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3個自由度搬運機械手的設(shè)計
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摘 要
機械手是一種機械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)裝備。機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機械設(shè)計原理，進行三自由度搬運機械手的設(shè)計，熟悉三自由度機械手的運用場合和相關(guān)的設(shè)計步驟。機械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合三自由度設(shè)計的各方面的知識，在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題．解決問題.研究問題。并且在設(shè)計中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機械手使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。
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關(guān)鍵詞：機械手，輸送工件，搬運，三自由度
ABSTRACT
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom
目 錄
第1章 緒 論 4
1.1機械手的歷史 4
1.2機械手的組成 5
1.3機械手的分類 6
第2章 搬運機械手機構(gòu)總體方案設(shè)計 8
2.1搬運機械手設(shè)計要求 8
2.2基本設(shè)計思路 1
2.3搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
2.4 機械手材料的選擇 11
2.5機械臂的運動方式 11
2.6搬運機械手驅(qū)動與控制系統(tǒng)分析 12
第3章 搬運機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 13
3.1搬運機械手手爪設(shè)計 13
3.2 搬運機械手手臂設(shè)計 13
3.3 手部設(shè)計計算 16
3.4腕部設(shè)計計算 20
3.5液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 21
3.6機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 23
第4章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 27
4.1 PLC簡介 27
4.2 PLC工作原理 27
4.3 PLC機型的選擇 27
4.4 PLC控制面板的擬定 29
4.5 機械手工藝過程和控制方案的確定 30
4.5 PLC程序編寫 33
總結(jié)與展望 40
參考文獻 41
致 謝 42
1 緒論
隨著人類科技的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，機器人學(xué)成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，機械手作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機械手的身影。機械手產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機械手正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領(lǐng)域。機械手是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機械手善于完成重復(fù)的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機械手的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機械手的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果，也是社會發(fā)展的必然趨勢。現(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機械手這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機械手的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機械手或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設(shè)計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。
由于機械手的迅猛發(fā)展，機械手進入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機械手作為是機械手的典型產(chǎn)品，其設(shè)計及應(yīng)用對機電一體化、機械結(jié)構(gòu)工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。
1.1機械手的歷史
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
1.2 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1. 手部(或稱抓取機構(gòu))：包括手爪、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(gòu)(或稱臂部)：包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3. 驅(qū)動部分：它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和電機四種驅(qū)動形式。
4. 控制部分：它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等。
5. 其它部分：如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。
1.2.1執(zhí)行機構(gòu)
一般機械手的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅(qū)動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機械手能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復(fù)運動機構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
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