机械手项目设计可行性报告

项目设计

可行性分析报告

专业机械制造及其自动化

学生姓名

班级

学号

指导教师

完成日期 2013年7月 5日

《气动机械手驱动系统可行性分析报告》一、概述

机械手在机械工业中，如冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等都有应用在其它部门，如轻工业、建筑业，国防业等工作中都有应用。

应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高生产小路和减低生产成本。同时，在高温、低温、有灰尘、噪声、有辐射或有毒性污染以及工作空间狭窄的场合，用人手直接操作是有为危险的，而用机械手即可部分或全部的代替人安全的完成工作，是劳动强度得以改善。尤其是较笨重的、简单而重复次数多的操作中，以机械手代替人手，可避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。而且应用机械手代替手工作，这是直接减少人力的一个方面，同时应用机械手可以连续的工作，是减少人力的另一个侧面。因此在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行生产。因此，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

二、本项目设计的国内外研究、开发、应用和维护现状

早在四十年代随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节的第一代机械手，屋十到六十年代，即制成了传送或装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手，这种机械手也称为第二代机械手。七十年代，又相继把通用机械手用于汽车的车身的点焊和冲压生产自动线上，是第二代机械手进入了应用阶段。八十年代开始研制具有更多的自由度的机械手，接着能自动编程的机械手，有行走机构的机械手及自动编程的机械手便产生了。

目前工业机械手主要用于流水线工件传送、焊接、装配、机床加工、铸锻、热处理等方面，无论数量品种和性能方面都能满足工业发展的需要。

在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手，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，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用范围，同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好的发挥机械手的作用。

专用机械手经过几十年的发展，如今进入了以通用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，智能机器人涉及的内容，不仅包括一般的机械，液压、气动知识，而且还应用一些电子技术，通讯技术，计算机技术，仿生学和假肢工艺等，它是一门综合性较强的新技术。目前，国内外对

其发展都很重视，几十年来，这类技术的发展和研制，一直比较活跃，设计在不断的改进，品种在不断的增加，应用领域也不断的扩大。

机械手的发展趋势：

1）研制能自动编程和自动改变程序的机械手。重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

2）研制具有一定“感触”和“智力”的机器人。这种机械手，具有各种传感装置，并配有计算机，根据仿生学的理论，用计算机，充当其“大脑”，使它能“思考”能“分析”，能“记忆”。

3）多智能体调控制技术：这是目前机械手研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

4）微型和微小机械手技术：这是机械手研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5）软机器人技术:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

6）仿人和仿生技术：这是机械手技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。

因此，机器人将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。

三、项目设计的方案论证

本设计采用综合传动方式，即手臂采用电气传动，而手爪采用气压传动。

我们主要对机械的执行机构，驱动系统，控制系统进行设计

一、执行机构

执行机构包括手部、手臂、躯干。

手指是我们采用回转式手指。回转式手指一般没有手掌，全靠手指握紧物体。这类手指类型比较多，常见的有：单滑销杆式、连杆杠杆式、齿轮杠杆式、以及具

有锁紧性能和弹性性能的手部。我们采用的手部形式为单滑销杆式。

手臂采用直臂式，这样有足够的强度和刚度，而且结构简单，紧凑，不易损坏。

躯干采用两杆支撑的立柱做竖直方向运动的形式。

二、驱动机构

驱动装置主要是液压驱动，气压驱动，电压驱动和机械驱动四种。由于气压传动具有防火，防爆，节能，高效使用PLC控制使设计紧凑。所以我们采用PLC控制气动机械手是综合性能比较好的。这样设计还可适用于高温，粉尘等较恶劣的环境。因此气动驱动的机械手，用起来比较安全，方便优符合我国的国情；节约资源，保护环境，而且，气压机械手结构简单，重量轻，动作迅速，平稳，可靠是一种比较理想的工业产品之一。因此，我们选用气压驱动的方式。

本设计方案在气压驱动的基础上添加电力驱动系统。

我们采用一个直动式气缸，分别实现机械手指的抓紧、放松；采用一个步进电机实现机械手的上升、下降一个直流电机实现左转、右转运动。

三、控制系统

主要有数字控制，小型计算机控制或微处理器控制。

因为PLC具有可靠性高，抗干扰性强，控制系统构成简单，通用性强，编程简单，使用维护方便，体积小，重量轻等特点。因此PLC作为一种通用的工业控制器，适用于工业机器人，在生产自动线上广泛使用，在我们选用的小型计算机控制，使用PLC编程。

我们用PLC编程控制一个气缸、两个电机的运动实现机械手的各种动作，并且机械手的手动和自动操作方式，实现它的各种控制要求。

机械手的控制要求

机械手要分手动操作和自动操作两种方式。自动操作又分为单工布、单周期和连续运动三种。

手动操作：供维修用。即用按钮对机械手的每一种动作进行单独的控制。例如，当选择上/下运动时，按下运动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手下降。其他动作，依此类推。

单工部运行：调试试用，即每按一次起动按钮，机械手按顺序向前执行一个动作后停止。

单周期运行：供首次检测用，当机械手在原点时，按下起动按钮时，机械手自行执行一个周期的动作后，自动停止在原点。

自动连续运行：正常工作用，当机械手在原点并按下起动按钮时，机械手周而复始地执行各工步动作。

四、项目设计方案的可行性论证

气动技术是实现生产工业自动化的方式之一，由于气压传动系统安全可靠，可以在

高温、振动、腐蚀、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣的环境下工作，所以应用日益广泛。用气控机械手代替手工作业是工业自动化发展的一个方向。

步进电机的技术的日益成熟和广泛应用，使其定位精度高，便于控制的优势得以发挥，将步进电机与气动组合应用，使机械手的性能大大提高。

同时，随着PLC性能价格比的不断提高，PLC的应用领域非常广泛，目前，PLC在国内外广泛应用于冶、机械、石油、交通运输等各个方面。一般来说，PLC是自动生产线上不可缺少的控制部件。PLC作为一种通用的工业控制器，适用于工业机械手的控制。

在该设计中，机械手的手爪的抓紧、放松采用气压驱动，手臂的上升、下降由步进电机来驱动，底盘的旋转由直流电机驱动，控制部分采用F1系列小型PLC，型号为F1-40MR。

目前，机械手向越来越紧凑，越来越快，越来越强力的方向发展，因为，紧凑的设计可便于在车间中安装。较快的速度可提高生产量，而提高有效载荷能力

可以操作更大的零件。因此我们采用气动驱动提高速度。使用PLC控制室设计紧凑。所以我们采用PLC控制的气动机械手是综合性能比较好的机械手。

五、结论及项目方案实施的展望

经过这段时间的设计，气压驱动机械手基本设计完毕，其内容基本达到要求。系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。该设计任务涉及气压驱动、电力驱动、PLC、电气控制等，在这个过程中，我对气压驱动系统设计、步进电机工作原理及驱动方式、可编程序控制器的编程及外部接线有了深刻认识，对机械手的工作原理有了进一步的掌握，在对机械手装配图的绘制中体会到CAD的优越性，同时对机械制图在设计中的应用有了切身体会，而且该机械手采用气压与电力两种驱动作为机械手的动力源，因此要综合的考虑某些问题，避免冲突，使其发挥各自的优势。

机械手的设计是一项复杂的系统工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与调试的过程来进行。系统的分析与设计是一项很辛苦的工作，同时也是一个充满乐趣的过程，在设计过程中，要边学习、边实践，遇到心得问题就要不断探索和努力即可使问题得到解决。

机械工程学院

机械设计制造及其自动化系