《自动分拣机械手的设计》8900字（论文）

V摘要机械手的基本原理是一种工业机械，它可以模拟人的手臂或者上肢来进行运动和抓取，该设备不但可以根据工作需要自动抓取、摆放材料，还可以自动握住各类刀具，用于控制和操纵。这对加速推进物流系统中的分选工作的全面自动化、促进现代物流的发展，对促进物流发展是非常有必要的。所以，在国际上，分拣机械手的市场份额越来越大，在物流分拣行业中得到了广泛的关注，也得到了广大的机械工程师的热烈欢迎。同时，在物流生产线和分选系统中，机械手的应用更加广泛。从目前的情况来看，目前的工业分选机器人已经发展成一种可以完全取代人工的高负荷机械作业，使公司工人的劳动强度降低，它能有效地促进工业的自动化应用，提高工业的劳动生产率，使其在运输、分选等方面的优势得到了充分的体现，因而在工业上具有广阔的发展前景。本论文主要研究一种体积小、价格低廉、与传统并联分拣机械手相比的自动并联分拣机械手。该机械手具有更好的性能。这种机械手最大的特点就是利用基于单片机的智能控制技术，可以让机械手的每一个零件都拥有高度的智能化，可以方便的进行不同的操作，避免了工作过程的重复，提高了工人的工作效率，尤其是降低了工作费用。所以，这种分选机械手非常适合于中小型和私营机构的发展和使用。关键词：机械结构；自动分拣系统；分拣流程；整体设计一、绪论在当前的社会发展形势下，我国的经济发展速度很快，政府出台了一系列做出来大力扶持物流行业和中小物流企业。随着人们生活水平的不断提高，工作效率的不断提高，对产品的要求也越来越高。同时，也有新的产品被应用到了分拣工作中，其中有几种是高风险的，对人体造成了很大的危害，而另一种则是不适合人类工作的，而机械臂则是最适合做这种危险工作的替代品。机械手是一种重要的工业机器人设备，又称为工业机械手。在今天的物流业和制造领域，为了提升运输效率，为了保证产品的品质，一般都会把物流系统中的分选和生产流程自动化作为一个重要的发展目标。工业机械手已被越来越多的企业所接受和采纳，成为了自动化运输线中的一个关键环节。而机械臂的操作技术和操作水平，目前主要从事焊接、喷涂、搬运、堆叠等工作。而机械手的作用是非常关键的，这是一个非常重要的环节。机械手是一种电子机械设备，模仿人类的身体，机械手是一种类似于人体的机械电子设备，它更像是人的手，能够更好地完成更多的工作。随着人类技术的不断发展，越来越多的智能机械将代替人类，给人们带来更多的方便。随着科技的快速发展，各种机械的性能、效率、智能程度不断提高，其使用的领域也日益广泛。并且，随着工业机器人技术的发展，其智能水平越来越高，其应用领域也越来越广泛。在工业领域，工业机器人的数量越来越多，成为了推动智能产业发展的重要力量。特别是近年来，随着各个行业的迅速发展，新的工艺和设备的应用，给国内的工业生产提供了新的发展空间。随着工业的迅速发展，以机器人为代表的智能化设备行业的发展已经成为了一个重要的标志。机械手模拟人体的肢体活动，一般的机械手由专业的运动控制器进行，而仅对运动进行控制的PLC，根据特定的程序、轨迹和指令，自动识别、自动捕捉、搬运、手动操纵等自动化技术。通过在供电线路上装有特殊功能的传感器，能够迅速作出反应，并且，它可以根据其使用的环境和性能指标，对其进行专门的性能分析。该机械手还可以长期持续工作，准确度高，并且能够适应恶劣的环境。从一定意义上说，这是整个工业生产的机器和设备的演化过程。另外，在工业和非工业领域，它也是重要的制造和维修机械。在智能化生产技术中，自动化程度高，是一种具有自动化功能的机器装备。将工业机器人引入到生产中，能有效地提高生产的自动化水平，减少劳动生产率，保证产品的品质，保证安全。尤其是在高温、高压、低温、低压、烟尘、易燃、爆炸的工作环境，在恶劣的环境中，如有毒的气体和辐射，工业机械手能取代任何人的日常工作。目前，PLC程控机械手已经被广泛应用于机械加工、模具、铸件、锻件、电焊、热处理、电镀、喷涂、安装、轻工业及交通等领域。二、总体方案设计与指标（一）总体设计规格与相关参数在采用自动分选设备时，分选机械手和分选设备的技术要求是将两台分选设备高效地结合起来，利用不同的温度传感器元件和中央空调的排气筒，快速、准确地进行物料的处理和分类。自动分类流水线的设计与管理人员操作人员的设计与管理，原则上应制定出最合理的操作流程，以达到系统的功能适应于各种工作环境；确定流程中各个模块的数目和分配，以便在满足需求的前提下，使每个组件在运行中都能找到最合理的位置，由此，对自动分拣生产线的结构和操作、与管理的技术需求进行了探讨；在进行设计时，既要兼顾通用、特殊性，又要灵活地进行变换和编程，又要考虑到标准零件的选用，从而简化产品的设计过程。本文所设计的自动分选机械手和分选装置，旨在使生产线能够通过各模块的结合，使生产线能够更好地运转，从而提高整个物流系统的效率。控制模式：①优先选择点编程（简单、简便，比控制卡控制更具创新性）；机械手的最大横向移动距离是800毫米。（二）总体方案设计1.主体功能设计一个简单的工作台，见图2-1。图2-1机械手系统构成简易图这张图是原设计的简单型式分选机械手，可见，分拣机器人在两条传送带之间扮演多个方向的角色。底部为圆柱形，采用曲轴连杆旋转装置，将物体从外部抓起，然后由预先设定的自动装置精确地抓取，以减小误差。可伸展的臂部，通过手爪精确地抓取物品。基于这种机械手操作，可以实现：当工作开始时，按下运转键，输送器A、B就会工作。当光电转换器探测到工件时，A电机就会停止工作。在继电器工作的时候，手臂会向下，当下降的时候，在靠近开关位置时，它会停住。在工作时夹紧继电器，夹持工件。大约再过两秒，它就会举起自己的手臂。在高保护装置工作时，工作臂将上升并接近最高的开关。当继电器工作时，马达会转向左边。机械手把马达转向左边，再把它转移到输送机B的上面，机械手把它转向左边，再把它往左边推。把电机转动，使其停止运转。另外，操纵臂下降，到达极限开关的接近开关。机器人的手臂停了下来，将工件松开，使其脱离。约2秒后，机械手手臂升起，达到极限开关的靠近开关。输送机B的电机工作、输送机B驱动工件，机械手将电机转向右侧，机械手手臂向右侧转动，按下右侧移动按钮，输送机B电机停止工作，再起动传送马达，使系统操纵机械臂能正常工作。2.执行机构执行机构，即直接抓住工件，由于与物体的接触方式不同，所以可以将其分成两大类：夹持式手和吸附式手。本课题采用的是手抓机构。该手爪包括一个机械手和一个传动装置。手指是与物体直接接触的部件，手指的运动方式主要有向后过渡和移动。由于回转式手指制作简单、费用低廉，因此得到了广泛的使用，因此本设计中采用了回转式。双手多为两指（当然还有多指，此方案为二指）；机械手的指型也有多种设计，常见的有平面型、V型面、曲面型，而这次的设计是平面型；此外，按要求可分成外握与内抓，此设计使用外向握持。就像上面显示的那样。3.驱动机构驱动装置是分拣机械手中的一个关键部件。分类机械手按动力源和各方面的应用，可分为四种类型：液压式、气动式、电动式和机械式。由于机械手一直是机器人行业的重点，所以相对于其他传动方式，液压机械手具有传递功率大、传动平稳性好的特点。此传动装置为液压传动，一切运动均由液压完成。如在图2-2中、在图2-3中显示：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4.控制系统因为这次的毕业设计使用了自动化的自动分选机械手，因此，最后的机械手手臂必须是自动化的。通过参考相关资料，通过对京东物流配送中心的现场观测和模拟试验，表明PLC技术可以很好地用于该机器人的设计，并取得了良好的效果。实现了机械手的自动化程度。其特点是以可编单片机作为设计的核心，其主要特点包括：总体设计结构简单，易于编程，性能优越，可靠性高，灵活通用，使用安全。PLC技术在高压电磁阀的流量控制等领域得到了广泛的应用。因此，要进行分类的机械手，第一个想到的辅助工具就是plc。该自动控制技术既可根据编程要求进行自动控制，也可由机械手进行人工操作，节省时间、资金和人力成本，操作简便、快捷；第二，PLC的稳定性也是它能被广泛应用于多种工业控制系统中的一个重要因素。所以，本公司拟以三菱FX2N-48MRPLC为主要产品。控制系统设计在这种全自动化的装货流水线上，每个装在a输送机上的物品都是由一个分选机械手连接起来的。机械手的整个手臂上下、左右旋转、夹紧、放松等操作，都是由机械液压驱动的电磁阀来完成，并利用自动的限位和光电转换装置，实现机械手的工作状态和周围物体的移动。在输送皮带上，A、B均可采用三相传动的鼠笼式异步电动机，实现高速的传动。同时要注意对电机进行适当的保护。PLC（I/O）分配表2-2在附图中，省略了左、右转弯（A3,A4)，升降限制开关A5,A2，传送带A,B马达B6,B7，液压马达B0。程序设计图2-3上述流程图是用来进行自动控制的，按照上图2-3，可以很容易地按照下面的步骤来设计：从图2-4可以看出，该程序是严格按照标准设计的，另外，M4的副继电器作为复位功能，使开关X0、停止键X1、将2个计数器C0、C1加入到程序。这里，计数器C0计算降低极限SP2(X2)，从而，当机器人到达二号（B）传送器时，可以释放机械手臂的放置。计数器C1对升高限制SP1（X5）进行计数，由此，当机械手释放所述物件之后，机械手能够进行向右转向的控制。图2-4自动化流水梯形图三、机构分析（一）机械手总体设计1.机械手基本形式的选择通常的分类机器人按照机器人的运动方式来命名和使用，根据其坐标的形状，大体可分成四类：(1)直角座标式机械手；(2)圆柱座式机械手；(3)球形座标（极坐标）式机械手；(4)多关节式机械手。通过大量的参考资料和实地考察，发现圆柱坐标式机械手具有结构简单、精确、占用空间少、转动和运动更方便等优点，适合于实际的物流和分类工作。2.机械手的主要部件及运动在一个圆柱座标分类机械手，在此自动化作业模式下，根据实际情况，依据设计要求和技术要求，本论文提出的机械手应具有五个自由度：手持、张合、手部旋转、伸臂；手臂转动，双臂向上。本设计的机械手主要包括4个大零件和5个液压缸，其中：①机械手，采用了一个自动竖向的环形液压缸。利用液压传动装置整体的运动角度，方便地实现腕部与手部之间的牵引力；②在腕部、手部，使用一套自导向旋转环形油缸后，即可轻易地完成全手180度的自动旋转；③臂部，使用了一根直筒，可使手臂平移50mm；④机身：使用一条直线油缸，一条旋转油缸，可完成机械手的提升和旋转。3.驱动机构的选择驱动机构是分选机械手最重要的部件之一，其性能、成本等因素都会对其产生很大的影响，这是因为它的传动装置和传动装置的设计。分选机械臂按动力源和市场情况分为四大类型：液压驱动、气动驱动、电力驱动和动力驱动。这是一个特别的机械手，该机械结构简单，体积小，重量轻，控制方便，驱动控制能力强。因此，在物流分拣中，为了确保作业效率、运送速度，采用液压传动是最好的选择。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:手腕运动参数：手指夹持范围：9、定位精度：±1mm（二）机身的总体设计从基本的机械设计要求出发，机械手必须设计成可旋转180度的四个旋转方向，而实现机械手旋转的机构一般都是在机身上。由于该结构具有非线性、大变形、强耦合等特性，所以对其进行建模、动力学、振动控制等方面的研究成为当前的研究热点。随着工业的迅速发展，机械振动问题日益突出。并逐步向精密、大型化、高速化方向发展。随着现代技术的不断进步，对精密零件的质量要求也越来越高。随着科技的快速发展，各种机械的性能、效率、智能程度不断提高，其使用的领域也日益广泛。特别是近年来，随着各个行业的迅速发展，新的工艺和设备的应用，给国内的工业生产提供了新的发展空间。随着计算机、电子技术的飞速发展，工程机械的大型化、高速化、连续化、自动化的发展，将会给工程机械带来新的发展机遇。因而，机械臂在各个行业中的应用日益广泛。机械手有一只手臂，用来做旋转、提升等动作，在设计过程中，要寻找合理的人体活动零件，往往需要进行综合合理的设计与分析。是整个操作系统中最关键的部分。一般的机体结构可分为下列类型：将自动回转装置的汽缸放置于悬挂机构内，然后再进行自动提升。这种结构的最大优势是，它既可以承受较大的重力，又可以承受较大的力矩。它的缺点是，当驱动旋转马达转动时，马达的传动轴和马达之间的旋转轨迹较远，同时，花键轴的移动变形往往会对驱动旋转电动机的精度产生不利的影响。把两个旋转的汽缸全部装入和移动到升降平台上面。它的外形是一种单缸驱动的活塞杆，它的结构非常的紧凑。但是，由于一部分的转鼓和机械臂可以组成一架高速升降机，因此，整个移动机构中的机械零件数量相当庞大。活塞杆汽缸及齿条传动装置。由齿条传动装置带动转动：由齿条的往复运动，使与机械手相联接的齿轮受到直接的作用力；使之能进行往复转动，使机械手能平稳地上下运动。图3-1分拣机械手CAD样式图分析：在反复的测试和综合考虑之后，提出了一种将旋转气缸直接置于升降机上的方法。这种新型的飞机可沿两个不同的方向进行平行运动，可实现横向转动和竖向升降。从图2-1可以看出，可旋转移动的机械机体是一种可移动的机身，它可以安装在可移动电梯的主汽缸上面。在旋转过程中，臂滑块与汽缸上部端盖的下部可滑动地联接，在旋转时，汽缸下部的滑块与旋转缸体的上部形成滑动，该机械手可以根据汽缸的情况进行旋转。该转鼓的旋转轴线与提升汽缸的活塞是一个整体。活塞杆是中空结构，在其内侧装有中空花键轴护套和中空花键轴。其特征在于：导杆直接安装于室内，且结构紧凑。传动控制机构以电液方式为主，转向进入汽缸，由两个传动输出侧的油孔组成，一个为进油口，另一个为排气口，进油口的两边各通到汽缸，这样就可以实现汽缸与驱动刀片的双重转动。转动的转角一般依赖于制动器的转动大小来作出性能判断。在这样的刀刃设计中，设计人员都要考虑到一个角度和一个转动的角度，这个角度可以在两个转动的叶片之间不停地转动。为达到此刀片的设计要求，此方案可适当地选取转动转子与两静盘的转动角，使其转动180度。四、机械手手爪的设计计算（一）选择手抓的类型及夹紧装置该系统是一种平动式移动机器人，其功能是分选机械手最关键的部件，它直接影响着机械手的最终设计。手抓张合角=，该夹具的重量是6公斤。一般工业机械手的手爪，根据抓取工件的机理，可分成两种类型：抓取与吸收。吸附式机械手通常用于表面平整、大面积的吸附体，其使用范围远小于夹持式机械手，故不宜在此方案中使用。该自动分选机械手使用的是一种夹具，它的移动方式可以分为两种，一种是垂直旋转，一种是横着走。平动式五指握拳时，手掌张开或合拢，是指通过一根手指在同一物体上的运动，因为这种手指的结构比较简单，可以直接将一片放在平板上的方料夹在一起，而且因为夹持工件的物料的径向运动幅度和尺寸的改变，该方法不会对工件的材料中心及夹持点的运动产生直接的影响，理论上是零夹紧误差。但若要使用一种标准的自动横向移动机械手，那么就不能在不同的方向上施加驱动力，从而使驱动手指的结构变得更复杂，动作也变得更大。很明显，这个选择类型的数值是不合适的，所以我们可以选择一个新的值。经过一番权衡，选择了两个机械臂的回转手持，并采用了滑槽杆。两个选项之一，第一个选项是手指松开的弹簧夹持器，在这个时候，由于机械手的手指的力量增加，机械手指的力量会增加，这时候，而在液压的双重作用下，弹簧会被压紧，此时，机械手就会松开。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/proe（二）手抓的力学分析从机械角度对其结构进行了分析：①采用了滑槽式杠杆型，参见图4-1A。(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——杠杆由于杠杆3的动作，引脚2向上的拉力为F，并通过销钉的中心O，因此，手指1的滑动通道对销的作用力是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）a-表示旋转支点到对称中心的距离（mm)；——在抓取工件时，手指的滑行轨迹与旋转支点间的夹角。根据分析的结果，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。（三）机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的抓取精度控制，通常需要精确的抓取、定位、反复抓取等运动，以及在运动过程中保持较高的运动、以及具有充分的反复抓取运动能力。机械手如何能够精确、迅速地抓取较大的工件，并将它们迅速地传送至要求的工作位置；这不仅直接取决于机器人手臂的固定精度（很大程度上是因为机器人手臂对各种大的运动机械零件，如手臂、手腕和背部）的精确定位，也与机械手对所述夹具支撑的灵敏度和尺寸紧密地联系在一起。尤其是在各种多用途品种的中、在生产小量零件时，为保证各零件的最大尺寸，这就需要对单个产品的长周期，严格的品质管理和精确的测量。图4-3手抓夹持误差分析示意图基于杆料，对机械手的夹紧误差进行了分析。该机械手可在80毫米至180毫米之间夹持。一般的夹紧误差不超过1mm，因此：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）∴夹紧误差符合设计要求。五、结论简单的说，这台分选机械手的设计和它的plc系统有着很强的自动分类功能，能够迅速地对各种大小、色彩进行调节，并将其归类。这个系统是非常开放的，可以对各种物品进行分类，如材料、零件、工具等；一种特殊的系统，它具有可变化的和可编程的操作，以完成各种任务。本机能适应不同工业领域的需要，并能根据不同的生产需要，对产品的外形和台面进行匹配，从而达到自动操作的目的，能充分满足不同行业的客户需要。在不同的生产环境中，操作者可以根据不同的工作方式，不同的轨迹，不同的力度，来满足不同的工作环境。可单独使用，也可结合使用，并可按客户的实际生产要求，专门装配。机械装置的作用日益增强、效率和智能，其应用领域也日益广泛。而采用先进的技术装备，可以使企业的生产效率、产品质量、成本、经济效益和社会经济的发展。本文所研制的自动分选机械手，是一种适合于大批量、小型零件分类与组装的机械手。特别是在物流、运输、流水线等方面。机械手所需的机构和动力源均被视为具有高精度、高适应性的元件。所需要的PLC控制系统非常简单，能够在实际的工厂生产中起到重要的作用。该装置构造精巧，易于维护，即便是没有任何经验的车间工人，也能快速、高效地运用这一机械设备解决各种问题。组装电池所需的材料也很便宜，可以让一些小作坊大量采购，在生产的时候，也能起到很好的推动作用。整个分选装置都是采用模块化的设计，将传统的机械部件直接连接到其他部件上，这样就可以更快的完成各种零件的分类，这就相当于一种简单的分选，如果再加入一种新的光电品质检测和分选开关，就能轻松完成所有的工作。这样就能更有效地对各种类型的零件进行分选、组装，方便快捷地满足不同的工件制造商的加工需求，随着时间的推移，可持续发展的能力将会不断增强，而且适用性的范围也会越来越广。

致谢通过几个月的摸索与研究，我的毕业论文得到了很好的改进与完善。而这篇论文的成功离不开老师和同学们的帮助，因此我要在此对他们表达谢意。最先需要感谢的就是我的论文导师，他在我论文出现问题的时候，并没有严厉的指责我，而是耐心的告诉我，论文中有哪些不足的地方。正是因为他耐心的态度我才能在遇到问题的时候能够鼓起勇气向他请教，这才有了如今这样近乎完善的论文。并且在分析和研究的过程中，很多方面的工作我无法一个人完成，都是老师给了我很多帮助，才使得我能够顺利完成。所以我要感谢一下我的论文指导老师，他传授给我的那些宝贵的写作经验以及专业知识将会使我一生受益。此外我还要感谢我的各科老师们，我们学生刚入学的时候，就像一张洁净的白纸，通过几年的学习，原先还是“白纸”的我们被老师们培养成了一张张优秀的“答卷”，成功走向社会，为社会做贡献。我们能成长成现在的样子，都少不了老师们的辛勤付出。在这篇论文即将完成的时候，我有许多感慨的地方。老师的叮嘱和教诲仍在耳边，同学们的笑脸仍浮现在眼前，我们就要分别了。在以后的生活中，我会继续努力生活，努力学习，为社会发展贡献自己的力量。

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