【自动分拣机械手的设计15000字（论文）】

自动分拣机械手的设计机械手的原理从本质上讲就是一种工业机器通过模仿人类手臂或上肢进行移动和抓取的工业机械，它不仅能完全按照工作要求自动抓取和放置物资，亦能自动握持各种工具等用来对其进行控制操作的一种自动化工业分拣技术装置，同时对于加快实现物流体系中分拣的完全自动化，推动促进我国现代物流行业分拣的进一步发展有着十分重要的意义。因而这也使得分拣类机械手在国际市场上逐渐具有了强烈的市场生命力,受到了从事物流分拣行业工作人员的普遍高度重视与从事机械方面工程师们的热烈欢迎。同时，机械手在物流生产线及分拣系统中更是如此。目前我们看来，工业化的机器人分拣机械手已经演变成可以完全取代企业人工的繁重的，重复性的机械劳动，显著减轻了企业中工人的劳动强度（例如京东物流），提高了提高工业化的自动化应用程度和工业劳动生产率，充分彰显其运输和分拣技术的应用优越性，因此有着广泛的产业发展市场空间和应用前途。本论文主要研究目的是介绍研究和帮助设计开发出一种小型、廉价的自动并联分拣物件机械手，相较于传统模式的并联分拣机械手来说,该分拣机械手的最大特点主要是通过基于单片机的智能控制处理技术使得各个机械手部件能够同时具有高度智能化从而轻松实现分拣物件的各种操作，避免了重复劳动，冗余的工作步骤和程序流程等等，提高了机械手抓取物件的工作效率，特别是工作成本相对较低，而该机械手能够很好的弥补了人力、财力的巨大投入以及整个分拣流程所耗费时间较长等诸多不利因素。因此，该分拣机械手非常适宜中小型以及民营事业管理单元的开发应用，并且同时具备良好的国际市场应用价值与企业应用发展前景。关键词：机械结构；自动分拣系统；分拣流程；整体设计目录TOC\o"1-3"\h\u【摘要】 2关键词 2目录 51绪论 71.1研究背景 71.2概述和现状 71.3发展前景及方向 91.3.1重复高精度 91.3.2模块化 91.3.3机电一体化 91.4国内外发展现状分析 101.5国内研究现状 111.6目的及意义 112总体方案设计与指标 132.1总体设计规格与相关参数 132.2总体方案设计(执行机构、驱动机构、控制机构) 142.2.1主体功能 142.2.2执行机构 152.2.3驱动机构 152.2.4控制系统 163机构分析 193.1机械手总体设计 203.1.1机械手基本形式的选择 203.1.2机械手的主要部件及运动 203.1.3驱动机构的选择 203.1.4机械手的技术参数列表 203.2机身的总体设计 214关键部件设计与校核 234.1机械手手爪的设计计算 234.1.1选择手抓的类型及夹紧装置 234.1.2手抓的力学分析 244.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算 265结论 276总结与展望 28参考文献 29

1绪论在当前社会的发展环境之下，我国的经济得到了高效迅猛的发展，国家为物流行业及各个物流领域中小型企业提供了大量的支持，随着国民生活品质的提高，日益增加的工作效率和人们对快递行业的需求越来越高，分拣过程中的物件大量增加，在分拣过程中对物件分拣的速度和时效的要求也随着人们的需求日益升高，与此同时也出现了一些新的用于物流分拣作业上的产品，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤害较大，有些分拣领域不适宜人类工作，机械手则正好适应这类工作。机械手又可称为工业机器人，是工业机器人中必不可少的一部分。在当今超大规模的物流业和制造业中，企业为提高运输速度和生产效率效能，为重点保障产品质量，因此普遍重视物流行业中分拣和生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化运输线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。而机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，而搬运机械手的角色尤为重要，它掌握着物流行业的核心命脉。1.1研究背景机械手是模仿人手部分动作的一种拟人电子机械装置，普遍的机械手都是通过专业运动控制卡来控制的，而简单的运动控制可以通过PLC控制，根据给定的程序、轨道跟踪和规定，可以实现区分辨认，自动捕获，运输或手工操作的自动化技术的机械设备。通过在电源电路中配备有独特功能的传感器，可以实现快速响应的能力以及针对环境条件和性能目标对其机械设备的性能进行特定分析的能力。机械手还具有长时间连续工作的能力，具有很高的精度，并能抵抗极端环境。在某种程度上，它是工业生产机械设备演变的全过程的材料。此外，它是工业生产和非工业界的关键生产和服务机械设备。它是智能制造技术领域中不可缺少的自动性能机械设备。在生产中使用工业机械手可以提高生产的自动化技术水平和劳动生产率，减轻劳动效率，确保产品质量并实现安全生产。特别是在高温，高压，超低温，低压，烟雾，易燃易爆，有害气体和放射性物质等极端环境下，工业机械手可以在所有正常工作中代替所有人。在此阶段，PLC程控机械手已广泛用于机械加工和制造，冲压模，铸造，锻造，电焊，热处理，电镀，喷涂，安装，轻工业和运输。1.2概述和现状本次毕业论文设计的机械手本就是一种模拟人手操作的自动机械装置。它可按已经编辑好的程序进行物件的抓取、移送、搬运等或直接使用一个操控器用来同时执行一些特殊的遥控操作。就目前的研究表明，应用式自动工业分拣用机械手已经完全地可以代替其他生产方式的各种人力所能及需要所能承担的单调、重复或繁多的各种体力劳动，实现了目前我国现代工业生产及日常运营管理过程中最为集中的一种新型工业生产机械化和生产自动化，代替了其他在有毒有害或污染恶劣环境下的任何一种传统式工业机械手也能进行的分拣和生产工作，改善了职工劳动条件，保障了职工人身安全，因而该一种类型的自动化分拣机械手可以被广泛地应用于各种工业机械制造、冶金、电、轻工、原子能等部门的分拣环节中。20世纪40年代后期，最开始美国在做模拟人手方面探究的实验中，造就了分拣机械手的诞生。最初的实验是首先尝试使用分拣机械手来移动和搬运一些普通的物件代替多余的人力劳动，让工作的员工们可以在安全间操控机械手来进行各类工作和各项实验，用于做一些简单的运输工作，节省人力50年代以后，分拣机械手逐渐推广至物资物料生产单位，开始用于搬运有毒放射性的材料工件和装卸材料工件在高温、大气污染较多的地区取放，这些工件是一种可以直接装卸的工具，也被广泛作为机床、自动化生产线及其他加工中心的辅助设备，完成基本材料分拣，最终按照一个固定的程序进行更换。机械手主要由负责抓取和放置物件的手部和其他运动机构及底座支架组成。手部主要用来抓取物件，按照系统要求放置物件，而根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，①夹持型机械手、②托持型机械手和③吸附型机械手等。对于其他运动机构来说，则是支持并协助手部完成各种转动、摆动、移动或复合运动来实现人们规定的动作需求，最终改变被抓持物件的位置和姿势。而运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，则需有6个自由度来整体实现机械手多方位抓取的目的。自由度是机械手设计的关键参数。自由度数越大，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般的专用机械手有2，3个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手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。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。1.3发展前景及方向1.3.1重复高精度对于机械手的精度的主要定义是我们用来指定一个自动机器人、亦或或者是一个机械手机械臂在运动过程中到达一个具有指定位置时的运动精度，它与机械驱动器的精度分辨率和精度反馈控制设备等诸多因素密切有关。重复精度是指如果动作重复多次，而且这种机械手臂还能够保证达到相同操作位置时的操作准确度。而重复的定位精度校正相对于单独的定位精度而言更为重要，如果一个定位机器人的自动定位出现错误或者不够准确，通常就系统会在手机屏幕上自动显示一个固定的定位误差，任何误差都不能够直接可以被预测计算出来的，因此完全可以直接通过软件编程操作方式等来进行校正。重复运动精度所需要的限定误差值范围就是一个随机误差精度范围，它通过一定的运动次数重复精度产生一个维度。随着我国现代机械微电子运动技术和其他现代远程控制技术的飞速进步和不断发展，机械手在实际操作过程中的运动重复性和操作精度必将变得愈加突出，其技术应用领域范围也必将更加广泛，除了在物流分拣过程中保证误差的大幅减少之外，在其他领域也有很大的进展，例如在我国核工业和其他军事武器技术中。1.3.2模块化有的物流分拣流程将采用带有一个较大系列的各种导向式机械驱动器和各种控制驱动装置的机械手，连接起来称为简易机械传输技术。模块化的分拣机械手促进了相同类型的机械手在设计过程中，它们的特点是可以因为各种原理和技术的需要而产生不同类型的模块，扩大了各种机械手在设计中的应用领域，这也是目前机械手的一个重要发展趋势。1.3.3机电一体化现如今，分拣机械手已经不单单只是一个单独的机械装配，而近几年新诞生的机械手样式也不再是结构单一，且无法灵活移动和夹持物件重量过低的传统老式机械手了，控制机械手进行分拣操作的则是控制系统。本毕业设计计划应用由“可编程序控制器-传感器-液压元件”组成的典型的控制系统，该组合仍然是自动化技术的重要方面；尝试将传统液压控制技术从普遍的“开关控制”逐渐发展为高压低精度的“反馈控制”；是节省配线的复合式集成系统，不但大大减少了系统配线、供电连接管道和相关元器件，而且系统安装方便拆卸简单，大大程度提升了系统的工作可靠性。而今，电磁阀的驱动线圈直接输出电压功率已经越来越低，而一个plc的驱动线圈直接输出电压功率也在不断增加，由一个PLC直接电压驱动出的线圈就会因此大大提高其可能性。随着我国现代科学，工业信息和电子信息技术的快速发展和持续进步，机械手的关键应用领域正在逐步扩大。在这一阶段，机械手不仅广泛应用于当今我国各种传统机械加工行业，如石油勘探，冶金工业，石油，有机化学，船舶等工程设计应用，而且已经逐步发展并逐步扩大它的营销面向我国的各种高科技应用，例如核能发电，航空，导航，制药，生物化学等，以及城市居民的清洁，医疗保健和其他公共服务。在服务行业的应用领域。另外例如，水下打捞工具与管理机器人，抛光打磨工具与管理机器人，打磨的毛刺管理机器人，擦一擦就刮擦的玻璃管理机器人，高压运输电缆线上的特殊作业管理机器人等各种新型军事工业机器人均特别是利用机械手在军事工业上面的应用最为典型。机械手被广泛地应用于各行各业。而且，随着工业现代化和人类社会物质精神生活质量水平的进一步提高和人类社会性的经济性和文化财产生活的日益丰富多彩，未来各种类型的机械手会进入到我们的生活中，而分拣机械手除了在控制系统会迭代更新，自动化水平会更上一层楼以外，最重要的则是分拣机械手本身的结构和使用材料将会越来越适应更高的需求，分拣能力也会逐步提升，与自动化控制系统相结合，其专业性会不断地贴近我们国家对物流分拣及运输方面的期望，其应用市场将蓬勃兴旺。1.4国内外发展现状分析分拣机械手的这些主要优点和基本特性都是非常显而易见的，相对于其他机器人，它们往往不仅能够更精确而且完全无需不知疲倦地持续进行机械工作，简单来说，机械手几乎可以用在一切需要大量重复劳动的场合。随着科学技术水平的不断发展，机械手已经成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、甚至成为计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。在发达国家中，自动化模式下的机械手已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。除物流分拣外，国外汽车行业、目前在电子电器制造行业、工程机械等领域，我们已经大量采用了机械手，以此来保障其产品质量，提高其生产效率，同时也避免了一些工伤事故。目前全球诸多地区和国家对于自动化机械手的应用与实践都表明，机械手的广泛使用与发展表明，机械手在我国的广泛应用是一种可以实现企业和社会生产经营管理效率，推动整个企业和社会生产能力的发展。虽然中国的自动化模式机械手生产及使用也在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。机械手很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机械手和机器人产业发展的一个重要瓶颈。自动分拣系统目前在国外同时期行业的技术相当成熟，但是由于其建设费用和维修成本相对较高，所以维修困难。而国内同时期行业针对物流配送中心的规划建设在探讨的过程中，都还远远不够成熟；国内的实际应用水平，只有当时的邮政物流服务系统中得到了较好的运用，而其它行业却不太合适。所以对于其他物流体系的科学研究以及它们的设备研究，都可以说具有很重要的意义。这样不仅有效地节约了公司的人力资源，而且被广泛运用于铁路客运列车行包办公、食品工业、造纸产品、化学制品、机械制造、超市配送中心、配送、出版社等各种行业中。在一些物流量高度发达的国家，物流数量非常多，其中大量物品都是需要进行分拣之后才可以被分配给客户去实施，所以欧美各国和日本都采用了许多种类的分拣系统，从而完成了分拣这一繁琐而又枯燥的任务。而在我国物流工具制造行业迅猛发展的今天，自动化分拣装置就占据了十分重要的位置。长期以来国内的分拣工艺和技术较为落后，一定的程度上严重影响了我国现代化物流行业的生存和发展，亟待大量引入一种高速而有效的分拣装置，自动化分拣的机械手也正是符合这一要求。1.5国内研究现状对于国内来说，目前市场上的主要自动分拣设备在操作过程中，某些环节还需要有人工的参与，但作业强度已越来越小，完全由机械完成分拣作业。[1]机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点。而现在的自动分拣设备类型多样，分拣效率更是达到了高效、快速、稳定、高质量的水准，这也是科技促进设备发展的结果。[2][3]现阶段就国内市场而言，主流自动分拣设备在操作过程中，某些环节还需要有人工的参与，但作业强度已越来越小，完全由机械完成分拣作业。机械化、自动化、智能化成为现代分拣系统的主要特点。[4]而现在的自动分拣设备类型多样，分拣效率更是达到了高效、快速、稳定、高质量的水准，这也是科技促进设备发展的结果。[5][6]快递自动分拣设备引领传统物流行业进入智能化发展阶段，[7][8][9]高性能的分拣机器人可以适用于不同场景的分拣任务，备受快递企业的青睐，成为物流科技发展的新亮点。[10][11]伴随着物流服务需求的不断增长，自动分拣的效率会越来越好，分拣技术也会更智能、更人性化。[12]1.6目的及意义现代化的计算机网络科学和信息技术的确是一场新型产业革命，将整个西方世界的知识经济由传统资本主义经济模式引入并带到了现代知识经济的新发展时代。在现代电子信息世界的各个领域，从20世纪时代中的一个新型无线电通信时代也已经开始直到进入21世纪以家用计算机和其他信息电子技术应用为设计核心的一个现代化和智能化新型家用电子系统时代。而传统的机械手控制系统则逐渐发展成熟到与电脑进行互联，使得机械手控制的系统变得更加的智能化，操作也变得更加简易方便。随着工业自动化的进一步发展，机械手(或称工业机器人)的应用将更加普遍，尤其随着我国的物流行业和仓储行业的进一步发展，西欧、日本、苏联和中国等偏远地区的机械手也已经开始了百花争放，未来整个人类经济社会将不断更新各种各样的新型分拣机械手。本项目中所设计的自动分拣机械手隶属于搬运机械手。所谓的搬运式机械手，就是把一个机械手直接安装到一个移动式的平台之上。这种架构使得机械手具备了很大的可以移动操纵空间及较高的运动冗余性，并且同时还具备了移动和可以操纵的功能，这样会使它比其他传统机械手更加优于现代化的机械手，因此在危险工程作业、制造商、服务业等领域具有广泛的应用和发展前景。但由于其结构复杂、强耦合、非线性、不完全等诸多技术问题的出现，都已经使得我们对于搬运式机械手进行研究更加具备了相当的挑战性。机械手设备就是一种通过模仿人手活动的某些操作行为，按照它们给定的操作程序、轨道和时间要求运动来操作实现自动化的捕捉、搬移或者手动操作的一种小型自动化工业机械设备。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅作为机床的上下料装置，是附属于机床的专用机械手，只是单纯且简单的机械装置，无法通过控制系统来进行控制，所用材料均不是最佳选择，手爪的抓力是最核心因素，在受力过程中稳定性不够，因此抓取物件在搬运的过程中会出现各种各样非常多的安全隐患即无法投入到物流体系中来缓解人工劳动压力。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称普通机或通用工业机器人。在广大的物流体系中，分拣作为重中之重，既要确保每一件物品能够准确无误的按照要求分拣到指定位置又要确保机械手在夹取物品时产生的抓力不能损坏物件，同时机械手在重复劳动的过程中也要确保自身保养情况，不因为设计问题出现偏差导致整个分拣流程都会受到影响。现如今由于一般的小型通用式自动机械手都已经可以迅速地根据控制系统需求自动改变其分拣工作流程，适应能力比较强，所以它被广泛认为已经是在不断地通过变换各个行业生产品的种类和各个大型号的小批量自动化的机械生产工艺过程中已经获得了广泛的经济应用。2总体方案设计与指标2.1总体设计规格与相关参数对于使用自动化分拣生产线过程中的分拣机械手和物料分拣管理单位的基本技术需求就是将两个分拣单位有效地相互配合联系起并连接在一起，通过各种温度传感的元器件和中央空调的排气缸等，能够迅速、准确地自动执行物品搬运和物料分拣。设计管理自动化分拣生产线的员工机械手和其他分拣作业单位的员工设计管理原则上要拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工艺流程中的各种模块数量和分布，使得在充分考虑到满足需要的条件基础上，让各种元器件在每一个模块，各种元器件在每一个单元中都能够具有最合理的位置，从而进一步地确定了对于自动化分拣线的结构要求和运行管理控制的技术要求；在设计过程中，计划选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的自动分拣机械手及分拣单元是为了实现通过模块的组合促进流水线的顺利运行，帮助整个物流体系的高效运行。参数说明：抓重：0.3千克；工件尺寸：Φ40mm，厚40mm;定位精度：±1mm；控制方式：①首选点位程序控制（简易且方便，相较于控制卡控制更具有其独有的创新意义）;机械手横移最大距离为800mm。2.2总体方案设计(执行机构、驱动机构、控制机构)2.2.1主体功能设计出如图2-1所示的简易工作台图2-1机械手系统构成简易图本图为最初设计出的简易模式分拣机械手，由此可见，分拣机械手部分作为两条传送带之间的桥梁进行多向运作。底座为圆柱型，依靠曲柄连杆旋转机构进行运动，向外抓取物件，再通过已经准备好的自动系统进行准确的抓取，减少误差。手臂部分可延伸，由手爪进行物件的准确抓取。在该机械手运作的基础上可实现：在工作启动时按住运行按钮，传送带A和B将开始工作。当光电开关检测到工件时，传送带A电机停止运行。继电器工作时，手臂会下降，而下降并到达下降限位开关接近开关，手臂停止下降。夹紧正在工作的继电器，并夹紧工件。大约2秒钟后，机械手臂会上升。当高继电器工作时，机械手上升并到达上限开关并接近该开关。继电器工作时，电机向左转。机械手将电动机向左旋转，然后将工件传送到传送带B上方，机械手向左旋转，并向左按下行程开关。旋转电机以终止操作。另外，机械手下降并到达限位开关接近开关。机械手停止下降并释放工件以释放工件。大约2秒钟后，机械手上升并到达限位开关接近开关。传送带B的马达工作，传送带B推动工件运行，机械手将马达向右旋转，机械手向右旋转以按下向右行驶开关，传送带B马达停止运行，并且传送带电动机再次开始工作，系统运转机械手便可以循环工作。2.2.2执行机构即直接抓取工件的部分，因为与物件接触的方法会有所不同，因此它可分为两种类型，即夹持式手和吸附式手。在该设计项目中，采用了夹持式手部机械结构。夹持式手部由机械手爪和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指制造容易，成本较低，故应用较广泛，本设计决定采用回转型。手部多为两指（也有多指，本设计采用两指）；机械手指指形也有不同设计，常用的指形有平面、V形面和曲面，本设计采用平面方式；另外，根据需要分为外向握法和内向抓法两种，本设计采用外向握法。如上图所示。2.2.3驱动机构驱动机构是该分拣机械手的重要组成部分。根据动力源和具体方面应用的不同，分拣机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。而由于机械手本来就是机器人领域中的一个重要亮点，而与其它驱动方式相比较，液压机械手具有传递动力大、传动平稳性高等优点。本驱动机构计划采用液压驱动，所有动作都可以通过液压实现。如实物图2-2，图2-3所示：图2-2液压驱动夹持型机械手图2-3液压驱动夹持型机械手2.2.4控制系统本次毕业设计由于采用的是可以进行自动化过程分拣运输工件的自动分拣机械手，所以必须肯定做到最终设计出的机械手实行的是自动化过程控制。经查阅文献，亲身到达京东集团物流分拣中心观察和仿真模拟实验表明，PLC技术可以充分运用于该机械手的设计中，使该机械手能够顺利投入市场进行运作，使其拥有自动化水平。特点是以可编微处理器为系统设备设计核心，主要具有系统整体上设计结构简单、容易进行编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和安全使用方便等一系列基本特征。PLC技术已被广泛地成功应用于高压电磁阀流量控制等诸多方面。所以，对于这个需要分拣的工业机械手来说首先能想到的方法就是plc技术。采用这种自控技术不仅能够灵活地让操作人员按照程序设定机械手工作和使用机械手对其进行手动操作，而且这种操作方法节省时间成本、资金成本和劳动成本，操作简单方便；第二，PLC自动控制器的稳定运行性和稳定性良好也是其最终能够成为各种工控系统选择的重要一个原因。因此本设计计划采取三菱FX2N-48MRPLC。（查阅参考文献【17】和参观了解京东物流科技分拣工程得出该结论）控制系统设计在这样一条完全自动化的货物生产线上，由一只分拣机械手把连在a传送带上的每件货物通过传送带接到一条连在传送带上的b上。机械手的整个手臂上升、下降、左转、右向和左旋转、夹紧、放松等各种动作分别主要是通过采用电磁阀自动控制的机械液压动力传动系统来来进行传动工作，并用自动限位控制开关和自动光电开关系统来自动检测各种使用机械手进行运动的身体状况和周围物件的运动位移。传送带上的a、b都可以是由三相驱动鼠笼式异步高速电动机组来进行高速驱动。对于这些电动机也一定要及时做好一些相应的安全防护。PLC（I/O）分配输入元件输入继电器输出元件输出继电器启动开关A0上升电磁阀B1关闭开关A1下降电磁阀B2复位开关C10左转电磁阀B3上升限位开关A5右转电磁阀B4下降限位开关A2夹紧电磁阀B5左转限位开关A3传送带A电机B6右转限位开关A4传送带B电机B7光电开光A6复位电磁阀C4液压马达BO辅助继电器C10，C11，C12表2-2① pb1、pb2系统电路总线和总控制开关，继电器AO、A1② PS1工件检测光电开关，继电器A6③ LS1控制机械手的夹紧与放松，继电器A5④ LS2控制工作台的向左旋转和向右旋转，继电器B3、B4⑤ LS3控制工作台的水平上升与下降，继电器B1、B2⑥ 图上省略左转和右转（A3、A4）、上升与下降限位开关(A5、A2)以及传送带A、B电动机(B6、B7)、液压马达（B0）程序设计左转上升夹紧下降原位左转上升夹紧下降原位 松开下降上升右转松开下降上升右转图2-3上图为实现自动化控制所画的操作流程图，根据上图2-3可以轻松的设计出如下的梯形图：图2-4自动化流水梯形图如图2-4可知，这个程序是严格按照设计要求来编的，程序中加入的M4辅助继电器起到复位作用，启动开关是X0，停止开关是X1，程序中还加入了两个计数器C0、C1。其中计数器C0对下降限位SP2(X2)计数，从而实现机械手到达二号（B）传送带时松开机械手放置物品的控制。计数器C1对上升限位SP1(X5)计数，从而实现机械手在松开机械手放置物品以后上升第二次压到上升限位SP1(X5)的时候实现右转的控制。3机构分析3.1机械手总体设计3.1.1机械手基本形式的选择常见的分拣机械手依据手臂的运动形态来定名称和用途，按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手；(3)球坐标（极坐标）型机械手；(4)多关节型机机械手。经多次查阅资料及在实习单位亲身调研，其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，旋转移动起来更方便，直观上讲更适用于物流分拣作业中，因此本设计采用圆柱坐标型。3.1.2机械手的主要部件及运动对于一个圆柱坐标型分拣机械手来说，根据参考文献【24】得知，该自动化模式下的分拣用机械手的设计需要的基本要求，基本目标和技术任务，为了满足所设计需要的基本要求条件，据实际观察，本论文计划所设计的机械手都应该至少具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转和手臂升降5个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成，分别是①手部，采用一个自动垂直线状的圆形液压传动气缸，通过整个传动液压机构的固定运动角度来轻松完成腕和手部的抓张力配合；②对于腕和手部，采用一个自动定向回转式的圆形液压传动气缸后就可以轻松实现整个手部的自动回转180°；③臂部，采用直线缸来实现手臂平动50mm；④机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。3.1.3驱动机构的选择驱动机构本身就是分拣机械手的重要一个组成部分，而机械手的性能和成本费用等等对它来说有着巨大的影响，这主要依赖于它所采用的驱动设计方案和它们所配备的装置。根据动力源和应用市场的不同，分拣机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、以及电力与动力机械联合驱动四类，本毕业设计的是一种以机械液压驱动为驱动机构的专用机械手，它的性质具有机械结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、驱动控制能力强等主要特征。所以，用于物流分拣中的机械手为保证工作效率，运输速度，液压驱动则是不二之选。3.1.4机械手的技术参数列表一、用途：搬运：用于快递物件搬运二、设计技术参数:1、抓重：6kg(夹持式手部)2、自由度数：6个自由度3、座标型式：圆柱型底座4、最大工作半径：160mm5、手臂最大中心高：100mm6、手臂运动参数：伸缩行程650mm伸缩速度400mm/s升降行程250mm升降速度200mm/s回转范围0~270°回转速度60°7、手腕运动参数：回转范围0~270°回转速度90°8、手指夹持范围：棒料：90~160mm片料：面积不大于1㎡9、定位精度：±1mm3.2机身的总体设计按照机械设计的基本要求，机械手臂就需要通过设计实现能够回转180°的四个回转方向运动，实现机械手臂的回转运动的机构通常设计在机身处。为了找到能够通过设计分析得到合理的各种人体运动机械部件，就常常需要对此进行各种综合合理地设计考虑，分析。机器人身上支撑着一个手臂，作为回转，升降等运动，它们是机器人的重要部件。常见的机体结构主要有以下几类:将自动回转器的气缸位置放在自动升降后的悬架结构中。该类壳体结构的最大优点之处在于它不仅能够同时需要承受更多的重力偏重和更大力矩。其中的缺陷主要表现在于传动回转式电机运动时由于电机传动轴与电机的回转路径距离很长，而且传动花键轴的运动变形常常会给传动回转式电机运动时的精度提高带来很多的不良影响。将两个回转式的气缸全部放入并移到自动升降机台面之上。该传动系统的外部结构设计选择了一个单缸导向活塞杆，内部传动为单缸导向，结构紧凑。但是，由于回旋式气缸和机械手臂的运动的一部分可以形成高速升降机，所以用于运动的机械部件的总数很大。活塞杆气缸和齿条齿轮机构。臂的旋转必须根据齿条齿轮机构完成：齿条的往复运动立即推动与臂连接的齿轮，使其在紧密协调的情况下作往复旋转，从而使臂可以上下移动顺利。图3-1分拣机械手CAD样式图分析：经过多次验证后综合分析思考，本文的设计方案选择了将回旋缸直接放入升降缸之上。本毕业设计设计的新型机身向两个不同方向平行运动，机身横向回转及机体升降两个不同方向。如图2-1所示，可回转式运动的机构机身是一种可装置于活动升降机主气缸之上的活动机身。手臂滑动部件通过手臂回转时气缸上部的端盖下部进行滑动连接，回转时气缸下部的滑动片通过回转缸体上部进行滑动连接，机械手手臂根据缸体情况进行回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆全部结构采用空心，内部安装有一个空心花键轴护套和一个空心花键轴相互配合。这种新型的机械传动结构主要特点是由于导向杆直接位于内部，结构紧凑。驱动控制机构主要采用电动模式下的液压驱动，回转进入气缸通过两个驱动输出两侧油孔，一个是进油孔，一个是排油孔，进油口的两侧分别通向气缸，使其旋转到气缸驱动器叶片的两侧，然后合理地完成了旋转气缸和驱动器叶片的双重旋转。旋转的旋转角度通常取决于挡块的旋转尺寸级别，以做出性能决定。对于这种刀片设计，每个人都必须考虑可以在两个旋转刀片之间连续旋转的角位置和旋转角度。为了更好地满足该刀片设计的性能要求，在这种设计中，可以适当地选择旋转转子和两个静态板之间的旋转角度以旋转180°。4关键部件设计与校核4.1机械手手爪的设计计算4.1.1选择手抓的类型及夹紧装置本设计是平动搬运机械手的设计，手爪的作用是整个分拣机械手所有结构中最重要的部分，也是直接直观上决定了机械手最终设计的是否成功，考虑到所需达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为6Kg。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。对于吸附式机械手来说，常用于吸附工件表面平整、面积较大的板状物体，应用广泛程度不如夹持式机械手，因此不适合用于本方案设计。本自动分拣机械手采用夹持式手爪，夹持式的运动机械手根据其进行运动时的方式大致来说可以将其划分两类为纵向旋转型或者来说是横向平移式。平移型夹持手指的手掌张开或者手指闭合主要是手指依靠一只手指在一个平行物体上方的移动，这类型的手指由于整体结构简单，适用于直接夹持一块放在平板上的任何方料，且由于夹持工件的材料径向移动大小和在尺寸上的变化并没有直接因素影响工件到其材料中心和夹点的移动位置，其理论夹持误差零。但是若是要采用一种非常典型的自动水平移式机械手指，驱动力必须不需要被附加到驱动手指水平移动的各个方向上，这样就可能会直接导致手指结构更加复杂而且运动体积巨大。显然这种选择类型的值是不恰当的，因此我们也许可以重新选择该值的类型。通过综合考虑，本设计选择两根机械手指的回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧器的两种选择中第一种通常用的是手指分开弹簧夹紧器，它在此时弹簧的手指动力加大作用下由于此时机械手的手指动力加大使此时人们的手指被握住和，在机械压力和压力油的推动作用下，弹簧被压缩，此时机械手指可以张开。图4-1机械手机身结构示意图/proe图4-2机械手手爪示意图/proe4.1.2手抓的力学分析接下来对其基本结构进行力学分析：①滑槽杠杆图4-1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。(a)(b)图4-1滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指2——销轴3——杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交F1和F2的延长线于A及B。∵∑Fx=0∴F1=F2（4-1）而由∑Fy=0得F1=F2cosαF1=-F1’（4-2由=0得h（4-3）∴F=（4-4）式中a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）；——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好的取值范围在30°到40°之间4.1.3机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的抓取精度控制设计一般要求对移动工件的抓取定位精度准确，抓取移动精度高，重复抓取定位的移动精度和工件移动时的稳定性良好，并必须具备工件足够的重复抓取移动能力。机械手如何掌握能否准确地快速夹持大型工件，把这些大型工件快速传递或达到其需要指定的工作位置，不仅主要直接取决于一个机械手的夹具定位精度(主要由其对手臂部、腕和背部等各种大型运动机械零件的定位大小精度决定)，而且还与一个机械手对夹具支持的定位误差敏感程度及其大小密切关联相关。特别是在各类多功能品种的中、小批量工件生产中，为了能够适应每个工件的最大尺寸在生产规模上一定很大程度内的发生变化，一定都需要对每个工作台的时间长度进行相当大的质量夹持和精度测量。图4-3手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm-180mm。一般夹持误差不超过1mm，分析如下：工件的平均半径：（4-5）手指长，取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：（4-6） 计算：（4-7）当S时带入有： （4-8）∴夹持误差满足设计要求。5结论就控制系统简单来说，该分拣机械手的设计所匹配的plc系统能够发挥强大的自动化分拣能力，可以根据物体的大小，颜色进行现场调试从而快速的进行调整和分拣。该系统具有良好的开放性能，可用来分拣材料、零件、工具等不同种类的物件；为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专用系统。而本论文设计的自动分拣机械手，主要适用于从事大批量或者小规模的大型工件分拣和装配工作，尤其在物流运输线和生产线中最为突出。机械手需要采用的结构和动力驱动都被认为是一种精度很高，适用性好的元器件。所需要采取的plc可编程控制器也就是简单容易操作，在工厂的现场实际生产操作中，可以起到很大的功能。这套装置的设计精妙，维修方便，即使只是经验不够丰富的专业一线作坊技术人员均能在设备上处理简单的故障情况，从而能够进行迅速有效地紧急维护。这种装配电池设备所需要使用的原材料等同样也是价格低廉，方便了各个小型加工厂大批量购置，对于生产的实际过程中也可以起到非常重要的促进作用。这套分拣设备的全部设计是直接采用一种模块化的结构设计，从而把传统的机械组成部分直接进行延伸到其它方面的设备组成部分，方便于快速安装，等同于为了方便于快速适应各种各样各类工件的分拣，而如果在后期内部加上了一些新型的光电质量检测和元器件分拣开关，那么就等于可以更加有效地对更多不同工艺品种的各类工件分拣进行高效快速的工件分拣安装操作，方便于快速适应不同工件生产厂家的不同工艺要求，后期的可持续性和开发性会越来越好，实用性和后期适合性的范围也是非常宽泛。6总结与展望经过这次的毕业设计整个流程走下来，我的收获相当大，在整个实践环节中我学到了很多知识，同时也提高了自身的实践能力。在这次的设计中我们也发现了很多的问题，对于工作中出现的一些问题，我们都尝试翻找了很多相关专业的书籍进行了学习，查阅各种各样的文献，明白以前所学的大部分都是一些理论性极强的东西，写过的课程论文等等都是研究的皮毛而已，而此次毕业设计却是一个实际可以运用的设计。与此同时对应查找了许多相关资料，和指导老师进行了讨论。理出基本的结构框架，研究背景、目的及意义，再查阅并汇总机械手的发展现状和前景，思考为什么物流体系中离不开分拣机械手，机械手又是如何让它在自动化模式下进行运转的，用什么控制系统达成机电一体化比较合适且减少成本。一个完整的思路形成后投入实践，分析设计指标，计算具体机构所形成的力，分析出机械手在PLC的作用下分拣时所具有的属性和特点，最后得出结论。以前我们所学到的知识再经过时间的打磨之后进行总结和归纳，对于机械类和电子工程等各种专业的知识也都要分别去总结，唯