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3個自由度搬運機械手的設計
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摘 要
機械手是一種機械技術與電子技術相結合的高技術產品。采用機械手是提高產品質量與勞動生產率，實現生產過程自動化，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，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。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，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，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、污染環境條件下進行操作，更顯示其優越性，有著廣闊的發展前途。
本課題的主要內容是采用機械設計原理，進行三自由度搬運機械手的設計，熟悉三自由度機械手的運用場合和相關的設計步驟。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產效率。結合三自由度設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發現問題．解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構思，提高自己的創新能力。盡力使機械手使用方便，結構簡單。
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關鍵詞：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 搬運機械手機構總體方案設計 8
2.1搬運機械手設計要求 8
2.2基本設計思路 1
2.3搬運機械手結構設計 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搬運機械手驅動與控制系統分析 12
第3章 搬運機械手機械結構設計與計算 13
3.1搬運機械手手爪設計 13
3.2 搬運機械手手臂設計 13
3.3 手部設計計算 16
3.4腕部設計計算 20
3.5液壓驅動系統設計 21
3.6機身結構的設計 23
第4章 機械手控制系統的設計 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，社會經濟的發展，機器人學成為近幾十年來迅速發展的一門綜合學科。它體現了光機電一體化技術的最新成就，機械手作為其中的佼佼者更是發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。機械手產品的應用已經由核工業和軍事科技等高端科學領域向醫療、農業甚至是服務娛樂等民用領域發展了，并且各式各樣的機械手正在涌現出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領域。機械手是由于人類期望生產水平的提高，為了提升生產效率而出現的。然而由于機械手善于完成重復的，單調的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機械手的出現又大大解放了人類的生產力。所以說機械手的發展是社會發展的結果，也是社會發展的必然趨勢。現在，很多發達國家都追逐著機械手這一發展趨勢，積極地進行著機械手的各種開發和研制的工作，并且其中一些國家已經取代了不錯的成果，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展，機械手進入學校教學是必然的。三自由度機械手作為是機械手的典型產品，其設計及應用對機電一體化、機械結構工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業的教學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，自動化生產過程中發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期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，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用。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統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上發展起來的。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、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。這兩種出現在六十年代初的機械手，是后來國外工業機械手發展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。
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。它設有微型電子計算控制系統，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。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環節。
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)：包括手爪、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。
2. 傳送機構(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、電力和電機四種驅動形式。
4. 控制部分：它是機械手動作的指揮系統，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、行程檢測裝置和傳感裝置等。
1.2.1執行機構
一般機械手的執行機構由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構組成。
1.2.2驅動機構
驅動機構主要有液壓驅動、氣動驅動、電動驅動和機械驅動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現回轉運動。液壓驅動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結構緊湊，剛性好。定位精度高，克實現任意位置開停。有很多專業機械手能直接利用主機的液壓系統。但缺點是需要配備壓力源，系統復雜成本較高。
氣動驅動結構簡單、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，氣壓系統容易生銹。
電動由于減速和回轉運動變往復運動機構復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.2.3控制機構
機械手的控制方式有點動和連續控制兩種方式。大多數是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
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