編號：本 科 畢 業 設 計題 目：四自由度搬運機械手的設計 學 院：機械工程學院 專 業：機械設計制造及其自動化 年 級：12 級 姓 名： 指導教師： 完成日期：2016 年 5 月 31 日 目錄摘要 .1Abstract.21 引言 .31.1 機械手研究的背景及其意義 .31.2 機械手的研究現狀和發展前景 .41.3 機械手的種類及其應用 .41.4 機械手研究的主要內容 .52 機械手總體方案的設計 .62.1 機械手的功能以及技術要求 .62.2 機械手的整體結構設計 .62.3 機械手的主要部件及其自由度 .72.3.1 機械手的主要部件組成 .72.3.2 機械手的自由度 .72.4 機械手的動作過程及其時間配置 .82.4.1 機械手動作形式及其順序的確定 .82.4.2 機械手動作過程中的時間配置 .82.3 機械手動作過程中基本參數的確定 .93 機械手的傳動機構以及執行機構的設計 .103.1 機械手機構的模塊化設計 .103.1.1 機械手結構模塊劃分所遵循的原則 .103.1.2 機械手模塊化設計的一般方法 .113.2 機械手的組成及其模塊化 .113.3 機械手基本結構構成及其設計流程 .113.3.1 機械手的基本結構 .113.3.2 機械手的總體設計流程 .123.4 機械手執行機構的設計 .123.4.1 機械手手部的結構設計 .133.4.2 機械手手部結構（夾持爪）的計算 .143.5 機械手手臂結構的設計 .153.6 機械手底座結構的設計 .164 機械手的驅動系統的設計 .174.1 氣動驅動系統的設計 .174.2 氣動元件的選擇 .174.2.1 氣壓泵的選擇 .174.2.2 氣動系統中各控制和輔助元件的選擇 .195 機械手的控制系統設計 .215.1 PLC 控制系統的設計步驟 .215.2 PLC 類型的選擇及 I/O 點的確定 .215.2.1 PLC 類型的選擇 .215.2.2 PLCI/O 點的確定 .225.3 PLC 程序的編制 .245.3.1 編寫 PLC 程序 .245.3.2 制作 N-S 流程圖 .245.3.3 PLC 在程序編程中需要注意的具體事宜 .276 總結及展望 .286.1 總結 .286.2 展望 .28參考文獻 .29致謝 .301四自由度搬運機械手的設計摘要機械手是由于現代科技高速發展以及其在現代工業、制造業領域中的高度應用而出現,特別是機械手在工業、制造業領域的應用使得人類從繁重的、單調的、無意義的臟、亂、差的工作環境中徹底解放出來，大大推動了人類社會的前進步伐。所以本論文旨在設計出一款既實用成本又低還能應用于一般勞動工作中的四自由度搬運機械手,具體設計過程采用的是在機械設計領域比較先進模塊化設計方法，就是對機械手的機械結構、控制和驅動系統、以及各零部件等分類、分步進行設計。本課題所設計的這種四自由度搬運機械手可應運于一般的流水作業線和個體貨倉的搬運等工作中,具有一定的實際意義和應用價值。關鍵詞：機械手；四自由度；氣動驅動；可編程控制 2Design of for degree of freedom manipulatorAbstractRobot is due to the rapid development of modern science and technology and its emergence in modern industry, the manufacturing sector in the height of the application, especially in robot applications in industry, the manufacturing sector so that humanity from the heavy, monotonous, meaningless dirty, chaotic, poor working environment completely liberated, and has great significance for the development of the human society. Therefore, this paper aims to design one that is both practical and low cost can be applied to general labor work carrying four degrees of freedom manipulator, the specific design process uses a more advanced modular design approach in the field of mechanical design, is the manipulator mechanical structure, control and drive systems, as well as parts and other classification, step by step design. This paper designed a robot that can carry four degrees of freedom should be transported to the firing line and individual general warehouse work moving the like, have a positive practical importance and utilization value.Key Words: Manipulator; four degrees of freedom; pneumatic actuators; programmable control31 引言1.1 機械手研究的背景及其意義機械手是當今世界的科技革命發展飛速變革的必然產物，它的出現標志著現今的工業、制造業水平發展到了前所未有高水平階段。最初出現的機械手只是應用在航空航天和海洋勘探等高端科技領域，隨著近幾十年來計算機在科技領域全面應用，科技革命的變革也加速了科學技術的蓬勃發展。在此背景下機械手技術也在飛速發展，并且在其應用領域也不斷地深入、飛速地拓寬，特別是近些年來機械手在現代制造業領域更是得到了非常廣泛的應用。由于機械手是通過預先編寫好的程序來控制其動作次序和軌跡，所以機械手可以代替人力去完成那些單調的、重復的、特別是對于人類來說毫無意義的工作，除此之外機械手還能夠在惡劣的環境中完成那些人類不想完成的或不能完成的工作，特別是在一些危險的工作環境或者是對精度要求較高的工作條件之下，機械手相比較人力有得天獨厚的優勢機械手在某些鄰域能夠完全替代人力，將人類從臟、亂、差的工作環境中解放出來，這是人類社會幾千年來的又一次變革和人類生活方式的又一次蛻變。特別是近幾十年來工業、制造業領域在機械手的廣泛應用下發生了偉大的變革，在此背景下整個社會的生產力水平、產品生產質量和生產效率大大提高，與此同時在工業生產中現代工人的勞動強度也大大降低。機械手技術雖然發展迅猛，但現在市場上的機械手大多還處在高端應用領域，價格也相對昂貴，不能滿足低成本、低層次應用領域的需求。所以本課題希望設計出一種成本低、應用層次相對較低的機械手，填補這一領域市場的空白，這對于工業、制造業領域以及人類社會的發展都具有及其重要的意義和價值。在機械手技術領域中，機械手在模型設計上，四自由度機械手是機械手產品中的典型設計模型，在技術上，四自由度機械手技術門檻相對較低四自由度便于設計和實現，在應用層面上，四自由度機械手對于一般的重復性工作條件完全滿足，在成本上，四自由度機械手在滿足一些復雜動作的工作條件下便于實現低成本，也就說其性價比相對較高，所以本論文以四自由度搬運機4械手為課題進行研究旨在設計出一個比較實用的、成本低的、具有一定的實際應用價值的機械手。1.2 機械手的研究現狀和發展前景機械手是現代工業革命變革、現代工業水平高度提高催生的一種新技術產品，從較高應用層次來說，機械手是集機械設計、計算機程序控制等多領域知識和多種設計方法于一身的一種新型自動化裝備，特別是近年來互聯網、大數據的出現和應運機械手已開始從自動化向智能化領域邁進。機械手雖然在近幾十年來才出現，其發展歷史并不算太長，機械手最早起源于美國，接著又在德國、日本等工業發達國得到了飛速發展，然而我國近十年來雖然工業發展迅猛，可機械手在工業領域的應用才剛剛起步，機械手設計的技術水平同國外仍有很大差距，特別實是在機械手的高端應用領域，主要體現在機械手的可靠性和精度指標上面。近年來機械手在工業、制造業領域的應用突飛猛進，這對于工業文明的進步產生了“雪崩式效應” ，越來越多的無人化工廠隨著機械手的發展如春筍般涌現。隨著進入 21 世紀以來，互聯網技術飛速發展，工業、制造業領域正發生著一場偉大的變革，從美國的“工業互聯網”到德國的“工業 4.0” ，再到“中國制造 2025”，世界工廠已經開始由“無人化工廠”向“智能化工廠”轉變，在此歷史背景下機械手也正在從自動化向智能化的方向發展。1.3 機械手的種類及其應用本課題研究的機械手其動作自由度為 4，雖然其動作自由度種類大多類似，但是因其在工業、制造業領域應用條件和具體工作要求的差異，所以機械手的外觀形狀、結構、功能以及其具體動作次序和形式千差萬別，不過為了方便機械手的設計，機械手按照其的各系統的組成大致可以分為：動力驅動系統、傳動執行機構、控制系統三大類。按照機械手的驅動動力源又可以細分為：氣動驅動型機械手、液壓驅動型機械手。按照機械手的應用環境又可以細分為:通用型機械手、專用型機械手 1。按照機械手的運動軌跡又可以細分為：點位控制型機械手、連續式控制型機械手。機械手種類繁多其應用領5域和應用場合頗多,特別是在工業、制造領域，機械手正在逐步取代人力成為工業生產中必不可少的裝備。1.4 機械手研究的主要內容本課題研究的是四自由度搬運機械手，此類型的機械手大多為應用于工業、制造業領域的機械手，一般執行一些單調的、重復性的工作，所以從設計層面上來說，在控制方面的設計比較容易實現，本論文關于四自由度搬運機械手的設計方法采用的是機械設計領域比較前瞻的模塊化設計方法，模塊化設計的工作主要是應運在機械手控制系統的設計工作中，通過主程序和子程序的單獨編程和有效調用大大簡化了機械手控制系統設計的難度 2。此外針對機械手的驅動系統、傳動及執行機構、數控系統以及各零部件等分類、分步進行設計，使得設計工作簡化且有序進行。機械手設計的總體工作內容如下：機械手的總體方案的設計。機械手的傳動機構以及執行機構設計。機械手的驅動系統設計。機械手的控制系統設計。62 機械手總體方案的設計2.1 機械手的功能以及技術要求機械手是通過模仿人手臂的功能實現各種復雜的動作次序和軌跡來完成各種具體的工作和實現既定的功能，特別是在完成一些比較復雜的運動形式和在一些比較危險或有限的空間內工作。本課題研究的四自由度固定式搬用機械手，主要應運于一般的流水作業線和一些重量較輕的個體貨倉搬運等工作中，因其可實現大部分人手的功能，所以在現實應運中具有一定的實際意義和較大的應運價值。因為機械手大多應運于一般的流水作業線，所以對其具體動作路勁和動作次序、時間的精度和偏差有較高的要求，我們要求機械手在實現其基本功能的過程中能夠做到平穩的、迅速的、準確的搬運物體，保證整條流水線工作的有序運行，完成預先設定各種工作要求。2.2 機械手的整體結構設計在對機械手進行結構的設計時，不僅要滿足理論上對其動作具體過程的要求，還要同機械手的具體工作環境、工作空間的要求和限制相匹配，所以在機械手的設計過程中必須嚴格遵守如下基本原則：要給予機械手的動作范圍留有盡可能大的活動空間，并且所設計的機械手應能完成多種運動形式以滿足不同的工作要求。在進行機械手的結構設計時，要根據具體的工作環境和要求通過模仿人的手臂功能，然后在滿足工作要求的運動形式下來設計機械手的具體結構和機械手的姿態以及運動方式。機械手結構的設計并不是淡淡的做到其性能的最佳，還要同時考慮它的經濟性，要力求以最簡單的結構、最輕的自身重量、最低的成本取滿足具體的工作性能要求，如機械手的行程范圍、最大負載能力和運動的平穩性、準確性等。72.3 機械手的主要部件及其自由度2.3.1 機械手的主要部件組成本論文所研究的四自由度搬運機械手，主要是用來模仿人手的功能，所以其結構部件也類似人手臂的組成，從整體上來說包括機械手部、機械臂、和底座三大部分。可是機械手畢竟和人手有很大的不同，它還需要有動力驅動的部分、控制的部分和執行的部分，所以機械手的主要部件包括：電動機、氣壓泵、氣壓缸、底座、立柱、大臂、小臂、機械夾手部等。2.3.2 機械手的自由度機械手是對于人的手臂功能模仿相當成功的產品，基本上可以實現人手的一些基本的動作形式，不過區別在于機械手不需要做的像人手那樣靈活自如，在具體實際工作的應用中進行了一定的簡化處理，具體結構設計這要看機械手實際的工作環境、要求以及成本等問題，也就是盡可能以最少的自由度實現實際的工作要求。人的手臂堪稱是世界上最完美的機器，因為它共有 6 個自由度，能過完成任何復雜的動作過程和任何方式的運動，所以在各種仿生學井噴的今天，對機械手的研究具有極其重要的意