机电系统设计综合实训-实训报告(叶晖)

机电系统设计综合实训

任务书

课题：四自由度工业机械手

学院：嘉兴学院南湖学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机械N111

学生姓名：叶晖 201145679826 陈盛达 201145679823 顾怡文 201145679811 陶健201145679221 指导老师：王公海、陈晟

日期:2014.12.01

目录

一、引言 (1)

二、总体方案设计： (2)

1. 机械手的座标型式与自由度 (2)

2. 机械手手部结构方案设计 (2)

3. 机械手手臂结构方案设计 (3)

4. 机械手控制方式设计 (3)

5. 机械手驱动方式的设计 (3)

6. 机械手主要参数 (3)

7. .机械手技术参数列表 (4)

三、主要零部件的设计 (5)

1.手部夹紧气缸的设计 (5)

2.手臂伸缩，升降，回旋气缸的尺寸设计与校核 (8)

四、控制系统的设计 (10)

1.传感器的选择 (10)

2.控制系统的设计 (11)

五、慧鱼创意组合模型仿真及PLC、单片机仿真控制 (11)

1. 慧鱼系统控制 (11)

2. PLC系统控制 (14)

3. 单片机系统控制 (20)

六、总结 (25)

七、人员安排 (25)

八、参考文献： (25)

一、引言

随着生产力和科学技术的不断发展，人们的日常生活和生产活动大量使用了自动化控制，不仅节约了人力资源，而且很大程度上提高了生产效率，有进一步促进了生产力的快速发展。而随着机械手的成熟，机械手广泛的应用于工业,农业等领域中,发挥着重要的作用.四自由度机械手作为一种主要的形式,具有重要的研究意义。本文设计四自由度工业机械手主要用于生产车线棒料的自动装卸，提高生产线自动化及生产效率，减轻人力高强度工作。基于慧鱼、PLC、单片机控制的机械手由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。因此选择机械手作为典型综合实训课题来巩固我们对慧鱼软件、单片机、PLC等应用技术的学习。所以本次设计主要阑述机械手的设计思想与程序编制。

机械手整体结构图如图所示。

机械手启动后，通过位置检测装置，检测自身起始位置，随后通过机械手上下升降、水平回旋、手臂伸缩到达控制系统内预设的棒料堆放位置，通过位置检测装置检测棒料位置，调整手部夹持棒料，将棒料通过机械手运动装载到加工平台（车床、铣床、冲压模具等），卸下棒料，机械手回到起始位置。

二、总体方案设计：

在本次综合实训中，我们分别采用了三种不同的应用技术对机械手进行控制，依次为慧鱼系统控制、PLC控制和单片机控制。其中慧鱼系统利用“工业机械手”这种开放的零件来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建，来构建或者模拟现实，充分的培养和发挥了设计者的创新能力，有助于设计者在实践过程中将多学科多领域的综合知识融会贯通。在本次实训中，我们将分别利用这三种方法来实现四台电动机的正反转，来实现机械手的不同动作，并用八个行程开关来实现正反转的停止。

对机械手的基本要求是能快速、准确的搬运和装卸物品，这就要求它们只有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运是的手里特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制要求，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。控制反馈流程图如下：

1.机械手的座标型式与自由度

由于本机械手在上下料时手臂具有升降，收缩及回旋运动，因此采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有三个自由度，加上夹持，故需设计四个自由度。

2.机械手手部结构方案设计

为了使机械手通用性更强，把机械手手部装置设置成可换结构，当工件为棒料时使用夹持式手部，当工件是板料时使用吸盘式手部。该装置选用夹持式手部。

手部设计时考虑的几个问题：

（1）具有足够的夹紧力，在考虑手部夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动以保证工件不产生松动或脱落。

（2）手指应具有一定的开闭角，以保证工件能顺利进入或者脱开，若夹持不同直径的公交，应按最大直径的工件考虑。

（3）保证工件定位定位。

（4）具有足够强度和刚度，手部除收到被夹持公交保存准确的相对位置，还收到机械手运动过程中所产生的惯性力和振动影响，要求有足够的强度和刚度以方折断或弯曲变形。

（5）考虑被抓取对象要求。

3.机械手手臂结构方案设计

按照抓取工件要求，本机械手的手部有三个自由度，手臂的回转和升降是由立柱实现的，伸缩由手臂实现，各运动由电动马达实现。

4.机械手控制方式设计

考虑到机械手操作的通用性与实际运行过程中的稳定性，机械手控制采用被广泛使用的plc软件进行控制。Plc在各行业自动化生产线得到广泛应用，其稳定性可靠性得到了生产实践的验证，操作通用、易学，方便员工掌握，程序编程有了诸多先例可借鉴以减少工作量。

5.机械手驱动方式的设计

考虑到机械手最大抓重及成本，本文采用气缸作为机械手实际工作时的驱动装置，在仿真实验中采用电动马达代替气缸驱动。

6.机械手主要参数

机械手的最大抓重是其规格的主参数，本设计抓取的工件质量为5kg。

基本参数运动速度是机械手主要的基本参数，影响机械手动作快慢主要因素是手臂伸缩及回旋速度。该机械手最大移动速度设置为1m/s，最大回旋速度设计为90°/s。平均速度为0.8m/s，平均回旋速度为60°/s。机械手动作时有启动、停止过程的加减速度存在，因为平均速度与行程有关因而用平均速度表示速