工业码垛机械手毕业设计论文

毕业设计（论文）工业机器人50kg袋料抓手设计

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二零一五年五月

毕业设计(论文)任务书

毕业设计(论文)开题报告

注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间内完成；

2．设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；

3．指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。

郑重声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：日期： 2015年5月

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (2)

1绪论 (3)

1.1 机械手的概述 (3)

1.2 机械手的国内外研究现状及设计目的 (4)

1.3 机械手的技术发展方向 (5)

1.4 本设计的主要任务 (5)

1.5 机械手的坐标式与自由度 (6)

2 袋料抓手的总体设计 (7)

2.1 袋料抓手的手部结构方案设计 (7)

2.2 袋料抓手的驱动方案设计 (9)

2.3 袋料抓手电气控制方案比较与确定 (9)

3 气动系统设计 (11)

3.1 空气压缩器选型 (11)

3.2 减压阀选型 (11)

3.3 管道设计 (11)

3.4 油水分离器选型 (12)

3.5 管接头选型设计 (12)

3.6 驱动机械手爪的气压缸初步选型 (12)

3.7 驱动机械手压架的气压缸初步选型 (13)

3.8 气动阀的选型 (13)

4 袋料抓手各部分的设计计算 (13)

4.1 驱动机械手珠的气压缸校核 (13)

4.2 驱动机械手压架的气压缸推力校核 (15)

4.3 连接杆尺寸计算与力的校核 (16)

4.4 手指部分弯曲强度校核： (18)

4.5 圆锥滚子轴承受力计算与寿命的的分析 (19)

5 控制系统的设计 (19)

5.1电气控制要求分析与PLC的选型 (19)

5.2 PLC控制程序设计 (21)

5.3 PLC梯形图 (22)

5.4 程序说明 (22)

总结 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

摘要

在当今社会的制造业中，企业为提高生产效率，普遍重视生产过程的自动化程度。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

本文主要针对生产线上的自动化设计了一个抓袋机械手，实现袋料抓放过程的自动化。该机械手能实现机械手的夹紧和放松等动作。驱动系统采用气压驱动，实现了手爪的夹紧和放松动作。控制系统采用PLC控制，通过光电传感器的信号来触发机械手的工作，实现自动化过程。并且尽可能详尽的讨论了该机械手的手部等主要部件的结构设计及尺寸设计。

通过上述工作,机械手最终能够按照控制程序的要求进行运动,达到了本论文的设计目的和要求。关键词：机械手；PLC（可编程控制器）；气压驱动；

ABSTRACT

In today's society , Manufacturing enterprises to improve production efficiency, universal attention automation of the production process. Robot is an automated device having gripping and moving the workpiece features used in the automated production process, it is a new device developed in mechanization and automation of the production process.

This paper mainly automated production line designed a robot grab bags, bags of material to achieve a pick and place process automation. The robot manipulator to achieve clamping and relaxation and other activities. Drive system uses pneumatic drive to achieve a gripper clamping and releasing operation. The control system uses PLC control, photoelectric sensor through a signal to trigger the robot's work, to automate the process. And as detailed as possible to discuss the design and size of the design of the robot hand and other major components.

Through this work, the robot eventually can be performed in accordance with the requirements of motion control programs to achieve the purpose of this paper the design and requirements.

Key words: Manipulator; PLC(programmable logic controller); pneumatic drive;

1绪论

1.1机械手的概述

机械手主要由手部，运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物的形状，尺寸，重量材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型，托持行和吸附性等。改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降，伸缩，旋转等独立运动方式，称为机械手的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2-3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作、同事接受传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是有单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现多要的功能。

机械手通常机床或其他机械的附加装置，如在自行机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热，累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆，滑竿，等机械器件组成；电气方面有交流电机，变频器，传感器，等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术，检测设计等，是机电一体化的典型代表一起之一。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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已成为现代企业中的重要支柱，无人车间，无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温，放射性，有毒气体，有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣中生产环境不利于人工进行操作。

工业机械手是近代自动化控制领域中出现的一项新技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温，高压，粉尘，噪音一起带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

专用机械手经过几年的发展，如今已进入以通过机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械，液压，气动等基础知识，而且还应用一些电子技术，电视技术，通讯技术，计算技术，无线电控制，仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外发展这一新技术都很重要，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。

50-60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现性机械手。这种机械手也成为第二代机械手。如尤尼曼特机械手即属于这种类型。

60-70年代，又相继的把通用机械手用于汽车车身的电焊和冲压生产自动线上，亦既是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。

80-90年代，装备机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。

90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农，林，矿业，航天，海洋，文娱，体育，医疗，服务业，军事领域上有较大的应用。

90年代以后，随着计算机技术，微电子技术，网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

1.2机械手的国内外研究现状及设计目的

1.2.1机械手国内外研究现状

机械手首先是从美国开始研制的。刚开始时，只是为了实现简单的抓放运动。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。随着数控的技术逐步成熟，人们又将上述方案基础之上将数控技术引进。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，其结构上采用球坐标形式，能实现臂回转、俯仰，由于驱动力较大故采用液压驱动；控制系码垛机械手设计统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。为了使机械手实现中央立柱回转，臂可以回转、升降、伸缩等功能。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。其结构原型采用的是圆柱体坐标，比球状坐标能多实现一个自由度的运转。同样的由于其传输动力较大采用了液压驱动。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。为了近一步提高机械手的可靠性，改进其结构，降低成本。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-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机程序进行控制，传感器进行实时监控。其用于装配作业时，能使定位误差可小于±1毫米。与此同时，德国、瑞士、日本的机械工业也在迅速发展。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。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。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

在国内，目前，在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下，从现有国内啤酒、饮料工业的发展趋势来看，机器人需求量将相当可观。业界已给出高度的评价和关注。据有关数据显示，市场每年的需求在150台套以上。每年可为啤酒、饮料包装行业增加产值1.5亿元，既可带动相关产业链同步发展，又对推进社会进步和科技创新具有着深远的社会意义。我国啤酒、饮料行业有数百家生产厂家、数千条20，000瓶/小时和数百条40，000瓶/小时包装生产线。大部分生产线是人工码垛人库，工人劳动强度

大，工伤事故率高，增加了啤酒、饮料企业的生产管理成本。近年来，一些大型啤酒、饮料企业，特别是新建工厂，开始购置码垛设备，需求量增长幅度较大。

码垛机械手的发展趋势:近几年，啤酒、饮料、乳品等食品行业经历了前所未有的高速增长，然而随着原料、包装物流、营销、人力等成本的不断上涨，国内外对节能环保要求的提高以及产业集团化、规模化和国际化进程的加快，啤酒、饮料、乳品等食品企业正面临着成本控制和产品升级换代的挑战。同时消费者对产品质量和多样化的要求越来越高，生产工艺和设备革新也势在必行。新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化开发个性化的产品和包装，而且可以降低原材料、设备和生产能耗等成本，增加企业的产品竞争力。快、安全、节能美观，整机功率小比传统的码垛机在电能上每年可以节省10万以上。并且可以大大的缩短生产线的长度，减少设备量，简化工作程序。

1.2.1机械手设计目的意义

工业机械手设计是制造，机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高学生的机械分析综合能力，机械结构设计的能力，机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一环节要求达到：

一培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。

二培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。

三培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。

1.3机械手的技术发展方向

目前国内工业机械手主要用于加工机床，铸锻，热处理等方面，数量，品种，性能方面都不能满足工业发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展锻造，热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同事，相应地发展通用机械手，有条件的还要研发示教式机械手，计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩，摆动升降，横移，俯仰等机构，以及适用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。即便与设计制造，又便于该换工作的作用。此外。还应用大力研究伺服型，记忆再现型，以及具有触觉，视觉等性能地机械手，并考虑计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

1.4本设计的主要任务

设计题目：工业机器人50kg袋料抓手设计；

设计方法：电气驱动机械手的抓放，电机驱动手腕旋转；

设计参数：手抓额定载荷为10-50kg，旋转范围为±95°；

设计内容：

1.电机驱动的回转；

2机构运动分析；

3主要零部件设计计算和选择；

4机械结构设计；

5电气控制系统设计，电机与电气设备选择；

6PLC控制系统设计，主要元器件选择；

1.5机械手的坐标式与自由度

本课题是50kg袋料抓手其设计主要任务是完成机械手的结构方面设计。常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种；(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; (3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。

图1.01 机械手坐标形式

直角坐标式前后、上下、左右都是直线，其坐标占空间大，工作范围小，惯性大，自由度较少时适用。圆柱坐标前后、上下直线往复运动和左右旋转，它占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取地面物体。球坐标式前后伸缩、上下摆动和左右旋转。由于球坐标抓取质量有限所以选用关节式机械手。

关节时机器人作业动作灵活，作业半径相对较大，能码垛的位置可以不固定，精度高，且稳定等它需要5个驱动（除手部抓取驱动外），结构复杂，需要的驱动相对较大。关节机器人活动灵活，作业半径大，在工业自动化运用最广泛的一种，科技含量高。此种自动化机器人应用多少也可以衡量一个国家的科技发展水平。

综上所述，采用关节式机械手更能满足实现袋料物料的抓放，旋转功能。

2 袋料抓手的总体设计

2.1袋料抓手的手部结构方案设计

2.1.1袋料抓手手爪类型及其加紧装置结构

抓手是机械手中直接与工件或工具接触用来完成握持工件或工具的部件。有些机械手直接将工具（如焊枪、喷枪、容器等）装置于机械手前端，而不设置手部。由于同手部的接触形式不同，可将其分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指和传力机构所组成。

本设计设计的是50kg袋料抓手，吸附式常用于抓取表面平整，面积较大的板状物体，不适用于本方案，故本设计机械手采用持夹式；手指是与物件直接接触的构件，持夹式中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，故应用广泛。平移型结构较复杂，应用较少，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径的变化不会影响其轴心的位置，因此适合于夹持直径范围变化大的工件。

此次袋料抓手是码垛机袋料抓手，若使用平移型手指，本身结构复杂，而且为满足设计要求，使得码垛机横向尺寸变大，基于经济性和应用性的考虑，本设计采用回转型手指结构。

现有两种夹紧结构能实现装夹要求：（1）垂直压架型结构（2）水平U型装夹结构

如图2.01和图2.02。

图2.01 垂直结构图2.02 水平结构第一种传动方式结构简单，传动效率较高，适用性较强；第二种传动方式结构比较复杂，传动效率不是很高，且在装夹时可能会出现袋料上下抖动的情况；故此次设计采用第一种结构比较合适。

由于设计的抓手是50kg袋料抓手，在确定了手抓垂直的压架结构之后，可选用常开式加紧装置即在非工作情况下压架为上极限状态，工作时压架下降定位并夹紧50kg袋料。

2.1.2袋料抓手手部手指设计

工业机器人的手指结构取决于被抓物体的表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形

有平面的、V形的和曲面的；手指有三种：（1）外夹式，手部与被夹件的外表面相接触。（2）内撑式手部与工件的内表面相接触。(3)内外夹持式，手部与工件的内，外表面相接触；指数有双指数、多指数和双手双指式等。基于本设计是设计50kg袋料抓手，手指采用的是外夹式V形，多指数结构。

图2.03 手指结构简图

2.1.3袋料抓手压架设计

由于设计的抓手是50kg袋料抓手，而袋料有以下几个特性：（1）柔软，由于袋料一般装的都是散货，因此袋料的可塑性强，比较柔软。（2）易划伤，用来装料的编织袋容易被划伤，使得里面的货物散落出来。给予此两点，本人设计了如下三种压架结构。

图2.04 圆柱型压架图2.05 带橡胶式压架图2.06 压圈式压架

第一种方案结构简单，可实现简易的定位压紧过程，但由于无稳定结构，细杆容易弯曲变形因此不采用。第二种方案不仅是把第一种的圆柱形变成了长方体，同时在其下方加了一层半圆柱形的橡胶，这样既减少了手部在运动过程中袋料的上下抖动程度，又使得本身不易变形。第三种方案加大了压架与袋料的接触面积，且结构稳定，能很好的夹紧袋料。综上，采用第三种方案比较适合本次设计要求。

2.2.4轴承选型

为了支撑机构中的轴结构，在轴的两边各加一个轴承使其机构更加稳定可靠。

轴按摩擦性质分为：滑动轴承和滚动轴承，由于滑动轴承有摩擦阻尼小，可同时承受径向力和轴向力，互换性好，易于维修等特点。故本次采用滚动轴承。滚动轴承有包括：调心球轴承，调心滚子轴承，圆锥滚子轴承，推力球轴承，深沟球轴承，角接触轴承，圆柱滚子轴承。而其中圆锥滚子轴承可同时承受径向载荷及轴向载荷符合结构要求。因此本次设计初选轴承型号为圆锥滚子轴承30204。

2.2袋料抓手的驱动方案设计

2.2.1手抓部分驱动结构及方式

气动驱动，空气被压缩，气缸，马达或者其他装置里储存的能量转化为机械能。然而，在工业引用中当能量要求不高时，使用压缩空气是唯一符合成本效益的。气动的“敏捷手指”被应用于短距离高速移动较小的物体，比如夹紧，运输，拧紧以及其他工业，贸易或医疗任务中。

手抓部分只负责实现袋料的抓放过程和袋料的定位夹紧过程，属于短距离高度移动运动过程，因此，采用气动装置来驱动抓手部分比较符合本设计要求.

气动系统控制要求：实现抓手手爪部分的抓放过程，实现抓手压架部分的压合与分离过程。在气动系统中，气动执行器是将压缩空气的压力能转化为机械能的元件。它驱动机构做直线运动，摆动或者回转运动，输出力或力矩。气动执行器分为气缸，搬动时气缸和气马达，基于设计要求，本次设计采用气缸来实现运动过程。

气动控制基本流程为：由空气压缩机来压缩空气提空驱动所需要的气压，被压缩的空气通过四个气缸来实现手爪与压架的机械运动过程，途中通过换向阀来实现运动过程中的工作行程与回程的切换。

2.2.2气动控制方案原理图

图2.07 气动控制方案原理图

气动控制方案原理图说明：空气通过空气压缩机进行压缩然后在到达减压阀（减少系统压力，以保证气动系统工作安全，使系统压力回到调定值范围内）。通过减压阀后被压缩的空气依次通过2位5通电磁换向阀（通过电磁换向实现系统工作行程与回程的切换）与节流阀（通过调节其开度来限制系统中的流量）到达气缸，以实现气缸正常的运作。当工作行程时，YA2,YA4,Y A6,Y A8电磁触点得电。回程时，Y A1 ,YA3,YA5,Y A7电磁触点得电。

2.3袋料抓手电气控制方案比较与确定

目前，市面上可以选择的控制方式有：（1）继电气控制（2）单片机控制（3）PLC控制。

继电器控制系统：工作方式上当电源通电时所有继电器都处于受制约状态，属于并行工作方式。控制速度上工作频率低，且机械触电还会出现抖动。可靠性能上系统用了大量的机械触点，连线多，触点开闭是存在机械摩擦，电弧烧伤等现象，触点寿命短，所以可靠性和安全性能较差。不适用于本次设计。

单片机控制系统：单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但本身无自开发能力，必须借助开发工具来实现相应的功能，以及对硬件系统进行诊断。系统硬件方面相对比较复杂，系统电路设计工作量相对较大，影响设计时间。稳定性上，由于工厂内条件较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。维修上，需要时间较多比较麻烦。故本设计不采用。

PLC控制系统：可靠性能较高，抗干扰能力强，平均故障时隔时间长，故障修复时间短。通用性强，控制程序可变，使用方便。并且编程简单，容易掌握。还有体积小，重量轻，功耗低，维护方便等优点。因此本设计采用PLC控制系统比较合理。

3 气动系统设计

3.1 空气压缩器选型

空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是组成压缩空气站气源系统的主要设备。它分为容积

型和速度型压缩机。容积型压缩机：气体压力的提高是靠周期地改变气体容积的方法，即通过缩小气体

的容积增大气体密度，来提高气体压力。速度型压缩机：气体压力的提高是以改变气体速度的方法，即

先使气体分子得到一个高速度而具有较大的动能，然后将动能转化为压力能而达到提高气体的压力。基

于本次设计为驱动机械手这种小型机械系统，本次设计采用速度型压缩机，这种压缩机有（1）背压稳

定，输出压力范围大；（2）效率高；（3）适应性强，单机能适应多种流量，排气量可在较广范围内选

择等优点。因此，本次设计采用容积型双极往复活塞式空气压缩机。由于整个系统比较小且没有大的气

压执行件，估得本次设计额定压力在1.5Mpa 左右,大致流量为120L/min 。基于系统的额定工作压力与流

量的考虑，本次设计选用DTYC 公司的新型VS55A 空气压缩机。

3.2减压阀选型

减压阀是输出压力低于输入压力，并保持输出压力稳定的压力控制阀。它可保证气动系统或装置的

工作气源压力稳定，不受输出空气流量变化以及压缩空气源压力波动的影响。减压阀从调压方式上分为

直动式和先导式。内部先导式减压阀增加了有喷嘴，挡板，固定节流孔及气室所组成的挡板放大环节。

提高了对阀芯控制的灵敏度，即提高了阀的精度。故本次设计采用内部先导式减压阀。由于空气压缩机

额定压力在1.5Mpa 左右,实际输出压力选择0.7Mpa 较为合适，此时在P=0.7Mpa 的流量特性曲线中

13/7-?=h m Q 时，输出压力为0.55Mpa 。基于系统工作压力与排气量考虑，本次设计采用SMC 公司

的AR10P-030(自带空气过滤器与压力计)。

3.3管道设计

由于本次设计最大输出流量为120L/min 左右，即13/7-?=h m Q 。查下表可得：当流量为

116.67L/min 时所用管道的公称通径为10mm 。在管道的材料方面，尼龙管为气动最常用的产品，它可

以在避免发生折曲并堵塞气流的最小允许弯曲半径外弯使用，它具有良好的抗磨损性能和耐压性能，但

高温时耐压能力迅速下降，其允许使用环境为-20—+60°C 。聚氨酯管的弯曲性能比软尼龙管好，适用

于弯曲大，狭小空间使用，故本次设计采用聚氨酯管（TU 系列）。其外径为10mm 时，内径为6.5mm ，

最小弯曲半径为27mm 。