2024机械手模型结题.docx

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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2024年10月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快速发展，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，还给出了三种机械手的据图设计方案和详细零件的选择。基于PLC的全气动组合式多功能机械手在设

2、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精确平稳。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，同时也可削减了企业在生产中出现的环境问题，更为优越的是削减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“平安生产”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。关键词：基于PLC的全气动组合式多功能机械手；机电一体化；自由度；可编程限制器(PLC)；10点；梯形图基于PLC的全气动组合式机械

3、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限制理论的不断完善，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、修理便利和系统平安牢靠等特点，已经渗透到工业领域的各个部门中，在工业发展中占有特别重要的地位。现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、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

4、体能的限制，特别便利。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扮装置。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”的须要，我们对机械手实行了模块化设计，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，以提高机械手的应用范围和设备的利用率。可编程限制器(PLC)由于其具有的高牢靠性、编程便利、易于运用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试便利等优点，代替传统的继电器限制电路可以

5、大大提高整个限制系统的柔性。借助PLC强大的工业处理实力，很简洁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特别重要的意义。二、机械手的概念和分类（一）机械手的概念机械手，英文命mechanicalhand,是指能仿照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爱护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原

6、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，依据被抓持物件的形态、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、摇摆、移动或复合运动来实现规定的动作，变更被抓持物件的位置和姿态、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。为了抓取空间中随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数。自由度越多，机械手的敏捷性越大，通用性越广，其结构也越困难。一般专用机械手有23个自由度。（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；按运

7、用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹限制方式可分为点位限制和连续轨迹限制机械手等等。三、基于PLC的全气动组合式多功能机械手探讨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纳气压驱动，并用PLC对气控回路进行限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，工业上运用的机械手大部分是采纳电机驱动或液压驱动的专用型机械手，而整个系统全部采纳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，动作更加快速，而且不存在工作介质变质的问题。将PLC代

8、替传统的继电器限制电路对机械手进行远距离限制，可以大大提高整个限制系统的柔性。当被控对象的运动状态或工作方式发生变更时，可以随时更改输入到PLC里的程序，从而很便利地就达到相关目的的实现。与传统的继电器限制电路相比，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。机械手采纳模块化设计，具有多种功能。受计算机模块化发展趋势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。本机械手依据夹持对象的不同，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

9、气膨胀手。为了限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平安阀并加上二位二通电磁阀组合在一起代替中封式阀，可以在满意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限制供应了一种新的限制方法。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、军工等环境恶劣、平安要求高的特定场合下，还可用于自动流水线中，也可专业综合试验系统。以用作高校机电一体化课程的试验工具，完成日常的教学任务。其次章基于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纳气压驱动，并用PLC限制气控回路限制以实现机械

10、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，动作更加快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。并且采纳三个组合式机械手爪，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肯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限制。机械手的全部动作由PLC限制完成。二、三种机械手抓的结构原理(一)机械夹持器本机械手采纳了平行四边形传动机构，实现

11、两手指的平行开合运动。该四连杆机构采纳均衡受力的设计思路，全部受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力匀称，定心精确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采纳预缩型气缸驱动，能快速松开工件，可以实现远距离限制。如图2-1为机械夹持器的机构简图:图27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IL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、其次支架6、通过销钉联接，构成平行四边形

12、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与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套14与机架14间隙协作，其次推力轴承16与轴承套14过盈协作，第一推力轴承12与轴承套过盈协作，齿轮18通过螺钉与轴承套14联接，导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上，齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙协作，并与齿轮22啮合。其次气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮22上。(二)真空吸附手真空吸附手是将真空吸盘和真空发生器组成一个专用件应用到机械手中，并与基体构成一个完整的工作系统，在电磁换向阀的限制

13、下，对表面平整光滑的工件进行吸附和脱开。机械手的抓取机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。其中真空吸盘是工件抓取的主要原件，吸附机构有四个吸盘组成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，真空吸附手的的装配图如图2-2所示：图2-2真空吸附手的装配图1.顶盖2.套管3.真空发生器4.真空吸盘（三）充气膨胀手充气膨胀手是通过气袋充气膨胀，来夹持形态特殊的工件，如带锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依旧有肯定的柔韧性，可以实现工件的无损夹持。考虑到被夹工件尺寸上的差异，我们配备了气压行程开关和锥形螺母，以便扩大膨胀手的应用范围。图2-3为充气膨胀手装配图：g图2-3充气膨胀手装配图1.套管2

14、.气动电磁阀3.锥形螺母4.导向杆5.顶盖6.气袋7.气袋保持架气袋保持架7与套管1螺纹联接，导向杆4通过螺纹联接在气袋保持架7上，气袋6装在气袋保持架7中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆4上，与行程开关接触，起限位作用。顶盖5通过螺纹联接在套管1上。该配件针对不同的工作要求，可与机械夹持器进行替换。三、机械手的整体参数设计机械手的整体尺寸：长*宽*高=23OnInI*28Omm*43Onml机械手转位半径：R=62137mm机械手的上下位移行程：70mm机械手臂的转位角度：0W90机械手爪的转位角度：。=360机械手爪取的最大重量：4kgo四、机械手的协助装置设计(一)导向装置在设计手臂结构

15、时，为了保证手指的正确方向防止手臂绕轴线转动，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性须要采纳导向装置。详细的安装形式应当依据本设计的详细结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应当尽量削减运动部件的重量和削减对回转中心的惯量。导向杆目前常采纳的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。(二)平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，削减手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂的后背增加了平衡装置，装置内加放祛码，祛码块的质量依据抓取物体的重量和气缸的运行参数视详细状况加以调整，务求使两端尽量接近平衡。第三章

16、基于PLC的全气动组合式多功能机械手的手腕的设计一、手腕的自由度手腕是把手臂和手部的重要部件，它的作用是调整或变更工件的方位，因而它必需具有独立的自由度，机械手才适应困难的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等很多因素有关。由于本机械手抓取的工件是不同方位的放置，同时考虑到可行性，因此给手腕设一绕Z轴转动回转运动才可满意工作的要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油缸或气缸，因此我选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360,并且要求有很好的密封度。为了使机械手更加的便利敏捷，在手腕与手部的连接部分还增加一个小于90的转位和机械手的上下运动，所以由此可见手腕的自由度有两个，即手腕部的小于90