素加以确定；同时在结构设计和布局上，应尽量减少运动部件上的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。
单导向杆：
采用单导向杆的结构通常比较简单，另外增加手臂的刚性和导向性，但由于要考虑结构的对称性，否则手臂会在运动是发生转动，造成手臂的转位误差，由于本次设计对手臂周向回转有一定的要求，因此单导向的导向装置不宜采用。
双导向杆：
为了手臂受力均衡，往往采用双导向杆，它可以配置在手臂伸缩的液压缸两侧，并兼顾手部和油路的管道外形比较整齐，对伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支撑架，以提高导向杆的刚性。在本次结构设计中，对机械手的外形要求比较低。因此，采用双导向结构。为了加工方便且不影响机械手的使用要求，把导向杆设置为外置式。
四导向杆：
对抓取较大的手臂采用四导向杆，以加强刚性，在本次设计中，
由于机械手臂的质量中心不于几何中心重合，易发生翻转变形，影响机械手的正常工作，考虑到传动的平稳性，但由于为实验装置且四导向杆质量太大，所以不宜采用。 其他形式的导向装置：
除上述几种的导向装置外，还有的机械手根据工作条件和实际可能，选用燕尾型的滑枕进行导向，导向性好，工作平稳。此外，也采用花键轴，导向套大直径套筒加导向键导向，以及带“V ”型槽的框形导向结构等形式的导向方式。在此设计中，由于要求结构简单，安装方便，故均不予考虑。 （3）导向杆机构动力管路设计 a.管路的类型
管路的类型可分为活动软管、伸缩油管等。 b.管路类型的特点及说明
活动软管的特点是：装拆方便、维修方便、抗震性好。使用上要用管夹，占据空间尺寸大，外观差，不安全。
伸缩油管的特点是：安全性好、外观整齐、但工艺性差。 （4）手臂伸缩驱动力的计算
dhp K f F
π??=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3 V 型密封f=1 K=1.6 O 型密封F 摩=0.3P h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和）
d ——活塞杆直径 D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
t V g G F
???∑=惯
△V ——速度变化值（选最大值） △t ——变化时间0.1～0.5
（5）伸缩机构主要构件结构强度计算
F F P 惯摩∑+∑=
4.手臂升降运动的结构设计 （1）升降机构的结构形式
机械手手臂的升降运动属于直线运动，而实现手臂的往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油缸或气缸，活塞缸和齿轮齿条机构，丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。 a.液压缸（油缸）
实现直线往复运动可采用液压式或气压式驱动的活塞油缸，由于活塞油缸的体积小，重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用较多。本次设计采用活塞气缸推动一块能沿导向杆移动，此结构简单，受力也简单，结构紧凑，传动平稳。 b.活塞缸和齿轮齿条机构
在手臂的升降运动中，为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的倍增机构，在要求工作行程大，运动速度快的冲压机械手上常用此机械手作为手臂升降运动机构。在本设计
中不予考虑。
c.丝杆螺母机构
丝杆螺母传动其位移具有较高的准确性，由于丝杆螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并能自锁，因为丝杆螺母螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩，可以获得较大的牵引力。此外，丝杆螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低，如果采用滚珠丝杆可提高效率，而且传动精度和定位精度均提高，在传动时灵敏读和平稳性也很好，由于磨损小，使用寿命较长，但丝杆螺母的材料、热处理和加工工艺要求很高，故成本很高。在本设计中不予考虑。
d.活塞杆和连杆机构
由活塞杆驱动连杆机构，使手臂实现升降运动，并可以获得较大的行程。
综上所述，本设计中选取液压缸。
液压缸的选用：要考虑到压力、流量、活塞的运动速度，活塞的最大允许行程和液压缸的总效率。
油液作用在单位面积上的压强p=P/A
，也是动态实验压力，是液压缸在瞬间所能承受的最高允许压力p
max
极限压力。各国规范通常规定为p
≤1.5PN MPa
max
液压缸的压力等级分为：低压，压力范围0～2.5MPa
中压，压力范围2.5～8MPa
中高压，压力范围8～16MPa
高压，压力范围16～32MPa
液压缸的流量为Q=V/t L/min 液压缸的活塞运动速度v=Q/A m/min 液压缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下：
1.有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久变形。
2.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。
3.内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损小，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。液压缸的密封元件材料一般选用氟碳橡胶。
液压缸的工作介质在常温下一般采用石油型液压油。在高温下采用难燃液及特殊结构液压缸。 （2）升降运动驱动力的计算
dhp K f F
π??=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3 V 型密封f=1 K=1.6 O 型密封F 摩=0.3P h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和） d ——活塞杆直径 D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
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
湖北理工学院毕业设计（论文） “慧鱼模型”三自由度机械手 设 计 小 册 学院：机电工程学院 班级：机械设计与制造 指导老师： 姓名：学号：201030120130 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 ............................................................ 1 1.1机电一体化技术 ................................................... 1 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 (1) 1.1.2机电一体化系统组成 (1) 1.2. 慧鱼机器人 ..................................................... 2 1.2.1慧鱼创意教学组合模型简介 (2) 二、机器人的组成 .....................................................
2.1组成构件 ......................................................... 3 2.2慧鱼机器人分析 ................................................... 6 2.2.1机器人机构组成 (6) 2.2.2主要成分构成及功能 (7) 2.3. 机器人的工作空间形式 ............................................ 9 2.4机器人的机械运动形态和变换控制 .................................. 11 2.5机器人的位移、速度、方向的控制方法 (13) 湖北理工学院毕业设计（论文） 一、概述 1.1机电一体化技术 1.1.1机电一体化技术的定义和内容 机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则 运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1.1.2机电一体化系统组成 1.机械本体机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。 2.检测传感部分检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。 3.电子控制单元电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。 4.执行器执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。 5.动力源动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压
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。
第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 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。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。 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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 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。 机械手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。 1.1 机械手的分类 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。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
设计说明书 课题：凸轮轴加工自动线机械手 班级：数控69902 设计：沈晓春 审核： 二00五年九月
目录 一、目录 (2) 二、前言 (3) （一）机械手的用途说明 (3) （二）设计机械手的目的、意义 (3) （三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4) 三、设计方案论证 (5) （一）机械手的原始依据 (5) （二）机械手的运动方案论证 (6) 四、机械手各组成部件设计计算 (8) （一）抓取机械设计 (8) （二）手腕机构 (12) （三）手臂设计 (14) （四）缓冲装置设计 (22) （五）定位机构设计…………………………………………………………………………………
25 （六）机械手驱动系统设计 (25) 五、机械手控制系统设计 (25) 六、设计总结 (26) 七、参考文献 (27) 二、前言 （一）机械手的用途说明 机械手是模仿人手工作的机械设备。实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。由启动系统实现各运动的驱动。它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。 （二）机械手的目的、意义 机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高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，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。
目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。（三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求 结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以把手臂设计成为沿导向装置运动，直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪，无须另行设计。 外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便，各非标准件加工方便。因此，不必设计成套形式，管道也不必安排在手臂内部，可以采用软管直接连接。 本次设计的手臂不要光用于工业生产，因此，对各部件的加工精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。
三自由度机械手的结构设计 摘要 本文简要介绍了机械手的概念，机械手的组成和分类，国内外的发展状况及发展前景。 本文对机械手进行总体方案设计，结合生产实际及理论确定了机械手的结构及动作过程，坐标型式和自由度数，并列出了机械手的技术参数。 设计出了机械手的驱动方案、控制方案，在进行控制方案的选取时进行了不同方案的优缺点的对比，最后确定了具体的控制方案。在进行机械手控制器件的选取时，对控制器件选择进行了详细的分析，如对步进电机参数的具体选取。最后介绍了利用可编程序控制器对机械手进行控制，同时叙述了可编程序控制器选取原则及工作过程，并绘制出了可编程序控制器外部接线图。在用可编程序控制器控制时分为手动和自动两种工作方式，并绘制了自动工作方式的顺序功能图。 关键词机械手的概念，机械手控制器件，可编程序控制器（PLC） ThREE DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR DESIGN ABSTRACT
目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 一、引言 1.1简要介绍机械手的概念 (4) 1.2机械手的组成和分类 (5) 1.2.1机械手的组成 (5) 1.2.2机械手的分类 (5) 1.3国内外发展状况 (6) 二、三轴自由度机械手的结构及动作过程 (7) 2.1机械手的结构 (7) 2.2机械手的动作过程 (8) 2.3机械手的驱动方案设计 (9) 2.4机械手的控制方案设计 (9) 2.5机械手的座标型式与自由度 (10) 2.6机械手的技术参数列表 (11) 三、控制器件选型 (11) 3.1步进电机及其驱动器选择 (11) 3.2直流电机及其驱动器选择 (12) 3.3旋转编码器的选择 (14) 四、机械手的PLC控制设计 (15) 5.1可编程序控制器的选择 (15) 5.2可编程序控制器的工作过程 (16) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (20) 附录 (21)
（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。
机械设计课程设计说明书 六自由度机械手 TOPWORK 上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与自动化 设计者： 李晶(5030209252) 李然(5030209316) 潘楷 (5030209345) 彭敏勤 (5030209347) 童幸 (5030209349) 指导老师：高雪官 2006616
、八— 刖言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业 的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自 动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、 华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越 来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交 货周期缩短带来的挑战。 机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定， 而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手 提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将 被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机 械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。
目录 一.设计要求和功能分析 4 - ?- ■基座旋转机构轴的设计及强度校核 5 三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8 四.左右摇摆机构零件设计和强度校核 11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19七.机构各自由度的连接过程 25八.设计特色 28九.心得体会 28十.参考文献30 一. 任务分工31 十二.附录（零件及装配图）31
前言 1.1 课题背景及意义 机械手通过运动控制芯片、单片机、可控制编程器等来控制电机、气缸、液压缸的运动，从而模仿人手和臂的某些动作，按固定程序实现物体的抓取。它可代替人的劳动，也可以在有害环境下保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、电子、原子能等部门。目前机械手主要用于以下几个方面。 (1).恶劣的工作环境和危险的工作 在核工业中，核产品具有较强的放射性，为了人员的安全，需要机械手来完成相关的清理工作。 (2).自动化生产领域 主要用于生产上实现自动化。如当机械手末端夹持焊枪时，可以对汽车或摩托车的车体进行点焊或弧焊作业。 (3).在特殊作业场合进行极限作业 在一些高危领域经常要用到机器人去探索。目前研制出了螃蟹机器人，用于水下勘测、海洋搜寻及石油天然气的勘测。 (4).农业生产 目前研制出了太阳能农用机器人，他可以找到隐藏在农作物中的杂草，通过机械手隔断杂草，同时还可以利用机械手喷洒除草剂。 (5).军事应用 在军事应用中，军人执勤经常会遇到危险，这就需要机器人帮助完成执勤任务，当今世界机器人竞争很激烈，要在这个激烈的国际竞争中立于不败之地,就需要有我国自己的机器人产业，未来世界高科技的竞争更重要的则是人才的竞争。因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。机械手是机器人产业的典型代表,因此可以用来作为教学应用的示例。 机械手为典型的机电产品，包含了驱动元件，控制元件，信息处理元件，执行机构，传动机构，机械本体等组成元素，并且具有控制能力强，改变控制程序灵活方便、可靠性高等特点，为学生提供了良好的学习工具。它将现代工业与教学联系在了一起，通过控制—执行这整个的过程使学生对所学的知识有一个更好的认识，从而激发学生的学习兴趣。随着当今计算机技术的飞速发展，它已突破纯开关量控制的局限，进入模拟量控制等领域。通过该机械手的教学开拓了学生专业视野，为他们迎接就业和深造的挑战打下坚实的基础。
文献综述 我国机械手的研究现状和发展趋势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，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。本文参阅了大量的国内外期刊杂志，论述了机械手的组成和分类，同时对国内外机械手的研究现状和发展趋势做了一定的了解。对应用机械手的工业机器人市场四大家族竞争分析。另外，本文还对机械手的常见驱动方式做了一番分析，并预测了机械手的发展趋势。 1.机械手的研究现状 1.1. 概述及现状 机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。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，人在安全间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产部门，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。机械手主要由手部和运动机构组
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、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。由度是机械手设计的关键参数。由度自自越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 1.2 机械手技术发展现象概述 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。它是机器人的一个重要分支。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(王希敏，1992)。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。(王承义，1995)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。它的结构是:机体上安装一个回
基于PLC的三自由度机械手控制系统设计与实现 摘要：为了提高机械手在工业生产中定位的精度，介绍一种基于PL C的三自由度机械手控制系统的设计方案。方案中提出了步进电机在机械手定位应用中的一种新思路详细论述三自由度机械手控制系统的硬件结构及软件实现方法并建立MCGS组态环境界面对系统 的运行进行监控。测试结果表明该系统运行稳定，定位精确，具有较高的应用价值。 关键词: PL C 三自由度机械手步进电机MC GS 组态环境 0 引言 机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。 可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。 1 三自由度机械手的系统结构与运动方式 三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋
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................................................................................
毕业设计(论文) 说明书 第一章引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 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。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。 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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 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。 机械手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。 1.1 机械手的分类 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。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，
优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 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。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。 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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 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。 机械手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。
1.1 机械手的分类 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。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
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，