气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计

1、目 录摘要- 1 -1 机械手的基础知识- 1 -1.1 气动机械手概述- 1 -1.2 机械手的组成- 1 -1.3 机械手的工作原理- 2 -2 机械手的机构设计- 2 -2.1 气压机械手的示意图- 2 -2.2 机械手自由度的定义- 3 -2.3 机械手气缸的分析- 3 -2.4 机械手爪子的选择- 4 -2.5 机械手手臂的具体设计方案- 5 -2.5.1 手臂的伸缩设计- 6 -2.5.2 手臂的升降设计- 7 -2.5.3 回转臂的回转设计- 8 -3 气压回路设计- 10 -4 机械手的PLC控制设计- 10 -4.1 PLC的概述- 10 -4.2 PLC梯形图的程序设计-

2、11 -4.2.1 PLC机械手的流程图- 11 -4.2.2 PLC机械手的梯形图- 12 -致谢- 14 -参考文献- 15 -气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计摘要:本毕业设计的是气压驱动式四自由度教学型仿真机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动，控制系统设计等，实现了机械手的手臂四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转、手臂的夹紧，设计中分析了教学型机械手的功能要求和实现意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现机械手的回转，设计的机械手结构简单，便于操作，在PLC的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。关键词: 机

3、械手 教学型 四自由度 PLC 1 机械手的基础知识1.1 气动机械手概述气动机械手由操作机(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设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人

4、手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。1.2 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1所示。图1 机械手组成方框图1.3 机械手的工作原理机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部件发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当有动作出现错误的时候或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反

5、馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。2 机械手的机构设计2.1 气压机械手的示意图1.机械手夹紧机构 2.机械手伸缩机构 3.机械手升降机构 4.机械手旋转机构图2 气压驱动式四自由度教学仿真机械手示意图图3 气压驱动式四自由度教学仿真机械手渲染效果图2.2 机械手自由度的定义 根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目（亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目），称为机构自由度（degree of freedom of mechanism），其数目常以F表示。 本气压驱动式教学仿真机械

6、手，具有四个自由度：手臂的伸缩；机身的回转；机身的升降；手爪的张合。2.3 机械手气缸的分析图4 双作用气缸内部结构图图4 双作用气缸简化图本设计的机械手主要是由3个大部件和3个气压缸组成：（1)手部，采用一个气爪，通过机构的运动来实现手爪的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3)机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。2.4 机械手爪子的选择 图5 机械手气爪的示意图 图6 机械手气爪的渲染效果图 由于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可，选择标准支点开闭型气爪。2.5 机械手手臂的具体设计方案常见的机械手臂有以下几种；（1） 双导杆手臂伸缩机构。（

7、2） 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；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气缸空心结构。（3） 双活塞杆气缸结构。（4） 活塞杆和齿轮齿条结构。 在本气压机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所能执行的运动示意图如图7所示。图7 机械手运动示意图 根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大部分：伸缩手臂的设计，实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动；回转臂的设计，完成机械手的回转运动。2.5.1 手臂的伸缩设计1.滑动块 2.盖板图8 机械手伸缩示意图图9 机

8、械手伸缩手臂的渲染图伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定，常用的有单导向杆和双导向杆。为使设计标准化和简单化，在本设计中，伸缩手臂采用的是新薄型带导杆气缸，该气缸体积小、轻巧耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承课选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。2.5.2 手臂的升降设计1.滑动块 2.固定块图

9、10 手臂升降的轴侧图 图11 手臂升降的渲染图 机械手升降手臂是直接支撑和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。经查找资料，发现已经有导杆机构的标准气缸，采用这种标准气缸，即可满足设计精度、简化设计结构，又可以节约设计成本。因此本机械手升降手臂的设计采用的是普通单杆直线伸缩气缸。2.5.3 回转臂的回转设计图12 回转臂设计的三维示意图图13 回转臂设计的渲染效果图回转臂位于机械手结构的最低端，它承担着机械手的全部重量，因此对于回转臂的承载能力有较高的要求。又由于回转臂要带动整个机械手的转动，在回转的时候保持其平稳性，按着设计要求，机械手要实现180范围内的回转运动。在本设计中的

10、回转臂直接选用摆台（齿轮齿条式）MSQ系列，此类型的回转气缸使用高精度滚珠轴承。图14 齿轮齿条式示意图3 气压回路设计 机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制盒调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作，设计的气压回路图，如下图图15所示。1. 气源 2.气源调节装置 3.双电控两位五通换向阀 4.可调单向节流阀 5.双作用气缸 6.摆动气缸图15 气压回路图 本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择双电控两位五通换向阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运

11、动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节约成本，又可以提高劳动生产率。4 机械手的PLC控制设计 4.1 PLC的概述 可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制系统练成一个整体机易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，其种类繁多，不同厂家的产品有各自的特点，但作为工业标标准设备，可编程控制器又有一定的共性。

12、PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：图16 PLC硬件结构示意图4.2 PLC梯形图的程序设计4.2.1 PLC机械手的流程图 机械手的动作顺序如下：机械手的初始位置是缩进、下降、右旋均到底部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手手臂开始上升，上升到顶端，碰到限位开关，上升动作停止，机械手手臂开始伸出，伸出到底碰到限位开关，伸出动作停止，机械手开始向左旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关，夹紧动作停止，机械手开始执行向右旋转，右旋到底，碰到限位开关，右旋动作停止，机械手开始缩回，缩回碰到限位开关，缩回动

13、作停止，机械手执行下降动作，下降到底，碰到限位开关，机械手停止下降动作，机械手放松，此时回到初始位置，一个周期动作完成，根据机械手的动作顺序，可以画出如图所示的流程图。图17 机械手控制系统流程图4.2.2 PLC机械手的梯形图图18 PLC机械手的梯形图1图19 PLC机械手的梯形图2图20 PLC机械手的梯形图3图21 PLC机械手的梯形图4 致谢在论文完成之际，我首先向我的指导老师陆勇星老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！从毕业设计题目的选择、到选到课题的研究和论证，再到本毕业设计的编写、修改，每一步都有陆老师的细心指导和认真的解析。在陆老师的指导下，我在各方面都有所提高，老师以严谨求实，一

14、丝不苟的治学态度和勤勉的工作态度深深感染了我，给我巨大的启迪，鼓舞和鞭策，并成为我人生路上值得学习的榜样。使我的知识层次又有所提高。同时感谢所有教育过我的专业老师，你们传授的专业知识是我不断成长的源泉也是完成本论文的基础。再次真诚感谢所有帮助过我的老师同学。三年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。在此，向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。参考文献1杨明忠,朱家诚.机械设计M.武汉理工大学出版社,2021 :1014.2张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，19883蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，

15、2021 , 44王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封 2021, 55严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，19926机械设计师手册.北京:机械工业出版社，19867黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，19818成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社9郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，198710吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，199511徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社，1990, 512向晓汉.电气控制与PLC技术.北京:人民邮电出版社 教师见习报告总结期待已久的见习已经结束了，在龙岩三中高中

16、部见习听课，虽然只是短短的两个星期，但感触还是蛮深的，以前作为一名学生坐在课室听课，和现在作为一名准教师坐在课室听课是完全不同的感受，感觉自己学到了一些在平时课堂上学不到的东西。在这里，我获得的不仅是经验上的收获，更多是教学管理，课堂教学等的理念，以及他们带给我的种种思考。教育见习实践过程：听课。教育见习的主要目的是让学生在指导教师的引导下，观摩教师上课方法、技巧等。听课是教育见习的主要内容。我院规定在一周的见习中需完成至少6课的见习任务。我在教师的安排指导下，分别对高一、高二物理专业课型为主，其他课型齐头的方式，积极主动的完成了听课任务，收到良好的效果。我听的第一节课是高二（8）班，这是一个

17、平衡班，水平不如实验班高。在上课前。科任老师已经跟我说了这个班的纪律是比较差的，而且成绩也不是很好。在我听课期间，确实有几个学生在课堂上说话，但是我发现了一个有趣的现象，这个现象我在往后的几个班都发现了，就是绝大部分的学生的学习热情都好高涨，积极举手发言，积极参与课堂活动。我跟老师们提起这个现象的时候，科任老师就跟我说，一个班里不可能所有的学生都能全神贯注地听完一节课，所以作为一名教师，应该想办法吸引学生的注意力，调动的积极性，比如可以以小组为单位，以抢答计分的形式调动学生的积极性，这样课堂气氛就会活跃起来了。在为期两周的见习工作中，我真的有很大的感触，我第一次感受到自己已经从一名学生向一名教

18、师靠近，走在校园里，每当有学生叫我一声老师，我在感到无比自豪的同时，还感受到了自己的责任。见习工作结束了，我要回到学校继续我的学习了，但是我会好好记住我从*中学学到的一切，并应用于我的专业学习中去。一、教学管理理念在龙岩三中，从领导阶层到一位普通的科任老师，都秉承以学生为主体的宗旨进行学校的管理，进行教学工作的开展。作为一个课程改革的示范学校，一个教育实验基地。这所学校鼓励着老师做各种研究，各种改革。每个班主任都有着自己的管理经验与管理宗旨。有了这种思想的自由，自然这里也就充满着探索与尝试，从而有所创造与进步。在我见习的班集体中，班主任对他的学生说：“我要让你们成为学习型的管理者，也是管理型的

19、学习者。”这样一句简单的话，让我感到这里老师进行班级管理的良苦用心。他们关心的不只是学生的学习，更多的是从一个完整的人的概念出发，去培养学生多方面的素质。二、教学理念在见习期间，借着录课的机会，我听了很多的市级，校级的公开棵，还有理科实验班的课。在这些课堂上，让我看到教学改革正在悄然进行，有意识的老师正在努力体会“以学生为主体”的课堂模式。学生的创造也逐步成为教师追求的教学效果。其次，这里的老师也都在适应着多媒体教学，信息化教学，使得课堂更加生动，资源更加丰富，学生获取学习资源的渠道也就更多。尽管，这种教学理念、教学模式的推广仍然有很长的路，但似乎也并不遥远，相信，这股改革的浪潮会给教育领域带

20、来很大的冲击。三、实际工作经验在上面，是我在这所学校感受最深刻，也是认为最有意义的收获。实际工作经验上，由于在指导老师的指导下，也获取了许多。在班主任工作上，我认识到了一个老师的表率作用是很大的，学生时刻看老师，作为一个老师，应该从自己严格要求，并影响感染学生。这就要求师生之间的相互交流必须是贴心的，也是带有希望的。见习期间，班主任老师教给了我许多的班级管理经验。我想这些经验是宝贵的，更为宝贵的是老师的主动精神。在他的言谈中，看出一个老师对于班级管理的深度认识。所以我想：一个好的班主任不应只是从学习上给学生帮助，而是从一种“管理”的角度上去让班级受益，让班级体的每个成员成长。教学工作上，由于指导老师的认真指导，我较好地完成了教学任务。同时，与合作伙伴一同对各种教学