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气动机械手回转臂结构设计
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摘 要
本文简要介绍了机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。
本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，计算并设计出了回转气缸、伸缩手臂的机械机构。
设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。
利用可编程序控制器对机械手进行控制，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，设计出了人工移动式（无动力）点位示教控制软件，并画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。
关键词：工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器（PLC）；
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.
The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,
The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator ,
This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.
The paper designs the structure of the arm.
The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . What’s more , the paper workout the control program of the PLC ,
Keywork: industrial robot；manipulator；pump；air pressure drive；PLC
目 录
摘要（中文）.........................................................Ⅰ
（英文）.........................................................Ⅱ
第一章 绪论
1.1机械手概述.......................................................1
1.2机械手的组成和分类...............................................1
1.2.1机械手的组成...............................................1
1.2.2机械手的分类...............................................3
1.3国内外发展状况...................................................4
1.4课题的提出及主要任务.............................................5
1.4.1课题的提出.................................................5
1.4.2课题的主要任务.............................................6
第二章 机械手的设计方案
2.1机械手的座标型式与自由度........................................7
2.2机械手的手部结构方案设计........................................8
2.3机械手的手腕结构方案设计........................................8
2.4机械手的手臂结构方案设计........................................8
2.5机械手的驱动方案设计............................................8
2.6机械手的控制方案设计............................................8
2.7机械手的主要参数................................................9
2.8机械手的技术参数列表............................................9
第三章 手臂伸缩，回转气缸的设计与校核
3.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核......................................11
3.1.1手臂伸缩部分方案一的尺寸设计与校核........................11
3.1.2手臂伸缩部分方案二的尺寸设计与校核........................11
3.1.3导向装置..................................................14
3.1.4平衡装置..................................................14
3.2手臂回转部分尺寸设计与校核......................................14
3.2.1尺寸设计..................................................14
3.2.2尺寸校核..................................................14
第四章 气动系统设计..................................................16
第五章 机械手的PLC控制设计
5.1可编程序控制器的选择及工作过程..................................18
5.1.1可编程序控制器的选择......................................18
5.1.2可编程序控制器的工作过程..................................20
5.2 S7-200的扩展模块...............................................21
5.2.1数字量I/O扩展模块........................................21
5.2.2模拟量扩展模块............................................22
5.2.3通信模块..................................................22
5.2.4功能模块..................................................23
5.3 PLC程序的实现..................................................23
5.4 本程序设计思路.................................................24
第六章 上位界面的设计...............................................27
第七章 结论...........................................................31
结束语.................................................................32
参考文献...............................................................33
第一章 概述
1.1 气动机械手概述
气动机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2 机械手的组成和分类
1.2.1机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。
图1-1机械手组成方框图:
Pane chart of composition of manipulator
(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形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。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但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，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、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。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
5、行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
6、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
(二)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调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。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(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，
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