一种基于PLC控制的伺服机械手的设计【全套CAD图纸+毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 宁学院  毕业设计 (论文 ) 一种基于 制的  伺服机械手的设计    所在学院   专    业   班    级   姓    名   学    号   指导老师   2016 年  3 月  30 日      要  近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的 备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工 业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。  课题将设计一个伺服机械手，将用于工作人员出入， 物料搬运的伺服机械手 。机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。  本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进 行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。  关键词： 机械手；工业；传动；强度  需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 is of is a to to of in to of a in of of  It is of We a be of do of a be is a of it a in s a of In of of at of of of    录  摘   要  . .    录  .  1 章  绪论  . 1 题背景及目的  . 1 服机械手的定义与发展状况  . 1 义  . 1 服机械手的发展  . 2 题研究意义  . 2 要研究的内容  . 3 第 2 章  伺服机械手机构介绍分析  . 5 服机械手机构  . 5 服机械手机构的组成  . 5 服机械手机构的应用  . 5 服机械手机构的分类  . 6 第 3 章  伺服机械手机构的结构方案和驱动方案选型  . 8 始数据及资料  . 8 服机械手机构形式及分析动作要求  . 8 构 形式  . 8 作要求分析  . 9 服机械手机构结构及驱动系统选型  . 9 第 4 章  系统各主要组成部分设计  . 10 部设计计算  . 10 部设计计算  . 13 伸缩机构设计  . 15 压驱动系统设计  . 17 部抓取缸  . 18 需要购买对应 纸  咨询 14951605 买对应的 纸  14951605 或 1304139763 部摆动气压回路  . 18 臂伸缩缸气压回路  . 19 体系统图  . 20 身结构的设计  . 22 机的选择  . 23 速器的选择  . 23 柱的设计与校核  . 24 座的机械结构  . 25 服机械手机构的定位及平稳性确定  . 26 用的定位方式  . 26 响平稳性和定位精度的因素  . 27 服机械手机构运动的缓冲装置  . 28 第 5 章  搬运机械手 制系统设计  . 29 运机械手的工艺过程  . 29 制系统  . 30 制系统程序设计  . 32 总结与展望  . 36 参考文献  . 37 致  谢  . 38  1 第 1 章  绪论  题背景及目的  毕业设计是机械设计制造及其自动化专业在校学习的最后一个环节，是对四年大学学习的继续深化和检验，即有实践性又有综合性，是其他单一课程所不能替代的，通过毕业设计更能提高综合训练能力，为即将走向工作岗位，提高实际工作能力起到十分重要的作用。以达到如下目的：  （ 1）综合 运用所学的基础理论、基本知识和基本技能，提高分析解决实际问题的能力。  （ 2）接受工程师必须的综合训练，提高实际工作能力。如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力。  （ 3）检验综合素质与实践能力。  服机械手的定义与发展状况  义  目前，工业伺服机械手的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国伺服机械手协会给工业伺服机械手下的定义：工业伺服机械手是一种可重复编程的多功能操作装置，可以 通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业伺服机械手作如下定义：  工业伺服机械手是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具 1。  工业伺服机械手以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。  工业伺服机械手是在计算机控制下可编程的自动伺服机械手是提高产品质量 与劳 2 动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。伺服机械手的诞生和发展虽只有 30 多年的历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力 2。  根据所处的环境和作业需求，工业伺服机械手具有至少一项或多项拟人功能，如抓取功能或移动功能，或两者兼有之，另外还可能程度不等的具有某些环境感知功能（如视觉，力觉，触觉等）。以及语音功能及至逻辑思维，判断决策功能等。从而使其能在要求的环境中代替人进行作业。  在工业伺服机械手的诸多功能中，抓取和移 动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业伺服机械手，利用锥齿轮传动实现伺服机械手的旋转，利用液压缸实现其移动以及对零件的抓取。在步进电机的控制下，机器达到精确的回转运动。  服机械手的发展  工业伺服机械手的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：  第一代工业伺服机械手就是目前工业中大量使用的示教再现型工业伺服机械手，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。 它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。  第二代伺服机械手是带感觉的伺服机械手。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业伺服机械手要复杂得多，这种伺服机械手从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。  第三代工业伺服机械手即智能伺服机械手。这种伺服机械手除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的 任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种伺服机械手还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用 2  题研究意义  (1)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。    3 (2)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。  (3)培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。  (4)培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基 本工作态度，工作作风和工作方法。  要研究的内容  随着搬运机械手技术的飞速发展和搬运机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究搬运机械手以下几个方面的内容：  要求独立完成工业搬运机械手 制系统设计与调试。  (1) 如图所示，有两部机械对工作物进行加工，加工位置分别是 A 点、 B 点，要求由搬运机械手臂将加工物从 A 点送至 B 点。  (2) 手动操作，每个动作均能单独操作，用于将搬运机械手复归至原点位置；  (3) 连续运行，在原 点位置按起动按钮时，搬运机械手按图连续工作一个周期，一个周期的工作过程如下：  原点下降夹紧（ T）上升右移下降放松（ T）上升左移到原点。  任务要求：  1) 部接线图，以及其它相关设备的电气图； 程元件明细表，应包含定时器、计数器等元件的设定值；   4 2) 完整的程序资料，应包括 序图、梯形图、指令表等 3 种格式的程序及注解；   5 第 2 章  伺服机械手机构介绍分析  服机械手机构  伺服机械手机构，顾名思义，是指能模仿人手的部分动作，用以完成某些抓放，搬运物件或操纵工具等工作的自动化机械装 置。伺服机械手机构通常用附属于它所服务的设备，动作程序固定，多数没有独立的控制系统，其控制装置包括在主机的控制系统（不包括工业伺服机械手）。       服机械手机构的组成  执行系统一般包括手部、腕部、臂部、机身机座等，其中最主要是运动系统。  伺服机械手机构主要由执行系统、驱动系统及控制系统三部分组成。  手部是夹紧（或吸附、托持）与松开工件或工具  的部件，由手指（或吸盘），驱动元件和传动元件等组成。  腕部、臂部、机身是将手部抓取的工件或工具进行搬运或操作的部件。  驱动系统是驱动臂部、腕部、手部和伺服机 械手机构整体运动机构动作的动力装置，常用的驱动方式有液压、气动、机械、电气或其他的组合。  控制系统是支配伺服机械手机构按规定程序和要求进行运动的装置，他们主要用来控制：位置（点位控制或连续轨迹控制）、  时间、速度和加速度等参数。  伺服机械手机构与主机及其它有关装置之间的联系 3。  服机械手机构的应用  按伺服机械手机构布局形式分可分为：架空式伺服机械手机构、附机式伺服机械手机构、落地式伺服机械手机构三种。此外，还有安装在自动线料道上或料道旁，实现工件上、下料、传递转位、转向等用途的伺服机械手机构，他 们具有运动单一、结构简单，位置灵活及精度一般要求较低的特点。    伺服机械手机构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 3。   6 服机械手机构的分类  (1)根据所承担的作业的特点，工业伺服机械手机构可分为以下三类：  (a)承担搬运工作的伺服机械手机构：这种伺服机械手机构在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。  (b)生产工业用伺服机械手机构：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、 弯曲、切断等。  (c)通用工业伺服机械手机构：其用途广泛，可以完成各种工艺作业 9。  (2)按功能分类 : (a)专用伺服机械手机构：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用伺服机械手机构具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料伺服机械手机构和“加工中心”附属的自动换刀伺服机械手机构。  (b)通用伺服机械手机构：又称工业伺服机械手。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强 的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。  (c)示教再现伺服机械手机构：采用示教法编程的通用伺服机械手机构。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”伺服机械手机构做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。伺服机械手机构手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。  (3)按驱动方式分 ：  (a)气力驱动式的伺服机械手：气源压力一般只有 宜抓举力较小的场合。  (b)液力驱动式的伺服机械手：结构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的 制造精度较高，成本较高。  (c)电力驱动式的伺服机械手：无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点，其运用最为广泛。  (d)新型驱动式的伺服机械手：例如静电驱动器，压电驱动器，形状记忆合金驱动器，人工肌肉及光驱动器等   7 (4)按控制方式分 : (a)固定程序伺服机械手机构：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。  (b)可编程序伺服机械手机构：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变 9。   8 第 3 章  伺服机械手机构的 结构方案和驱动方案选型  始数据及资料  1陶瓷插芯加工材料：氧化锆（ , 尺寸：毛胚外径 孔 度  2陶瓷插芯同心度 (内孔与外径 )1微米。  3砂轮：金刚石砂轮，线速度 50米秒。  4装料内孔定位，装料用气动形式 ,装料速度 6只 / 服机械手机构形式及分析动作要求  构 形式  图 服机械手机构图   9 作要求分析  动作一：送   料  动作二：预夹紧  动作三：手臂上升  动作四：手臂旋转  动作五：小臂伸长  动作六：手腕旋转  预夹紧  手臂上升  手臂旋转  手臂伸长  手臂转回                                手腕旋转  图 服机械手机构动作简易图  服机械手机构结构及驱动系统选型  本课题所设计的伺服 机械手机构为通用型的伺服机械手机构，其中坐标系为圆柱坐标系结构。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式手部设计方案。手部部分由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。其他部分则按照一般工业生产所采用的通用形式进行设计。  驱动系统选用电机驱动和气压驱动，电机驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，气压驱动用于手臂的伸缩和伺服机械手机构的夹取和翻转 3。 10 第 4 章  系统各主要组成部分设计  部设计计算  a有适当的夹紧力  手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保 证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。  b有足够的开闭范围  夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图  图 服机械手机构工作示例简图  c 力求结构简单，重量轻， 体积小  手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个            11 伺服机械手机构的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。  d 手指应有一定的强度和刚度  因此送料，夹紧伺服机械手机构，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。  (a)右腔推力 为  p 4                              （  32  =(b)根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：   ,21 c o F ，                          （  其中  N =4 98N=392N，带入公式 ：   ,21 c o F ，   = 39 230c o 2 2o =1764N 则实际加紧力为 211 实际（  1764  经圆整 500N 由公式， N 得：  a=50.5 mm b=72 c)计算手部活塞杆行程长 L,即  2L （   12 =25 圆整取 l=25d)确定“ V”型钳爪的 L、 3。  取 3L（  式中：     5042004  由公式（  ： L=350 取“ V”型钳口的夹角 2 =120，则偏转角按最佳偏转角来确定，  查表得：   =2239  (5)机械运动范围（速度）  (a)伸缩运动  00mm/s 0mm/s (b)上升运动   00mm/s 0mm/s (c)下降 00mm/s 0mm/s (d)回转0/s 0/s 所以取手部驱动活塞速度 V=60mm/s  (6)手部右腔流量    =602r=60 25 =s (7)手部 工作压强  （              13 = 如图所示：  图 寸示意图  部设计计算  腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。  要求：回转 90 角速度=45/s 以最大负荷计算：  当工件处于水平位置时，摆动缸的工件 扭矩最大，采用估算法，工件重 5度l =650图 示。  图 部受力简图  工件   14 (1)计算扭矩14 设重力集中于离手指中心 200扭矩1为：  1（  =5 N M）  (2)气缸（伸缩）及其配件的估算扭矩24 F =5   S =10入公式 2=5 N M）       (3)摆动缸的摩擦力矩摩4 摩F=300（ N）（估算值）  S=20   （估算值）  摩=摩 S =6（ N M）  (4)摆动缸的总摩擦力矩  4 =1+2+摩（  =N M）               (5)由公式   8102                   （  其中：  b 叶片密度，这里取 b=3 1A 摆动缸内径 , 这里取1A=10 转轴直径 , 这里取 所以代入（ 式   620 =8   106 =因为   A 所以               15 8 = 8  =10s =27ml/s 伸缩机构设计  手臂是 伺服机械手 机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。  臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。  伺服机械手机构的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了 5。  手臂的伸缩速度为 200m/s 行程 L=5001)手臂右腔 流量，公式（ ：  200 40 =1004800s =0m/s =1000ml/s (2)手臂右腔 工作压力，公式（  得：    式中： F 取工件重和手臂活动部件总重，估算  F =10+20=30F=1000N。  所以代入公式（ ：    16 =  =3)绘制机构工作参数表如表  表 构工作参数表  (4)由初步计算选气 泵  所需气压最高压力    P =需气压最大流量                  Q =1000ml/s 选取 此泵工作压力为 1速为 1800r/作流量 Q 在 32 70ml/r 之间，可以满足需要。  (5)验算腕部摆动缸：   8 106                      （   m  式中：H 机械效率取：     0.9 v 容积效率取：     以代入公式（ ：  机构名称  工作速度  行程  工作压力  流量  手部抓紧  腕部回转  小臂伸缩  60mm/s 45 /s 200mm/s 25 90  500s 27m/s 1000ml/s             17 8 22 T  =N M）  T < M=N M）  代入公式 （ 得 ：   W  =s W < /4 s 因此，取腕部回转气缸工作压力  P =1量  Q =35ml/s 圆整其他缸 的数值：  手部抓取缸工作压力1P=2      流量1=120ml/s 小臂伸缩缸工作压力2=  流量2Q=1000ml/s  压驱动系统设计  气压控制室伺服机械手机构的一种主要的控制形式。伺服机械手机构的运动速度和操作室根据气体的流量与压力来确定，因而只要控制气的流量和压力，就可以控制伺服机械手机构的运动速度和操作力，气压压力一般在 5 140公斤 /厘米范围内，最大臂力可达 160公斤以上。  主要优点：  (1)气压执行元件 (马达和气缸 )结构 紧凑，重量轻，功率小。  (2)可通过空气带走大量热能，保证机械的正常运行。  (3)气压元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。  (4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。  (5)气压元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐 18 振动等。  缺点 :控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便 4  部抓取缸  图  部抓取缸气压原理图  (1)手部抓取缸气压原理图如图 示  (2)泵的供气压力 量 Q 取系统所需最大流量即 Q =1300ml/s。  因此，需装图 所示的调速阀，流量定为 作压力 P=2 选取采用：                    202调速阀  23部摆动气压回路              19 4图  部摆动气压回路  (1)腕部摆动缸气压原理图如图 示  (2)工作压力 :  P=1量 :      Q=35ml/s 选取采用 : 202调速阀  34   换向阀  臂伸缩缸气压回路   20 臂部伸缩缸52图  臂伸缩缸气压回路  (1)小臂伸缩缸气压原理图如图 示  (2)工作压力 :     P =量 :        Q =1000ml/s 选取采用：                   202 调速阀  23位三通阀  体系统图              21 图  体系统图  (1)总体系统图如图 示 , (2)工作过程 : 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松  (3)电磁铁动作顺序表 :  22 表 体系统图  元件  动作  1臂伸长  手部抓紧  腕部回转  小臂收缩  手部放松  卸荷  - - - - - + + + + - -  + - - - +  - - + - -  - - - - -  (4)确电机规格：  气压泵选取 气泵，额定压力 P =1作流量在 32 70ml/r 之间。选取80L/流量的泵，  因此：传动功率       （  式中： =经验值）  所以代入公式（ ：  010801063 N=取电动机 定功率 17 转速为 2940r/ 身结构的设计  臂部和机身的配置形式基本上反映了伺服机械手机构的总体布局。本课题伺服机械手机 构的机身设计成机座式，这样伺服机械手机构可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型伺服机械手机构。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求 7              23 机的选择  机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身 回转的电机安装在混凝土地基上。  带动臂部升降的电机：  初选上升速度  V =100mm/s P =6以 1 0 006 60100n 转 /分  选择 于笼型异步电动机。采用 壳防护等级为 却方式为 I（ 014）即全封闭自扇冷却，额定电压为 380V，额定功率为 50 如表 90 表 型号  额定功率 载时  堵转电流  堵转转矩  最大转矩  电流 A 转速r/率 % 功率因素  额定电流  额定转矩  额定转矩  400 79  减速器的选择  减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增  转矩，以满足工作需要。  初选 圆柱蜗杆减速器。  蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。  蜗杆的材料为 38质  蜗轮的材料为 心矩   a=80 q=11                                         （   24 传动比 I =30 传动惯量 10 m 柱的设计与校核  螺杆是伺服机械手机构的主支承件，并传动使手臂上下运动。  螺杆的材料选择：  从经济角度