机械手手爪部位毕业设计说明书

目录纲要前言

···················································1···················································1机械手整体方案设计·································21.1设计要求··············································21.2运动形式的选择·····································21.3驱动方式的选择·····································41.4整体构造设计······································5机械手手部设计·····································62.1构造剖析··············································62.2计算剖析··············································6PLC控制系统设计····································113.1机械手挪动工件控制系统的控制要求·····················113.2机械手挪动工件控制系统的PLC选型和资源配置··············133.3机械手挪动工件控制系统的PLC程序····················14动画制作··············································184.1成立机械手模型·······································184.2制作机械手的动画·····································18结束语················································26道谢·····················································26参照文件·············································26附录·····················································27纲要机械手设计包含机械构造设计，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。本课题经过对设计要求的剖析，设计出机械手的整体方案，要点论述了手部构造的设计以及控制系统硬软件的设计，达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，拥有必定的应用远景。要点词：机械手PLC动画前言跟着世界经济和技术的发展，人类活动的不停扩大，机器人应用正快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，各种各种的机器人产品随之出现。像大海开发、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。跟着机器人的产生和大批应用，好多领域，很多单调、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来达成。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,宽泛采纳工业机器人，不单可提升产品的质量与产量，并且对保障人身安全，改良劳动环境，减少劳动强度，提升劳动生产率，节俭原资料耗费以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术同样，工业机器人的宽泛应用正在日趋改变着人类的生产和生活方式。机械手是一种模拟人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵巧多样，合用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，宽泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设施的自动换刀装置中。机械手一般由履行系统、驱动系统、控制系统和人工智能构成，主要达成挪动、转动、抓取等动作。控制系统是机械手的指挥系统，它经过控制驱动系统，让履行器依据规定的要求进行工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、次序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式寄存在储存器中，并经过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。与继电器控制线路对比，PLC拥有靠谱性高、抗扰乱能力强；编程简单、使用方便；设计、安装简单，保护工作量少；功能完美、通用性强；体积小、能耗低等特色。所以，机械手控制系统越平越多的由可编程控制器来实现。1.机械手整体方案设计1.1设计要求：1.机械手能够达成从一个工作点取物体旋转必定角度，放到另一个工作点上。2.要求达成手抓构造的设计，进行夹紧力的计算剖析。初值给定以下：工件质量m=0.1kg摩擦系数μ=0.15重力加快度g=9.8m/s22垂直加快度a=0.3g=2.94m/s2水平加快度a=0.3g=2.94m/s展转半径r=0.5m角速度ω＝3.5rad/s2角加快度β＝2.1rad/s夹角φ＝45°3.要求采纳PLC作为控制系统。1.2运动形式的选择：依据主要的运动参数选择运动形式是构造设计的基础。常有机器人的运动形式有四种，下边分别论述其特色，而后确立运动形式。1.直角坐标型机器人直角坐标型机器人的构造简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是挪动关节，关节轴线互相垂直，它主要用于生产设施的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这类形式的主要特色是：在三个直线方向上挪动，运动简单想象。计算比较方便。因为能够两头支撑，关于给定的构造长度，其刚性最大。要求保存较大的挪动空间，占用空间较大。要求有较大的平面安装地区。滑动零件表面的密封较困难，简单被污染。2.圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人的构造简图如图1-2所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，此中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角地点，x是垂直方向上手臂的地点。这类形式的主要特色是：简单想象和计算。能够伸入形腔式机器内部。空间定位比较直观。直线驱动部分难以密封、防尘及防守腐化物质。手臂端部能够达到的空间受限制，不可以抵达凑近立柱或地面的空间。3.极坐标型机器人1-3所示，R，θ和β极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其构造图如图为坐标系的坐标。此中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摇动角。这类机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特色是：在中心支架邻近的工作范围较大。两个转动驱动装置简单密封。覆盖工作空间较大。坐标系较复杂，较难想象和控制。直线驱动装置仍存在密封问题。存在工作死区。多关节机器人多关节机器人构造简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动零件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和φ为坐标系的坐标，此中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相关于第一臂的转角。这类机器人手臂能够达到球形体积内绝大多数地点，所能达到地区的形状取决于两个臂的长度比率。其特色是：动作较灵巧，工作空间大。(2关节驱动处简单密封防尘。工作条件要求低，可在水低等环境中工作。合适于电动机驱动。运动难以想象和控制，计算量较大。不适于液压驱动。θ图1-1直角坐标型图1-2圆柱坐标型βφαθθ图1-3极坐标型图1-4多关节型选择方案的准则：1.知足设设计要求：机械手能够旋转必定角度。2.构造简单，便于计算剖析。剖析比较以上四种运动形式，确立采纳圆柱坐标型机器人。1.3驱动方式的选择：机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下边将三种驱动方式进行剖析比较。液压驱动机器人的驱动系统采纳液压驱动，有以下几个长处：(1)液压简单达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa），体积较小，能够获取较大的推力或转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作安稳靠谱，并可获取较高的地点精度；液压传动中，力、速度和方向比较简单实现自动控制；液压系统采纳油液作介质，拥有防锈性和自润滑性能，能够提升机械效率，使用寿命长。液压传动系统的不足之处是：油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温简单惹起燃爆炸等危险；液体的泄露难于战胜，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；需要相应的供油系统，特别是电液伺服系统要求严格的滤油装置，不然会惹起故障。液压驱动方式的输卖力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。气压驱动与液压驱动对比，气压驱动的特色是：(1)压缩空气粘度小，简单达到高速；(2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不用增添动力设施；(3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直策应用于高温作业；(4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。它的不足之处是：(1)压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获取较大的力，其构造就要相对增大；空气压缩性大，工作安稳性差，速度控制困难，要达到正确的地点控制很困难；压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，办理不妥会使钢类零件生锈，致使机器人失灵。别的，排气还会造成噪声污染。气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制温次序控制的机器人。电动机驱动电动机驱动可分为一般交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。一般交、直流电动机驱动需加减速装置，输卖力矩大，但控制性能差，惯性大，合用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输卖力矩相对小，控制性能好，可实现速度和地点的精准控制，合用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和地点精度要求不高的场合。本课题设计的机械手的特色：1.点位控制进行搬运工作，采纳次序控制方式。2.负载小，精度要求不高。3.要求成本低。依据以上特色，确立采纳气压驱动。1.4整体构造设计依据圆柱坐标型运动方式随和压驱动方式的选定，对机械手进行整体构造的设计，机械构造由摇动气缸、双联气缸、单联气缸随和爪构成，构造图如图1-5所示。图1-5机械手整体构造图2.机械手手部设计2.1构造剖析机械手的手部是最重要的履行机构，是用来握持工件的零件。常用的手部按其握持原理能够分为夹持类和吸附类两大类，本课题采纳夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题采纳夹钳式，它是工业机器人最常有的一种手部。手部传动机构可分展转型、平动型和平移型。展转型的特色是当手爪夹紧和松开物体时，手指作展转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的地点才能保持物体的中心地点不变。平动型的特色是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和展转型手爪同样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特色是当手爪夹紧和松动工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持防止固定中心的麻烦，采纳平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部构造也采纳气压驱动。图2-1手部装置图2.2计算剖析因工件运动速度惹起视在重量增添状况下的夹紧力计算机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以陪伴有速度和加快度.工件有了加快度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设两个手指以摩擦力2μQ，工件重量为G=mg夹.起工件要计算的是单个手指所一定的力Q.垂直上涨的状况如图2-2所示，工件以加快度a垂直上涨，要使工件不掉下，下式一定成立.2Qmgma0得Qmag20.319.8代入数据，得Q0.1B4.25N20.15图2-2工件垂直上涨时受力剖析图水平旋转的状况机械手部绕垂直轴以半径r作水平旋转，工件夹紧面与旋转圆弧切线方向平行，如图2-3所示。切线方向：2Qtmr0主法线方向：(QFnmr2)mr02(QRnmr2)mr02副法线方向：(QFbmr2)mg02(QRbmr2)mg0联立上式，求解得2(r)2g22r2Qm20.52.1220.53.52代入数据，得Q0.19.8220.15B7.37N后指：(QRmasin)(macos)2(mg)2022因为是机械手部机构，QF=QR,所以结果Q一定知足下式(acos)2g22asinQm2代入数据，得o29.82oQ0.123.55N0.15图2-4工件水平直进时受力剖析图综上所述，得Q最大值7.37N因为考虑到设计的机械手的安全问题，Q应再乘上一个安全系数S。Q安全值Q最大值夹紧力Q与压强的关系由实验测得，如图2-5所示。由设计要求得悉夹持长度L＝25mm,依据图2-5可知所加的压强约为0.5MPa.夹紧力夹持长度（图2-5夹紧力、夹持长度、压强关系图3.PLC控制系统设计3.1机械手挪动工件控制系统的控制要求机械手挪动工件的基本构造、工作流程和工作原理1.机械手挪动工件的基本机构机械挪动工件的基本构造图如图3-1所示。图3-1机械挪动工件的基本构造图2.机械手挪动工作的工作流程机械手挪动工件单个工作流程表示图如图2-2所示。机械手挪动工件的单个工作流程由复位到初始地点、将机械手挪动到工件处、夹紧工件、将工件挪动到目标地点、放下工件和挪动到初始地点6个过程构成。机械手挪动工件经过PLC平控制，能够实现这6个过程全自动挨次运转。3.机械手挪动工件的工作原理因为本机械手采纳气动传动，为方便检测，采纳磁性开关作为传感器。安装在气缸外面即可。机械手挪动工件经过磁性限位开关与电磁阀来控制。机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别经过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，挪动或转动的最大地点由左转限位开关SL0、右转限位开关SL1、左移限位开关SL2、右移限位开关SL3、上移限位开关SL4、下移限位开关SL5来控制。放松、夹紧工件经过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件经过准时器控制，依据实质状况，夹紧时间设为3秒。放松工件经过放松限位开关来控制。按下启动按按钮，系统先检查机械手能否在初始地点，若不是机械手先进行复位，而后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手运转到初始地点后，再泊车。按下急停按钮，断开PLC外面负载电源随和动装置电源，系统立刻停止。开始复位移到工件处夹紧工件移到目标处放下工件挪动初始地点结束图3-2机械手挪动工件单个工作流程设施控制要求该系统要求机械手能自动进行工作，转动时要求展转半径最小，要详细控制要求以下：按下启动按钮，系统进行自检查机械能否在初始地点，不是的话先进行复位工作，而后进行正式工作。复位工作控制要求以下：机械手第一上移，直到运动到最上端。②上移后，机械手开始右移。③右移达成后，机械手开始左转，至此，复位工作达成。正式工作控制要求以下：机械手开始左移，向来运动到最左端。②运转到最左端后，机械手开始向下运动。③抵达最下端后，机械手开始夹紧工件，向来到把工件夹紧为止，时间由准时器控制，准时为3秒。④机械手开始向上运动，运动到最上端。⑤上移后，机械手开始右移。⑥右移达成后，机械手开始右转，直到右转限位开关检测到信号。⑦右转达成后，机械手下移。⑧运转到最低地点后，机械手把工件松开，向来到放松限位开关检测到信号。⑨工件松开后，机械手开始向上运动。⑩抵达最上端后，机械手开始左转，真到左转限位开关检测到信号，此机遇械手已加到初始地点。该系统进行自动连续循环工作。正常泊车时，要求机械手回到初始地点时才能泊车。急停时，切断全部电源，系统停止运转。从头启动后，因为急停机遇械手地点的不确立性，要进行复位工作。3.2机械手挪动工件控制系统的PLC选型和资源配置选型因为机械手控制系统的输入/输出接点少，要求性价比高，编程简单，保护方便，机身小巧，应采纳三菱企业的FX1N-24MR-001型号。市场为3330元。该机有14个输入点，10个输出点，协助继电器1536点，准时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。系统资源分派1.I/O

触点分派依据系统控制要求，I/O分派如表3-1所示。表3-1I/O触点分派表输入设施输入地点输出设施输出地点左转限位开关SL0X000左转电磁阀Y000右转限位开关SL1X001右转电磁阀Y001左移限位开关SL2X002左移电磁阀Y002右移限位开关SL3X003右移电磁阀Y003上移限位开关SL4X004上移电磁阀Y004下移限位开关SL5X005下移电磁阀Y005放松限位开关SL6X006放松电磁阀Y006启动按钮X007夹紧电磁阀Y007停止按扭X0102.准时器部分这个控制系统夹紧工件需要准时器来控制夹紧程度。时间设为3秒。准时器分派如表3-2所示。表3-2

准时器分派准时器功能T0夹紧工件时准时3s硬件电路接线图硬件电路接线图如图3-3所示。COM0COM1SL0X000Y000SL1X001Y001SL2X002Y002SL3X003Y003SL4X004COM2SL5X005Y004SL6X006Y005startX007Y006stopX010Y007

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电源左转右转左移右移上移下移放松夹紧FX1N-24MR-001图3-3硬件电路接线图3.3机械手挪动工件控制系统的PLC程序编程软件采纳三菱企业编程软件FXGP/WIN-C，