1
芯模搬運機械手設計
摘 要
本設計為三個自由度的棒料搬運機械手，搬運棒料為固定尺寸的芯模。機械手整體由控制部分和機械系統(tǒng)部分組成，設計中包括了旋轉平臺可以進行180°旋轉、手臂可以在水平方線伸縮、氣爪張開與閉合。使用plc來控制驅動系統(tǒng)，讓整個執(zhí)行系統(tǒng)正常工作。本設計的機械手基于減少減輕工人勞動強度，提高其經濟型。在一些比較惡劣的工作條件下可用本機械手代替工人勞動。
本課題運用專業(yè)所學習的知識，來進行機械手的整體設計，通過計算校核來進行零件的選擇，最后進行機械手的plc系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的設計。最后根據計算結果畫出裝配圖和零件圖圖以及裝配圖。
關鍵詞：機械手，手臂伸縮，氣爪張開閉合，PLC控制系統(tǒng)
II
棒料搬運機械手設計
ABSTRACT
窗體頂端
The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 °, the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.
This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.
Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system
1
棒料搬運機械手設計
目 錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2文獻綜述（目前國內外研究現狀以及發(fā)展趨勢） 1
2.機械手的總體方案設計 6
2.1研究內容 6
2.2研究方案 6
3.機械手本體設計 9
3.1機械手氣爪的設計 9
3.2伸縮手臂的氣缸設計 12
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計算 13
4.機械手傳動設計 15
4.1電機的類型與特點 15
4.2滾珠絲杠的電機選擇 16
4.3旋轉臺的電機選擇 19
5.機械手的控制設計 21
5.1電控的選擇與優(yōu)點 21
5.2機械手的工作流程 23
5.3控制面板按鍵分布圖 24
5.4 I/O口分配 25
5.5氣壓接線圖 26
5.6PLC梯形圖 27
6.結論 29
參考文獻 30
致 謝 31
1
芯模搬運機械手設計
摘 要
本設計為三個自由度的棒料搬運機械手，搬運棒料為固定尺寸的芯模。機械手整體由控制部分和機械系統(tǒng)部分組成，設計中包括了旋轉平臺可以進行180°旋轉、手臂可以在水平方線伸縮、氣爪張開與閉合。使用plc來控制驅動系統(tǒng)，讓整個執(zhí)行系統(tǒng)正常工作。本設計的機械手基于減少減輕工人勞動強度，提高其經濟型。在一些比較惡劣的工作條件下可用本機械手代替工人勞動。
本課題運用專業(yè)所學習的知識，來進行機械手的整體設計，通過計算校核來進行零件的選擇，最后進行機械手的plc系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的設計。最后根據計算結果畫出裝配圖和零件圖圖以及裝配圖。
關鍵詞：機械手，手臂伸縮，氣爪張開閉合，PLC控制系統(tǒng)
III
棒料搬運機械手設計
ABSTRACT
窗體頂端
The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 °, the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.
This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.
Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system
目 錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2文獻綜述（目前國內外研究現狀以及發(fā)展趨勢） 1
2.機械手的總體方案設計 6
2.1研究內容 6
2.2研究方案 6
3.機械手本體設計 9
3.1機械手氣爪的設計 9
3.2伸縮手臂的氣缸設計 12
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計算 13
4.機械手傳動設計 15
4.1電機的類型與特點 15
4.2滾珠絲杠的電機選擇 16
4.3旋轉臺的電機選擇 19
5.機械手的控制設計 21
5.1電控的選擇與優(yōu)點 21
5.2機械手的工作流程 23
5.3控制面板按鍵分布圖 24
5.4 I/O口分配 25
5.5氣壓接線圖 26
5.6PLC梯形圖 27
6.結論 29
參考文獻 30
致 謝 31
31
棒料搬運機械手設計
1.緒論
1.1選題背景及其意義
本課題所涉及的機械手是以芯模的搬運為核心。以機器取代人工來進行這項重復的工作。設計棒料搬運機械手能夠減輕工人的勞動強度節(jié)省大量的時間，提高生產效率以及自動化水平，同樣也就提高了經濟效益。相對于雇傭工人來說，機械手更安全更能保證產品質量，有著非常明顯的優(yōu)點。
1.1.1課題目的和意義
在機電一體化的領域中機械手是一種典型的代表，設計機械手能夠充分應用機電專業(yè)學生所學習的專業(yè)知識，對于學生學習有著很好的促進效果。與此同時在工業(yè)生產中，機械手作為自動化的代表占據著重要的地位，可以將其作為學生學習的重要實驗設備，具備著其他設備不具有的優(yōu)點。但是因為大部分用于教學的機械手價值比較昂貴，針對性很低，有著很強的局限性，很難做到對學生全面開放，所以學生能夠真正解除學習到機械手的機會并不多。本課題設計的機械手能夠在工業(yè)自動化中起到重要作用，三自由度棒料搬運機械手經濟性好，易于維修，還能在課堂上作為教學，讓學生充分了解學習機械手一些特點，運作方式，結構特點等等，所以設計這種機械手對學生來說是大有裨益的。
本課題中的棒料搬運機械手涉及到了多門課程的很多知識以及實驗，其中包括plc控制、機械制圖、計算機控制、氣動等等。
1.2文獻綜述（目前國內外研究現狀以及發(fā)展趨勢）
當人們逐漸認識到了機械手眾多的優(yōu)點，機械手得到了快速的發(fā)展:第一、它能部分代替工人進行操作，第二、它能夠按照生產工藝所進行的要求，遵循制定的程序以及時間相關位置來完成工件的傳輸和裝卸?？梢宰尮と说膭趧迎h(huán)境得到改善，從而提高生產效率，增加經濟效益，提高工業(yè)生產自動化和機械化化的進程。機械手的發(fā)明創(chuàng)造對整個工業(yè)生產來說就是一場風暴，有著巨大的促進作用，大大加快了人類生產自動化的步伐，與此同時野促進了人類科學的快速發(fā)展。
隨著機械手的大范圍制造使得工業(yè)自動化發(fā)展迅速，人們對于精準、高效、靈活、等方面的追求很高了，又的機械手還具有簡單的半自我意識，能夠簡單的完成一些活動
(1) 執(zhí)行器
機器人本身是常用于空間開鏈臂連桿機構（旋轉或棱柱形）通常被稱為關節(jié)，關節(jié)的數量通常是多自由度機器人。根據接頭結構類型和不同形式的運動，對于擬人的考慮，腰部，手臂，手腕，手（夾持器或端部執(zhí)行器）等在機器人主體中的相關部分通常被稱為基部。
窗體底端
(2)驅動器
窗體頂端
控制系統(tǒng)首先發(fā)出信號命令，機然后械手臂接收命令后由驅動器來進行驅動機械部分。機械手的主要驅動裝置為電力驅動，比如步進電機驅動，液壓驅動、氣壓驅動等.
窗體底端
(3)檢測機構
檢測裝置起到保證機器人的工作狀態(tài)能夠按照開始設定的工序要求進行運作的作用，當機器人在進行工作時，檢測系統(tǒng)可以對周圍外部環(huán)境進行檢測，然后將檢測結果反饋到控制系統(tǒng)在進行更改調整。傳感器分為內外兩種，前者在機器人工作時，能夠測量機器人的的內部環(huán)境，然后將得到的信號快速的傳入控制器上面。后者是檢測機械手的外部條件以便于在不同外部環(huán)境下可以不斷變化，進行多樣的外部行動，提高自身更高的自動化水平，同時提高機械手工作的精度與效率。
(4)控制系統(tǒng)
窗體頂端
計算機對所有的機械手進行的控制成為集體控制。另一個是蔓延水平方向上的控制，可以用多臺電腦實現共享，如在使用接下來的兩個共同來完成機器人控制計算機控制的機器人，以較低的計算機，以便實現給定的運動，反饋信息到主機發(fā)送消息作為從站的從屬命令，關聯(lián)相應的CPU，插值計算和伺服控制過程。根據不同要求，機器人分為方向控制、軌道控制以及以及點位控制三種模式控制。
窗體底端
。
1.2.1機械手的運用
近幾年來，機械手作為一個新興行業(yè)發(fā)展日新月異，是工業(yè)生產自動化的經典代表，在工業(yè)生產中擔負著重要的作用。在搬運、、焊接、、噴漆、等各個行業(yè)中都有著廣泛的應用。尤其是在、高溫、危險、放射性、粉塵較多等惡劣的勞動條件下，人工是遠遠不能跟機械手進行比較的。
在現在所擁有的生產線上，都將有一步工序是將準備好的或安裝好的材料或工件放置在所需要的位置，由于生產規(guī)模月越來越大，人工勞力，不僅成本高，而且效率低，現在完全可以把工作交給機械手來搬送這些工件即可。
圖1-1.機械手模型
如圖1-1所示，大臂上的電機工作，關節(jié)1進行轉動；小臂上的電機工作帶動鋼帶進行工；鋼帶動作進一步帶動關節(jié)2轉動關節(jié)3上面的電機轉動帶動手腕進行轉動。這些關節(jié)統(tǒng)一運作，完成工作。
1.2.2機械手的發(fā)展
上世紀五六十年代，機械手問世，對工業(yè)生產產生了深遠的影響，人們逐漸認識到了機械手對于工業(yè)生產的意義，機械手獲得了長足的發(fā)展，如今，機械手對于機械生產自動化有著舉足輕重的作用。目前，正式大規(guī)模使用的很大部分機械手都是第一代機械手，也就是程序控制機械手。第一類機械手結構簡單，沒有感覺器官，對于現在社會來看就是傻子機器，只會完成固定的工作，不能有絲毫的改變不會對外部環(huán)境的改變發(fā)生改變，結構、程序都很簡單，但是它畢竟是第一類機械手，已經在很多行業(yè)有了廣泛應用，對今后機械手的發(fā)展有著長足的作用。這類機械手大多數采用接觸傳感器這一類的簡單的傳輸感應裝置以及相對應的適應性算法，在我們看來，這類機械手已經有了簡單的智能，能夠稍微對外部環(huán)境做出應答，對比與第一類機械手，是一個重大的突破。知道現在，機械手幾十年的發(fā)展，第三代機械手已經達到了很高的水平，不僅擁有第一第二類機械手的能力，可以對外部環(huán)境進行感知，并且可以對復雜信息進行簡單準確處理，對自身行為做出自主決定能力的高智能化機械手。真正的模擬人類，有著跟人類一樣的嗅覺、視覺等等，甚至有著不亞于人類的智能，他們可以更加系統(tǒng)的學習專業(yè)的知識，相對于人類 ，在記憶方面，有著無與倫比的優(yōu)勢，遠遠超過人類。
機器手的研究一直都是將其類比于人類，在人類歷史上，中國三國時代的木牛流馬就是早先的機器人，在近代工業(yè)發(fā)展中，機械手起到了中流砥柱的作用。
機械手的開發(fā)，從一開始就是為了代替人類去才完成一些比較危險或者比較有害的工作，但是隨著時間的推移，機械手已經遠遠超過了開始發(fā)展，在眾多的領域機械手都有了應用，可謂發(fā)展前景十分光明。
作為機電一體的產品，機械手大大提高了生產的效率，做到了很多人工難以做到事情，能夠精準，穩(wěn)定的完成各種任務，解放了勞動力，提升了產品的質量，提高了企業(yè)的經濟效益，未來機械手的發(fā)展勢不可擋。
機械手有著剛性的身體，但是程序靈活，可以有著很多的改變，有著更多的定位，機械手還有著很快的速度，更有力的機械臂，更穩(wěn)定的控制。機械手正不斷改變我們的社會以及我們的生活。
當代機器人的發(fā)展已經不僅僅滿足智能系統(tǒng)，而是更看重人類與機器人的交流，能夠進行人機交互，是的智能機器人能夠早日進入社會，進入實用化階段。美國曾經發(fā)射到火星上進行探索的機器人索杰納就是一個著名的案例。
我國的機器人起步比較晚，直到80年代左右才開始進入起步階段，在國家75、85科技攻關支持下，取得了很大成就?；菊莆樟藱C器人制造所需要的技術以及智能方面設計的能力，能夠獨立生產機器人大多部件，開發(fā)了人很多種類的機器人，在國內工業(yè)生產方面有了大規(guī)模的應用，但是因為我國機器人發(fā)展起步晚，跟國外相比較還有著較大的差距，無論是在機器人零件的生產上還是智能系統(tǒng)的設計上都差距明顯，在工業(yè)上的應用更是只占據很小的一部分我國的機器人設計比較單一，都是有了需要在進行設計，太單一，通用性很低，這大大浪費資源，阻礙了機器人的發(fā)展，而且生產成本高穩(wěn)定性地，不可靠。因此，目前就應該對機器人產業(yè)進行整體規(guī)劃，更好的推動機器人行業(yè)的發(fā)展。在我國863計劃支持下，智能機器人的發(fā)展獲得了不小的進步，6000m水下機器人名列世界前茅，還開爬壁、管道機器人等等在機器人感官發(fā)展上有了一定的發(fā)展基礎。目前與國外發(fā)展水平差距過大，需要在來原來的寄出了繼續(xù)大力發(fā)展，期待我國機器人的發(fā)展早日進入世界一流行業(yè)。
在國外方面,機械第一出現在人們的視野中是在上世紀五六十年代的美國，剛開始的機械手是用來搬運放射性等危險性較高的材料，自動化程度很低，再后來機械手得到了發(fā)展，在更多的不同的惡劣環(huán)境中應用越來越多，在一些機械化的機床上也得到了更多的應用，這個時候的機械手比較簡單，只有有著簡單的控制邏輯。60年代第一臺意義上的工業(yè)機械手出現，隨著社會的發(fā)展，科技的不斷進步機械手也得到了迅速的發(fā)展。進入70年代，機械手得到了大量的生產，在工業(yè)中的應用越來越廣泛，商品化程度越來越高，在工業(yè)生產中機械手的應用越來越廣泛進。入90年代傳統(tǒng)的機械手已經不能滿足社會的需求，一些復雜的工作環(huán)境以及操作需要智能更高的機械手，于是，機械手的智能系統(tǒng)獲得了大力發(fā)展，智能機械手能根據周邊環(huán)境進行反饋然后改變工作狀態(tài)，具有擬人的感官等等，國外的機械手智能化的水平越來越高。
機械手臂是機械手最直觀參與工作的部分，根據機械手手臂的不同來進對機械手的類型進行分類，根據坐標形式來劃分的話大概可以分為4種:(1)圓柱坐標型機械手;(2)直角坐標型機械手;(3)多關節(jié)型機械手;(4)球坐標型機機械手。下圖1-2是機械手搬送物品的簡單示意圖，圖中將工件從A運到B就是機械手的任務。
圖1-2.示意圖
1.2.3可編程控制器（P L C）氣動機械手的發(fā)展與運用
用PLC來控制機械手，驅動裝置為氣缸，通過PLC來進行控制比較穩(wěn)定，具有很多優(yōu)點，比如精、，經濟、環(huán)保、結構簡單。在國內很多行業(yè)有著廣泛的應用。
2.機械手的總體方案設計
2.1研究內容
該課題棒料搬運機械手設計，目的是實現對棒料的搬運，主要完成的動作有上升、下降、伸縮、順/逆時針旋轉90°、手爪張開、手爪抓緊等。從而降低勞動強度，提高經濟性。設計內容如下：
1.棒料搬運機械手的機械部分，包括執(zhí)行系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)，通過計算與校核來完成相應部件的選擇與設計。
2.PLC控制系統(tǒng)設計，驅動系統(tǒng)控制執(zhí)行系統(tǒng)工作。
2.2研究方案
2.2.1總體方案設計
棒料搬運機械手基本要求能夠準確無誤的搬運棒料，同時兼具效率與安全。機械手能夠快速反應，運行安全，足夠的自由度，精準的動作到位。
棒料搬運機械手設計:根據機械手實際工作狀況，設計正確的工作工序和操作流程，并且能滿足需求，完成任務;工件的尺寸材料都已經確定，定位精度要求，以及在工作當中的各部件的受力情況、尺寸和各種參數等，以此來更進一步的確定機械結構和運動控制;盡可能多的去選擇標準組件，盡可能簡單化機械手設計的過程，但是也要照顧到它的通用性和經濟性。
1. 旋轉裝置2.垂直升降絲杠3.橫移絲杠4.夾緊氣缸5.手抓6.基座
圖2-1.棒料搬運機械手總示意簡圖
如圖2-1所示為機械手的工作行程:首先氣缸3工作伸出機械手臂，然后夾緊氣缸4工作氣爪5從平臺上抓取芯模，氣缸3工作收縮機械手臂，步進電機2工作，手臂上升到一定高度，由電機帶動機體旋轉，橫移氣缸3伸出到一定位置，然后夾緊氣缸4工作氣爪5放松，物體被放置在正確位置，收縮旋轉手臂后再作垂直下降，最后棒料搬運機械手復位。
2.2.2機械結構設計
（1）手爪的結構設計
按照初始設計方案，為了滿足機械手的通用性，機械手爪是為了抓取芯模，所以決定采用V型指夾鉗式。如下圖2-2所示：
1.傳動部分2.支架3.手指4.芯模
圖2-2.棒料搬運機械手手爪
（2）機械手的升降結構設計
絲桿連接在步進電機上面，通過控制步進電機來控制機械手臂的升降。絲桿螺母副安裝在機械手臂上，從而驅動手臂的升降。絲杠傳動有很多優(yōu)點，穩(wěn)定，自鎖，經濟。
（3） 機械手的旋轉設計
通過底部的步進電機可以對機械手進行旋轉，如圖2-3所示。步進電機價格比較低，而且運行基本不會出錯，很穩(wěn)定，維修也很方便，通過計算就可以得到要選取的電機類型。
1.電動機2.軸承3.軸承套4.旋轉部件5.固定電機基座
圖2-3.棒料搬運機械手旋轉機構
（4） 機械手的控制系統(tǒng)部分的設計
使用PLC控制機械手，控制穩(wěn)定，精確，可靠性也很高，同時降低成本具有很好的經濟效益。機械手工作流程圖如下2-4所示。
圖2-4.機械手循環(huán)工作過圖
3.機械手本體設計
3.1機械手氣爪的設計
棒料搬運機械手最直接參與棒料的搬運結構就是氣爪，所以氣爪是一個很重要的部件，一個優(yōu)秀的氣爪要能夠快速、安全的抓取棒料。
在進行設計時要注意的點：
（1）能否有足夠的夾緊力，工件質量以及在運送過程中的動載荷也要計算到。
（2）機械手氣爪的工作范圍是否足夠，手爪在抓取工作的過程中對工作環(huán)境的影響。
（3）機械手爪能否準備無誤的到位。
（4）是否有緊湊的結構以利于手臂的設計。
3.1.1結構設計
機械手爪有著各種不同的類型，有些直接參與工作，有的需要抓取一些工具。一般直接參與的機械手部分，比如氣爪，采用了一種擬人的方式，跟人們的手非常的相似。因為抓取工件在不同工作條件下有很多不同的外形、尺寸、狀態(tài)等等，所以機械手氣爪的樣子是多種多樣的，有下列分類：
（1） 夾鉗式取料手；
（2） 吸附式取料手；
（3） 操作器及轉換器；
（4） 仿生多指靈巧手。
（1）夾鉗式取料手
夾鉗式取料手的手部很像人手，在國內眾多行業(yè)有廣泛的應用。，該氣爪抓取物體是通過手爪的張開與閉合來實現的。
（2）吸附式取料手
該吸附式取料手可以分為氣吸附以及磁吸附，將一個工件的平面作為目標進行抓取，該機械手適用于有較大平面的工件，有著廣泛的應用。
本設計的機械手選擇夾鉗式取料手,如下圖3-1所示。采用滑槽式杠桿回轉型的抓取方式。
1. 工件2.手指3.鉸銷4.圓柱銷5.驅動桿
圖3-1.機械手爪
3.1.2夾緊力的計算
夾緊力大小要適度，太小了則在夾持工件時容易松動，容易發(fā)生安全事故等力度，太大了會讓工件變形損壞等。
在正常工作中，涉及到夾緊力方面時再由工人進行操作時，是不需要對設備的夾緊力進項精確計算的，但是本課題中夾緊力是由氣缸提供的，所以要計算夾緊力的大小，根據計算出來的結果來確定氣缸的壁厚以及大小等。
在本課題中對夾緊力進行計算時，首先要計算工件的重量，還有考慮到摩擦力，重力等等外在力。
夾緊力有三個三要素，分別去確定他們是一個包含很多方面的問題。
手爪對于工件重力為M1=8KG，工件最中心部位到圓柱銷的距離S=5cm。
(3-1)
式中K1是安全系數，常取1.2～2.0
K2取1
g取9.8
代入公式3-1中，得
驅動桿的力是F，3-2為手指的受力圖。
圖3-2.機械手指受力圖
3.1.3手爪夾緊氣缸設計
通過夾緊氣缸工作來對機械手指的夾緊和放開進行控制。氣缸伸長時氣爪張開，氣缸收縮時氣爪夾緊。
氣缸內徑D的計算
公式如下：
D≥（3-2）
作用力F驅動力=67.9 N，
系統(tǒng)的壓力P=0.4 MPa
代入公式3-2
D≥
≈15（mm）
根據設計需要，把上述計算的D值增大20%，再調整到系列標準值。
升降氣缸D=15+15×20%
=18（mm）
氣缸行程選取L=15 mm
表3.1氣缸筒的壁厚
氣缸直徑D/mm
鑄鐵HT150
45鋼，Q235
鋁合金ZL203
50
7
5
8~12
80
8
7
100
10
8
12~14
125
10
8
160
12
9
200
14
9
14~17
250
16
11
320
16
12
查表得3.1氣缸壁厚取8 mm。
3.2伸縮手臂的氣缸設計
已知，工件重量M1=8kg，估算得到氣爪重量M2=4kg。
氣缸內徑D計算
公式如下所示：
D≥（3-2）
其中作用力F驅動力=(8+4)x9.8x0.8=94.08 N，
系統(tǒng)壓力P=0.4 MPa
代入公式3-2
D≥
≈17（mm）
根據實際設計需要，將上述計算的D值再增加20%，再調整到系列標準值。
伸縮氣缸D=17+17×20%
=20（mm）
氣缸行程取L=80 mm
查表3.1得到氣缸壁厚取7 mm。
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計算
滾珠絲杠副是一種很巧妙地設計，它可以將直線運動變成曲線旋轉運動，或者相反將曲線旋轉運動變成直線運動，改變運動的形式。
滾珠絲杠副傳送效率比較高、經濟性好、使用壽命長等特性，在工業(yè)設備、精密儀器以及數控機床等方面都有著廣泛的應用。滾珠絲杠副有專門的工廠進行制造，通過計算選定型號后，可以直接購買或者定制。
滾珠絲杠副使用需要注意的事項
1、滾珠絲杠螺母的運動是具有有效行程，為了避免發(fā)生意外，需要在兩端安裝限位開關。
2.、滾珠絲杠副不能自鎖，所以在使用時要防止其突然停止工作，產生逆?zhèn)鲃印?
滾珠絲杠副的計算
（1） 最大工作載荷的計算
工作臺在上升下降時（與絲杠垂直）時受到=G氣缸+G氣爪+G工件+G工作臺
估算：G氣缸=60N，G工作臺=190N,G氣爪=40N
已知：G工件=78.4N
則部件重量G總=368.4N按照導軌進行計算
查表后3-29，取顛覆力矩
影響系數K=1.1，滾動導軌摩擦因數μ=0.005。
求滾珠絲杠副的最大工作載荷：
（2） 最大動載荷的計算
工作臺上下升降時速度v=20mm/s，初次選絲杠導程=5mm，則此時絲杠的轉速
取滾珠絲杠的工作壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數（單位為：）。
查表3-30，取載荷系數，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數，代入上式求得最大動載荷大小為：
（3） 初選型號
根據計算得到的最大動載荷和開始選的絲杠桿導程，查表3-31，選取GD系列2005-3型滾珠絲杠副，名稱為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其導程為5mm，公稱直徑為20mm，精度等級取5級，循環(huán)滾珠為3圈x 2列，額定動載荷9309N，大于，符合要求。
（4） 傳動效率的計算
將公稱直徑，導程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動效率。
4.機械手傳動設計
4.1電機的類型與特點
電動機的種類有很多，可謂是五花八門。我們選取電動機首先要考慮能不能滿足設計所需要求，這是原則性的一點，再然后電動機的性能方面的好壞，是否滿足經濟性，維修是否方便，購買方面是否方面等等問題都要考慮到。
(1)三相籠型異步電動機。在三相籠型異步電動機中電源采所用的是應用最為普遍的電源——三相交流電源。該電機購買方便，很多廠家都可以買到，并且價格低廉，運行穩(wěn)定，維修起來也很方便。缺點就是啟動以及調速性能較差。所以，在不太要求調速和啟動性能要求不是很高的一些場合，比如各種機床、水泵、通風機等部分機械上應優(yōu)先選用三相籠型異步電動機；對于一些要求大啟動轉矩的生產機械，比如一些紡織機械、空氣壓縮機、傳送機等，就可以選擇具有比較高啟動轉矩的三相籠型異步電動機；三相籠型異步電動機還適合于需要有級調速的一些生產設備。
(2)三相繞線轉子異步電動機。該電機適用于生產機械對于調速有一定要求的生產機械上面，比如一些起重機而且大多使用轉子串接電阻，因為該電機啟動、制動次數比較多。調速范圍是有限的，使用晶閘管串級進行調速，擴大了繞線轉子異步電動機的工作范圍，比如水泵、風機的節(jié)能調速。
(3)三相同步電動機。這種電機大多數在一些空氣壓縮機，大型水泵設備上使用，因為這些設備都需要比較大的功率該電機還可以保持恒定的轉速。
(4)直流電動機。因為直流電動機的啟動性能比較好，可以很容易實現無級平滑調速，而且調速的范圍廣、精確度高，所以，對于要求在比較大的范圍內平滑調速以及需要準確的位置控制的生產機械，比如一些要求高精度的機床或者機械上面近年來，在一些大功率的生產機械上，廣泛的采用晶閘管勵磁的直流發(fā)電機一電動機組或晶閘管一直流電動機組。
電氣驅動同時還需考慮采用伺服驅動器。電動驅動伺服器分類如下：
（1）直流電機伺服驅動器
脈沖寬度調制伺服驅動驅動器是目前大多數伺服電機的驅動器。電流內環(huán)以及速度外環(huán)構成了該伺服驅動器三極管是一種開關元件，想要改變加在電機上的電壓，只需要改變它的脈沖的數值就可以對電路進行控制就可以改變脈沖寬度。末級一般采用采用大功率三極管構成橋式開關電路。
P W M伺服驅動器具有很多優(yōu)點比如調速范圍寬、低速特性好，響應快、精確度高、效率高、過載能力強等。在一些精密機床，機器人等產品的的伺服電機驅動都是它參與在其中。
（2）步進電機驅動器
脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器以及功率放大器等幾部分組成步進電機的控制裝置。
脈沖發(fā)生器控制電機靠的是改變頻率只需要簡單地進行速度的控制就可以了環(huán)形分配器控制繞組一組一組的通過，保持設定的次序。它的主要作用是把脈沖發(fā)生器傳輸來的的信號按規(guī)定的循環(huán)規(guī)律分配給各繞組，以此能夠讓使步進電機按著一定的規(guī)律運動。
當我們需要設計的機械進行短暫高頻率的工作時，步進電機是很適合的可以實現開環(huán)控制不需要反饋。伺服電機價格過高，不符合經濟性所以排除。推薦選擇步進電機。
步進電機配合驅動器使用，很多驅動器都能夠支持細分功能，控制更加精確。
由上述可以知道步進電機應用于驅動工業(yè)機器人有著很多無可替代的優(yōu)點，比如價格經濟實惠、控制精準誤差小。相對來說體積較小自重較輕，可以完成比較復雜的運動。
所以步進電動機是本設計將要選擇的電動機類型。
4.2滾珠絲杠的電機選擇
（1） 計算軸上的總的轉動慣量為
由于已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長l=500mm，導程=5mm，選用材料密度；移動部件總重力G=368.4N。
如表4-1所示，算得各個零部件的動慣量如下：
滾珠絲杠的轉動慣量
聯(lián)軸器
初選步進電機型號為55BF009，從表4-5查的該型號電動機轉子的轉動慣量
在步進電動機軸上的存在的總轉動慣量為：
（2） 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩
可分為所能承受最大載荷以及空載啟動兩種情況來進行計算。
①當空載啟動時電動機轉軸上的負載轉矩由式，可知，包括三個部分：一部分是當電機空載起動時折算到電動機中心軸上的最大加速度轉矩；一部分是移動部件進行運動相對于電動機中心轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠進行預緊后相對于到電動機中心轉軸上的附加摩擦轉矩。因為傳動效率很高，相對于和比較小，則忽略不計。則有：
（4-1）
因為傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時相對于電動機中心轉軸上的最大加速轉矩：
（4-2）
式中——對應空載最快運動速度的步進電機最大轉速，單位為；
——步進電機從靜止不動到加速至轉速所需要的時間，單位為s。
其中：
（4-3）
式中——空載最快移動速度，且任務書上面要求為；
———步進電機步距角，已經預選電動機為0.9°；
———脈沖當量，。
代入式子（4-3），算得。
假設步進電動機由靜止不動到加速至轉速所需要的時間，傳動鏈總效率。則由式（4-2）求得：
由式可知，部件工作時，相對于到電動機中心軸上面的摩擦轉矩為：
（4-4）
式中———摩擦因數，??；
——物體總重量不包括工件，；
———傳動鏈總效率，取0.7。
則由式（4-4），得：
由式（4-1），求得空載動作時時電動機中心軸上所能承受的負載轉矩：
②滿工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所能承受的負載轉矩為，由式，可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機中心軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件動作時折算到電動機中心軸上面的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠經過預緊后相對于到電動機中心軸上的所能附加的摩擦轉矩。由于滾珠絲杠副傳動效率很高，相對于以及很小，所以可以忽略不計。則有：
（4-5）
其中，折算至電動機中心軸的滿工作負載轉矩由，則有：
式中———摩擦因數，取；
——物體總重量，；
———傳動鏈總效率，取0.7.
那么由式（4-4），得：
由式可知，當移動部件動作時，相對于到中心軸上的摩擦轉矩為：
最后由式（4-5），求得滿工作負載狀態(tài)下中心軸所能夠承載的負載轉矩為：
經過一系列計算后，步進電機中心軸最大等效負載轉矩為：
4.3旋轉臺的電機選擇
通過安裝在支座上的步進電機驅動轉動機座轉動，從而實現機器手臂的旋轉運動，通過安裝在頂部的步進電機和聯(lián)軸器來帶動滾珠絲杠轉動就可以實現手臂的上下移動。采用了雙導柱導向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉動，能夠保證手臂隨機座一起轉動。如圖4-1所示，為設計中的旋轉平臺機構。
1.絲杠電機2.滾珠絲杠3.氣缸手臂4.氣缸放置平臺5.旋轉臺6.旋轉電機
圖4-1.旋轉臺簡圖機構
圖4-2.旋轉平臺受力
（1）通過4-2平臺中各零件受力，算得各個零部件的動慣量如下：
絲杠平臺
工件與氣爪
工件與氣爪
總轉動慣量
（2） 已知為，物體轉速3r/min
電機功率
選擇反應式電機75BF003。
5.機械手的控制設計
5.1電控的選擇與優(yōu)點
5.1.1 P L C的基本概念
PLC，即可編程邏輯控制器，為以前的可編程控制器，其主要實現的就是放棄繼電器來進行邏輯控制。目前，科技發(fā)展迅速，邏輯控制已經遠遠不能滿足要求，利用微型計算機技術來實現控制功能的裝置已廣泛運用在各類機器中。所以，這種邏輯控制的裝置我們成為可編程控制器，即PC，但是，個人計算機常常也被稱之為PC，所以為了區(qū)分，我們將其簡稱為PLC，1969年，美國數據設備公司研發(fā)出第一臺PLC，后來不斷發(fā)展完善，目前，美國、德國、日本生產研發(fā)的的PLC功能較好，可靠性較高。
5.1.2 PLC的基本結構
實際上，可編程控制器PLC就是一種微型計算機，其一般用于工業(yè)控制機器上，內部的硬件結構與微型計算機也大致相同。其主要組成部分：
（1）電源
PLC一般需要選用優(yōu)質可靠的電源，其電源在整個控制系統(tǒng)中至關重要，需要一個好的電源來實現其正常工作，所以，在生產PLC的時候，對電源的選用也較為嚴格，正常情況下，交流電壓的波動在10%之內，可以直接接到PLC之上，不需要采取整流穩(wěn)壓等操作。
（2） 中央處理器（CPU）
PLC的大腦，控制中心，即是中央處理器（CPU），PLC控制系統(tǒng)會給其信號，讓其實現相應的功能，即其能收到從輸入端輸入的信號，并對其進行存儲，如：電源狀態(tài)，存儲器，輸入輸出，定時器狀態(tài)，并能其具有自檢功能，檢查程序中的錯誤所在，PLC開始工作，其工作方式為掃描，以這種工作方式接收輸入信號，并進行存儲，放在I/O映象區(qū)，然后再進行讀取，從存儲器中一條一條的讀出用戶所編的應用程序，再通過內部分析后，按程序進行邏輯運算或者數字運算，數據存儲器用來存儲執(zhí)行結果。這樣完成整個程序， 最后將結果傳到輸出端，循環(huán)往復的完成動作，直到結束指令。
通常大型的PLC一般會選用兩個CPU，或者三個CPU，當其中的一個PLC發(fā)生問題的時候，能保證系統(tǒng)能正常工作，不影響生產，提高整體可靠性。
（3） 存儲器
存儲器分兩類，一種是系統(tǒng)程序存儲器，其功能為存放系統(tǒng)軟件。另一種是用戶程序存儲器，其功能是存放應用軟件。
（4） 輸入輸出電路
PLC將用電路與控制接口相連接，即需要輸入接口電路。PLC的輸出信號將于執(zhí)行元件相連接，即需要輸出接口電路。
（5） 通信模塊
RS485、Profibus-DP，以太網等。
（6） 功能模塊
定時器，計數器等。
5.1.3 P L C的特點
P L C具有以下鮮明的特點:
（1）功能，組合靈活，擴容方便，實用。PLC可以組成各種大小尺寸不同的系統(tǒng)，滿足不同的要求，以適應各種工業(yè)控制需要的。要切換控制其專業(yè)也是一個連續(xù)的過程P I D閉環(huán)控制;與主機機構成復雜的控制系統(tǒng)，如D D C和D C S等，實現生產過程綜合自動化。
（2）對編程人員要求低，簡單易懂。利用了P L C可以在網上做的修改程序，改變程序，而無需拆卸控制設備。它可以運行在不同的環(huán)境中，可靠性是非常強大的。
（3）PLC的維護工作特別簡便可以在工作環(huán)境中直接修改運行。只需要各種現場設備與P L C相應的I/O端子的連接，寫的程序運行。各個模塊的運行和故障指示裝置，易于理解的用戶操作和故障調查。P L C具有強大的自檢功能，它提供了其易于維護。
（4）抗干擾能力強以及可靠性的能力都非常強，遠遠高于別的類型的模型。的分離和過濾，是兩個主要的抗干擾措施。就算是PLC的電源都會采取各種措施來保障它的正常運行，確保它的安全。此外PLC內部不同部位采取不同的電源就是為了消除不同點源之間的影響，為了適應各種惡劣的工作環(huán)境也密封，防塵，防震的外殼封裝結構。這么多措施，就是為了能夠讓PLC穩(wěn)定的運行，提供控制，從而使平均故障間隔時間長度，故障維修時間短。
（5）環(huán)境要求低。P L C可以再各種惡劣的環(huán)境下工作比如溫度過高，灰塵較多的車間以及靜電較強等，有著很高的性價比。
5.1.4 P L C與單片機相比的優(yōu)點
(1) 通用性強，使用方便
(2)PLC內部接口都被隔離開來，能夠使內部電路與外部環(huán)境完全分開內部模塊也都被分隔開來加以保護，具有很高的可靠性，PLC電源也會與外部隔離，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
(3)有很多的I/O接口模塊，足夠滿足需求。
(4)結構模塊化，有很多種組合方式。
(5)PLC更容易讓人理解加以學習，不需要計算機專門知識也能理解
(6)安裝簡單，維修方便
(7)驅動能力強，單片機不夠穩(wěn)定，不能抵抗較強的干擾。單片機的編程也比PLC更加復雜，需要了解單片機的內部結構以及工作方式。
所以，最終本設計采用PLC進行控制。
5.2機械手的工作流程
首先需要按下啟動按鈕，然后選擇自動擋或者手動擋，機械手隨后開始工作。如下圖5-1就是機械手工作流程圖。
當選擇自動檔位時：
（1） 從原點開始立柱向左旋轉9 0°，到達左限位開關時停止；
（2） 立柱垂直向下運動，到達下限位開關停止；
（3） 手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；
（4） 氣爪抓緊工件；
（5） 手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；
（6） 立柱垂直向上運動，到達上限位開關停止；
（7） 立柱向右旋轉1 8 0°，達到右限位開關停止；
（8） 手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；
（9） 氣爪松開工件；
（10） 手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；
（11） 立柱左旋轉9 0°回到原點，原點燈亮起。
①按下停止按鈕，機械手停止工作，按下啟動按鈕，機械手運動先歸零，在開始運動。
②如果選擇手動擋可以繼續(xù)按下任何按鈕進行操作，直到運動到限位開關為止。
初始位置
立柱左轉
手抓松開
立柱下降
手臂伸出
手臂伸出
立柱右轉
抓取芯模
立柱上升
手臂收縮
圖5-1.機械手工作流程
5.3控制面板按鍵分布圖
圖5-2.控制面板按鍵分布圖
5.4 I/O口分配
信號送給可編程控制器，然后分配對應的輸入端口；一些信號由可編程控制器輸送到被控制的對象，分配對應的輸出端口。另外，計數器以及定時器也要向對應的分配可編程序控制器是通過編號來識別信號的。根據系統(tǒng)輸入輸出點的數目，決定選擇三菱的FX2N系列FX2N-48MR。如圖所示：
表5-1輸入點分配表
名稱
代號
輸入
啟動
SB1
X0
右轉限位
SQ1
X1
左轉限位
SQ2
X2
上升限位
SQ3
X3
下降限位
SQ4
X4
手臂前進限位
SQ5
X5
手臂后退限位
SQ6
X6
停止
SB2
X7
手動
1SA
X10
自動
2SA
X11
手爪夾緊
SB3
X12
手爪張開
SB4
X13
上升
SB5
X14
下降
SB6
X15
手臂前進
SB7
X16
手臂后退
SB8
X17
左轉
SB9
X20
右轉
SB10
X21
回原點
SB11
X22
原點限位
SQ7
X23
表5-2輸出點分配表
名稱
代號
輸出
絲杠上升
絲杠下降
Y3
平臺左轉
平臺右轉
Y4
氣爪張開電磁閥
1YA
Y5
氣爪夾緊電磁閥
2YA
Y6
手臂前進電磁閥
3YA
Y7
手臂退后電磁閥
4YA
Y8
原點燈
Y9
5.5氣壓接線圖
下圖所示的連接方式就是手臂氣缸與手指氣缸的連接方式。
圖5-4.氣爪連接三位五通閥
圖5-5.手臂氣缸連接三位五通閥
5.6PLC梯形圖
圖5-3.PLC梯形圖
6.結論
本課題綜合運用了大學四年來所學習的所學習的機電專業(yè)所學習的知識，設計了一個滿足要求的棒料搬運機械手。完成整個設計對于整個大學的學習是一個很好的總結，將整個大學所學習的知識溫習了一遍，串聯(lián)在了一起。形成了一個完整的知識框架，將實踐與理論真正結合在了一起，對于今后的學習生活，有著重要的意義。
進行設計棒料搬運機械手時實事求是，先以國內外機械手發(fā)展作為參考，但不會去盲區(qū)跟風去選擇高性能、昂貴的一些原件，而是要根據要求本身去設計符合實際情況的機械手，堅決杜絕盲目模仿抄襲。本課題所設計的機械手盡可能的選用標準件，一方面盡可能降低成本，另一方面，也方便以后的維護與檢修。在滿足設計需求的前提下，在設計中對于機械手爪稍微做了改變，就可以輕易實現對更多的工件進箱行操作，適用于更多的工作環(huán)境，也就提高了它的性價比，能夠給企業(yè)帶來更多的利益。
在對機械手控制系統(tǒng)設計時，選擇了PLC來進行控制，這種控制系統(tǒng)具有很高的靈活性的同時也非常穩(wěn)定。在設計從控制系統(tǒng)時，為了讓設備適應更多的工作環(huán)境，對于機械手的控制，可以進行手動調整，即可以進行手動操作，也可以自動運行工作。并且在實際操作時，如遇到不同的情況，只要重新編寫一個PLC系統(tǒng)就可以滿足其他類系的工作情況。
此次我選的畢業(yè)論文的題目是棒料搬運機械手設計，在剛開始做這個課題的時候，感覺沒有頭緒，不知從何下手，所以為了能更好、更順利的完成這個課題，我去圖書館翻閱了大量資料，也在網上自己買了幾本相關書籍參考，并且指導老師也很負責任，每周都會要求我們和她見一次面，現場指導我們，我嚴格按照設計進度完成每個任務，然后完成了整個課題設計。
在整個機械手的設計過程中，我也遇到了很多問題，有些問題書本上學過，有些通過查資料能找到，有些沒聽說過的，不知從何下手，然后老師告訴我應該怎么做，幫助我完成了機械手的機械結構系統(tǒng)，由于控制系統(tǒng)學的不是很好，所以很難下手，指導老師推薦我們去找電氣學院研究生，經過兩天的悉心學習，終于把控制系統(tǒng)做了出來，并且把整個機器的所有問題都弄明白了，指導老師人很好，性格也很好，很負責任，很有責任心，答辯老師也指出了我的論文中所存在的問題?？梢栽谶@么好的老師手下做完此次畢業(yè)設計我感到很幸運，在這里，非常感謝各位老師，同學的幫助與支持。
在一個學期的畢業(yè)設計課程中，從一無所有到最后的課題完成，可以說是一步一個腳印，從最開始的資料收集到中間的零件計算，再到最后的控制系統(tǒng)PLC編程，都讓我對所學專業(yè)知識有了更加深刻的學習，所謂溫故而知新不過如此吧。同時在繪圖時，也讓自己對工程更加深刻理解，從開始畫圖到最后一步步的修改，讓我明白，每一個尺寸都需要精密的計算，決不能憑空捏造。也讓我能夠踏踏實實面對以后的學習與挑戰(zhàn)。
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致 謝
在這次畢業(yè)設計中，收獲了許多，首先把我近4年來的只是做了一次系統(tǒng)的復習，鍛煉了自我的學習的獨立分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了我綜合處理并且運用所學的知識。在這次設計中，讓我學會了運用多種途徑來搜索查找所需要的資料方法，與同學間一同分享資料和討論處理問題。為了繼續(xù)提升自己處理問題的能力，以后還學要更加勤奮的學習。經過本次設計，發(fā)現要完美的設計出來時相當困難的，大大小小的問題不斷發(fā)生，還會發(fā)現自己未學過的知識等，就因為設計經驗不充足導致設計的停頓問題。
隨著畢業(yè)設計、畢業(yè)論文的完成，能夠繼續(xù)在校園學習的時間也不多了，校園生活也終于告一段落。回首在上海電機學院四年生活，酸甜苦辣，學到了很多，也失去了很多，酸甜苦辣都在其中，這將是我人生中最寶貴的經歷，也是最美好的回憶。在校園里有著很多知識淵博的老師，四年大學生讓我在生活與學習兩方面都受益匪淺。能夠順利的完成畢業(yè)設計，各位老師給了我巨大的幫助。
論文的寫作是枯燥艱辛而又富有挑戰(zhàn)的。在學富五車的老師幫助下，克服了重重困難，讓我最終完成了論文。在此，我要特別感謝孫淵老師。孫淵老師為了幫助我們盡快完整的完成畢業(yè)設計，舍棄了自己很多的休息時間，基本上，無論何時何地，只要我們在設計上碰到任何困難，老師都會不遺余力的幫助我們解決。正是由于孫淵老師對我們的負責，付出了足夠多的心血我們才能順利的完成畢業(yè)設計課題，在此，祝老師美滿幸福。同時對我?guī)椭€有我的同學們，在生活與學習上給了我很多的幫助，經常鼓勵我，有一些小的疑問，也會相互討論，在我迷茫的時候，給了我堅持下去的動力。
在最后，同樣給我了信心和勇氣的是我的家人，家人朋友總是在生活上關心我，對我學習生活也是一直支持理解，這對我完成畢業(yè)設計有著重要的意義。我知道我現在的設計還有很多的不足之處，但是，這次的畢業(yè)設計給我?guī)淼闹R也好、經驗也好，都是不能替代的，也許在將來的工作中也會被用到，知識是越多越好，它只會幫助到我。但是畢竟我學習經驗不足，時間倉促，在論文中肯定存在錯誤，還請各位老師多多指正，我將虛心改正。