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3个自由度搬运机械手的设计
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摘 要
机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题．解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便，结构简单。
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关键词：机械手，输送工件，搬运，三自由度
ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom
目 录
第1章 绪 论 4
1.1机械手的历史 4
1.2机械手的组成 5
1.3机械手的分类 6
第2章 搬运机械手机构总体方案设计 8
2.1搬运机械手设计要求 8
2.2基本设计思路 1
2.3搬运机械手结构设计 11
2.4 机械手材料的选择 11
2.5机械臂的运动方式 11
2.6搬运机械手驱动与控制系统分析 12
第3章 搬运机械手机械结构设计与计算 13
3.1搬运机械手手爪设计 13
3.2 搬运机械手手臂设计 13
3.3 手部设计计算 16
3.4腕部设计计算 20
3.5液压驱动系统设计 21
3.6机身结构的设计 23
第4章 机械手控制系统的设计 27
4.1 PLC简介 27
4.2 PLC工作原理 27
4.3 PLC机型的选择 27
4.4 PLC控制面板的拟定 29
4.5 机械手工艺过程和控制方案的确定 30
4.5 PLC程序编写 33
总结与展望 40
参考文献 41
致 谢 42
1 绪论
随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机械手或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO)；。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国iRobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。
由于机械手的迅猛发展，机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是机械手的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。
1.1机械手的历史
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。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。
1.2 机械手的组成
一般来说，机械手主要有以下几部分组成：
1. 手部(或称抓取机构)：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 传送机构(或称臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。
3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。
4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。
5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。
1.2.1执行机构
一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。
1.2.2驱动机构
驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。
液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa,最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。
1.2.3控制机构
机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
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