1、西安思源学院本科毕业设计1基于 PLC 的全气动组合式机械手教学模型结题报告项目负责人：许万宝成 员：袁延延周建宇王 彬樊登高指导老师：梁 艳西安思源学院本科毕业设计22013 年 10 月摘 要机械技术和以计算机为代表的微电子技术在相互渗透中获得迅速发展，形成了机电一体化技术，本次设计是在以机电一体化思想为基础的前提下进行的，其中应用了一些现代机电一化的常用技术，充分体现本次设计的内涵。在本文中确定基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手的主要技术参数，整体尺寸。设计基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手的三种机械手爪，分别为机械夹持器、真空吸附手、充气膨胀手。在本文的撰写过程中，还给出了
2、三种机械手的据图设计方案和具体零件的选择。基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手在设计的工程中还增加了了一个导向装置和平衡装置，这样使得机械手在运动的过程中更加的准确平稳。在当今的工业领域中，环保和科技处在科研的前端，利用先进的机械设备，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也可减少了企业在生产中出现的环境问题，更为优越的是减少了企业产品的制造成本，缩短了产品生产周期。此款工业设计不仅利用了环保的工作介质而且实现了多角度，多方位，多工作环境的设计理念。同样也把“安全生产”的目标放在首位，更是体现了我们国家“以人为本” “科教兴国”的战略方针。西安思源学院本科毕业设计3关键词：基于 PL
3、C 的全气动组合式多功能机械手；机电一体化；自由度；可编程控制器（PLC） ；IO 点；梯形图西安思源学院本科毕业设计4西安思源学院本科毕业设计5基于 PLC 的全气动组合式机械手教学模型第一章 绪论一、课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人们对生产率也不断提出新要求，由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术得以快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不会污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已经渗透到工业领域的各个部门中，在工业发展中占有非常重要的地位。现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、
4、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等等，这些恶劣的生产环境不利于工人进行生产操作。气动机械手的问世，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。目前，常用的机械手都是针对某一固定工件而设计的专用型机械手，没有通用性。为了扩大机械手的功能，实现“一手多用”的需要，我们对机械手采取了模块化设计，针对不同的抓取对象，如圆形棒料、圆锥形零件及薄板零件等等，选择设计了相应的手爪附件，如机械夹持器、真空吸附手和气袋膨胀手等等，以提高机械手的
5、应用范围和设备的利用率。西安思源学院本科毕业设计6可编程控制器（PLC）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便等优点，代替传统的继电器控制电路可以大大提高整个控制系统的柔性。借助 PLC 强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工人的工作环境，减轻了工人的劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，对现代工业的发展具有十分重要的意义。二、机械手的概念和分类（一）机械手的概念机械手，英文命 mechanical hand，是指能模
6、仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以替代人进行繁重的劳动，以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要是由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如加持型、托持型和吸附型等等。运动机构，使手部完成各种转动、摆动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势、运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个
7、自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。西安思源学院本科毕业设计7（二）机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按使用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等等。三、基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手研究的主要内容和用途基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压驱动，并用 PLC 对气控回路进行控制以实现机械手的运动，将机械、气控回路与微电子有机地结合起来。目前，工业上使用的机械手大部分是
8、采用电机驱动或液压驱动的专用型机械手，而整个系统全部采用气压驱动的组合式多功能机械手却还未见相关报道。气压驱动与电机驱动相比，更加适用于各种易燃、易爆、强磁等恶劣环境下工作。而与液压驱动相比则反应更加灵敏，动作更加迅速，而且不存在工作介质变质的问题。将 PLC 代替传统的继电器控制电路对机械手进行远距离控制，可以大大提高整个控制系统的柔性。当被控对象的运动状态或工作方式发生改变时，可以随时更改输入到 PLC 里的程序，从而很方便地就达到相关目的的实现。与传统的继电器控制电路相比，则提高了效率，降低了成本，减轻了操作人员的劳动强度。这是将机械和微电子有机地结合起来应用到整个系统中的典范。机械手采
9、用模块化设计，具有多种功能。受计算机模块化发展趋势西安思源学院本科毕业设计8和组合机床结构特点的启发，本次设计对机械手进了模块化设计。它由设计独特的末端执行器与机械手的基体组合而成，具有夹持多种工件的功能。本机械手根据夹持对象的不同，设计了三种不同的末端执行器，分别是机械夹持器、真空吸附手和充气膨胀手。为了控制机械手的转位角度，我们设计了一种新型的气控回路，它将二位五通电磁换向阀配以安全阀并加上二位二通电磁阀组合在一起代替中封式阀，可以在满足相同功能并保证相当精度的条件下，显得更为经济，为气压驱动的过程化控制提供了一种新的控制方法。本机械手作为模型通过适当放大或缩小，可以广泛应用于冶金、化工、
10、军工等环境恶劣、安全要求高的特定场合下，还可用于自动流水线中，也可专业综合实验系统。以用作高校机电一体化课程的实验工具，完成日常的教学任务。西安思源学院本科毕业设计9第二章 基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手的总体设计方案基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压驱动，并用 PLC 控制气控回路控制以实现机械手的运动，将机械，气控回路与微电子有机的结合起来。气压驱动与电机驱动相比，更适用于更适用于在各种易燃、易爆，强磁等恶劣的环境下工作。并且在工作的过程中反应更加灵敏，动作更加迅速而且不存在工作介质变质的问题，最主要的是工作介质来源广泛，并且价格低廉。并且采用三个组合式
11、机械手爪，可以完成不同规格零件的夹持和携带工件移动到合适的位置。一、机械手的工作原理基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手是以空气压缩机产生具有一定压力的气体作为气源，机械手的各个动作由气缸驱动，而气缸由相应的电磁阀控制。机械手的全部动作由 PLC 控制完成。二、三种机械手抓的结构原理(一)机械夹持器本机械手采用了平行四边形传动机构，实现两手指的平行开合西安思源学院本科毕业设计10运动。该四连杆机构采用均衡受力的设计思路，所有受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力均匀，定心准确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采用预缩型气缸驱动，能快速松开工件，可以实现远距离控制。如图 2-1 为机械夹持器的机构简图：图 2-1 机械加持器的机构简图1.手指 2.连动杆 3.气缸套 4. 杠杆 5.支架一 6.支架二 7.联接螺钉 8.气缸一9.回转气缸 10.悬臂 11.螺母 12.推力轴承一 13.长轴套 14.机架 14.轴承套 16.推力轴承二 17.转轴 18.齿轮 19.气缸二 20.加强肋 21.气缸三 22.齿条 23.导向槽手指 1、连动杆 2、杠杆 4、第一支架 5、第二支架 6、通过销钉联接，构成平行四边形结构，第一气缸 8 装在气缸套 3 中，并通过联接螺钉联接 7，而气缸套 3 与回转气缸 9 通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂 10
