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氣動機械手回轉臂結構設計
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摘 要
本文簡要介紹了機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標形式，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國內外的發展狀況。
本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數。同時，計算并設計出了回轉氣缸、伸縮手臂的機械機構。
設計出了機械手的氣動系統，繪制了機械手氣壓系統工作原理圖，對氣壓系統工作原理圖的參數化繪制進行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質量。
利用可編程序控制器對機械手進行控制，根據機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設計出了人工移動式（無動力）點位示教控制軟件，并畫出了機械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。
關鍵詞：工業機器人；機械手；氣動；可編程序控制器（PLC）；
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.
The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,
The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator ,
This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.
The paper designs the structure of the arm.
The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . What’s more , the paper workout the control program of the PLC ,
Keywork: industrial robot；manipulator；pump；air pressure drive；PLC
目 錄
摘要（中文）.........................................................Ⅰ
（英文）.........................................................Ⅱ
第一章 緒論
1.1機械手概述.......................................................1
1.2機械手的組成和分類...............................................1
1.2.1機械手的組成...............................................1
1.2.2機械手的分類...............................................3
1.3國內外發展狀況...................................................4
1.4課題的提出及主要任務.............................................5
1.4.1課題的提出.................................................5
1.4.2課題的主要任務.............................................6
第二章 機械手的設計方案
2.1機械手的座標型式與自由度........................................7
2.2機械手的手部結構方案設計........................................8
2.3機械手的手腕結構方案設計........................................8
2.4機械手的手臂結構方案設計........................................8
2.5機械手的驅動方案設計............................................8
2.6機械手的控制方案設計............................................8
2.7機械手的主要參數................................................9
2.8機械手的技術參數列表............................................9
第三章 手臂伸縮，回轉氣缸的設計與校核
3.1手臂伸縮部分尺寸設計與校核......................................11
3.1.1手臂伸縮部分方案一的尺寸設計與校核........................11
3.1.2手臂伸縮部分方案二的尺寸設計與校核........................11
3.1.3導向裝置..................................................14
3.1.4平衡裝置..................................................14
3.2手臂回轉部分尺寸設計與校核......................................14
3.2.1尺寸設計..................................................14
3.2.2尺寸校核..................................................14
第四章 氣動系統設計..................................................16
第五章 機械手的PLC控制設計
5.1可編程序控制器的選擇及工作過程..................................18
5.1.1可編程序控制器的選擇......................................18
5.1.2可編程序控制器的工作過程..................................20
5.2 S7-200的擴展模塊...............................................21
5.2.1數字量I/O擴展模塊........................................21
5.2.2模擬量擴展模塊............................................22
5.2.3通信模塊..................................................22
5.2.4功能模塊..................................................23
5.3 PLC程序的實現..................................................23
5.4 本程序設計思路.................................................24
第六章 上位界面的設計...............................................27
第七章 結論...........................................................31
結束語.................................................................32
參考文獻...............................................................33
第一章 概述
1.1 氣動機械手概述
氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為“工業機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。
1.2 機械手的組成和分類
1.2.1機械手的組成
機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖1-1所示。
圖1-1機械手組成方框圖:
Pane chart of composition of manipulator
(一)執行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構
當工業機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅動系統
驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動。控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，
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