畢業(yè)設計--氣壓驅動式四自由度教學仿真機械手設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　1 機械手的基礎知識- 1 -</p><p>　　1.1 氣動機械手概述- 1 -</p><p>　　1.2 機械手的組成- 1 -</p>&

2、lt;p>　　1.3 機械手的工作原理- 2 -</p><p>　　2 機械手的機構設計- 2 -</p><p>　　2.1 氣壓機械手的示意圖- 2 -</p><p>　　2.2 機械手自由度的定義- 3 -</p><p>　　2.3 機械手氣缸的分析- 3 -</p><p>　　2.4

3、機械手爪子的選擇- 4 -</p><p>　　2.5 機械手手臂的具體設計方案- 5 -</p><p>　　2.5.1 手臂的伸縮設計- 6 -</p><p>　　2.5.2 手臂的升降設計- 7 -</p><p>　　2.5.3 回轉臂的回轉設計- 8 -</p><p>　　3 氣壓回路設計

4、- 10 -</p><p>　　4 機械手的PLC控制設計- 10 -</p><p>　　4.1 PLC的概述- 10 -</p><p>　　4.2 PLC梯形圖的程序設計- 11 -</p><p>　　4.2.1 PLC機械手的流程圖- 11 -</p><p>　　4.2.2 PLC機械手的梯形

5、圖- 12 -</p><p><b>　　致謝- 14 -</b></p><p>　　參考文獻- 15 -</p><p>　　氣壓驅動式四自由度教學仿真機械手設計</p><p>　　機電工程學院機械制造與自動化專業(yè) 朱龍強</p><p>　　摘要:本畢業(yè)設計的是氣壓驅動式四自由度

6、教學型仿真機械手，主要包括機械手的總體方案設計、機械手的機械結構設計以及驅動，控制系統(tǒng)設計等，實現(xiàn)了機械手的手臂四自由度運動：手臂的升降、伸縮和回轉、手臂的夾緊，設計中分析了教學型機械手的功能要求和實現(xiàn)意義，通過氣壓缸來實現(xiàn)手臂的升降和伸縮，采用回轉氣壓缸來實現(xiàn)機械手的回轉，設計的機械手結構簡單，便于操作，在PLC的控制下完成預期的動作，能給學生以直觀的印象，達到教學演示的目的。</p><p>　　關鍵詞: 機

7、械手 教學型 四自由度 PLC </p><p>　　1 機械手的基礎知識</p><p>　　1.1 氣動機械手概述</p><p>　　氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。機器人并不是在簡單意義上代

8、替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。</p><p>　　1.2 機械

9、手的組成</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1所示。</p><p>　　圖1 機械手組成方框圖</p><p>　　1.3 機械手的工作原理</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓

10、傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部件發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當有動作出現(xiàn)錯誤的時候或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。</p><p>　　2 機械手的機構設計</p

11、><p>　　2.1 氣壓機械手的示意圖</p><p>　　1.機械手夾緊機構 2.機械手伸縮機構 3.機械手升降機構 4.機械手旋轉機構</p><p>　　圖2 氣壓驅動式四自由度教學仿真機械手示意圖</p><p>　　圖3 氣壓驅動式四自由度教學仿真機械手渲染效果圖</p><p>　　2.2 機械手自由度的定義

12、</p><p>　　根據(jù)機械原理，機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目（亦即為了使機構的位置得以確定，必須給定的獨立的廣義坐標的數(shù)目），稱為機構自由度（degree of freedom of mechanism），其數(shù)目常以F表示。</p><p>　　本氣壓驅動式教學仿真機械手，具有四個自由度：手臂的伸縮；機身的回轉；機身的升降；手爪的張合。</p><

13、;p>　　2.3 機械手氣缸的分析</p><p>　　圖4 雙作用氣缸內部結構圖</p><p>　　圖4 雙作用氣缸簡化圖</p><p>　　本設計的機械手主要是由3個大部件和3個氣壓缸組成：（1)手部，采用一個氣爪，通過機構的運動來實現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3)機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂的升降和回轉。&l

14、t;/p><p>　　2.4 機械手爪子的選擇</p><p>　　圖5 機械手氣爪的示意圖</p><p>　　圖6 機械手氣爪的渲染效果圖</p><p>　　由于本設計所采用標準氣爪，不需要進行設計，直接選型即可，選擇標準支點開閉型氣爪。</p><p>　　2.5 機械手手臂的具體設計方案</p>&

15、lt;p>　　常見的機械手臂有以下幾種；</p><p>　　雙導桿手臂伸縮機構。</p><p>　　手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層氣缸空心結構。</p><p><b>　　雙活塞桿氣缸結構。</b></p&

16、gt;<p>　　活塞桿和齒輪齒條結構。</p><p>　　在本氣壓機械手中，直線和旋轉模塊均可采用氣缸驅動，氣動機械手所能執(zhí)行的運動示意圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 機械手運動示意圖</p><p>　　根據(jù)機械手的運動功能，可以將機械手手臂的設計分為三大部分：伸縮手臂的設計，實現(xiàn)機械手的水平伸縮運動；升降手臂的設計，完成機械手的豎直升

17、降運動；回轉臂的設計，完成機械手的回轉運動。</p><p>　　2.5.1 手臂的伸縮設計</p><p>　　1.滑動塊 2.蓋板</p><p>　　圖8 機械手伸縮示意圖</p><p>　　圖9 機械手伸縮手臂的渲染圖</p><p>　　伸縮手臂為機械手執(zhí)行水平伸縮運動的機構，它是連接機械手末端執(zhí)行器和豎

18、直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運動。伸縮手臂在進行運動時，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設有導向裝置。伸縮手臂導向裝置需根據(jù)伸縮手臂的安裝形式、結構及負荷等條件來確定，常用的有單導向桿和雙導向桿。為使設計標準化和簡單化，在本設計中，伸縮手臂采用的是新薄型帶導桿氣缸，該氣缸體積小、輕巧耐橫向負載能力強，耐扭矩能力強，不回轉精度高，導向桿的軸承課選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，

19、二面接管位置可供選擇。</p><p>　　2.5.2 手臂的升降設計</p><p>　　1.滑動塊 2.固定塊</p><p>　　圖10 手臂升降的軸側圖 </p><p>　　圖11 手臂升降的渲染圖</p><p>　　機械手升降手臂是直接支撐和驅動水平伸縮手臂的

20、部件，實現(xiàn)機械手的豎直升降運動。經(jīng)查找資料，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有導桿機構的標準氣缸，采用這種標準氣缸，即可滿足設計精度、簡化設計結構，又可以節(jié)約設計成本。因此本機械手升降手臂的設計采用的是普通單桿直線伸縮氣缸。</p><p>　　2.5.3 回轉臂的回轉設計</p><p>　　圖12 回轉臂設計的三維示意圖</p><p>　　圖13 回轉臂設計的渲染效果圖</p&

21、gt;<p>　　回轉臂位于機械手結構的最低端，它承擔著機械手的全部重量，因此對于回轉臂的承載能力有較高的要求。又由于回轉臂要帶動整個機械手的轉動，在回轉的時候保持其平穩(wěn)性，按著設計要求，機械手要實現(xiàn)180?范圍內的回轉運動。</p><p>　　在本設計中的回轉臂直接選用擺臺（齒輪齒條式）MSQ系列，此類型的回轉氣缸使用高精度滾珠軸承。</p><p>　　圖14 齒輪齒條

22、式示意圖</p><p>　　3 氣壓回路設計</p><p>　　機械手氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制盒調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計的氣壓回路圖，如下圖圖15所示。</p><p>　　氣源 2.氣源調節(jié)裝置 3.雙電控兩位五通換向閥 </p>

23、<p>　　4.可調單向節(jié)流閥 5.雙作用氣缸 6.擺動氣缸</p><p><b>　　圖15 氣壓回路圖</b></p><p>　　本設計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇雙電控兩位五通換向閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化

24、控制線路，節(jié)約成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。</p><p>　　4 機械手的PLC控制設計 </p><p>　　4.1 PLC的概述</p><p>　　可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字、模擬的輸入和輸出，

25、控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關設備都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)練成一個整體機易于擴充功能的原則設計。PLC是一種工業(yè)計算機，其種類繁多，不同廠家的產(chǎn)品有各自的特點，但作為工業(yè)標標準設備，可編程控制器又有一定的共性。</p><p>　　PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：</p><p>　　圖16 PLC硬件結構示意圖<

26、;/p><p>　　4.2 PLC梯形圖的程序設計</p><p>　　4.2.1 PLC機械手的流程圖</p><p>　　機械手的動作順序如下：機械手的初始位置是縮進、下降、右旋均到底部，機械手成放松狀態(tài)。當按下啟動按鈕后，機械手手臂開始上升，上升到頂端，碰到限位開關，上升動作停止，機械手手臂開始伸出，伸出到底碰到限位開關，伸出動作停止，機械手開始向左旋轉到底，碰到

27、限位開關，旋轉動作停止，機械手開始執(zhí)行夾緊動作，碰到限位開關，夾緊動作停止，機械手開始執(zhí)行向右旋轉，右旋到底，碰到限位開關，右旋動作停止，機械手開始縮回，縮回碰到限位開關，縮回動作停止，機械手執(zhí)行下降動作，下降到底，碰到限位開關，機械手停止下降動作，機械手放松，此時回到初始位置，一個周期動作完成，根據(jù)機械手的動作順序，可以畫出如圖所示的流程圖。</p><p>　　圖17 機械手控制系統(tǒng)流程圖</p>

28、<p>　　4.2.2 PLC機械手的梯形圖</p><p>　　圖18 PLC機械手的梯形圖1</p><p>　　圖19 PLC機械手的梯形圖2</p><p>　　圖20 PLC機械手的梯形圖3</p><p>　　圖21 PLC機械手的梯形圖4</p><p><b>　　致謝<

29、/b></p><p>　　在論文完成之際，我首先向我的指導老師**老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！從畢業(yè)設計題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設計的編寫、修改，每一步都有*老師的細心指導和認真的解析。在陸老師的指導下，我在各方面都有所提高，老師以嚴謹求實，一絲不茍的治學態(tài)度和勤勉的工作態(tài)度深深感染了我，給我巨大的啟迪，鼓舞和鞭策，并成為我人生路上值得學習的榜樣。使我的知識層次又有所提高。同時感

30、謝所有教育過我的專業(yè)老師，你們傳授的專業(yè)知識是我不斷成長的源泉也是完成本論文的基礎。再次真誠感謝所有幫助過我的老師同學。</p><p>　　三年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>&l

31、t;p>　　[1]楊明忠,朱家誠.機械設計[M].武漢理工大學出版社,2006:10~14.</p><p>　　[2]張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，1988</p><p>　　[3]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001, 4</p><p>　　[4]王雄耀.近代氣動機器人(氣動機械手)的發(fā)展及應用.液壓氣動與密封 1

32、999, 5</p><p>　　[5]嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992</p><p>　　[6]機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986</p><p>　　[7]黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981</p><p>　　[8]成大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社</p>

33、;<p>　　[9]鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機械工業(yè)出版社，1987</p><p>　　[10]吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995</p><p>　　[11]徐永生.氣壓傳動.北京:機械工業(yè)出版社，1990, 5</p><p>　　[12]向曉漢.電氣控制與PLC技術.北京:人民郵電出版社</p>