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山东大学毕业设计（论文）姓名：张通11论文摘要本次毕业设计的题目为四自由度工业机械手的设计。本设计是根据三年专科所学的课程进行的，主要有：机械零件设计，机械零件图测绘，液压与气动技术，PLC电子编程技术，理论力学，工程力学等。设计共分为六章，第一章绪论是说明本次毕业设计的目的，意义，研究范围及要达到的技术要求，简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。第二章总体设计以及总体说明，对工业机械手的工作原理、组成及其种类型式进行介绍，确定整个机械手的总体方案。第三章工业机械手的机械部分设计，是介绍各部件的选择及相关数据的确定、性能的分析和各参数的计算；第四章工业机械手驱动系统（气动系统）的设计，包括：回路设计，执行元件选择，控制元件选择以及动作顺序表等进行介绍。第五章工业机械手的电气控制系统的设计，主要介绍了PLC的程序梯形图。第六章是设计的总结。在本次的毕业设计中，能顺利的完成，最重要的是由三位优秀的，具有丰富经验的导师王晓初和李克天老师的详细耐心的解说，教导。而本人也通过《毕业设计指导书》、《机械设计手册》、《可编程序控制器》以及参考其它有关机械手设计的专业书籍,经过十三周的努力终于把此毕业设计编制而成。关键字：机械手，气动系统，PLC，22目录1绪论―――――――――――――――――――――――――――――――――――--31．1课题设计的论述--――――――――――――――――――――――――――――31．1．1工业机械手的技术概述--――――――――――――――――――――――31．1．2现状及国内外发展趋势--―――――――――――――――――――――――41．2工业机械手设计的基本步骤----――――――――――――――――――――――52总体设计――――――――――――――――――――――――――――――――――62．1设计的基本内容――――――――――――――――――――――――――――――62．1．1总体说明――――――――――――――――――――――――――――――62．1．2驱动方式的选择和设计―――――――――――――――――――――――62．1．3整体机构的确定--――――――――――――――――――――――――--73工业机械手的机械部分设计–--――――――――――――――――――――――83.1工业机械手的规格参数―――――――――――――――――――――――――83.2工业设计手的参数计算――――――――――――――――――――――――---83.2.1手部质量计算―――――――――――――――――――――――――――-83.2.2机械手的爪部夹紧气缸的选择―――――――――――――――――――--93.2.3腕部传动气缸的选择―――――――――――――――――――――――--103.2.4伸缩气缸的选择――――――――――――――――――――――――――--113.2.5对伸缩导杆的校核―――――――――――――――――――――――――--123.2.6配重计算―――――――――――――――――――――――――――――--133.2.7升降部分计算--―――――――――――――――――――――――――――143.2.8对升降导杆的核算――――――――――――――――――――――――---153.2.9挠度计算―――――――――――――――――――――――――――――---153.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算――――――――――――――――--164工业机械手的控制部分设计―――――――――――――――――――――――174．1回路计算――――――――――――――――――――――――――――――――--174．2执行元件选择――――――――――――――――――――――――――――――174．3控制元件选择――――――――――――――――――――――――――――――184．4执行元件用气量的计算和空压机的选择――――――――――――――――――214．5气动元件的清单―――――――――――――――――――――――――――――224.6动作顺序表―――――――――――――――――――――――――――――――235电气控制系统设计――――――――――――――――――――――――――――255．1电气控制方案设计和元件的选择―――――――――――――――――――――255．2PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计――――――――――――255．3PLC梯形图的设计――――――――――――――――――――――――――――255．4PLC的控制程序――――――――――――――――――――――――――――――25总结致谢参考文献331绪论1．1课题设计的论述机械是现代社会进行生产的主要要素之一，机械制造工业是现代工业化国家的基础工业，是我国社会主义现代化的重要领域之一。机械设计是从使用要求等出发，对机械的工作原理，结构，运动形式，力和能量的传递方式，以至各个零件的材料和形状尺寸，以及使用维修等问题进行构思，分析和决策的工作过程，这种过程的结构一般要表达成设计图纸，说明书以及各种技术文件。机械设计是机械生产的第一步，是决定产品性能及影响产品制造过程的首要环节。因此，机械设计课程是讲授一般工作条件和常用参数范围内的通用设计的课程。1．1．1工业机械手的技术概述㈠工业机械手的工作原理和分类⒈原理机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。⒉分类工业机械手的种类很多按使用范围可分为：专用机械手、通用机械手。专用机械手——一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可以附属与工作机械设备。通用机械手——独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。按驱动方式可分为：液压机械手、气压机械手、电动机械手和机械式机械手。液压机械手——输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，油温对油的粘度影响较大。气压机械手——气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不大稳定，冲击大，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。电动机械手——直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单，不需要能量转换机构，维护使用方便。机械式机械手——由工作机械带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。按控制系统可分为：点位控制、连续控制。点位控制——只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用的工业机械手均属于此类。连续控制——工业机械手按给定的速度沿给定的路线（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点是无限的，整个运动过程都要求在控制之下。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。⒊工业机械手的自由度所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作不计在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。自由度数越多，它的动作越灵活，应用越广。但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保44证，整机的造价高，自重大。所以，应按生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目为２～５个。4．工业机械手手臂的坐标形式按照工业机械手手臂所具有的运动及其组合情况，若以坐标形式可分为下列四种：（1）直角坐标式手臂的运动是由三个直线运动组合而成。（2）圆柱坐标式手臂的运动是由两个直线运动和一个回转运动组成。（3）球坐标式手臂运动是由一个直线运动和两个回转运动组成。（4）关节式手臂运动是由三个回转运动组成。㈡工业机械手的结构组成目前国内工业机械手的种类和型式比较多。从结构型式分析，主要由执行机构、驱动系统和控制系统等组成。⒈执行机构由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。⑴手部它具有人手某种单一动作的功能。是机械手直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位准确、小损伤工件。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型结构比较复杂，应用较少。平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持变化范围大的工件。⑵手腕手腕是连接手部和手臂的部件，用来改变或调整工作的方位（即姿势）。它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动，如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有小距离的横移。也有的工业机械手没有手腕。⑶手臂手臂是机械手执行结构中的部件。其作用是将被抓住工件传送到规定位置上，它具有手臂伸缩、升降、回转三个自由度。工业机械手的手臂是支撑通常由驱动手臂运动的部件（如油、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。⑷行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作时，可在机座轮，轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。⒉驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。⒊控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡位）系统组成。1．1．2现状及国内外发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1．工业机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至03年的5.3万美元。2．机械结构向模块化，可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体化；由关节模块，连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性，易操作性和可维修性。554．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置，速度，加速度等传感器外，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉，声觉，力觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真，预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”，“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨道规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产