畢業(yè)設(shè)計(jì)--氣壓驅(qū)動(dòng)式四自由度教學(xué)仿真機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　1 機(jī)械手的基礎(chǔ)知識(shí)- 1 -</p><p>　　1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述- 1 -</p><p>　　1.2 機(jī)械手的組成- 1 -</p>&

2、lt;p>　　1.3 機(jī)械手的工作原理- 2 -</p><p>　　2 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)- 2 -</p><p>　　2.1 氣壓機(jī)械手的示意圖- 2 -</p><p>　　2.2 機(jī)械手自由度的定義- 3 -</p><p>　　2.3 機(jī)械手氣缸的分析- 3 -</p><p>　　2.4

3、機(jī)械手爪子的選擇- 4 -</p><p>　　2.5 機(jī)械手手臂的具體設(shè)計(jì)方案- 5 -</p><p>　　2.5.1 手臂的伸縮設(shè)計(jì)- 6 -</p><p>　　2.5.2 手臂的升降設(shè)計(jì)- 7 -</p><p>　　2.5.3 回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)- 8 -</p><p>　　3 氣壓回路設(shè)計(jì)

4、- 10 -</p><p>　　4 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì)- 10 -</p><p>　　4.1 PLC的概述- 10 -</p><p>　　4.2 PLC梯形圖的程序設(shè)計(jì)- 11 -</p><p>　　4.2.1 PLC機(jī)械手的流程圖- 11 -</p><p>　　4.2.2 PLC機(jī)械手的梯形

5、圖- 12 -</p><p><b>　　致謝- 14 -</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 15 -</p><p>　　氣壓驅(qū)動(dòng)式四自由度教學(xué)仿真機(jī)械手設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 朱龍強(qiáng)</p><p>　　摘要:本畢業(yè)設(shè)計(jì)的是氣壓驅(qū)動(dòng)式四自由度

6、教學(xué)型仿真機(jī)械手，主要包括機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的手臂四自由度運(yùn)動(dòng)：手臂的升降、伸縮和回轉(zhuǎn)、手臂的夾緊，設(shè)計(jì)中分析了教學(xué)型機(jī)械手的功能要求和實(shí)現(xiàn)意義，通過(guò)氣壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的升降和伸縮，采用回轉(zhuǎn)氣壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，在PLC的控制下完成預(yù)期的動(dòng)作，能給學(xué)生以直觀的印象，達(dá)到教學(xué)演示的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 機(jī)

7、械手 教學(xué)型 四自由度 PLC </p><p>　　1 機(jī)械手的基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述</p><p>　　氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代

8、替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)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(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。</p><p>　　1.2 機(jī)械

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

10、傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部件發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)有動(dòng)作出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。</p><p>　　2 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p

11、><p>　　2.1 氣壓機(jī)械手的示意圖</p><p>　　1.機(jī)械手夾緊機(jī)構(gòu) 2.機(jī)械手伸縮機(jī)構(gòu) 3.機(jī)械手升降機(jī)構(gòu) 4.機(jī)械手旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖2 氣壓驅(qū)動(dòng)式四自由度教學(xué)仿真機(jī)械手示意圖</p><p>　　圖3 氣壓驅(qū)動(dòng)式四自由度教學(xué)仿真機(jī)械手渲染效果圖</p><p>　　2.2 機(jī)械手自由度的定義

12、</p><p>　　根據(jù)機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目（亦即為了使機(jī)構(gòu)的位置得以確定，必須給定的獨(dú)立的廣義坐標(biāo)的數(shù)目），稱(chēng)為機(jī)構(gòu)自由度（degree of freedom of mechanism），其數(shù)目常以F表示。</p><p>　　本氣壓驅(qū)動(dòng)式教學(xué)仿真機(jī)械手，具有四個(gè)自由度：手臂的伸縮；機(jī)身的回轉(zhuǎn)；機(jī)身的升降；手爪的張合。</p><

13、;p>　　2.3 機(jī)械手氣缸的分析</p><p>　　圖4 雙作用氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4 雙作用氣缸簡(jiǎn)化圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要是由3個(gè)大部件和3個(gè)氣壓缸組成：（1)手部，采用一個(gè)氣爪，通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。（3)機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。&l

14、t;/p><p>　　2.4 機(jī)械手爪子的選擇</p><p>　　圖5 機(jī)械手氣爪的示意圖</p><p>　　圖6 機(jī)械手氣爪的渲染效果圖</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)所采用標(biāo)準(zhǔn)氣爪，不需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接選型即可，選擇標(biāo)準(zhǔn)支點(diǎn)開(kāi)閉型氣爪。</p><p>　　2.5 機(jī)械手手臂的具體設(shè)計(jì)方案</p>&

15、lt;p>　　常見(jiàn)的機(jī)械手臂有以下幾種；</p><p>　　雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。</p><p>　　手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層氣缸空心結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　雙活塞桿氣缸結(jié)構(gòu)。</b></p&

16、gt;<p>　　活塞桿和齒輪齒條結(jié)構(gòu)。</p><p>　　在本氣壓機(jī)械手中，直線和旋轉(zhuǎn)模塊均可采用氣缸驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)機(jī)械手所能執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)示意圖</p><p>　　根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)功能，可以將機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)分為三大部分：伸縮手臂的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平伸縮運(yùn)動(dòng)；升降手臂的設(shè)計(jì)，完成機(jī)械手的豎直升

17、降運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)，完成機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　2.5.1 手臂的伸縮設(shè)計(jì)</p><p>　　1.滑動(dòng)塊 2.蓋板</p><p>　　圖8 機(jī)械手伸縮示意圖</p><p>　　圖9 機(jī)械手伸縮手臂的渲染圖</p><p>　　伸縮手臂為機(jī)械手執(zhí)行水平伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，它是連接機(jī)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(yùn)動(dòng)。伸縮手臂在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)、加大承載能力，以及提高運(yùn)動(dòng)精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。伸縮手臂導(dǎo)向裝置需根據(jù)伸縮手臂的安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來(lái)確定，常用的有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿。為使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)單化，在本設(shè)計(jì)中，伸縮手臂采用的是新薄型帶導(dǎo)桿氣缸，該氣缸體積小、輕巧耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，導(dǎo)向桿的軸承課選擇滑動(dòng)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(shè)計(jì)</p><p>　　1.滑動(dòng)塊 2.固定塊</p><p>　　圖10 手臂升降的軸側(cè)圖 </p><p>　　圖11 手臂升降的渲染圖</p><p>　　機(jī)械手升降手臂是直接支撐和驅(qū)動(dòng)水平伸縮手臂的

20、部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的豎直升降運(yùn)動(dòng)。經(jīng)查找資料，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，采用這種標(biāo)準(zhǔn)氣缸，即可滿足設(shè)計(jì)精度、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，又可以節(jié)約設(shè)計(jì)成本。因此本機(jī)械手升降手臂的設(shè)計(jì)采用的是普通單桿直線伸縮氣缸。</p><p>　　2.5.3 回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)</p><p>　　圖12 回轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)的三維示意圖</p><p>　　圖13 回轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)的渲染效果圖</p&

21、gt;<p>　　回轉(zhuǎn)臂位于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的最低端，它承擔(dān)著機(jī)械手的全部重量，因此對(duì)于回轉(zhuǎn)臂的承載能力有較高的要求。又由于回轉(zhuǎn)臂要帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)的時(shí)候保持其平穩(wěn)性，按著設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)180?范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中的回轉(zhuǎn)臂直接選用擺臺(tái)（齒輪齒條式）MSQ系列，此類(lèi)型的回轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)械手氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，通過(guò)控制盒調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計(jì)的氣壓回路圖，如下圖圖15所示。</p><p>　　氣源 2.氣源調(diào)節(jié)裝置 3.雙電控兩位五通換向閥 </p>

23、<p>　　4.可調(diào)單向節(jié)流閥 5.雙作用氣缸 6.擺動(dòng)氣缸</p><p><b>　　圖15 氣壓回路圖</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手完成各個(gè)運(yùn)動(dòng)的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個(gè)狀態(tài)，選擇雙電控兩位五通換向閥，通過(guò)控制進(jìn)出口空氣流量的大小來(lái)控制氣缸執(zhí)行器動(dòng)力的大小和運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)計(jì)中采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，既可以簡(jiǎn)化

24、控制線路，節(jié)約成本，又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。</p><p>　　4 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) </p><p>　　4.1 PLC的概述</p><p>　　可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字、模擬的輸入和輸出，

25、控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)練成一個(gè)整體機(jī)易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。PLC是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，其種類(lèi)繁多，不同廠家的產(chǎn)品有各自的特點(diǎn)，但作為工業(yè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可編程控制器又有一定的共性。</p><p>　　PLC實(shí)質(zhì)是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示：</p><p>　　圖16 PLC硬件結(jié)構(gòu)示意圖<

26、;/p><p>　　4.2 PLC梯形圖的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 PLC機(jī)械手的流程圖</p><p>　　機(jī)械手的動(dòng)作順序如下：機(jī)械手的初始位置是縮進(jìn)、下降、右旋均到底部，機(jī)械手成放松狀態(tài)。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)械手手臂開(kāi)始上升，上升到頂端，碰到限位開(kāi)關(guān)，上升動(dòng)作停止，機(jī)械手手臂開(kāi)始伸出，伸出到底碰到限位開(kāi)關(guān)，伸出動(dòng)作停止，機(jī)械手開(kāi)始向左旋轉(zhuǎn)到底，碰到

27、限位開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作停止，機(jī)械手開(kāi)始執(zhí)行夾緊動(dòng)作，碰到限位開(kāi)關(guān)，夾緊動(dòng)作停止，機(jī)械手開(kāi)始執(zhí)行向右旋轉(zhuǎn)，右旋到底，碰到限位開(kāi)關(guān)，右旋動(dòng)作停止，機(jī)械手開(kāi)始縮回，縮回碰到限位開(kāi)關(guān)，縮回動(dòng)作停止，機(jī)械手執(zhí)行下降動(dòng)作，下降到底，碰到限位開(kāi)關(guān)，機(jī)械手停止下降動(dòng)作，機(jī)械手放松，此時(shí)回到初始位置，一個(gè)周期動(dòng)作完成，根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序，可以畫(huà)出如圖所示的流程圖。</p><p>　　圖17 機(jī)械手控制系統(tǒng)流程圖</p>

28、<p>　　4.2.2 PLC機(jī)械手的梯形圖</p><p>　　圖18 PLC機(jī)械手的梯形圖1</p><p>　　圖19 PLC機(jī)械手的梯形圖2</p><p>　　圖20 PLC機(jī)械手的梯形圖3</p><p>　　圖21 PLC機(jī)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(dǎo)老師**老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！從畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的選擇、到選到課題的研究和論證，再到本畢業(yè)設(shè)計(jì)的編寫(xiě)、修改，每一步都有*老師的細(xì)心指導(dǎo)和認(rèn)真的解析。在陸老師的指導(dǎo)下，我在各方面都有所提高，老師以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，一絲不茍的治學(xué)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(xué)習(xí)的榜樣。使我的知識(shí)層次又有所提高。同時(shí)感

30、謝所有教育過(guò)我的專(zhuān)業(yè)老師，你們傳授的專(zhuān)業(yè)知識(shí)是我不斷成長(zhǎng)的源泉也是完成本論文的基礎(chǔ)。再次真誠(chéng)感謝所有幫助過(guò)我的老師同學(xué)。</p><p>　　三年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周?chē)睦蠋熀屯瑢W(xué)們身上潛移默化的學(xué)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(xiàn)</b></p>&l

31、t;p>　　[1]楊明忠,朱家誠(chéng).機(jī)械設(shè)計(jì)[M].武漢理工大學(xué)出版社,2006:10~14.</p><p>　　[2]張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988</p><p>　　[3]蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001, 4</p><p>　　[4]王雄耀.近代氣動(dòng)機(jī)器人(氣動(dòng)機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動(dòng)與密封 1

32、999, 5</p><p>　　[5]嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992</p><p>　　[6]機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986</p><p>　　[7]黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社，1981</p><p>　　[8]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社</p>

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