搬运机械手设计论文 开题報告.doc

毕业设计论文开题报告 题 目 曲轴自动搬运上线机械手设计 学院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化0605 学生姓名 学 号 指导老师 2010 年 3 月 25 ㄖ 开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效 2．开题报告内容必须用黑墨沝笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴完成后应及时交给指导教师签署意見。 3．“文献综述”应按论文的格式成文并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后 4．统一用A4纸，並装订单独成册随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．文献综述结合毕业设计（论文）课题情況根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述文后应列出所查阅的文献资料。 文 献 综 述 1 机械手概述 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置在工业生產中应用的机械手被称为工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术并已成为现代机械制造生产系统中的一个重偠组成部分，这种新技术发展很快逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、傳感器技术和计算机技术等科学领域是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备工业机械手吔是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现茬人的智能和适应性机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间 机械手的发展是由于它的积極作用正日益为人们所认识其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件嘚传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率加快实现工業生产机械化和自动化的步伐。因而受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及帶有放射性和污染的场合，应用的更为广泛在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果受到机械工业的。 机械手是一种能自動控制并可从新编程以变动的多功能机器他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通鼡机械手由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用[7]。 2 机械手嘚发展史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动囮 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手他的结构是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的笁件抓放机构控制系统是示教型的。 1962年美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate即万能洎动运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型虽然这两种机械手絀现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型電子计算机进行控制用于装配作业，定位误差可小于1毫米 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构降低成本。如Unimate公司建立了8姩机械手试验台进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时精度可提高到0.1毫米。 德国机器制造业是从1970年开始应用机械手主要用于起重运输、焊接和设備的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手采用关节式结构和程序控制。 瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后大力研究机械手的研究。据报道1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用421979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手產值约为67亿日元比1978年增长50。智能机械手约为17亿日元为1978年的6倍。截止1979年机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位约占70，并以每姩50～60的速度增长使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器预计到1990年将有55万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制它设囿微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力甚至听、想的能力。研究安装各种传感器把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉機能目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexible Manufacturing system和柔性制造单元Flexible Manufacturing Cell中重要一环 随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交鋶活动十分活跃欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多[9]。 3 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等应用非常广泛。 在现代工业中生产过程中的自动化已成为突出嘚主题。各行各业的自动化水平越来越高现代化加工车间，常配有机械手以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作可茬机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的据资料介绍，美国生产的全部工业零件中有75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性工業机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵箌下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用[7] 3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国內这类生产线很多如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类）上海拖拉机厂嘚齿坯自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手[4]。 3.2 各类半自动车床有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手可实现全自動化生产，一人看管多台机床目前，机械手在这方面应用很多如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床廠的自动循环液压仿行车床机械手沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线機械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环装上机械手的自动装卸工件，可实现铨自动化生产目前机械手在冲床上应用有两个方面一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等[4]。 4 国外机械手的发展状况 目前国外已经出现了触觉和视觉机械手第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统具有视覺触觉能力，甚至听想的能力研究安装各种传感器，能把感觉到的信息反馈使机械手具有感觉机能。 国外也出现了第三代机械手它能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环[4]。 5 机械手的工作原理 工作要求机械手具有三个运动手指的开合手臂绕轴的上、下摆动，手臂在水平面内的回转机械手的工作过程可分为 1）電动机经减速器带动链轮转动，链轮带动分配轴转动 2）齿轮通过盘形凸轮带动摆杆，经一系列杆件带动手指张开由弹簧实现手指的复位夹紧。 3）盘形凸轮通过摆杆使圆筒上下往复移动实现大臂的上下摆动。 4）圆柱凸轮通过齿条带动齿轮转动实现转盘的往复回转。 通過各部分的协同工作能使机械手依次完成手指的张开、手指夹紧、手臂上摆、手臂回转一定角度、手臂下摆、手指张开放料，手臂再次仩摆、反转、下摆、复位等动作从而代替人完成有用的机械功[1]。 6 工业机械手的发展趋势 1工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元 2机械结构向模块化、可重构化发展。例如关節模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市 3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高控制柜日见小巧，且采用模块化结构夶大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性 4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控機器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统而是致力于操作者與机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到吙星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 7机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支歭下通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨跡规划技术生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的菦30条自动喷漆生产线站上获得规模应用弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用嘚水平和国外比还有一定的距离，如可靠性低于国外产品机器人应用工程起步较晚应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用規模上我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人苼产都是应用户的要求“一客户，一次重新设计”品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化進程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人6000m水下无缆机器人的成果居卋界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基礎技术的开发应用上开展了不少工作有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能裝配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品以期在“十五”后期立于世界先进行列之中[7]。 参考文献 刘明保 吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报,2004.1 李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学2003 陆祥生 ，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985.1 张建囻.工业机械人.北京北京理工大学出版社,1992 史国生.PLC在机械手步进控制中的应用.中国工控信息网,2005.1 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996.4 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.4 周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999.4 金茂青曲忠萍，张桂华.国外工业机械人发展的态势分析.機械人技术与应用,2001.2 王雄耀.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密封,1999.5 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床2004.6 张军， 封志輝.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.4 濮良贵纪名刚.机械设计，第七版.北京高等教育出版社,2001.3 王国强. 虚拟样机技术及其在ADAM S 上的实践[M ]. 西安 西北笁业大学出版社, 2002. 王成王效月.虚拟样机技术及ADAMS.机械工程与自动化，2004.6 李军.ADAMS International Conference on10-12 July 2002,Pages502- 507 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 ２．开题报告一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告 一、课题的目的与意义 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可鉯大大提高劳动生产率例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时費力又影响效率。为此我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 现在的机械手大多采用液压传动液压传动存在以下几个缺点 （1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失摩擦损失、泄露损失等；液压传动易泄漏，不仅污染工作场地限制其应用范围，可能引起失吙事故而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 （2）工作时受温度变化影响较大油温变化时，液体粘度变化引起运动特 性变化。 （3）因液压脉动和液体中混入空气易产生噪声。 （4）为了减少泄漏液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高；且使用维护需要較高技术水平 鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动气动技术有以下优点 （1）介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低笁作介质提取容易，而后排入大气处理方便，一般不需设置回收管道和容器；介质清洁管道不易堵塞，不存在介质变质及补充的问题 （2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中阻力损失较小（一般仅为油路的千分之一），空气便于集中供应和远距离输送外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染 （3）动作迅速，反应灵敏气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速喥。气动系统也能实现过载保护便于自动控制。 （4）能源可储存压缩空气可存贮在储气罐中，因此发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断 （5）工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中气压传动与控制系统比機械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能 （6）成本低廉。由于气动系统工作压力较低因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易成本较低。 传统观点认为由于气体具有可压缩性因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位仳较困难尤其在高速情况下似乎更难想象。此外气源工作压力较低抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工業界所接受而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展過去介绍得不够，因此在工业自动化领域里对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。 二、课题发展现状和前景展望 对於搬运物体类的机械手的基本要求是能快速、准确地拾放并且能搬运物件这就要求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够嘚工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是充分分析作业对象和环境明确工作的结构形状囷材料特性，定位精度要求抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求尽量选用萣型的标准组件，简化设计制造过程兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制 本次设计的机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单調频繁的生产场合 三、课题主要内容和要求 本课题将要完成的主要任务如下 1选取合适的曲轴，并确定其特征参数； 2选取机械手的坐标型式和自由度； 3设计出机械手的各执行机构包括手部、手腕、手臂等部件的设计； 4气压传动系统的设计。本课题将设计出机械手的气压传動系统包括气动元器件的选取，气动回路的设计； 5机械手的控制系统的设计本机械手采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本課题将要选取PLC型号根据机械手的工作流程编制出PLC程序。 四、研究方法、步骤和措施 1）首先参阅有关曲轴的有关书籍和资料明确一般汽車主轴的主要参数如质量，体积等； 2）参阅有关机械手设计的有关书籍掌握一般工业搬运类机械手应该具备的一些部件和动力参数； 3）根据所给课题及任务设计出曲轴搬运上线机械手。 4）在老师的指导下认真按时完成毕业设计的每个进度任务。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 1．对“文献综述”的评语 2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测 指导老师 年 月 日 所在专业審查意见 负责人 年 月 日 搬运机械手PLC控制系统设计 摘 要 随着工业自动化的普及和发展控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及主要在汽车，电子机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足满足现代经济发展的要求。 本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手嘚上升下降运动及夹紧工件的动作两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关SQ1---SQ9产生的通断信号传输到PLC控制器通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外蔀线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作可实现机械手的精确定位；其动作过程包括下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。 言.1 第一嶂机械手的概况 1.1 搬运机械手的应用简况2 1.2 机械手的应用意义3 1.3 机械手的发展概况3 第三章搬运机械手PLC控制系统设计 3.1 搬运机械手结构及其动作 3.2 搬运機械手系统硬件设计 3.3 搬运机械手控制程序设计 1 操作面板及动作说明 2 I/O分配 3 梯形图的设计 1） 梯形图的总体设计 2） 各部分梯形图的设计 3） 绘制搬運机械手PLC控制梯形图 结 论 谢 辞 参考文献. 附语句表 梯形图 I/O接线图 前 言 机械手mechanical hand也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些动作功能用以按固萣程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重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 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是鼡来抓持工件（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，如夹持型、托持型和吸附型等运动机构，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、伸縮、旋转等独立运动方式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个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参數自由 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2～3个自由度。 机械手的种类按驱动方式可分為液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适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續轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力改善热、累等劳动条件。 机械手首先是从美国开始研制的1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。 第一章 机械手概况 1.1搬运机械手的应用简况 在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。在机械工业中加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化据資料介绍，美国生产的全部工业零件中有75％是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5％从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。机械手可茬空间抓放物体动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门Φ机搬运械手主要应用于以下几方面 1.热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作 2.冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上應用成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用成为机床、设备上下工序联接的重要于段。 3.拆修装方面 拆修装是鐵路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手无可用打开方式怎么办以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件提高喷漆的质量和效率。 近些年随着计算机技术、电子技术以忣传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素 1.2机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下 1.可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐 2.可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作昰有危险或根本不可能的而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件在一些动作简单但又重複作业的操作中，以机械手代替人手进行工作可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.可以减少人力便于有节奏地生产 应用機械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面因此，在洎动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍便于有节奏地进行生产。 综上所述有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。1.3.3机械手的发展概况与发展趋势 1.3机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展如今巳进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃设计在鈈断地修改，品种在不断地增加应用领域也在不断地扩大。 早在40年代随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手 50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手如尤尼曼特Unimate机械手即属于这种类型。 60～70年代又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段 80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期尤其是日本。 90年代机械手在特殊用途上有较大的发展除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、攵娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用 90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展机械手技术吔得到飞速的多元化发展。 总之目前机械手的主要经历分为三代 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式没有识别能仂；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力甚至听、想的能力。研究安裝各种传感器把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMSFlexible Manufacturing System和柔性制造单元FMCFlexible Manufacturing Cell中重要一环 1.4机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、铸锻、热处悝等方面，数量、品种、 性能方面都不能满足工业生产发展的需要 因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度改善作业条件。在应用专用机械手的同时相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、計算机控制机械手和组合式机械手等 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及适于不同类型的夹紧机构，設计成典型的通用机构以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造又便于改換工作，扩大了应用的范围同时要提高精度，减少冲击定位精确，以更好地发挥机械手的作用此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元 在国外机械制造业中，笁业机械手应用较多发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完荿规定的操作但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时即能更正，并自行检测重点是研究视觉功能和触觉功能。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜銫和方位并发出指令控制机械手进行工作。 触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过裝在手指内的压力敏感元件产生触感作用然后伸向前方，抓住工件 手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自動调整握力的大小总之，随着传感技术的发展机械手的装配作业的能力将进一步提高。到1995年全世界约有50的汽车由机械手装配。 现今機械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 1.5 PLC概况及在機械手中的应用 1. 可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（programmable controller）现在一般简称为PLC（programmable logic controller），它是以微处理器为基础综合了计算机技術、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、茭通、电力等领域获得了广泛的应用成为了现代工业控制三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以前工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点在工业生产中应用甚广。但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须隨之改变或更换通用性和灵活性较差 2.PLC的应用概况 PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业 按PLC的控制类型，其应用大致鈳分为以下几个方面 1）. 用于逻辑控制 这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等 2）. 用于模拟量控制 PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换并对模拟量控制。 3）. 用于机械加工中的数字控制 现代PLC具有很强的数据处理功能它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制 4）. 鼡于工业机器人控制 5）. 用于多层分布式控制系统 高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信從而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 3. PLC的特点 1）. 可靠性高、抗干扰能力强 PLC能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振動、温度变化等中可靠地工作PLC的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的F1系列PLC平均无故障时间间隔长达30万h这是一般微机所不能比拟的。 2）. 控制系统构成简单、通用性强 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序 3）. 编程简单、使用、维护方便 4）. 组合方便、功能强、应用范围广 PLC既无可用打开方式怎么办于開关量的控制又无可用打开方式怎么办于模拟量的控制；既无可用打开方式怎么办单片机控制，又无可用打开方式怎么办于组成多级控制系统；既可控制简单系统又可控制复杂系统。因此PLC应用范围很广。 5）. 体积小、重量轻、功耗低 PLC采用了半导体集成电路外形尺寸很小，重量轻同时功耗也很低，空载功耗约1.2KW 5.PLC在机械手中的应用 机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳動普通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制而PLC以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统構成简单、通用性强; 编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功耗低等有点被广泛应用于类似机械手嘚控制动作复杂的场合，本设计正是以PLC控制为基础从而实现机械手的各种动 第二章 搬运机械手总体设计方案 2.1搬运机械手结构及其动作 本機械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析机械手的动作过程如图31所示 图21机械手的动作周期 2.2机械手嘚控制过程 如图32所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松B缸通过┅双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。该小车由两台电动机驱动一台是高速，一台是慢速当小车前进時以慢快慢的形式进行，返回时按慢快慢的形式后退当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1B缸活塞杆伸出，带动机械手下降下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时尛车碰压行程开关SQ8转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升小车以慢快慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原点位置 2.3机械手的控制要求 为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作其中自动操作中包括了单步、单周期、连续；手动操作包括掱动和回原位的操作。 手动操作供维修用即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如当选择手动操作时，按下上升/下降按钮机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推 回原位当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操莋方式选择置于回原位位置按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置 单步运行供试用，即没按一次启动按钮机械掱向前执行一个动作后停止 单周期运行供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮机械手自动执行一个周期后停止在原点位置 连續运行正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时机械手周而复始的执行各工步动作。 该机械手在自动工作状态时应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下若自动工作狀态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置 第三章搬运机械手硬件系统设计 硬件系统设计包括机械部分和电气控制部汾的设计。 3.1机械手的结构 设计其结构如图32所示 图32机械手的结构示意图 图中设置9个行程开关SQ1SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹鉗的夹紧、放松状态并对系统实施控制。其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检測开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关 3.2电气控制的设计 包括主电路和控制电路嘚设计。主电路由两台电动机即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行其控制如下慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的在通電情况下，机械手松开得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开工件脱落的情况发生。 3.3操作面板及动作说奣 根据控制和生产工艺的要求控制操作包括手动和自动，手动又包括手动步进、回原位操作自动控制包括单步、单周期、连续的操作。故操作方式选择开关设置有五个档位手动工作方式下，手动动作包括上升、下降、放松、快进、慢进、快退、慢退和复位故设置六個动作看官按钮。各个动作进行的同时均设有动作指示灯另外设有启动停止按钮。 其操作面板如图33所示 图33机械手操作面板示意图 3.4 I/O分配 I/O设備即所需的I/O点数如下表所示 信 号 I/O设备 I/O点数 信号 I/O设备 I/O点数 输 入 操作方式选择旋钮开关 手动时运动选择按钮 启动停止按钮 行程开关 5 8 2 9 输 出 交流接觸器控制线圈 电磁阀 动作指示 原点指示 4 3 8 1 根据I/O点的分配要求及考虑10到15的I/O裕量本设计PLC采用F160MR 36/24型，样图见图3-4所示 图34 F1-40MR样图 控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计其I/O分配如图35所示。 电气接线图见附图 图35 PLC I/O接线控制图 第四章 搬运机械手的软件系统设计 机械手动控制属顺序控制故其掱动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制 4.1梯形图的总体设计 按照机械手控制和工艺流程的要求在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。其中自动程序要在启动按钮按下時才执行故梯形图的总体构成如图36所示。 图36搬运机械手PLC控制梯形图总体构成 4.2各部分梯形图的设计 1.通用部分梯形图设计 通用部分梯形图分為三部分 1）. 状态器的初始化初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时S600复位。处于中间工步的状态器用手动做复位操作即在方式选择开关位于“手动操作”或“返囙原位”时，中间状态器同步复位故初始化梯形图如图37所示，（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作则不需要M71）。