畢業(yè)設(shè)計----升降臂機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目 升降臂機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　院系名稱 機(jī)電工程系 </p><p>　　班 級 08機(jī)電四班 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　答辯教師 </p><p>　　時 間

3、 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在當(dāng)今大規(guī)模的制造中，為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，自動化程度普遍提高，工業(yè)機(jī)器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)認(rèn)同并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在許多危險和高精端領(lǐng)域人工操作開始被機(jī)器人機(jī)械手所取代……</p><p>　　本

4、文簡要介紹了機(jī)器人的概念，發(fā)展史及發(fā)展趨勢，機(jī)械手的組成，分類，自由度，同時簡要說明機(jī)械手的控制與執(zhí)行系統(tǒng)。并通過PLC內(nèi)部程序輸出不同的信號，從而實現(xiàn)機(jī)械手的精確定位與動作。</p><p>　　關(guān)鍵詞:機(jī)械手，自由度，執(zhí)行系統(tǒng)，控制系統(tǒng).</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In today's

5、 large-scale manufacturing, to increase productivity, reduce production costs, ensure product quality, increased automation, industrial robots as automation production line of important members, gradually enterprise iden

6、tity and applied to industrial production. In many dangerous and high-precision end field manual operation began to be replaced by a robot Manipulator .... This article briefly describes the history of robot concept, and

7、 its development trend, manipulator, classificatio</p><p>　　Key Words: robot, DOF, perform system, control system.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b>&

8、lt;/p><p>　　1.1機(jī)器人發(fā)展史1</p><p><b>　　1.2發(fā)展趨勢2</b></p><p>　　1.3機(jī)器人的未來3</p><p><b>　　1.4機(jī)械手3</b></p><p>　　2工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要求5</p><

9、p>　　2.1工業(yè)機(jī)器人的介紹5</p><p><b>　　2.2工藝分析5</b></p><p><b>　　2.3技術(shù)參數(shù)7</b></p><p>　　3機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)9</p><p>　　3.1機(jī)械手驅(qū)動方式9</p><p>　　3.2三種驅(qū)

10、動系統(tǒng)的比較9</p><p><b>　　4執(zhí)行系統(tǒng)11</b></p><p>　　4.1機(jī)械手機(jī)身11</p><p>　　4.2手臂結(jié)構(gòu)12</p><p>　　4.3手腕結(jié)構(gòu)13</p><p>　　4.4手部結(jié)構(gòu)14</p><p><b>

11、;　　5.控制系統(tǒng)19</b></p><p>　　5.1 PLC概括及在機(jī)械手中的應(yīng)用19</p><p>　　5.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動作20</p><p>　　5.3工藝順序及控制要求21</p><p><b>　　參考資料24</b></p><p><b>

12、;　　答謝25</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　機(jī)器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作機(jī)器人是高級整合控制論、機(jī)械電子、計算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是

13、危險的工作、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 </p><p>　　聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。</p><p>　　由于機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的

14、快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 </p><p><b>　　1.1機(jī)器人發(fā)展史</b></p><p>　　雖然機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機(jī)器

15、人的幻想和追求已有近3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類完成各種工作。</p><p>　　西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人記載。 </p><p>　　春秋后期，我國著名的木匠魯班，在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明智慧。</p&g

16、t;<p>　　公元前2世紀(jì)，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人──自動機(jī)。它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。</p><p>　　1800年前的漢代，大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動儀，而且發(fā)明了計里鼓車。計里鼓車每行一里，車上木人擊鼓一下，每行十里擊鐘一下后漢三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”，并用其運送軍糧，支援前方戰(zhàn)爭。<

17、/p><p>　　1773年瑞士鐘表工人杰克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯推出自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等，他們創(chuàng)造的自動玩偶是利用齒輪和發(fā)條原理制成的。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，這些玩偶身高不足一米，現(xiàn)在保留的最早的機(jī)器人是瑞士怒薩迪爾博物館的少女玩偶，它制作于二百年前，兩只手的十指可以按動風(fēng)琴的琴鍵而演奏音樂供參觀者欣賞，展示了古代人的智慧。</p><p>

18、;　　現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計算機(jī)和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。自50年代誕生以來，目前已風(fēng)靡全球。據(jù)稱，目前，世界上機(jī)器人已達(dá)20萬，并且每年還在35％的速度遞增。機(jī)器人從事的行業(yè)，也由原來單一的工業(yè)，迅速擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、商業(yè)、科研等各行各業(yè)。</p><p><b>　　1.2發(fā)展趨勢</b></p><p>　　國外機(jī)器人

19、領(lǐng)域發(fā)展近年來有如下幾個趨勢：</p><p>　?。?）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。</p><p>　?。?）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人

20、產(chǎn)品問市。</p><p>　?。?）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　?。?）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等

21、多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。</p><p>　?。?）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。</p><p>　　（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的

22、監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。</p><p>　　(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。</p><p>　　我國的機(jī)器人發(fā)展在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6

23、000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直播遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世

24、界先進(jìn)行列之中。</p><p><b>　　1.3機(jī)器人的未來</b></p><p>　　1.3.1機(jī)器人小型化</p><p>　　目前各國的研究現(xiàn)狀而言，微型機(jī)器人大多處于實驗室和原型開發(fā)階段，但可以預(yù)見，將來微型機(jī)器人將廣泛出現(xiàn)并得到應(yīng)用。</p><p>　　1.3.2機(jī)器人智能化</p>&l

25、t;p>　　現(xiàn)在的智能機(jī)器人，它的智力最高只相當(dāng)于2、3歲幼兒的智力水平，將來隨著科技的進(jìn)步，高智能的機(jī)器人會越來越多，其智力也會愈加接近成人水平。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)新，如同科幻電影中的機(jī)器人將會變成現(xiàn)實，為人類生活帶來飛躍般的變革……</p><p><b>　　1.4機(jī)械手</b></p><p>　　1

26、.4.1機(jī)械手介紹</p><p>　　機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。</p><p>　　1.4.2機(jī)械手構(gòu)成</p>&

27、lt;p>　　機(jī)械手主要由手部、運動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計的關(guān)

28、鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。 </p><p>　　1.4.3機(jī)械手的分類</p><p>　　機(jī)械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 </p><p>　　機(jī)械手通常用作

29、機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。 </p><p>　　1.4.4機(jī)械手的應(yīng)用</p><p>　　工業(yè)制造領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人在機(jī)械制造業(yè)中代

30、替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）的制造等?；さ刃袠I(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝等工作，也有部分是由機(jī)器人完成的軍事領(lǐng)域：主要讓機(jī)器人執(zhí)行一些自動的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對較為危險的任務(wù)，比如，無人偵察機(jī)、拆除炸彈的機(jī)器人及掃雷機(jī)器人等。機(jī)器人還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程及后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，去

31、從事更加重要的工作娛樂領(lǐng)域：機(jī)器人在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機(jī)器人足球大賽、機(jī)器人彈鋼琴和機(jī)器人寵物等醫(yī)療領(lǐng)域：機(jī)器人主要用來輔助護(hù)士進(jìn)行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運送用藥品及自動監(jiān)測病房內(nèi)的空氣質(zhì)量，等等。宜用機(jī)器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。美國還發(fā)明了一種可以進(jìn)入人體血管的微型機(jī)器人，幫助醫(yī)生在病人的血管內(nèi)滅殺病毒。</p><p>　　2工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計要求

32、</p><p>　　2.1工業(yè)機(jī)器人的介紹</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控

33、制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。 </p><p>　　工業(yè)機(jī)器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升

34、降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 </p><p>　　工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的控制機(jī)能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行。</p><p><b>　　2.2工藝分析</b></p><p>　　機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和位移檢測裝置等組成。本文設(shè)計的是工業(yè)機(jī)械手，

35、是從輸送帶上抓取待加工的坯料送到加工機(jī)床的加工部位，有圓柱坐標(biāo)式和極坐標(biāo)式兩種，具有手臂回轉(zhuǎn)、升降、伸縮和手部夾持等四個自由度。</p><p>　　圖2-1四自由度機(jī)械手示意圖</p><p>　　Figure 2-1 Schematic of the four degrees of freedom manipulator </p><p><b>　　

36、2.3技術(shù)參數(shù)</b></p><p><b>　　(1) 抓重:</b></p><p><b>　　夾持 10kg</b></p><p>　　氣流負(fù)壓吸附 5kg</p><p>　　(2) 自由度: 4個</p><p>　　(3) 坐標(biāo)形式: 圓柱

37、坐標(biāo)</p><p>　　(4) 最大工作半徑: 1500mm</p><p>　　(5) 手臂最大中心高: 1380mm</p><p>　　(6) 手臂運動參數(shù):</p><p>　　伸縮行程: 600mm 伸縮速度: 500mm/s</p><p>　　升降行程: 200mm 升降速度

38、: 300mm/s</p><p>　　回轉(zhuǎn)范圍； 0~240° 回轉(zhuǎn)速度： 90°/s</p><p>　　(7) 定位精度： ±0.5mm</p><p>　　(8) 手腕運動參數(shù)： </p><p>　　回轉(zhuǎn)速度: 180度/s</p><p>　　回轉(zhuǎn)范圍: 0

39、°~180°</p><p>　　(9) 控制方式: 點位程序控制PLC</p><p>　　(10) 驅(qū)動方式： 分析后選擇氣動</p><p>　　(11) 手指夾持范圍: </p><p>　　棒料80~150mm</p><p><b>　　片料S≤0.5m2</b&

40、gt;</p><p>　　圖2-2四自由度機(jī)械手示意圖</p><p>　　Figure 2-2 diagram of four degrees of freedom manipulato</p><p><b>　　3機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1機(jī)械手驅(qū)動方式</p><p

41、>　　機(jī)器人的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式和電動機(jī)式。</p><p>　　1) 液壓驅(qū)動:是指動源（發(fā)動機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動力。</p><p>　　2) 氣動驅(qū)動多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，與液壓驅(qū)動相比較，氣動驅(qū)動由于壓縮空氣粘度小，所以容易達(dá)到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機(jī)站供氣，減少了動力設(shè)備；空氣介質(zhì)不污染

42、環(huán)境，安全高溫下可正常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對于油液廉價，故氣動驅(qū)動元件比液壓元件價格低……</p><p>　　3) 電機(jī)驅(qū)動可分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。隨著材料性能的提高，電動機(jī)性能也在隨之提高并且電動機(jī)使用簡單，所以就目前來看，機(jī)器人驅(qū)動正逐步為電動機(jī)驅(qū)動式所代替。</p><p>　　3.2三種驅(qū)動系統(tǒng)的比較</p>&l

43、t;p>　　由于氣動驅(qū)動相對于液壓及電機(jī)驅(qū)動具有如下優(yōu)點：</p><p>　　(1) 結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、維護(hù)相對容易;</p><p>　　(2) 輸出扭矩大、重量輕、效率高；</p><p>　　(3) 可實現(xiàn)無級調(diào)速，以及可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、往復(fù)及沖擊運動；</p><p>　　(4) 可以在存在爆炸性、腐蝕性、高溫及潮濕的工作環(huán)境中；

44、</p><p>　　(5) 空氣廉價異趣且是可再生資源，不污染環(huán)境；</p><p>　　所以在選用機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)中優(yōu)先考慮氣動驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p><b>　　4執(zhí)行系統(tǒng)</b></p><p>　　執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件和機(jī)構(gòu)構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器3部件組成，其

45、中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計主要是對機(jī)械手的首部、手臂一級機(jī)座進(jìn)行設(shè)計。</p><p><b>　　4.1機(jī)械手機(jī)身</b></p><p>　　機(jī)身是直接連接、支撐和傳動手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件。它是由臂部運動機(jī)構(gòu)和有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。</p><p>　　由于機(jī)器人的運動形式、使用條件、負(fù)載能力的差距，所采用的驅(qū)

46、動裝置、傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置也不盡相同，從而使機(jī)身結(jié)構(gòu)存在很大差別。</p><p>　　4.1.1常用的幾種機(jī)身結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1) 升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu): 主要是由實現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)和升降運動的機(jī)構(gòu)組成。機(jī)身回轉(zhuǎn)常采用回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸驅(qū)動、直線液壓（氣）缸驅(qū)動的傳動鏈、蝸桿蝸輪機(jī)械傳動等。機(jī)身升降運動采用直線缸驅(qū)動、絲桿-螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動、直線缸驅(qū)動的連桿式升降臺。</p>

47、;<p>　　(2) 俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)： 主要由實現(xiàn)手臂左右回轉(zhuǎn)和上下俯仰運動的部件組成，它是采用手臂的俯仰運動部件代替手臂的升降運動部件。大多使用擺式直線缸驅(qū)動。</p><p>　　(3) 直移型機(jī)身機(jī)構(gòu)</p><p>　　(4) 類人型機(jī)身結(jié)構(gòu)</p><p>　　(5) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下結(jié)構(gòu)： 優(yōu)點是能承受較大偏重力矩，缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路

48、線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響大。</p><p>　　(6) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上結(jié)構(gòu)： 此結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。</p><p>　　(7) 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)： 手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪做往復(fù)回轉(zhuǎn)，使得手臂左右擺動</p><p>　　按照設(shè)計要求，機(jī)

49、械手必須實現(xiàn)手臂180°的回轉(zhuǎn)運動，為了設(shè)計的合理性及其需求，綜合考慮，分析，本設(shè)計采用回轉(zhuǎn)升降缸之上結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖4-1 機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度示意圖</p><p>　　Figure 4-1 manipulator sketch map of the rotary angle</p><p><b>　　4.2手臂結(jié)構(gòu)</b&g

50、t;</p><p>　　手臂部件是主要執(zhí)行部件，它是由臂桿及伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運動相關(guān)的構(gòu)件和與腕部或手臂運動、連接支承等相關(guān)的構(gòu)件組成，作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間的運動。</p><p>　　4.2.1手臂的組成部件</p><p>　　(1) 動作元件： 是用來驅(qū)動手臂運動的元件，與驅(qū)動源相配合，實現(xiàn)手臂的各種運動；</p><

51、p>　　(2) 導(dǎo)向裝置： 手臂靜止時，用來承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，在運動時又存在一個慣性力。為保持手抓的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂的導(dǎo)向裝置是必不可少的；</p><p>　　(3) 臂 手臂的動作元件，導(dǎo)向裝置及其他裝置都必須安裝在臂上，用以起支承，連接和承受外力的作用； </p><p><b>　　(4) 其他

52、裝置 </b></p><p>　　4.2.2手臂的工作原理示意圖</p><p>　　圖4-2 手臂工作原理示意圖</p><p>　　Figure 4-2 arm work principle sketch map</p><p><b>　　4.3手腕結(jié)構(gòu)</b></p><p>

53、;　　手腕式連接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。手腕部可用來調(diào)節(jié)被抓工件的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的運動范圍，并使機(jī)械手變的靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。腕部存在獨立的自由度?？梢宰龌剞D(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動等動作。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作簡單的專用機(jī)械手，為簡化結(jié)構(gòu)可省去腕部從而直接用臂部運動驅(qū)動手部工作。</p><p>　　圖4-3 手腕回轉(zhuǎn)運動示意圖<

54、/p><p>　　Figure 4-3 wrist rotary motion diagram</p><p><b>　　4.4手部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)械手主要由手部和運動機(jī)構(gòu)組成。手部是要求用來抓持工件的部位，根據(jù)被夾持的物件形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)

55、動、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物的姿勢或位置。</p><p>　　4.4.1手部結(jié)構(gòu)的分類</p><p><b>　　夾持式</b></p><p>　　夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類同，是工業(yè)機(jī)械中較為廣泛使用的一種手部形式。它由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。又分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手抓運動

56、方向相反。</p><p>　　夾持式手部設(shè)計應(yīng)注意如下幾點：</p><p>　　手指應(yīng)有一定的開閉范圍；</p><p>　　手指應(yīng)有是適當(dāng)?shù)膴A緊力；</p><p>　　保證工件在手指間的定位精度；</p><p>　　結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；</p><p><b>　　通用

57、性和可換性。</b></p><p><b>　　真空吸盤式</b></p><p>　　它是利用吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓壓差從而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的吸持裝置。由吸盤、吸盤架和進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但需要工件與吸盤接觸餓部位光滑平整、清潔、被吸附的工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。適用于板材、薄壁零件、陶瓷

58、搪瓷制品、玻璃制品、紙張以及塑料等光滑工件的抓取。</p><p>　　真空吸盤式又名氣吸式，可分為：</p><p>　　負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、空氣吸盤；</p><p>　　磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。</p><p>　　4.4.2夾持型手部</p><p>　　已知：G=10kg V形手指的角度2θ=12

59、0o b=120mm（爪至銷軸之間的距離）R=24mm（滾子至銷軸之間的距離）摩擦系數(shù)f=0.1</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=67N</b></p><p><b>　　P=670N</b></p><p>　　k1: 安全系數(shù) （1

60、.5-2.0）</p><p>　　k2: 工作情況系數(shù) </p><p><b>　　k3: 方位系數(shù)</b></p><p>　　手指與工件位置：手指水平放置</p><p>　　手指與工件形狀：V形指端夾持圓柱型工件</p><p><b>　　2139.3N </b

61、></p><p>　　圖4-4 夾持器示意圖</p><p>　　Figure 4-4 gripper diagram</p><p><b>　　4.4.3氣缸</b></p><p><b>　　氣缸的直徑：</b></p><p>　　本氣缸屬于單向作用氣缸。根

62、據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為：</p><p>　　式中：F1——活塞桿上的推力，N；Ft——彈簧反作用力，N</p><p>　　Fz——氣缸工作時的總阻力，N；P——氣缸工作壓力，Pa</p><p>　　彈簧反作用按下式計算：</p><p><b>　　；

63、；；</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　Cf—彈簧剛度，N/m；L——彈簧預(yù)壓縮量，m；S——活塞行程，m；</p><p>　　d1——彈簧鋼絲直徑，m；Dt——彈簧平均直徑，m；D2——彈簧外徑，m；</p><p>　　n——彈簧有效圈數(shù)；</p>

64、;<p>　　G——彈簧材料剪切模量，一般取G=79.4×109pa</p><p>　　在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率幾的影響，則：</p><p>　　由以上分析得單向作用氣缸的直徑：</p><p>　　代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：</p><p>　　3677.5(N/m)</p><p>　　337

65、7.5×60×10-3</p><p><b>　　220.6N</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　　75.3mm</b></p><p>　　查有關(guān)手冊圓整，得D=80mm</p><p>

66、;　　由d/D=0.2～0.3，可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=16～24mm</p><p>　　圓整后，取活塞桿直徑d=18mm</p><p>　　校核，按公式；有：；</p><p>　　其中[σ]=120MPa，F(xiàn)t=670N；則：d≥（4×670/π×120）1/2</p><p>　　=2.67≤1

67、8滿足設(shè)計要求。</p><p>　　4.4.4缸筒壁厚的設(shè)計</p><p>　　缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算：</p><p>　　δ=DPp/2[σ]</p><p>　　式中：δ——缸筒壁厚，mm；D——氣缸內(nèi)徑，mm；Pp——實驗壓力，取Pp=1.5

68、PtPa</p><p>　　材料為：ZL3，[σ]=3MPa代入已知數(shù)據(jù)，則壁厚為：δ=DPp/2[σ]=80×6×105/(2×3×106)×103=8mm</p><p>　　取δ=10mm，則缸筒外徑為：D=80+10×2=100mm。</p><p><b>　　5.控制系統(tǒng)</b

69、></p><p>　　機(jī)械手控制系統(tǒng)是伴隨著機(jī)械手（機(jī)器人）的發(fā)展而發(fā)展而來的。機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機(jī)和自動化技術(shù)的發(fā)展以及大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展，也為機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　機(jī)械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：機(jī)械手完成放射源轉(zhuǎn)運年代、化工產(chǎn)品垛機(jī)械手年代、工業(yè)

70、用機(jī)械手興起和發(fā)展年代。</p><p>　　機(jī)械手控制系統(tǒng)主要采用三種方式： </p><p>　　傳統(tǒng)的繼電器控制:控制系統(tǒng)裝置圖設(shè)計復(fù)雜、接線繁雜、易受干擾以至于存在可靠性差、故障多、維修困難等等諸多問題而逐步退出市場； </p><p>　　可編程控制器PLC：控制系統(tǒng)運行可靠，使用維修方便，抗干擾性強(qiáng)，但是PLC一般成本較高；</p><

71、;p>　　微機(jī)控制:有較強(qiáng)的智能性，價格便宜但也存在許多不足，即抗干擾性差，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜維修技術(shù)難以被工作人員掌握。</p><p>　　5.1 PLC概括及在機(jī)械手中的應(yīng)用</p><p>　　5.1.1可編程控制器</p><p>　　國際電工委員會(IEC)對PLC的定義為： 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用

72、可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計算、定時和算術(shù)運算等的操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種系統(tǒng)的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌湓O(shè)備，都應(yīng)按易于和工業(yè)控制系統(tǒng)形成統(tǒng)一整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。</p><p>　　按PLC的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個方面：</p><p>　　1）用于邏輯控制： PLC最基本，也是最廣泛應(yīng)用的方面。

73、用來 </p><p>　　取代繼電器控制和順序控制器控制。</p><p>　　2）用于模擬量控制： PLC通過模擬量I/0模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。</p><p>　　3）用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制： 現(xiàn)代PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它</p><p>　　可以和機(jī)械加工中的數(shù)字控制(NC)及計算機(jī)控制(CNC

74、)緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。</p><p>　　4）用于工業(yè)機(jī)器人控制</p><p>　　5）用于多層分布式控制系統(tǒng)： 高功能的PLC具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/0之間、PLC與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　5.1.2 PLC的特點</p><p>

75、　　1）可靠性高、考干擾能力強(qiáng)</p><p>　　2） 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng)</p><p>　　3） 編程簡單、使用、維護(hù)方便</p><p>　　4） 組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣</p><p>　　5） 體積小、重量輕、功耗低</p><p>　　5.1.3 PLC在機(jī)械手中的應(yīng)用</p>

76、<p>　　機(jī)械手通常應(yīng)用于動作復(fù)雜的場合來代替人的反復(fù)的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應(yīng)用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng);控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng);</p><p>　　編程簡單、使用、維護(hù)方便;組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應(yīng)用于類似機(jī)械手的控制動作復(fù)雜的場合，本設(shè)計正是以PLC控制為基

77、礎(chǔ)從而實現(xiàn)機(jī)械手的各種動。</p><p>　　5.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動作</p><p>　　本機(jī)械手用于生產(chǎn)線上工件的自動搬運，根據(jù)對機(jī)械手的工藝過程及控制要求分析:</p><p>　　原點→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移</p><p>　　↑

78、 ↓</p><p>　　5.3工藝順序及控制要求</p><p>　　傳送帶A上的工件搬運至傳送帶B上。該機(jī)械手控制系統(tǒng)是由機(jī)械手裝置和兩條傳送帶及光電檢測開關(guān)三部分組成。該機(jī)械手控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種工作方式，設(shè)備在調(diào)試或出現(xiàn)故障時，可用手動方式實現(xiàn)單步動作或調(diào)整設(shè)備恢復(fù)到原始狀態(tài)的工作位置。</p><p>　　機(jī)械手是一種典型的

79、順序控制方式，如圖所示，在機(jī)電設(shè)備和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。 </p><p>　　圖5-1 PLC控制的機(jī)械手示意圖</p><p>　　Figure 5-1 PLC control of the robot schematic</p><p><b>　　5.3.1控制要求</b></p><p>　　1) 在傳送帶A端

80、安裝光電檢測開關(guān)PS，用以檢測工件的到來。當(dāng)光電開關(guān)檢測到工件到來時ON狀態(tài)；</p><p>　　2) 機(jī)械手在原位時，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，傳送帶A運轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到工件后，傳送帶A停止傳送；</p><p>　　3) 傳送帶A停止，機(jī)械手進(jìn)行一次循環(huán)動作，把工件從A搬運到B上；</p><p>　　4) 機(jī)械手返回原點，自動再啟動傳送帶A運轉(zhuǎn)，進(jìn)行下一個

81、循環(huán)運動；</p><p>　　5) 按下停止按鈕后，應(yīng)等到整個循環(huán)完成后，才能使機(jī)械手返回原點，停止工作；</p><p>　　6) 機(jī)械手的上升、下降、左右移動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作；</p><p>　　7) 抓緊/放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作；<

82、/p><p>　　8) 機(jī)械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關(guān)控制；</p><p>　　9) 抓緊動作由壓力繼電器控制，當(dāng)抓緊時，壓力繼電器動合觸電閉合；放松動作為時間控制（設(shè)為2S）。</p><p><b>　　程序清單</b></p><p><b>　　參考資料</b></p&g

83、t;<p>　　1.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》（第二版）張建民著.高教版社.2001.8</p><p>　　2.《機(jī)電制造裝備設(shè)計》大連理工大學(xué)，馮辛安主編，機(jī)械工業(yè)出版社1999.10</p><p>　　3.《材料力學(xué)》孫訓(xùn)方、方孝淑著 人民教育出版社</p><p>　　4.《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》楊可楨 高等教育出版社 2001</p>

84、<p>　　5.《機(jī)械設(shè)計手冊》徐灝主編，機(jī)械工業(yè)出版社 1991</p><p>　　6.《金屬切削機(jī)床》大連理工大學(xué) 戴曙等主編</p><p>　　7.《中國機(jī)械設(shè)計大典》第三卷‘機(jī)械零部件’ 中國機(jī)械工程學(xué)會</p><p>　　8.《機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》鄭堤等主編</p><p>　　12.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用(歐姆

85、龍機(jī)型)(第二版) 程周 主編</p><p>　　13.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)(第二版) 胡學(xué)林 編著</p><p><b>　　答謝</b></p><p>　　此次是在***老師的悉心指導(dǎo)下完成的。老師為論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。在本文結(jié)束之際，特向敬愛的老師致以最尊敬的敬禮和深深

86、地感謝！</p><p>　　通過此次設(shè)計，一方面讓我認(rèn)識到自己的不足，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強(qiáng)對復(fù)雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。再一方面也加強(qiáng)了我和老師的交流，認(rèn)識到知識的淵博度。</p><p>　　經(jīng)過這次的努力，使我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。這份畢業(yè)設(shè)計既是對過去三年所學(xué)知識的