机电课程设计机械手

1、机电课程设计简易型机械手姓名：学号：专业班级：学院：指导老师：2013年12月目录目录II第一章设计任务书01.1 控制要求01.2 动作顺序：0第二章机械手机械部分的选择与设计02.1 手部设计基本要求0112.2 腕部设计的基本要求1112.3 臂部设计2222.4 机身的设计23第三章机械手控制系统设计33.1 输入和输出点分配表及原理接线图33.2 控制程序43.3 梯形图及指令表556课程设计总结以及体会6参考文献6第一章设计任务书为简易型机械手设计自动控制方案，要求采用可编程控制器控制。机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。1.1 控制要求如图a所示，将物体从位置A搬至位

2、置B机械手整个搬运过程要求都能自动控制。在启动过程中能切换到手动控制机自动控制或半自动控制(又称单周期控制)，以便对设备进行调整和检修。图b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。图a机械手动作原理图上限”111M.箴_M_有里一W卜牌,央场|.»1:71.-J._力左限r,动旧A(7岫加JSB4(HP1.2 动作顺序：(1)机械手从原点位置起始下移到A处下限位-从A处夹紧物体后上升至上限位-右移至右限位-机械手下降至B处下限位-将物体放置在B处后f上升至上限位-左移至左限位(原点)为一个循环。(2)上限、A、B下限、左限、右限分别由

3、限位开关控制；机械手设立起动和停止开关。(3)机械手夹紧或松开的工作状态以及到达每一个工位时，均应有状态显示。(4)机械手的夹紧和放松动作均应有1s延时，然后上升；机械手每到达一个位置均有0.5s的停顿延时，然后进行下一个动作。(5)若机械手停止时不在原点位置，可通过手动开关分别控制机械手的上升和左移，使之回到原点。第二章机械手机械部分的选择与设计2.1 手部设计基本要求(1)应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。(2)手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)以便于抓取工件(3)要求结构

4、紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。2.1.1 证手抓的夹持精度。2.1.2 典型的手部结构(1)回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。(2)移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。(3)平面平移型。2.1.3 选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单，适于夹持

5、平板方料，且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置，其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指，驱动力需加在手指移动方向上，这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。2.2 腕部设计的基本要求(1)力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。(2)结构考

6、虑，合理布局腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。(3)必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2.2.1 典型的腕部结构(1)具有一个自由度的升降驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M,需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定(一般小于270°)ocrc°(2)齿条活塞驱

7、动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可米用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3)具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4)机-液结合的腕部结构。2.2.2 腕部结构和驱动机构的选择本设计要求手腕能够升降，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的升降驱动腕部结构，采用气压驱动。手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工具)，并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。臂部

8、运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。2.3 臂部设计2.3.1 臂部设计的基本要求一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻1.根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。2.提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。3.合理布置作用力的位置和方向。4.注意

9、简化结构。5.提高配合精度。二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在100015nom'S大部分平均移动速度为1000mm/S,O在速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：1.减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。2.减少臂部运动件的轮廓尺寸。3.驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂

10、运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。2.3.1手臂的典型机构以及结构的选择常见的手臂伸缩机构有以下几种：1 .曲柄滑杆（活塞）机构具有结构简单、承载能力强、工作可靠等优点，但曲柄滑杆（活塞）机构存在急回特性、传动效率较低等不足，其行程增加也受到很大限制，如需增加行程，就要按比例增加曲柄的回转半径和滑杆（活塞）的长度，结果将导致整机重量的急剧增加，而出现大幅度增加生产制造成本、影响运输和安装等一系列问题。2 .凸轮滑杆机构是结构简单的高副机构，存在着行程短、磨损严重、传动效率低等缺点，主要应用传递较小动力的机械，

11、如内燃机的配气系统等。3 .齿轮齿条机构具有配比自由、制造容易、承载能力强、移动平稳、安装定位精度不高等在现代机械中得到广泛应用。但齿轮齿条容易出现磨损而需要补偿、其行程大小也受到一定限制。4 .螺杆螺母（滚珠丝杠）机构的加工精度和定位要求比较高，需动力机的正反旋转来实现而导致传动效率低，还存在承载能力小、容易出现磨损而需要补偿等缺点。5 .双导杆伸缩机构杆不旋转，带左右导向杆，刚度和精度较高，安装尺寸比较紧凑（比较薄），适合在空间小的地方用，且使用在有一定定位精度要求和夹紧要求的场合。手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动

12、，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气压缸空心结构。通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动，气压缸选取双作用气压缸。6 .4机身的设计机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。1.1 .1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，

13、是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接

14、，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。驱动机构是气压驱动，回转缸通过两个气孔，一个进气孔，一个排气孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。第三章机械手控制系统设计1.2 输入和输出点分配表及原理接线图表1机械手传送

15、系统输入和输出点分配表名称代号输入名称代号输入名称代号输出启动SB1XO夹紧SB5X10电磁阀下降YV1Y0下限行程SQ1X1放松SB6X11电磁阀夹紧YV2Y1上限行程SQ2X2单步上升SB7X12电磁阀上升YV3Y2右限行程SQ3X3单步下降SB8X13电磁阀右行YV4Y3左限行程SQ4X4单步左移SB9X14电磁阀左行YV5Y4停止SB2X5单步右移SB10X15原点指示ELY5手动操作SB3X6回原点SB11X16连续操作SB4X7工件检测SQ5X17原理接线图1.3 控制程序操作系统操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序，如图3所示。xoieHIXOO2X004r

16、oo1TJII工006dF B I 2图3 机械手操作系统程序其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。手动单步操作程序如图5所示。

17、图中上升/下降，左移/右移都有联锁和限位XQDOfr-|(MOM0XtlO工-j|1SMHDXOllS:1|1|-J'I.1STYM1HDXtUNgYt>00$II1ICTWME)IfrQlY&02IIIIcMWMO"1410022M4TM3II1IIICWMOxn$J(M2X005TQQ4II1I1ICY88图5手动单步操作程序自动操作程序自动操作状态转移见图6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20,驱动下降Y0,当到达下限位使行程开个会X1接通，状态转移到S21,而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当

18、T0接通，状态转移到S22,驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性强。X2上陪住I毛3-1专任要再一|若后P艮生|£TTP下代Xi_Y甩自I|1ASHH1衣也Ik1丁1)T1石,e<21_tn上升一干I方71丫二左岸，室任用金3.3梯形图及指令表3.3.1 梯形图如图所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3的操作系统运行的。