圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制

圆柱坐标型三自由度机械手设计及其控制
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位置检测： 驱动方式： 控制方式：
用电位器反馈式 电机驱动 可编程控制
（2）手臂 是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的 主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要 三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。
2.1.2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液
4 珠丝杠螺母副的选型 ........................................ 10
4.1 提升机构滚珠丝杠副的计算及选型 ................................. 10 4.2 伸缩机构滚珠丝杠副的计算及选型 ................................. 13
6 电机的计算和选型 .......................................... 21
6.1 提升步进电机的计算及选型 ....................................... 21 6.2 伸缩步进电机的计算与选型 ....................................... 25 6.3 蜗轮蜗杆电机的计算及选型 ....................................... 28
压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑， 控制方便。
2.1.3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，
也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。
2.2 机械手的规格参数
抓重：2kg 自由度：3 个 坐标形式：圆柱坐标式 输入电压：220V 或 24V 功率：50W 伸缩行程（X）： 200mm 伸缩速度： 3mm/s 升降行程（Z）： 200mm 升降速度： 3mm/s 回转范围： 0-270 度 回转速度： 20° / s
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I
摘要
本设计中机械手可模仿人的动作功能，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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境 下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件的部件， 根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求设计为夹持型。运动机构，使手 部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。 运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中 任意位置和方位的物体，需有 3 个自由度。
结 论 ..................................................... 35
参考文献 ..................................................... 36
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IV
致谢 ......................................................... 37
5 蜗轮蜗杆传动的设计计算 .................................... 17
5.1 面接触疲劳强度设计 ............................................. 17 5.2 蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸设计............................... 18 5.3 齿根弯曲疲劳强度的校核......................................... 16 5.4 精度等级公差和表面粗糙度的确定................................. 20
2.1 机械手组成 ..................................................... 2 2.2 机械手的规格参数 .............................................. 10
3 机械手手部设计计算 ......................................... 4
3.1 手部设计基本要求 ................................................. 4 3.2 手部手部力学分析 ................................................. 5 3.3 夹紧力与驱动力计算 ............................................... 5 3.4 手爪夹持范围计算 ................................................. 7 3.5 手爪夹持精度的计算 ............................................... 8
8 机械手 PLC 控制系统设计 .................... 错误！未定义书签。
7.1 接近开关的工作原理及选型 ...................................... 31 7.2 限位开关的工作原理及选型 ...................... 错误！未定义书签。 7.3 系统的结构功能和总体设计方案 ................................... 31 7.4 PLC 的选型及 PLC 外部接线图设计 .................................. 32 7.5 PLC 控制系统的软件设计 .......................... 错误！未定义书签。
关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构
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II
Abstract
Robot arm to mimic certain actions of staff and functions, to capture a fixed procedure, carrying objects or operating tools, automation equipment. It can replace human labor in order to achieve the heavy mechanization and automation of production, can operate in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power sectors.Manipulator mainly by hand, sports bodies and the control system has three major components. Task of hand is holding the workpiece of the components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of the various structural forms, such as clamp type, care support and the adsorption type, etc. . Sports organizations to accomplish a variety of hand rotation, move, or complex movement to achieve the required action to change the location of objects by grasping and posture. Sports organizations lifting, stretching and rotating the independence movement, is known as freedom manipulator. Crawl space to an arbitrary position and orientation of objects, the need for six degrees of freedom. Freedom is the mechanical design of the key parameters of hand. More freedom, greater flexibility of the manipulator, the more wide versatility。
目前国内机械手的保有量在4000台左右，并将以每年800～1000台左右的速度快速 增长。2005年底，我国工业机械手实际安装量为11557台，比2004年底安装量的7096台， 增长了63%。增长慢于2004年。2006年底，我国工业机械手实际安装量为17327台，增长 47%。2007年底，实际安装量为23900台，增长31%，平均增长45%以上。
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2
2 机械手总体设计方案
2.1 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。
2.1.1 执行机构 (1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其
结构简单），手部多为二指（也由多指），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和电磁吸盘。
1.2 国内机械手区域市场分析
虽然目前国内生产工业机械手的企业并不多，很多产品的生产技术还主要依靠进 口，高科技的技术主要还掌握在国际龙头厂商手里。我国本土企业生产的机械手产品还 主要流通在中低端市场，因此决定了很多本土生产企业在争夺市场时主要还是采取价格 战。随着技术的进步，日臻成熟，会有更多的厂商加入此行业。我国目前比较大的生产 企业有上海 ABB 工程有限公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司、柯马（上海）汽 车设备有限公司、青岛欧地希机电(青岛)有限公司等。
附件 ......................................................... 38
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1 绪论
1.1 国内生产总量
我国，汽车工业仍然是工业机械手主要的使用领域。但我国在工业机械手生产企 业中，年产销量在100台以上、产值过5000万元的规模企业非常少，国外大型公司年产 量都达5000到10000台，销售额为数十亿美元。工业机械手应用前景极为广阔。
Keywords: manipulator, design, hand, wrist, arm, body, structure
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III
目录
1 绪论 ......................................................... 1
1.1 国内生产量 ...................................................... 1 1.2 国内机械手区域市场分析 .......................................... 1
2 机械手总体设计方案 ......................................... 2