毕业设计（论文）基于PLC的四自由度工业机械手的设计

1、32成人高等教育毕业设计（论文）论 文 摘 要本次毕业设计的题目为四自由度工业机械手的设计。本设计是根据三年专科所学的课程进行的，主要有：机械零件设计，机械零件图测绘，液压与气动技术，plc电子编程技术，理论力学，工程力学等。设计共分为六章，第一章绪论是说明本次毕业设计的目的，意义，研究范围及要达到的技术要求，简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。第二章总体设计以及总体说明，对工业机械手的工作原理、组成及其种类型式进行介绍，确定整个机械手的总体方案。第三章工业机械手的机械部分设计，是介绍各部件的选择及相关数据的确定、性能的分析和各参数的计算；第四章工业机械手驱动系统（气动系统）的设计，包括

2、：回路设计，执行元件选择，控制元件选择以及动作顺序表等进行介绍。第五章工业机械手的电气控制系统的设计，主要介绍了plc的程序梯形图。第六章是设计的总结。在本次的毕业设计中，能顺利的完成，最重要的是由三位优秀的，具有丰富经验的导师王晓初和李克天老师的详细耐心的解说，教导。而本人也通过毕业设计指导书、机械设计手册、可编程序控制器以及参考其它有关机械手设计的专业书籍,经过十三周的努力终于把此毕业设计编制而成。关键字：机械手，气动系统，plc，目 录1 绪论 - 3 11 课题设计的论述 - 3111 工业机械手的技术概述 - 3112现状及国内外发展趋势 - 412 工业机械手设计的基本步骤 - 5

3、2 总体设计 621 设计的基本内容 6211总体说明 6212驱动方式的选择和设计 6213整体机构的确定 - 73 工业机械手的机械部分设计- 83.1 工业机械手的规格参数 83.2 工业设计手的参数计算 - 83.2.1 手部质量计算 - 8 3.2.2 机械手的爪部夹紧气缸的选择 - 93.2.3 腕部传动气缸的选择 - 103.2.4 伸缩气缸的选择 - 113.2.5 对伸缩导杆的校核 - 123.2.6 配重计算 - 133.2.7 升降部分计算 - 143.2.8 对升降导杆的核算 - 153.2.9挠度计算 - 153.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算 - 16 4

4、工业机械手的控制部分设计 17 41 回路计算 - 1742 执行元件选择 1743 控制元件选择 18 44 执行元件用气量的计算和空压机的选择 2145 气动元件的清单 224.6 动作顺序表 235 电气控制系统设计 2551电气控制方案设计和元件的选择 25 52 plc控制系统设计及plc及i/o端口分配图的设计 2553 plc梯形图的设计 2554 plc的控制程序 25总结 致谢参考文献 1 绪论11 课题设计的论述机械是现代社会进行生产的主要要素之一，机械制造工业是现代工业化国家的基础工业，是我国社会主义现代化的重要领域之一。机械设计是从使用要求等出发，对机械的工作原理，结构

5、，运动形式，力和能量的传递方式，以至各个零件的材料和形状尺寸，以及使用维修等问题进行构思，分析和决策的工作过程，这种过程的结构一般要表达成设计图纸，说明书以及各种技术文件。机械设计是机械生产的第一步，是决定产品性能及影响产品制造过程的首要环节。因此，机械设计课程是讲授一般工作条件和常用参数范围内的通用设计的课程。111 工业机械手的技术概述 工业机械手的工作原理和分类 原理 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抓搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。 分类 工业机械手的种类很多按使用范围可分为：专用机械手、通用机械手。 专用机械手 一般附属于工作机器设备，动作程序固

6、定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可以附属与工作机械设备。 通用机械手 独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。 按驱动方式可分为：液压机械手、气压机械手、电动机械手和机械式机械手。 液压机械手 输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，油温对油的粘度影响较大。 气压机械手 气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不大稳定，冲击大，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。 电动机械手 直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简

7、单，不需要能量转换机构，维护使用方便。 机械式机械手 由工作机械带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。按控制系统可分为：点位控制、连续控制。 点位控制 只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用的工业机械手均属于此类。 连续控制 工业机械手按给定的速度沿给定的路线（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点是无限的，整个运动过程都要求在控制之下。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 工业机械手的自由度 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。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作不计

8、在自由度数目内。 工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。自由度数越多，它的动作越灵活，应用越广。但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。所以，应按生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目为个。4工业机械手手臂的坐标形式按照工业机械手手臂所具有的运动及其组合情况，若以坐标形式可分为下列四种：（1）直角坐标式 手臂的运动是由三个直线运动组合而成。（2）圆柱坐标式 手臂的运动是由两个直线运动和一个回转运动组成。（3）球坐标式 手臂运动是由一个直线运动和两个回转运动组成。（4）关节式 手臂运动是由三个回转运动组成。

9、 工业机械手的结构组成 目前国内工业机械手的种类和型式比较多。从结构型式分析，主要由执行机构、驱动系统和控制系统等组成。 执行机构 由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。 手部 它具有人手某种单一动作的功能。是机械手直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位准确、小损伤工件。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。 夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型结构比较复杂，应用较少。平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持变

10、化范围大的工件。 手腕 手腕是连接手部和手臂的部件，用来改变或调整工作的方位（即姿势）。它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动，如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有小距离的横移。也有的工业机械手没有手腕。 手臂 手臂是机械手执行结构中的部件。其作用是将被抓住工件传送到规定位置上，它具有手臂伸缩、升降、回转三个自由度。 工业机械手的手臂是支撑通常由驱动手臂运动的部件（如油、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作时，可在

11、机座轮，轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡位）系统组成。112 现状及国内外发展趋势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10.3万美元降至03年的5.3万美元。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；

12、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，网络化；器件集成度高，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

13、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。7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”，“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨道规划技术，生产

14、了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本也不

15、低，而且质量，可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化，通用化，模化设计，积极推进产业化进程，我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人，双臂协调控制机器人，爬壁机器人，管道机器人等机种；在机器人视觉，力觉，触觉，声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术，遥控加局部自主系统遥控机器人，智能装配机器人，机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的

16、基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。12 工业机械手设计的基本步骤 工业机械手设计的步骤包括以下：1根据机械手的功能要求，选定其的类型2分析机械手的工作情况，确定作用在机械手上的载荷。3根据工作情况分析，判定机械手的失效形式，从而确定其计算准则。4进行主要的参数选择，根据计算准则求出零件的主要尺寸，选择材料，考虑热处理及结构工艺性要求。5进行对机械手结构分析。6绘制零件图，制订技术要求。2 总体设计21 总体设计211 总体设计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抓搬 运或操作工具或进行操作自动化装

17、置。机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑，容易操作安全可靠，安装维修方便，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，尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材料，通常用高强度铝合金制造。据设计题目给出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点定位控制，因此，其控制系统不是很复

18、杂。2本工业机械手是圆柱坐标的坐标型式，其手臂的运动系由两个直线运动和两个回转运动所组成，即沿x轴的伸缩，沿z轴的升降和绕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：1 手臂的升降；2 手臂的升缩；3 手腕部回转；4手臂回转。根据给出的工业机械手的规格参数，还需确定其余各部件的设计。212 驱动方式的选择和设计根据有关资料的显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要

19、以下几种方式，并进行比较选择：1 液压传动机械手，是以油液的压力来驱动执行机构的机械手，但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大影响，且不宜在高温，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， 2 气压传动机械手：是以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：介质来源极方便，不污染环境，工作可靠，气动动作迅速，结构简单，成本低，操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特点，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速，轻载，高温和粉尘大的环境中进

20、行工作。 3 机械传动机械手：既由机械传动机构（如凸轮，连杆，齿轮和齿条，间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的特点是运动准确可靠，动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。常被用于为工作主机的上，下料。 4电力传动机械手：即由特殊结构的感应电动机，直线电机或步进电机直接驱动执行机构的机械手，因为不需中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，有发展前途。 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，且结构可简

21、单，其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。 因此，本设计的四自由度工业机械手选用气压传动机械手作为驱动方式。213 整体机构的确定 1 执行机构 （1）手部：既与物体直接接触的部件，采用夹持式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。手指直接与物体接触，传力机构采用斜楔杠杆式结构，通过手指产生夹紧力来完成夹放物件，其由气缸实现。 （2）手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。本系统则通过由回转气缸使手腕实现回转摆动，实现方位的改变。 （3）手臂：支撑手腕和手部的部件，以改变工件的位置。其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬到设定位置，本系统采用气缸和回转气缸分别

22、实现手臂的升降回转以及伸缩的动作。（4）立柱：以手臂的升降气缸兼作立柱，以便实现该机械手的紧凑和简洁。 （5）机座：是机械手的基础部分，各结构部件均安装其上，起支撑和连接作用。2 驱动系统：系统才用气压传动方式。3 控制系统：是支配工业机械手按规定的要求运动的系统。系统由可编程序控制器系统和行程开关电气定位以及相关的继电器系统组成的系统控制。4 位置检测盒的放置：为操作和安全，把电气控制箱置于机座上，而把操纵盒以长距离，远距离的操纵方式。操控人员可远离机械手操作。 整个机构的位置布置初定大概如下所示：爪部+夹紧缸+手腕转动缸+伸缩缸升降缸（回转缸）回转缸（升降缸）为了使整个机构尽量趋向于轻便简

23、单，在此我们尽量选取叶片型回转气缸，将回转气缸放在升降缸之上，但这一构想取决于叶片型回转缸的工作压力是否达到系统的压力要求，所以此部分将留待往后再作决定。5 手部结构根据已知的规格参数，我们选择爪部通过汽缸推动楔块带动爪部杠杆运动的结构，以此实现爪部张合的夹紧运动。杠杆与楔块接触的一端用弹簧连起，以保证楔块缩回时杠杆端部始终与楔块接触。爪部的张合弧度可通过改变楔块的斜面角度和杠杆的长度和比例来调节。结构紧凑简洁，受力性能良好，定位误差小。3 工业机械手的机械部分设计31 机械手的规格参数1 抓重：50 n （额定抓取重量或额定负荷）2 自由度： 43 坐标形式： 圆柱坐标4 最大工作半径：12

24、005 手臂最大中心高（下降时）：8006 手臂运动参数 伸缩行程：500 伸缩速度：250s 升降行程：300 升降速度：200s 回转范围： 回转速度：180s7 手腕参数. 回转范围：.回转速度：s8 手指夹持范围：9 定位精度：10 驱动方式：气压传动11电气控制方式：plc点位程序控制12电气操作方式：手动和自动32 工业机械手的参数计算321 机械手的质量工件的材质为钢结构钢=.k0.00783工件的质量工件 （31） .102kg2工件的体积 工件工件钢 （32）5102/0.0078654103 mm当工件取时，面积应为5（5/2） （33） 3.14625.5mm 长度应为5

25、工件5 （34）654103.5 .3mm 当工件取时，面积应为 70（02） （35） （2）.mm 长度应为 70工件70 （36）654103.5mm手部各部分质量估算如下：爪部21.59102=4000mm杆3514202=19600mmv螺栓=r2l=3.144460=3000mm3手部爪杆+2v螺栓40004+196002+30002=65000mm手部650000.0078507楔块1221.551.5=13000mm楔块130000.0078101.4支承板54049800mm支承板498000.0078776缸3.5所以，总的质量总工件爪部爪部缸工件手部楔块缸支承板 （37）

26、2507101.47767766.4322 机械手的爪部夹紧气缸的选择 气缸夹紧力计算如下：手指的角度：，b35 c=17根据手部结构,其驱动力为：p=nc （38）（1） 根据手指夹持工件的方位，可得握力公式：n0.5n （39）.5n 60500.1216.5 n则：p=n 235216.5150/17 236 n据公式：实 pk1k2/ （310）式中：手部的机械效率，一般取（0.850.95）k1 安全系数，一般取（1.2）工作条件系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算：其中为被抓取工件运动时的最大加速度，为重力加速度（.米秒）f为被夹持工件与手指接触的磨擦系数在这取f=0.1

27、一般手爪传动机构的传动效率取=0.850.9，故.0，.若被抓取工件的最大加速度取，则：=1+/=1+1=2实2361.52/0.90=787 n所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为787 n则根据公式：气缸 （311）气缸.（）5105/4 .5 n气缸.n 弹簧实际 .5 +787929.5 n式中: d为气缸直径假设为50mm p为气压假设为5105pa所以选用mdbb50-35气缸合适夹紧323 腕部传动气缸的选择 当工件取时，. 则根据公式：工件（l）得： （312） 工件（l）（）kgm 当工件取时，. 则根据公式：工件l得： （313） 工件l kgm 因此工件取工件kg计算

28、根据公式：j手爪（）得： （314） j手爪（） （35） kgm 惯（工件j手爪） （315）（）nm 根据手腕回转受力图 , 得：驱惯偏摩封 （316） 为简化计算可不计密封装置处的摩擦阻力矩，因此乘安全系数即可驱惯.nm 所以选用大型叶片式回转摆动气缸 其参数为：驱nm 则，由以上结果可得手腕回转受力如图31图31 手腕回转受力图324 伸缩气缸的选择1 计算摩擦力：弯矩m的计算 工件：（mm） 爪部：（mm） 腕部：（mm） 导杆：mm kg kg (约为3.0 取3.2)kg (约为1.4 取1.5)kg (约为3.8 取4.0) (3-17)5.10.8749.8+3.20.774

29、9.8+1.50.6169.8+80.259.8 96.6 n 根据手臂伸出时的受力状态得： (3-18) （5.1+3.2+1.5+8）9.817.89.8n 根据： nn（） n=/f（） 解得：n0.1596.50.15n n（n）（.44） .22n根据公式：摩2fn2 (3-19)731.220.152219.4 n（其中：钢青铜0.10.15（润） 摩1fn0.152.2n摩摩摩193.2219.4412.6 n 2 惯性力计算 惯 (3-20)（1234）17.81.2522.25n其中， 2500.2mms1.25 摩惯412.622.25434.85n 缸驱工作（缸4） 51

30、.01106（4010-3）23.14/4 507.5 n 所以smc mb系列标准气缸 mdbb50-500合适，查资料得：材料为铝合金的mdbb50-500气缸行程为零时质量为1140g，每增加10mm行程则质量增加40g 伸缩缸1140+50403140g325 对伸缩导杆的校核 pn2s （321）731.22(0.030.03)0.0812106pa0.812mpa所以，pp15mpa v0.25 0.08121060.250.203106pa0.203mpapv15mpa （322）（87.50.5）/（/32）（3010-3）318.210 18.2mpa 所以， h 所以：h

31、式中：摩擦系数。一般取0.1，这里考虑到摩擦的副作用则取0.16。 偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立柱轴线间的距离。 托板863200127.810-616.2 kg 总120.31+16.2+21.758.21 kg惯总158.210.2/0.1116.42 n 总伸配重133.49538.4 nm 总总总38.4/(58.219.8)0.0673 m67.3 mm (h150 mm2f总20.267.326.92 mm) 托连103.1410027.810-32449.2 g2.45 kg r总h38.4/0.15256 n 摩2rf22560.1576.8 n 驱1.2(惯摩)总连

32、1.2(116.4276.8) 58.219.82.459.8826.332 n 缸驱(d/4)p工作压力3.14500.510/4 981.25 n 驱826.332 n所以，可选用mdbb-328 对升降导杆的核算 当手臂伸出到最大范围时，回转中心所受的弯矩最大。根据公式：。 （329） 38.4(32) (3010-3)3 12.5 mpa100 mpa 45钢100 mpa 校核升降气缸缸头销： p升降缸3.14500.510/4981.25 n (d/4) （330） (981.254)/3.14(810-3)2 19.5 mpa58 mpa bb981.25/(815)10-68.17 mpa 46.57 nm 可选用smc msq系列转台型齿杆式回转摆动气缸气缸msqb200a。4 工业机械手的控制部分计算41 回路计算气动执行元件的工作顺序图：1）第一次上升 2）手臂伸出 3) 手爪夹紧4）延 时5）手臂缩回 14）手腕反转 6）第一次下降 13）回转台反转 7）手腕正转 12）第二次手臂缩