1、*毕业设计 I摘 要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。关键词
2、：机械手，气缸，可编程序控制器*毕业设计 II目 录摘 要 .I1 绪言 .11.1 机械手的概述 .11.2 我国机械手的发展 .11.3 气动机械手的应用现状及发展前景 .31.4 PLC概念的由来和产生 .51.5 本课题设计要求 .82 机械手的总体设计方案 .92.1 机械手的系统工作原理及组成 .92.2 机械手基本形式的选择 .102.3 驱动机构的选择 .112.4 机械手的技术参数列表 .113 机械手的机械系统设计 .133.1 机械手的运动概述 .133.2 机器人的运动过程分析 .144 机械手手部结构设计及计算 .154.1 手部结构 .154.2 手部结构设计及计算
3、 .164.3 夹紧气缸的设计 .185 机械手手臂机构的设计 .245.1 手臂的设计要求 .245.2 伸缩气压缸的设计 .245.3 导向装置 .296 机械手腰部和基座结构设计及计算 .306.1 结构设计 .306.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 .306.3 导向装置 .346.4 平衡装置 .34*毕业设计 III6.5 基座结构设计 .357 气动系统设计 .387.1 气压传动系统工作原理图 .388 机械手的PLC控制系统设计 .408.1 可编程序控制器的选择及工作过程 .408.2 可编程序控制器的使用步骤 .418.3 机械手可编程序控制器控制方案 .419 总
4、结 .55参考文献 .56Comment 木木木木1: 页眉的写法看看是否正确基于PLC控制的机械手控制电路设计 11 绪言1.1 机械手的概述机械手（又称机器人，机械人，英文名称：Robot），在人类科技发展史上其来有自。早在三国时代，诸葛亮发明的木牛流马即是古代中国人的智能结晶。随着近代的工业革命，机器产业的不断发展成为近代工业的主要支柱。由于科学幻想所系的“永动机”、太空探险以及梦想解决人的机能所无法达致境界的求新意念，推动科学家想研究创造出种种能够代替人的机械。上世纪六、七十年代的自动化机器、无人操纵的飞行器等等，即是此产业发展链条上的一个大胆的尝试与突破。虽然，后来电脑、电子产业的发
5、达引开了人们关注的热点，但关于机械手的研究与开发一直在持续进行着。而近二十年中，因为电脑技术、电子产品及生物遗传工程等技术的大踏步发展，“机械手”的研发热潮已从专业人士的实验室中走了出来，成为一种综合科研能力的开发活动，参与者也打破了各行各业的划地为牢、各自为政的困局，开始了纵横连合，争奇斗妍，蔚成热潮的研究与制作尝试。机械手的研究从一开始就是拟人化的，所以才有机械臂的开发与制作，也是为了以机械来代替人去做人力所无法完成的劳作或探险。但近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。大而言之，用之于太空开发，月球车，深海探测器，海洋石油开采，航天飞机机械臂等，小
6、至微型手术机械，生命监测仪等。军事上的用途更是日新月异，从拆弹器、清除地雷器到无人驾驶飞机、战车，有人甚至预测未来战争可能如星球大战一样，是机械手的战争。至于工业、农业、遗传生物产业、医学、文化产业、电讯业、能源开发，都将因机械手的大量登场而出现产业革命。英国电讯公司未来学部门研究员曾因准确预测手机短讯、垃圾电邮及网上搜寻引擎的出现而闻名，在最近公布的科技展望五十年的预测中，其中就有数条是关于机械手的。1.2 我国机械手的发展第一台机械手出现后20年，我国于1972年开始研制机械手，由上海起，接着天津，吉林，哈尔滨，广州，昆明等十几个研究单位和院校分别开发了固定程序、结合式、液压伺服型同用机械
7、手，并开始了机构学（包括步行机构）、计算机控制和应用技术的研究，这些机械手大约有1/3用于生产。在该技术的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机械手技术的发展得到政府基于PLC控制的机械手控制电路设计 2的重视和支持，在80年代中期，国家组织了对工业机械手的需求的行业的调研，结果表明，对第二代工业机械手的需求主要集中于汽车行业（占总需要的60%70%）。在众多的专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委，中科院及地方十几所科研院所和大学参加，国家投入相当的资金，进行了工业机械手基础技术，基础元器件，几类工业机械手整机及应用工程的开发研究，完成了示教再现式工业机械手成套技术（包
8、括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统的设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等）的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机械手整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件如交、直流伺服马达驱动单元机械手专用薄壁轴承、谐波传动系统、焊接电源和变压器等，并在生产中经过实用考核，其主要性能指标达到80年代初国际同类产品的水平，且形成小批量生产能力。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机械手的生产线东风系列驾驶室多品种混流机械手喷涂生产线，该线由7台国产PJ系列喷涂机械手和PM系列喷涂机械手和周边设备构成，已运行十年，完成喷涂20万辆东风系列驾驶室的生产任务，成为国产机械手应用的一
9、个窗口；此外，还建立了几个弧焊和点焊机械手工作站。与此同时，还研制了几种SCARA型装配机械手样机，并进行了试应用。在基础技术研究方面，解剖了国外10余种先进的机型，并进行了机构学，控制编程，驱动传动方式，检测等基础理论与技术的系统研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机械手标准体系和12项国标，行标。为了跟踪国外高技术，80年代在国家高技术计划中，安排了智能机械手的研究开发，包括水下无缆机械手，高功能装配机械手（DD驱动）和各类特种机械手，进行了智能机械手体系结构，机构控制，人工智能机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。这些技术的实用化将加速我国第二代机械手
10、的发展 2。经过80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多个单位从事机械手及其相关技术的研究力量，形成了京津、东北、华东、华南等机械手技术地区和十几家优势单位，培养了一支2000多人的工业机械手设计、研制、应用队伍，造就了一批机械手专家，使我国的工业机械手技术发展基本上可以立足于国内。90年代初期，我国主要开发下列机械手：（1）喷涂机械手（2）焊接机械手（3）搬运机械手（4）装配机械手在90年代中期，国家已选择以焊接机械手的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊接机械手应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术，即以机械手焊接工艺为龙头，开展焊装线总体设计、线体总控及多
11、机通讯，新基于PLC控制的机械手控制电路设计 3型焊接机械手用焊接电源、送丝机构、焊缝跟踪系统、机电精度、控制技术等开发及完善化，以及几条焊装生产线的全套应用及其可行性作为主攻目标。虽然我国的机械手研发工作基本上属于科学研究的项目，但据说，中国科学院目前已造出说话时嘴唇能够活动、眼睛能转动、具视觉功能的机械手，其水准可媲美日本同行，但这台机械手体形甚大，却未能以双脚走路。在日本，机械手能否以二脚行走已成为一个热门及熟练的技术竞赛项目，譬如有“二足机械人竞赛大会”（分等级）。其实，机械手的制作绝对并非只是液压机械与电子产品的混成物，要将机械手造得越来越有人性化，就要兼及生命医学、传感、光学及创造
12、性的文化产业等方面，比如机械手的关节就需要研究中医的经络学、生物学上的神经刺激反应以及文化产品的某种造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英国的科学家甚至预言，到2020年，随着机械手愈来愈精密和使用有机零件制造，它们将会受到“机械手权”的保护。1.3 气动机械手的应用现状及发展前景1.3.1 气动技术及气动机械手的发展过程近20年来, 气动技术的应用领域迅速拓宽, 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠； 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求; 微电子技
13、术的引入, 促进了电气比例伺服技术的发展, 现代控制理论的发展, 使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制, 控制精度不断提高; 由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力开发研究。从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为91, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到64, 甚至接近55。我国的气动行业起步较晚, 但发展较快。从20世纪80年代中期开始, 气动元件产值的年递增率达20%以上, 高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算
14、机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用, 气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。气动技术是以空气压缩机为动力源, 以压缩空气为工作介质, 进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于1776年, Johnwilkimson 发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年, 人们第一次利用气缸做成气动刹车装置, 将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初, 气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。至50基于PLC控制的机械手控制电路设计 4年代初, 大多数气压元件从液压元件改造或演变过来, 体积很大。60年代，开
15、始构成工业控制系统, 自成体系, 不再与风动技术相提并论。在70年代, 由于气动技术与电子技术的结合应用, 在自动化控制领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今, 气动技术突破了传统的死区, 经历着飞跃性的发展, 人们克服了阀的物理尺寸局限, 真空技术日趋完美, 高精度模块化气动机械手问世, 智能气动这一概念产生, 气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位, 智能阀岛十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式,
16、现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程等) , 气动伺服系统(可实现任意位置上的精确定位) , 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90年代初, 由布鲁塞尔皇家军事学院Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机械手“阿基里斯”六脚勘探员, 是气动技术、PLC控制技术和传感技术完美结合产生的“六足动物”6个脚中的每一个脚都有3个自由度, 一个直线气缸把脚提起、放下, 一个摆动马达控制脚伸展/退回运动, 另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机械手, 它集遥感技术和真空技术于一体, 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工
17、作的操作问题。Tron-X电子气动机械手, 能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类一样弯曲运动, 并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的编程控制) 能与人进行对话, 或作自我介绍等。Tron-X电子气动机械手集电子技术、气动技术和人工智能为一体, 它告诉我们, 气动技术能够实现机械手中最难解决的灵活的自由度, 具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反应能力。1.3.2 气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠, 可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠
18、、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以, 气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工, 食品和药品的包装、精密仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线, 尤其是主要工艺的焊接生产线, 大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动； 车身外壳被真空吸盘吸起和放下, 在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊, 都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化, 基于PLC控制的机械手控制电路设计 5堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装
19、配生产线上,在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上, 不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪, 还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住, 运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统, 采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装； 用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手, 牛奶盒装箱气动机械手等。此外, 气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如: 气动自动调节病床,机械手,外科手术机械手等 3。1.3.3 发
20、展前景及方向（1）重复高精度（2）模块化（3）无给油化（4）机电气一体化气动技术经历了一个漫长的发展过程, 随着气动伺服技术走出实验室, 气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚, 但随着投入力度和研发力度的加大, 我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用, 为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的
21、动作等诸多独特的优点, 可以预见, 在不久的将来, 气动机械手将越来越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。1.4 PLC 概念的由来和产生1.4.1 PLC的产生早期的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，从而被称为可编程逻缉控制器(Pro-grammable Logic Controller)，简称PLC。随着微电子技术和微计算机技术的发展，可编程控制器不仅可以实现逻辑控制还能实现模拟量、运动和过程的控制以及数据处理及通信。美国电气制造商协会(NEKA)经过4年的调查工作，于980年正式将可编程控制器命名为PC(Programmable controller）。但是为了与个人计算机
22、Pc相区别，也将可编程控制器简称为PLC，并给基于PLC控制的机械手控制电路设计 6PLC作了定义：可编程控制器是种带有指令存储器、数字的或模拟的输入输出接口：以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。1982年，国际电电工委员会颁布了PLC标准草案第1稿，1985年提交了第2稍并在1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟量的输入和输出，控制各种类型的生产机械或生
23、产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。，”上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简珍易懂、操作简便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。PLC是是当代工业生产自动化的主要手段和重要的自动化控制设备，具有能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单等优点1.4.2 PLC的发展1早期的PLC(20世纪60年代来至20世纪70年代中期)一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC主要是作为继电器控制装置的替代物而出
24、现的其主要功能是执行原件由继电器完成的顺序控制、定时等功能，将继电器的“硬接线，控制方式变为“软接线”方式。早期的PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件相中小规模集成电路存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰能力。在软件编程方面，采用了广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式，即梯形图。因此，早期的LC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故降指示、能重复使用等。梯形图作为PLC特有的编程语言一直沿用至今。2中期的PLC(20世纪70年代个期至80年代
25、中、后期)20世纪70年代初期出现了微处理器由于体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的小央处理单元(CPU)，使PLC的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。中期的PLC在硬件方面，除了保持原有的开关模块以外，还增加了模拟且模块、远程I/O模块和各种其他特殊功能的模块；扩大了存储器的容量，增加了各种逻辑线明的数量；还提供了一定数量的数据存储器，使PLC应用范围扩大。基于PLC控制的机械手控制电路设计 7征软件力方面，除了保持原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，中期的PLC还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、
26、白诊断等功能，指令系统大为丰富，系统可靠性也得到了提高。3,近期的PLC（20世纪80年代中、后期至今)进入20世纪80年代中、后期，由于放大规模集成电路技术的迅速发展微处理器的市场价格大幅度下跌使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，备制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得LC在软、硬件功能上都发生了巨大变化。现代PLC不仅完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制，还具有很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力，同时PLC的联网通信能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。在发达的工业
27、化国家，现代PLC已经广泛应用在所靳的工业部门。1.4.3 PLC的现状和发展趋势白从美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC。20世纪70年代中期在PLC引入了微机技术、使PLC的功能不断增强，质量不断的提高应用日益广泛。目前PLC己广泛应用于汽车制造，石油，化工，冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制有人认为PLC已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。据资料介绍美国一家公司曾经对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业400多个工厂企业进行凋查的结果表明，PLC的需求占各类自动化仪表或自动
28、化控制设备之首。有82的厂家使用PLC。1971年日本从美国引进PLC技术，很快就研制出日本第一台DSC-8型PLC，早在1984年日本就有30多个PLC的生产厂家，产品达60种以上。西欧1973年已研制出它们的第一台PLC。并且发展很快，年销售增产率20以上。目前世界上众多PLC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国A-B公司，哥德公司，德州仪器公司，通用电气公司，德国的西门子公司，日本的三菱公司，东芝公司，富士公司和欧姆龙公司等。PLC技术已成为工业自动化四大技术（PLC技术，数控技术，机器人，计算机辅助设计和分析）支柱之一。我国研制与应用PLC起步较晚，1973年开始研制，1977年开始应用。20世纪80年代初以前发展较慢。20世纪80年代随着成套设备或专业设备的引进了不少PLC，例如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的PLC，二期工程将使用更多的PLC。进几年来国外PLC产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收PLC技术的基础上仿制或研制了PLC产品。20世纪80年代中后期，我郭开发应用PLC技术发展迅速有资料介绍东风汽车公司装备系统从1986起，全面采用PLC对老设备进行更新改造，截止1991
