搬运机械手及其控制系统

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

毕业设计说明书搬运机械手及控制系统设计

学院：机械工程学院

专业：机械制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

2012 年 5 月

摘要

摘要

我国的机械手的发展在最近几年得到了突飞猛进的发展，机械手可以仿照人类的某些肢体运动完成某些特定的动作，所以机械手在生产活动中扮演着越来越重要的角色。因此机械手会在我国得到更普遍广泛的应用。

搬运机械手在当今工业、医疗、自然灾害等等的领域中等到了广泛的应用发展，然而搬运机械手的控制系统和执行机构在工作中起到举足轻重的作用，因此控制部分和执行部分对于机械手的工作的整体运转情况具有十分重要的意义。所以本次毕业设计主要的任务是解决执行机构和控制部分的问题，该毕业设计采用气压传动作为执行机构，可编程控制器作为搬运机械手的控制部分。

对于本论文的总体设计主要有一下几点，首先要确定搬运机械手的工作对象、设计的目的、搬运机械手的自由度。本毕业设计要通过计算计算出气爪个夹紧力，伸缩臂的气缸、摆动气缸的扭矩等，然后选择标准气缸。执行部分要画出气动原理图，控制部分要根据搬运机械手控的IO点数选择三菱FX系列PLC。根据毕业设计的任务书要求画出梯形图和程序语句表。

关键词：搬运机械手气压动传动可编程控制器SMC气缸

Abstract

Abstract

The robot's development has been rapid development in recent years, The robot can be modeled on the human limb movements to complete certain actions. Play an increasingly important role in the move. Robot in China more generally, a wide range of applications

Handling robot in wait for a wide range of application development in the area of today's industrial, medical, natural disasters, etc. However, the handling robot control system and the implementing agencies to play a decisive role in the work, Control and operative parts of great significance for the overall functioning of the robot work. The graduation project the main task is to solve the problem of implementing agencies and the control part of the, The graduation project adopts pneumatic transmission, programmable logic controller for moving the control part of the robot as the executing agency.

For the overall design of this paper are mainly the following points, Must first determine the object handling robot designed to degrees of freedom of the handling robot, the robot parameters, and so on. This graduation project is calculated by calculating the outlet claws clamping force, The cylinder of the telescopic boom、Parameters of robot and so on. Then select the standard cylinder. Operative to draw pneumatic schematic, The control section according to the IO handling robot control points to select the Mitsubishi FX series PLC. Graduated from the design task book draw the ladder and the program statement table.

Keyword: Moving robot Pressure dynamic transmission

Programmable controller SMC cylinder

目录

摘要 (1)

Abstract（英文摘要）…………………………………………………………………………………………………………

目录…………………………………………………………………………

第一章引言……………………………………………………………

1．1课题的目和意义………………….

1．2 工业机械手设计的基本步骤……………………………………………..

2 总体设计...........................................................................2．1 设计的容...........................................................................2．1．1总体说明....................................................................... 2．1．2驱动方式的选择和设计 (6)

2．1．3整体机构的确定……………………………………………………..

3 工业机械手的机械部分设计 (8)

3.1 工业机械手的规格参数……………………………………………..

3.2 工业设计手的参数计算 (8)

3.2.1 手部质量计算……………………………………………………..

3.2.2 机械手的爪部夹紧气缸的选择 (9)

3.2.3 腕部传动气缸的选择……………………………………………..

3.2.4 伸缩气缸的选择……………………………………………………

3.2.5 对伸缩导杆的校核 (12)

3.2.6 配重算………………………………………………………………

3.2.7 升降部分计算…………………………………………………………..

3.2.8 对升降导杆的核算 (15)

3.2.9挠度计算…………………………………………………...............

3.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算 (16)

4 工业机械手的控制部分设计 (17)

4．1 回路计算.......................................................................... 4．2 执行元件选择.................................................................... 4．3 控制元件选择.................................................................... 4．4 执行元件用气量的计算和空压机的选择 (21)

4．5 气动元件的清单……………………………………………………….

4.6 动作顺序表………………………………………………………….

电气控制系统设计………………………………………………………..

5．1电气控制方案设计和元件的选择 (25)

5．2 PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计………….

5．3 PLC梯形图的设计………………………………………………………5．4 PLC的控制程序………………………………………………………..

总结

致谢

参考文献

第一章引言

1.1课题来源及现实意义

该课程设计是机械及机械控制理论及课程教学计划的实践学习的过程，是对这几年课程知识的综合考验与考察，是对我们的一个综合检测。本课题即搬运机械手与控制系统的设计是典型的机械、机电为一体的综合设计产品，该课题几乎设计了我所学的所有课程。涉及的领域包括了机械的几乎所有专业课，例如液压与气压传动技术、工厂电气控制技术、PLC技术等等课程。该毕业设计将系统的反应机械与控制的紧密联系。

应用搬运机机械手有利于实现材料的传送.共建的装卸.刀具的更换以及机器的装配的自动化的程度的提高，因此可以提高劳动生产率和生产本。搬运机械手也可以改善劳动条件，避免人身安全。在高、高压、低温、低压等恶性环境下的场合中，应用人手直接操作是非常危险或基本不可能的任务，从而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得到改善和提高。最终可以减轻人力，便于有节奏高效的生产。通过运用两年来所学的机械.电气.气动PLC.计算机等有关知识，学会根据实际问题需要确定设计方案，构思机械结构，完成程序设计及调试通过本次毕业设计，将使我掌握写论文的一般步骤及方法。同时也锻炼了我在遇到困难时冷静分析。独立思考及解决问题的能力，而且培养了我和同学相互讨论，相互学习的习惯。

1.2搬运机械手的技术概述

1.2.1 搬运机械手的原理

搬运机械手是一种模仿人类手动作，并按设计者设定的程序、轨迹和要求代替人直接搬运工件或操持工具或搬运工件的自动化装置。

1.2．1 机械手的分类

现在机械手的种类，可按驱动方式划分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手等等；按适用范围可划分为专用的机械手与通用的机械手两类；按

运动的轨迹控制方式可化分为点位控制方式和连续轨迹控制搬运的机械手等等。以下对各类机械手进行简要介绍。

对于液压机械手——输出力矩大，传动平稳可靠。若采用电液伺服机构控制，可以实现连续的轨迹控制。液压系统的密封要求很严格，油温对油的粘度影响也很大。

对于气压机械手——气源方便取之不尽用之不竭，但输出力比较小，气压传动速度较快，结构简单、成本低廉。但工作时稳定度低，冲击力很大，在同样抓重物条件下它比液压控制的机械手的结构大的多。

对于电动机械手——是用直接用直线电机或功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单易于获取，不再需要多余的能量转换机构，维护使用方便可靠。

对于机械式机械手——由工作机械带动机械手工作，工作稳定可靠，结构简单易于制造，成本适中，但动作路线固定不可变。

对于点位控制——点位控制只能控制机械手运动的几个点的相对位置，运动轨迹不受控制。目前大多使用的专用机械手和通用的机械手均属于点位控制。

对于连续控制——大部分工业的机械手按给定的速度沿给定的轨迹路线实现平稳而且准确的运动。主要特点是设定点是无限的，整个运动过程都要在PLC

控制之下。此类工业机械手一般采用小型计算机进行控制即可。

1.3搬运机械手在国内外现状和发展趋势

在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手工业机械手是在第二次世界大战中发展起来的，开始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种旧式的主从型的控制系统。1958年美国的联合控制公司研制出世界上的第一台机械手。它的结构简单：机体上安装一个回转的长臂，机械手端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；至到1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上进一步改进设计，又试制成一台新型的数控示教再现型机械手。运动系统仿造了坦克的炮塔，臂可以回转、伸缩，用液压气压等驱动；美国联合公司控制系统用

磁鼓做储存装置。因此不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展设计起来的；普曼公司专门生产工业用机械手，联邦德国机器制造业是从1970年开始应用制造机械手的，主要用于工厂的起重运输、焊接和设备的上下料等工厂作业：联邦德国K公司还生产过一种点焊式的机械手，采用关节式结构和PLC等程序控制；日本是工业机器人发展最快最先进的，应用国家也是最多的国家，自1969年从美国引进两种典型工业机械手后，开始大力发张从事机械手的研究工作，目前已经成为世界上工业机械手最发达应用最多的国家之一。当今世界机械手的发展仍在迅猛发展。

我国的工业机械手的研究研发开发始于20世纪70年代左右。1972年我国的第一台工业机械手开发制造于上海，随着全国各省都开始研制和研发应用机械手。自从第七个五年计划的开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中并作为重点项目，并且为此项目投入大量的人力物力，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人等等。这些工业机器人的控制器，几乎大部分都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，气压液压等技术等等。如今我国正从一个“制造型大国”向“制造型强国”迈进，中国的制造业正在面临着与国际接轨、世界接轨、参与国际分工的巨大工作和挑战当中，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，中国政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力和活力。

随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的不断提高，中国的机械手已在众多领域得到了广泛普遍的应用。已经从传统的汽车的制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。

在未来几年，我国将在传感技术，激光技术，工程网络技术中机械手将会被广泛应用，因此这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本将更低。据一系列现象证据表明，今后机械手将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等等各领域得到广泛应用。

1.4搬运机械手需要解决的问题

1 需要解决机械手机械结构的设计问题，并且要求搬运机械手结构简单、经济、操作方便具有一定的代表性和可性行。

2 各执行部件的运动要协调稳定精度要达到一定的精度的问题。

3 机械手的控制系统问题，解决工件和控制系统的协调稳定连续运行问题。

4 还需要解决元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式等等问题。

第二章 搬运机械手夹持部分计算

2.1 夹持式手部驱动力计算

任务书给出的工件的质量是G=1 千克，尺寸等于φ32?32（直径?高度），材料是塑料。

1 根据夹持工件的质量G 及方位计算手指能够把工件夹紧的夹紧力N 粗略为N ≈（0.9~1.1）G ≈10N 。

2 根据夹紧力N 和所采用的传力机构，计算出理论的驱动力p '

。

有上图可知c=15mm b=40mm 45=α°

得

p '

=

N c b ?2cos^2N=102

1

1580??=25N 3 计算出实际的驱动力p

k k P p 2

1*`*≥η

（千克）

p '

——————理论驱动力

k 1

——————安全系数 ，一般情况下取1.5至2

负载N

F <5000

5000

~10000 10000

~20000

20000 ~30000

30000 ~50000

>50000

工作压力MP

P

0.8~1

1.5~2

2.5~3

3~4

4~5

>5~7

k

2

—————工作情况系数，其中主要考虑惯性力的影响，由此可按以下

公式计算

k

2

=1+g

a

a ——————为手部抓取工件的手臂运动的最小加速度（2

^s m ）

η—————— 传力机构的机械效率，一般情况取η=0.85~0.9

由以上求k 2

如果被抓取工件为匀速运动则a=0。 则k 2=1+g a =1+0=1,

所以k k p p 21'

**≥η

=9

.01

*8.1*25=50N

所以夹持工件时所需要的夹紧气缸的驱动力约为50N

第三章 上下移动气缸的选型计算

3.1机械部分主要尺寸的确定

3.1.1 上下移动缸的计算确定

由《机械设计手册第四卷》 取气缸工作压力约为

p

工作

=0.4MP ， 气缸

内径D 和活塞杆直径d 的确定。单活塞杆气缸是当今现代应用最为广泛的，所以该课题夹紧气缸采用单活塞杆。由于其单活塞作用缸一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效的面积不再相等，活塞上行是产夹紧的力F 1，活塞下行时产生松开的力F 2。

其中

F 2=

F p

z d D --4

*)2^2^(工作

π

公式中F 2

————表示活塞杆拉的松开力N

F 1

—————表示活塞杆的夹紧力N F

z

—————表示气缸工作时总阻力N

p

工作

——————表示气缸工作阻力P a

D ——————表示活塞直径 mm d ——————表示活塞杆直径 mm

其中总阻力F z 与多种因素有关，比如惯性力、摩擦力、背压力等等，综上以上因素可以用载荷率η的形式代入公式。求得气缸的松开力F 1和夹紧力F 2

由此

F

1

=4

2^p

D 工作

?

?ηπ；F 2

=

4

**)2^2^(p

d D 工作

ηπ-

对于气缸动态参数的要求较高时，一般情况取η=0.3~0.5，因此该课题要求一般取η=0.7~0.9，所以此处取η=0.8。

由以上分析计算可以得双向作用的气缸直径尺寸。 其中F 1=N=100N

D=

π

η**

p

F 工作

1

4=8.06^104.0100

4****π=19.95mm

查机现代实用气动技术圆整，得D=25mm 标准气缸直径，由D

d =0.2~0.4，

可得活塞杆直径。

d=（0.2~~0.4）*D=5~10mm

所以取活塞杆直径d=10mm 。

3．1.2缸筒壁厚和外径的设计计算

由于缸筒筒璧直接承受空气压力，所以必须需要一定的厚度，通常情况一般的气缸缸筒壁厚与内径之比应小于或等于1:10，所以气缸壁厚可按以下薄壁缸公式来计算。

]

[*2*σδP p

D =

其中式中 δ——————缸筒的壁厚 mm 。 D ——————表示气缸的内径 mm

p

p

——————表示气缸实验的压力，通常取

p

p

≈1.5MPa

[σ]——————表示 缸筒璧材料的许用压力

缸筒材料先按铸铝合金ZL106其中[σ]=3MPa 。

于是壁厚]

[*2*σδP p

D ==6^10*3*25^10*4*5.1*20=2mm

取δ=2mm ，则缸筒外径为D 1=D+δ=25+2*2=29mm 。

3.1.3手部活塞行程l 确定

为了扩大搬运机械手的工作范围，臂伸距离尽量扩大，初步估计l=75mm 。

3.2搬运机械手的校核：

一3.2.1活塞杆稳定性校核

根据设计手册公式可知当活塞杆长度L ≥10d 时，所以要校核杆的稳定性。气缸承受的轴向负载F pu 当达到极限值F k 以后，即使有很小的干扰力便会使杆产生弯曲变形，从而导致气缸不能进行正常的工作。由机械设计手册第四卷

可知活塞杆稳定性条件如下。

F

pu

η

k

k

F

≤

以上式中F pu ————表示气缸所承受的轴向负载 ，N

F k ————表示气缸的压杆稳定极限力 ， N

ηk

————表示气缸的压杆稳定性安全系数，通常情况一般取η

k

=2~6

由于气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式活塞杆直径及行程等等有关，所以根据机械设计手册公式可知。

当长细杆比m K

L 85≥的 时侯，

2

^2^L EI m F k π=

如果长细比m K

L 85≤的时侯，

F k =2

)^(1K

L n fA

α+

其中式中 L ————表示活塞杆的计算系数， m K ————表示活塞杆横截面的回转半径， 杆为实心杆时K=A I 1=4

d

I ————表示活塞杆断面惯性矩 则实心杆I=64

4^d π

A ————表示活塞杆截面积 m ————表示系数，机械设计手册第四卷

E ————表示材料弹性模量，对刚取E=2.1?10^11Pa

f ————表示材料强度实验值，对刚取f=49?10^7Pa

α————表示系数，对刚材取5000

1

实心杆K=4d =410=2.5

查《机械手册》 得安装方式为一端固定一端自由取m=41，将上式代入公式得

实心杆K=4d =2 .5 25375==K L

由于m K

L 85<

因此

F k =

=+2)^(1L fA 2

)^75(112514.37^1049+???=3.02?10^10

由于F pu η

k

k

F

≤

，所以活塞杆稳定.

3.2.2 手抓和气缸质量估算和工件质量

m m m m

1

工件零部件气缸手抓

+++=m ≈3kg

3.2.3搬运气缸选型

根据以上上式计算结果选择气缸 根据SMC 气缸选型手册选择CDM2HL25F-75AJC73 如图

3.2.4气缸的安装结构的选择

根据安装条件位置、结构和工作要求等，从《SMC选型气缸》中选择脚座

安装。

第四章 伸缩气缸的计算选型

4.1 伸缩气缸的设计

4.1. 1 气缸的内径和活塞杆的直径的确定

根据课题设计要求，结合末端执行器的尺寸结构，采用单活塞双作用气缸，初步确定气缸的内径为40Φ。

由《机械设计手册》知3.0~2.0=D

d ，可求得活塞杆直径的d=（0.2~0.3）

=8~12mm.

所以由《机械设计手册》圆整后活塞杆直径d 取14mm 。 由公式F 1=ηπ4

2

P

D

ηπP

d D F )(22

2-=

式中F 2

————表示活塞杆拉力N

F 1

—————表示活塞杆的推力，N

D ——————表示活塞直径， mm d ——————表示活塞杆直径 ，mm

P ——————表示气缸工作的阻力，P a 得F 1==????8.044.014.31004.06

2502.4N

F 2

=44.0)(10007.004.06

22??-π=487.01N

4.1.2 缸筒壁厚和外径的设计计算

由于缸筒筒璧直接承受压力，必须需要一定的厚度，由于一般情况下根据《机械设计手册》气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1:10，所以气缸壁厚可按薄壁缸公式来计算。

]

[*2*σδP p

D =

其中 δ——————表示缸筒壁厚， mm D ——————表示气缸内径， mm

p

p

——————气缸实验压力，取

p

p

≈1.5MPa

[σ]——————表示缸筒材料许用压力 缸筒材料采用HT200其中 [σ]=30MPa 。 δ=

10

106

5

30245.140?????=0.4mm

其中取δ=2mmm

则缸筒外径为22401?+=D =44mm

4.1.3伸缩缸行程长度l 的确定

为了尽量扩大工作范围，伸缩距离应尽量扩大即s=200mm

4.2搬运机械手伸缩气缸校核：

4.2.1 活塞杆稳定性的校核计算

根据设计手册公式可知当活塞杆长度L ≥10d 时，所以要校核杆的稳定性。气缸承受的轴向负载F pu 当达到极限值F k 以后，即使有很小的干扰力便会使杆产生弯曲变形，从而导致气缸不能进行正常的工作。由机械设计手册第四卷可知活塞杆稳定性条件如下。

F

pu

η

k

k

F

≤

其中式中F pu ————表示气缸承受的轴向负载, N

F k ———— 表示气缸的压杆稳定极限力 , N

ηk

————表示气缸的压杆稳定性安全系数，一般取η

k

=2~6

由《机械设计手册》气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式活塞杆直径及行程有关。

长细杆比m K

L

85≥ 时 2

^2^L EI m F k π=

长细比m K

L 85≤时

F k =

2

)^(1K

L n fA

α+

其中式中 L ————表示活塞杆计算系数 m K ————表示活塞杆横截面回转半径 实心杆K=A I 1=4

d

I ————表示活塞杆断面惯性矩 实心杆I=64

4^d π

A ———— 表示活塞杆截面积

m ————表示系数，机械设计手册第四卷

E ————表示材料弹性模量，对刚取E=2.1?10^11Pa

f ————表示材料强度实验值，对刚取f=49?10^7Pa α————系数，对刚取5000

1

查《现代实用气动技术》可知安装方式为固定—固定形式 故取m=4

1

， 将

数值代入上式得实心杆得。

K= 67.663

200==K L 由于m K

L 85<所以

所以 F k ==+2)^(1K

L n fA α2)^3200(50001149

7^1049+???π=410^10?

由上式计算知F pu η

k

k F ≤，所以活塞杆直径取d=14mm 时细杆稳定。 4.3 标准气缸的选择

根据上式计算结果，可根据SMC 气缸选型手册选择标准的气缸，所以 伸缩气缸的选择CDM2HL40 F-200 AJC73 如图。