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《机电系统》课程设计说明书课程设计任务书姓名班级学号设计题目简易型机械手的设计设计任务：（1）方案论证；在其基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。（2）驱动系统设计：根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。（3）控制系统设计：确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。（4）传感与测试系统设计：进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。（5）机械本体设计：进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。设计工作量:（1）设计说明书一份（2）CAD图纸5张（3）文档整理排版指导教师设计时间2011年1月3日～2011年1月21日目录第1章绪论……………………………………………………………11.1机械手概述……………………………………………………………11.2机械手的设计目的……………………………………………………31.3机械手的设计内容……………………………………………………41.4机械手的分类及其在生产中的应用……………………………………51.5机械手的应用意义……………………………………………………81.6机械手的技术发展方向………………………………………………9第2章设计方案的论证………………………………………………102.1机械手的总体设计…………………………………………………102.2机械手腰座结构的设计………………………………………………122.3机械手手臂结构的设计………………………………………………142.4工业机器人腕部的结构………………………………………………162.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计………………………………182.6机械手的机械传动机构的设计…………………………………………212.7机械手驱动系统的设计………………………………………………262.8机器人手臂的平衡机构设计……………………………………………33第3章理论分析和设计计算…………………………………………343.1液压传动系统设计计算………………………………………………………343.2电机选型有关参数计算………………………………………………………43第4章控制系统的设计………………………………………………474.1可编程控制器PLC……………………………………………………474.2PLC的选型……………………………………………………………514.3机械手的工艺流程……………………………………………………534.4机械手的PLC控制系统程序…………………………………………57第5章机械手本体设计………………………………………………595.1机械手零部件设计…………………………………………………..595.2机械手总成和零件图…………………………………………...….…61致谢……………………………………………………………………62参考文献………………………………………………………………63第1章绪论1.1机械手的概述机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，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，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。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，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。机械手通常常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。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。1.2机械手的设计目的工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：（1）通过设计，把握有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气压传动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动化机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，是这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，工业机械手的设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化的整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计能力，树立正确的设计思路，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动化机械设计打下良好的基础。（3）通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册及规范，熟悉有关国家标准和部分标准，以完成一个工业技术人员在机械整机设计方面所必须具备的基本技能训练。（4）由于机械手设计工作量比较大，为使学生在短时间内得到完整训练，同学以小组为单位，分工合作共同完成此次机械手设计任务，这样既节省了时间，有解决了量大，时间紧的矛盾，同时最大限度的培养了学生分工协作完成大型设计的能力。1.3机械手的设计内容1.3.1机械手的方案论证根据国内外同类产品现状，设计课题方案。1.3.2机械手的总体设计在方案论证的基础上进行机械手的总体设计，并绘制总体布局图。1.3.3驱动系统的设计根据机械手的特点，选用舍党的驱动方式，根据总体设计要求进行电机选型。进行电机选型相关计算。进行驱动系统零部件的选型和设计。绘制驱动系统布局图。1.3.4控制系统的设计确定机械手的控制方式并进行控制系统的控制与编程。绘制控制系统布局图。1.3.5传感与测试系统的设计进行控制与驱动系统的传感与测试系统的设计。1.3.6机械本体设计进行机械本体零部件设计，绘制总体和零件图。1.4机械手的分类及其在生产中的应用1.4.1机械手的分类（1）油田钻柱操作机械手本产品由山东科技大学研发而成，主要用于钻井时的钻杆、钻铤等的装、卸工作。操作机械手设计有两个，一个坐落在一层台井口旁边2米左右处，简称为下手；一个坐落在二层台上的中心台上，简称为上手。下手的腰部回转角度≥120°，最大伸缩距离为5.7米，有5个运动关节，在手臂做伸缩运动时,手部保持水平平动。上手的腰部回转角度为310°，最大伸缩距离≥2800mm，上手有9个运动关节，手臂做伸缩运动时，手部保持水平平动。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30m；②钻杆重量为：40Kg/m，总重1200Kg；③钻铤（七英寸直径）重量为：180Kg/m，总重5400Kg。（2）硬臂式助力机械手硬臂式助力机械手与气动平衡吊和软索式助力机械手一样都具有全行程“漂浮”功能，区别是在有扭矩产生的情况下无法使用气动平衡吊或是软索式助力机械手，而必须选用硬臂式助力机械手。比如在工件重心远离臂悬挂点，或是工件需要翻转或倾斜情况下，必须选用硬臂式助力机械手，还有在厂房高度有限情况下，可以选用硬臂式助力机械手。硬臂式助力机械手可以实现提升最大500Kg的工件，半径最大可以达到3000mm，提升高度最大2500mm。根据起吊工件重量不同，应选择符合最大工件重量的最小型号的机器，如果我们用最大负载200Kg的机械手来搬运30Kg的工件，那么操作性能肯定不好，感觉很笨重。配有储气罐，可在断气情况下继续使用一个循环，同时会报警，提醒操作者，在气压下降到一定程度，启动自锁功能，防止工件下降。并设有安全系统，在搬运过程中或是工件没有被放置在安全表面时，操作者不能释放工件。上海永乾制造的助力机械手（含硬臂式、软索式）还可以在用户现场气压不足的情况下，增加增压泵，可以使设备运行更加平稳。配合各种非标夹具，硬臂式助力机械手可以实现起吊各种形状的工件。安装形式可以是地面固定、悬挂固定或是导轨移动。（3）软索式机械手软索式机械手的功能与气动平衡吊类似，具有全行程的“漂浮”功能，但是提升位移比气动平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大负载只有450Kg。配有储气罐，可在断气情况下