现代设计方法大作业
目 录
摘要.............................................................................................................................................Ⅰ
Abstract......................................................................................................................................Ⅱ 第一章 绪论.............................................................................................................................1
1.1前言 ..................................................................................................................................... 20 1.2 工业机械手的简史 ............................................................................ 错误！未定义书签。 1.3工业机械手在生产中的应用 ............................................................. 错误！未定义书签。 1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 ......................... 错误！未定义书签。 1.3.2 在实现单机自动化方面 ............................................................. 错误！未定义书签。 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 ............................................. 错误！未定义书签。 1.4 机械手的组成 .................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.1 执行机构 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.2 驱动机构 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.3 控制系统分类 ............................................................................. 错误！未定义书签。 1.5工业机械手的发展趋势 ..................................................................... 错误！未定义书签。 1.6 本文主要研究内容 ............................................................................ 错误！未定义书签。 1.7 本章小结 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
第二章 机械手的总体设计方案.......................................................................................7
2.1 机械手基本形式的选择 .................................................................................................... 22 2.2机械手的主要部件及运动 ................................................................................................. 22 2.3驱动机构的选择 ................................................................................................................. 23 2.4 机械手的技术参数列表 .................................................................................................... 23 2.5 本章小结 ............................................................................................................................ 23
第三章 机械手手部的设计计算.............................................................................9
3.1 手部设计基本要求 ............................................................................................................ 24 3.2 典型的手部结构 ................................................................................................................ 24 3.3机械手手抓的设计计算 ..................................................................................................... 24 3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 ...................................................................................... 24 3.3.2 手抓的力学分析 ......................................................................................................... 24 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 ............................................................................................. 25
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3.3.4 手抓夹持范围计算 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .................................................... 错误！未定义书签。 3.5弹簧的设计计算 ................................................................................. 错误！未定义书签。 3.6 本章小结 ............................................................................................................................ 26
第四章 腕部的设计计算..................................................................................................27
4.1 腕部设计的基本要求 ........................................................................................................ 27 4.2 腕部的结构以及选择 ........................................................................ 错误！未定义书签。 4.2.1典型的腕部结构 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ..................................................... 错误！未定义书签。 4.3 腕部的设计计算 ................................................................................................................ 27 4.3.1 腕部设计考虑的参数 ................................................................................................. 27 4.3.2 腕部的驱动力矩计算 ................................................................................................. 27 4.3.3 腕部驱动力的计算 ....................................................................................................... 1 4.3.4 气压缸盖螺钉的计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 ...................................................... 错误！未定义书签。 4.4 本章小结 .............................................................................................................................. 1
第五章 臂部的设计及有关计算......................................................................................2
5.1 臂部设计的基本要求 .......................................................................................................... 2 5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .................................................... 错误！未定义书签。 5.2.1 手臂的典型运动机构 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.2.2 手臂运动机构的选择 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.3 手臂直线运动的驱动力计算 .............................................................................................. 2 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ........................................................................................... 2 5.3.2 手臂惯性力的计算 ....................................................................................................... 3 5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ................................................................................................... 3 5.4 气压缸工作压力和结构的确定 .......................................................................................... 4 5.5 本章小结 .............................................................................................................................. 5
第六章 机械手的PLC控制系统设计..........................................................................6
6.1 可编程序控制器的选择及工作过程 ................................................ 错误！未定义书签。 6.1.1 可编程序控制器的选择 ............................................................. 错误！未定义书签。 6.1.2 可编程序控制器的工作过程 ..................................................... 错误！未定义书签。
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6.2 可编程序控制器的使用步骤 ............................................................ 错误！未定义书签。 6.3 机械手可编程序控制器控制方案 .................................................... 错误！未定义书签。 6.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 ............................................. 错误！未定义书签。 6.3.2 气动机械手的工作流程（如图7-1所示） ................................................................ 6 6.3.3 I/0分配 .......................................................................................................................... 7 6.3.4 梯形图设计 ................................................................................................................... 7
结论..............................................................................................................................................错
误！未定义书签。
参考文献.....................................................................................................................................错
误！未定义书签。
致谢..............................................................................................................................................10
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第一章 背景介绍
1.1前言
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要组成部分，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、电器气压技术、自动控制技术、传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。工业机械手也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，尤其体现在人的智能和适应性。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极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的传送和装卸；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，加快实现工业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、噪音以及带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，并且取得一系列的成果。
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”，简称通用机械手。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应用。
1.2工业机械手在生产中的应用
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。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，完成工人难以完成或者危险的工作。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1.2.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线
旋转零件自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，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），上海拖拉机厂的齿坯自动线（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。 1.2.2 单机自动化
各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（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，可实现全自动化生产。
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1.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工
模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.3 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 1.3.1 执行机构
（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如气压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 1.3.2 驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为气压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 1.4.3 控制系统分类
在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。