机械手手爪部位优质毕业设计新版说明书.doc

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摘要 1
引言 1
1.机械手总体方案设计 2
1.1设计要求 2
1.2运动形式选择 2
1.3驱动方法选择 4
1.4总体结构设计 5
2.机械手手部设计 6
2.1结构分析 6
2.2计算分析 6
3.PLC控制系统设计 11
3.1机械手移动工件控制系统控制要求 11
3.2机械手移动工件控制系统PLC选型和资源配置 13
3.3机械手移动工件控制系统PLC程序 14
4.动画制作 18
4.1建立机械手模型 18
4.2制作机械手动画 18
结束语 26
致谢 26
参考文件 26
附录 27

摘 要
机械手设计包含机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术综合应用。本课题经过对设计要求分析，设计出机械手总体方案，关键叙述了手部结构设计和控制系统硬软件设计，完成了整个系统工作动画设计。实现了机械手基础搬运功效，达成了预期要求，含有一定应用前景。
关键词：机械手 PLC 动画
引 言
伴随世界经济和技术发展，人类活动不停扩大，机器人应用正快速向社会生产和生活各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，多种多样机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业全部提出了自动化各机器人化要求。伴随机器人产生和大量应用，很多领域，很多单一、反复机械工作由机器人（也称机械手）来完成。
工业机器人是一个能进行自动控制、可反复编程，多功效、多自由度、多用途操作机, 广泛采取工业机器人，不仅可提升产品质量和产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提升劳动生产率，节省原材料消耗和降低生产成本，有着十分关键意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人广泛应用正在日益改变着人类生产和生活方法。
机械手是一个模拟人手动作，并按设定程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适适用于可变换生产品种中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机上下料、数控设备自动换刀装置中。机械手通常由实施系统、驱动系统、控制系统和人工智能组成，关键完成移动、转动、抓取等动作。
控制系统是机械手指挥系统，它经过控制驱动系统，让实施器根据要求要求进行工作，并检测其正确是否。可编程控制器（PLC）是一个数定运算操作电子系统，它将逻辑运算、次序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存放器中，并经过数字式、模拟式输入和输出，控制多种机械或生产过程。和继电器控制线路相比，PLC含有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；设计、安装轻易，维护工作量少；功效完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。所以，机械手控制系统越平越多由可编程控制器来实现。

1.机械手总体方案设计
1.1设计要求：
1.机械手能够完成从一个工作点取物体旋转一定角度，放到另一个工作点上。
2.要求完成手抓结构设计，进行夹紧力计算分析。初值给定以下：
工件质量m=0.1kg
摩擦系数μ=0.15
重力加速度g=9.8m/s2
垂直加速度a=0.3g=2.94m/s2
水平加速度a=0.3g=2.94m/s2
回转半径r=0.5m
角速度ω＝3.5rad/s
角加速度β＝2.1rad/s2
安全系数S=1.45
夹角φ＝45°
3.要求选择PLC作为控制系统。
1.2运动形式选择：
依据关键运动参数选择运动形式是结构设计基础。常见机器人运动形式有四种，下面分别叙述其特点，然后确定运动形式。
1.直角坐标型机器人
直角坐标型机器人结构简图图1-1所表示，它在x,y,z轴上运动是独立，3个关节全部是移动关节，关节轴线相互垂直，它关键用于生产设备上下料，也可用于高精度装卸和检测和作业。这种形式关键特点是：
(1)在三个直线方向上移动，运动轻易想象。
(2)计算比较方便。
(3)因为能够两端支撑，对于给定结构长度，其刚性最大。
(4)要求保留较大移动空间，占用空间较大。
(5)要求有较大平面安装区域。
(6)滑动部件表面密封较困难，轻易被污染。
2.圆柱坐标型机器人
圆柱坐标型机器人结构简图图1-2所表示，R、θ和x为坐标系三个坐标，其中R是手臂径向长度，θ是手臂角位置，x是垂直方向上手臂位置。这种形式关键特点是：
(1)轻易想象和计算。
(2)能够伸入形腔式机器内部。
(3)空间定位比较直观。
(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。
(5)手臂端部能够达成空间受限制，不能抵达靠近立柱或地面空间。
3.极坐标型机器人
极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图图1-3所表示，R，θ和β为坐标系坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴转动角，β是手臂在铅垂面内摆动角。这种机器人运动所形成轨迹表面是半球面。其特点是：
(1)在中心支架周围工作范围较大。
(2)两个转动驱动装置轻易密封。
(3)覆盖工作空间较大。
(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。
(5)直线驱动装置仍存在密封问题。
(6)存在工作死区。
4.多关节机器人
多关节机器人结构简图图1-4所表示，它是以其各相邻运动部件之间相对角位移作为坐标系。θ、α和φ为坐标系坐标，其中θ是绕底座铅垂轴转角，φ是过底座水平线和第一臂之间夹角，α是第二臂相对于第一臂转角。这种机器人手臂能够达成球形体积内绝大部分位置，所能达成区域形状取决于两个臂长度百分比。其特点是：
(1)动作较灵活，工作空间大。
(2关节驱动处轻易密封防尘。
(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。
(4) 适合于电动机驱动。
(5)运动难以想象和控制，计算量较大。
(6)不适于液压驱动。

图1-1 直角坐标型 图1-2 圆柱坐标型

图1-3 极坐标型 图1-4 多关节型
选择方案准则：
1.满足设设计要求：机械手能够旋转一定角度。
2.结构简单，便于计算分析。
分析比较以上四种运动形式，确定选择圆柱坐标型机器人。
1.3驱动方法选择：
机器人关节驱动方法有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方法进行分析比较。
1.液压驱动
机器人驱动系统采取液压驱动，有以下多个优点：
(1)液压轻易达成较高压力（常见液压为2.5～6.3MPa），体积较小，能够取得较大推力或转矩；
(2)液压系统介质可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高位置精度；
(3)液压传动中，力、速度和方向比较轻易实现自动控制；
(4)液压系统采取油液作介质，含有防锈性和自润滑性能，能够提升机械效率，使用寿命长。
液压传动系统不足之处是：
(1)油液粘度随温度改变而改变，影响工作性能，高温轻易引发燃爆炸等危险；
(2)液体泄漏难于克服，要求液压元件有较高精度和质量，故造价较高；
(3)需要对应供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格滤油装置，不然会引发故障。
液压驱动方法输出力和功率更大，能组成伺服机构，常见于大型机器人关节驱动。
2.气压驱动
和液压驱动相比，气压驱动特点是：
(1)压缩空气粘度小，轻易达成高速；
(2)利用工厂集中空气压缩站供气，无须添加动力设备；
(3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；
(4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。
它不足之处是：
(1)压缩空气常见压力为0.4～0.6MPa，若要取得较大力，其结构就要相对增大；
(2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达成正确位置控制很困难；
(3)压缩空气除水问题是一个很关键问题，处理不妥会使钢类零件生锈，造成机器人失灵。另外，排气还会造成噪声污染。
气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和次序控制机器人。
3.电动机驱动
电动机驱动可分为一般交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
一般交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置正确控制，适适用于中小型机器人。交、直伺服电动机通常见于闭环控制系统，而步进电动机则关键用于开环控制系统，通常见于速度和位置精度要求不高场所。
本课题设计机械手特点：
1.点位控制进行搬运工作，采取次序控制方法。
2.负载小，精度要求不高。
3.要求成本低。
依据以上特点，确定选择气压驱动。
1.4总体结构设计
依据圆柱坐标型运动方法和气压驱动方法选定，对机械手进行总体结构设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图图1-5所表示。

图1-5 机械手总体结构图

2.机械手手部设计
2.1结构分析
机械手手部是最关键实施机构，是用来握持工件部件。常见手部按其握持原理能够分为夹持类和吸附类两大类，本课题采取夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选择夹钳式，它是工业机器人最常见一个手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体直径大小改变时，需要调整手爪位置才能保持物体中心位置不变。平动型特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径大小而变。平移型特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径改变影响。为便于夹持避免固定中心麻烦，采取平移型，图2-1所表示是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采取气压驱动。

图2-1 手部装配图
2.2计算分析
因工件运动速度引发视在重量增加情况下夹紧力计算
机器人手臂停止状态开始直线运动和旋转运动组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就改变。设机械手手部纵向中心线上所加驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用气压×η.作用在一个指尖上夹紧力为Q（方向沿手指运动方向）.设两个手指以摩擦力2μQ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算是单个手指所必需力Q.
1.垂直上升情况
图2-2所表示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必需成立.

得
代入数据，得

图2-2 工件垂直上升时受力分析图
2.水平旋转情况
机械手部绕垂直轴以半径r作水平旋转，工件夹紧面和旋转圆弧切线方向平行，图2-3所表示。
切线方向：
主法线方向：

副法线方向：

联立上式，求解得

代入数据，得

后指：

因为是机械手部机构，QF=QR,所以结果Q必需满足下式

代入数据，得

图2-4 工件水平直进时受力分析图
总而言之，得
因为考虑到设计机械手安全问题，应再乘上一个安全系数S。

夹紧力Q和压强关系由试验测得，图2-5所表示。

由设计要求得悉夹持长度L＝25mm,依据图2-5可知所加压强约为0.5MPa.

图2-5 夹紧力、夹持长度、压强关系图

3.PLC控制系统设计
3.1机械手移动工件控制系统控制要求
3.1.1机械手移动工件基础结构、工作步骤和工作原理
1.机械手移动工件基础机构
机械移动工件基础结构图图3-1所表示。

图3-1 机械移动工件基础结构图

2.机械手移动工作工作步骤
机械手移动工件单个工作步骤示意图图2-2所表示。
机械手移动工件单个工作步骤由复位到初始位置、将机械手移动到工件处、夹紧工件、将工件移动到目标位置、放下工件和移动到初始位置6个过程组成。机械手移动工件经过PLC平控制，能够实现这6个过程全自动依次运行。

3.机械手移动工件工作原理
因为本机械手采取气动传动，为方便检测，选择磁性开关作为传感器。安装在气缸外部即可。机械手移动工件经过磁性限位开关和电磁阀来控制。
(1)机械手左转、右转、左移、右移、上移、下移分别经过左转电磁阀、右转电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移动或转动最大位置由左转限位开关SL0、右转限位开关SL1、左移限位开关SL2、右移限位开关SL3、上移限位开关SL4、下移限位开关SL5来控制。
(2)放松、夹紧工件经过放松电磁阀、夹紧电磁阀来实现。夹紧工件经过定时器控制，依据实际情况，夹紧时间设为3秒。放松工件经过放松限位开关来控制。
(1)按下开启按按钮，系统先检验机械手是否在初始位置，若不是机械手优异行复位，然后再进入机械手正式工作状态。按下停止按扭，等机械手运行到初始位置后，再停车。按下急停按钮，断开PLC外部负载电源和气动装置电源，系统立即停止。
开 始
复位
移到工件处
夹紧工件
放下工件
移动初始位置处
移到目标处
结束

图3-2 机械手移动工件单个工作步骤

3.1.2设备控制要求
该系统要求机械手能自动进行工作，转动时要求回转半径最小，要具体控制要求以下：
(1)按下开启按钮，系统进行自检验机械是否在初始位置，不是话优异行复位工作，然后进行正式工作。
(2)复位工作控制要求以下：
① 机械手首先上移，直到运动到最上端。
② 上移后，机械手开始右移。
③ 右移完成后，机械手开始左转，至此，复位工作完成。
(3)正式工作控制要求以下：
① 机械手开始左移，一直运动到最左端。
② 运行到最左端后，机械手开始向下运动。
③ 抵达最下端后，机械手开始夹紧工件，一直到把工件夹紧为止，时间由定时器控制，定时为3秒。
④ 机械手开始向上运动，运动到最上端。
⑤上移后，机械手开始右移。
⑥ 右移完成后，机械手开始右转，直到右转限位开关检测到信号。
⑦ 右转完成后，机械手下移。
⑧ 运行到最低位置后，机械手把工件松开，一直到放松限位开关检测到信号。
⑨ 工件松开后，机械手开始向上运动。
⑩ 抵达最上端后，机械手开始左转，真到左转限位开关检测到信号，此时机械手已加到初始位置。
(4)该系统进行自动连续循环工作。正常停车时，要求机械手回到初始位置时才能停车。急停时，切断全部电源，系统停止运行。重新开启后，因为急停时机械手位置不确定性，要进行复位工作。

3.2机械手移动工件控制系统PLC选型和资源配置
3.2.1PLC选型
因为机械手控制系统输入/输出接点少，要求性价比高，编程简单，维护方便，机身小巧，故选择三菱企业FX1N-24MR-001型号。市场为3330元。该机有14个输入点，10个输出点，辅助继电器1536点，定时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。
3.2.2系统资源分配
1.I/O触点分配
依据系统控制要求，I/O分配如表3-1所表示。

表3-1 I/O触点分配表
输入设备
输入地址

输出设备
输出地址
左转限位开关SL0
X000

左转电磁阀
Y000
右转限位开关SL1
X001

右转电磁阀
Y001
左移限位开关SL2
X002

左移电磁阀
Y002
右移限位开关SL3
X003

右移电磁阀
Y003
上移限位开关SL4
X004

上移电磁阀
Y004
下移限位开关SL5
X005

下移电磁阀
Y005
放松限位开关SL6
X006

放松电磁阀
Y006
开启按钮
X007

夹紧电磁阀
Y007
停止按扭
X010

2.定时器部分
这个控制系统夹紧工件需要定时器来控制夹紧程度。时间设为3秒。定时器分配如表3-2所表示。

表3-2 定时器分配
定时器
功效
T0
夹紧工件时定时3s
3.2.3硬件电路接线图
硬件电路接线图图3-3所表示。

COM0 COM1

X000 Y000

X001 Y001

X002 Y002

X003 Y003

X004 COM2

X005 Y004

X006 Y005

X007 Y006

X010 Y007

SL0
SL1
SL2
SL3
SL4
SL5
SL6
start
stop
～～
～
电源
左转
右转
左移
放松
右移
上移
下移
·
夹紧
FX1N-24MR-001

图3-3 硬件电路接线图
3.3机械手移动工件控制系统PLC程序
3.3.1编程软件
采取三菱企业编程软件FXGP/WIN-C，其界面图3-4所表示。
3.3.2程序步骤图
依据系统控制要求，画出程序步骤图。见附件1。
3.3.3状态图
此程序用步进指令编写比较方便直观。依据步骤图。可画出状态图，图3-5所表示。
3.3.4梯形图
见附录
3.3.5语句表
见附录

图3-4 FXGP/WIN-C界面
X005
Y005
Y006
S29
X001
S30
Y002
S22
X003
S23
X000
Y000
S0
S20
X007
S21
X004
Y004
Y003
M8002
初始脉冲

开启按钮
S24
X002
S25
X005
Y005
Y007
T0
T0
K30
Y004
S26
X004
S27
S28
X003
Y003
Y001

S33
X000
Y000
Y004
X004
S32
X006
S31
停止按钮
按下结束

X010

图2-5 状态图

4.动画制作
为了使视觉动态效果逼真突出，选择优异三维动画软件3ds max来制作。
4.1建立机械手模型
机械手建模比较简单，经过创建标准基础体和扩展基础体即可建立气缸、气爪等。图4-1，4-2所表示。

图4-1 图4-2

创建六角螺母时，先创建图形中多边形。再经过修改\修改器列表，选择挤出，完成六边形拉伸。图4-3，4-4所表示。
经过 将创建好几何体进行装配，再经过复合对象中布尔操作将几何体中重合部分切除。图4-5所表示。
最终机械手模型图4-6所表示。
4.2制作机械手动画
3d max 基础动画比较简单，经过激活自动关键点按钮，为物体移动、旋转、缩放等变换参数统计动画。制作机械手动画，还要用到层次式关系和FK。首先了解什么是层次关系。比如我们要制作人手臂动画。我们期望这么来控制：对人物上臂作旋转操作，上臂运动自动带动了小臂、手腕、手掌、手指等肢体运动。这种用一个物体运动能够带动其它肢体运动动画关系在3ds max 中我们称其为层次关系。在这个动画关系中，上臂运动决定了小臂运动，小臂会跟随上臂运动而运动；那么在3ds max 中上臂称为小臂父物体，小臂则称为上臂子物体。

图4-3