1、.XXXXXXXXXXXX 论文题 目： 搬运机械手设计及运动仿真构建 指导老师： 职称： 学生姓名： 学号： 专 业： 院 （系）： 完成时间： .摘 要在目前的各行各业的生产中，机械手已经是一种很常用的机械设备，它的出现与应用对提高生产效率、节约成本、提高产品质量等诸多方面起到了非常重要的作用，可以说是工业生产的一种革命。由于机械手被用于许多不同的情况和场合，所以对机械手的设计和性能要求会有所区别。本文在综述了机械手的研究和发展现状的基础上，结合目前机械手最常见的领域，将研究的对象确定为物料搬运机械手的研究，并在分析了物料搬运机械手的性能要求和工作特点的基础上，对物料搬运机械手的机械结构、
2、驱动系统及控制系统进行了整体方案分析和设计。确定了搬运机械手采用圆柱坐标系的机械结构形式，采用气压传动方式的驱动方案，并采用 PLC 进行系统控制。通过以上各部分的工作，得出了经济型、模块化、高可靠性物料搬运机械手的设计方案，对其他类型经济型机械手的设计也有一定的借鉴价值。通过本文对物料搬运机械手的研究，希望能够指导实践，为我国机械手研究领域的发展做出一点贡献。关键词：机械手；经济型；PLC；结构设计AbstractIn the present people from all walks of life in production, robots have is one of the most
3、 commonly used machine equipment, its occurrence and application to improve production efficiency and reduce cost, improve product quality, and many other aspects has played a very important role, may say is a revolution of industrial production. Because be used to many different manipulators and oc
4、casions, so for the design of manipulator and performance requirements will be different. This paper reviewed the manipulator in research and development of the present situation of the basis, combining manipulator of the most common field, will be determined as the object of study for material hand
5、ling the manipulator, and on the analysis of the material handling performance requirements of the manipulator and the work characteristics of the foundation, on the material handling mechanical structure of the manipulator, driving system and control system for the whole scheme analysis and design.
6、 Sure the cylindrical coordinate system carrying manipulator used mechanical structure of the form, the way of pneumatic transmission driving scheme and adopting PLC control system. Through the above the part of the work, it is concluded that the economical, modular, high reliability material handli
7、ng of the manipulator, a design scheme for other types of the manipulator economy design also has certain reference value. Through this paper for material handling of the manipulator, hope to be able to guide practice, for our country in the research field of the manipulator development to make a co
8、ntribution. Key words: Manipulator; Economy; PLC; Structure design .目 录第一章 绪论 1第二章 国内外关于机械手的研究现状 1第三章 机械手的基本结构及机械手的种类 2第四章 搬运机械手的总体设计方案 24.1 物料搬运机械手的功能要求 34.2 物料机械搬运手的结构设计 34.2.1 物料搬运机械手的坐标形式及自由度 34.2.2 物料搬运机械手的驱动系统 44.2.3 物料搬运机械手的控制系统 5结 论 5致 谢 6参考文献 7.第一章 绪论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机械手的应用领域也在不断的扩大。在人类社会中
9、，凡是有人类活动的地方，都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由海洋开发和宇宙探测等高端科学领域向建筑、挖掘甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类生产水平的发展，产品生产质量和生产率的提高而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作，并且其中一些
10、国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机械手或者是机器人。例如:日本的跳舞机器人、大型机器人爱宝(AIBO);。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人;美国iRobot 公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人 Roomba;上海世博会使用过的福娃机器人等等。而由于机械手是模仿人手和臂的某些动作功能, 用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的机械电子装置，因此，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确保人身安全，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文基于机械手在这些领域的应用，并根据机械手在搬运领域的重要性，
11、定于以搬运机械手作为研究的对象。第二章 国内外关于机械手的研究现状从1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械
12、手才真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构
13、模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求同时，也为机械手的发展提供了平台。因此，机械手可以说是社会化大生产发展的产物，是现代社会先进劳动工具的代表，机械手的发展水平可以在一定程度上反映出一个国家的社会发展状况。正因为如此，机械手的发展越来越受
14、到各国的重视。第三章 机械手的基本结构及机械手的种类尽管机械手在外观形状上千差万别，功能上也不尽相同，但单就机械手系统而言，各种机械手主要的构成基本上是差不多的，都可以被分为以下几个部分；用于最终执行的执行机构、机械手的动力源驱动系统、对机械手进行控制的控制系统以及人机接口。要让机械手系统遵循人的意图去进行作业，使人与机械手之间能进行信息交换，人机接口是关键。机械手的控制精度及机械手的可靠性由机械手的核心部械手控制系统来决定。机械手的控制系统形式通常可以被分为两种，其中一种叫集中式控制;另一种是分布式控制。将所有的信息输入、运算处理乃至控制都集中于一台计算机上的控制结构称为集中式控制结构。很明
15、显，集中式控制的特点是结构比较简单，但是对计算机的性能要求也比较高。而如果采用分布式控制系统的话，就能降低机械手控制系统对计算机性能的要求，而且机械手系统的可扩充性也会得到增强。对于分布式控制系统，当其中一个子系统发生故障时，整个系统所受到的影响比集中式控制系统要小很多。机械手按照驱动动力源的不同又可以被分为气动驱动机械手、电气驱动机械手和液压驱动机械手三种。气动驱动存在驱动方便，运行安全等优点，但是也存在冲击力大，精度控制困难等缺点；液压驱动的特点是功率大，运行平稳，但不够安全;而电气驱动具有性能好、控制方便等优点但是价格昂贵。由于气动驱动机械手的特点较符合经济型机械手的研制，气动驱动方式的
16、机械手所占的市场比例也日渐增多。按机械手结构的坐标形式可以将机械手分为直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型、SCARA型等多种形式。直角坐标型的机械手具有结构比较简单、空间轨迹求解方便、高定位精度容易实现而且各个关节其间没有藕合、机械手各杆件的运动能够相互独立、运动和控制起来相对方便以及不产生奇异状态等优点，但是也存在着机械手所需空间大、执行动作的区域小、操作起来不够灵活等缺点。而结构轻便，对指令反应迅速，则是SCARA型机械手的主要特点，在垂直方向上进行零件的装配作业的机械手常常是采用SCARA型。操作的灵活性最高的当属关节型机械手，但是其运动学分析非常复杂，难以做到很好的控制。圆柱坐标型机械手
17、尽管其存在着移动关节保护起来不方便的问题，但是其相对于其他机械手具有在空间中定位较直观，动作的范围大，机体占地面积小等优点。从历史的角度看，从1954年美国人乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手可以被分为三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。从三代机械手的发展过程来看，传感器的发展起到了关键的作用。第一代的机械手只是具有简单的存储功能，对其周围的环境是完成没有感知和反馈。在各类传感器发展且被用于机械手之后，才出现的第
18、二代具有自适应感觉能力的机械手。而智能机器人则将这种感知能力向前完善了一步，具备了推断和决策的功能。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但目前其仍然处于发展阶段。估计要到21世纪中叶的时候才能够进入到普及的阶段。日前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。.第四章 搬运机械手的总体设计方案本文在充分考虑到机械手在各个领域的的运用，最终决定将研究的对象锁定为物料的搬运机械手。4.1 物料搬运机械手的功能要求能够快速、平稳准确地夹起物料并完成搬运动作是物料搬运机械手最基本的功能要求，这要求具备较高的精度、一定的承载能力、足够的运行空间，当然灵活的自由度和一定动作
19、运行平稳性也是必不可少的。在对物料搬运机械手进行设计时，必须先根据机械手所要完成的动作，选择合适的机械手结构，确定各个工作的时间分配及动作顺序，拟定机械手的工序，明确所要搬运的物料重量和尺寸以及搬运所要求满足的精度等等，进而确定对机械手运行控制的要求，在兼顾通用性和专用性的同时，尽量选用己经定型的标准组件，以实现机械手的模块化。4.2 物料机械搬运手的结构设计4.2.1 物料搬运机械手的坐标形式及自由度作为机械手的最终执行机构，机械结构的其布局和类型直接影响到机械手的驱动系统和传动方式，乃至影响整个机械手的工作性能。由上文可知按机械手结构的坐标形式可以将机械手分为直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标
20、型、水平多关节型等多种形式。直角坐标型的机械手具有结构比较简单、空间轨迹求解方便、高定位精度容易实现而且各个关节其间没有祸合、机械手各杆件的运动能够相互独立、运动和控制起来也相对方便以及不产生奇异状态等优点，但是也存在着机械手所需空间大、执行动作的区域小、操作起来不够灵活等缺点。而轻便的结构，对指令反应迅速，则是SCARA型机械手的主要特点，在垂直方向上进行零件的装配作业的机械手常常是采用SCARA型的。操作的灵活性最高的当属关节型机械手，但是其运动学分析非常复杂，难以做到很好的控制。圆柱坐标型机械手尽管其存在着移动关节保护起来不方便的问题，但是其相对于其他机械手具有在空间中定位较直观，动作的
21、范围大，机体占地面积小等优点。因此，本论文的机械手选择采用圆柱坐标型机械手。针对该物料搬运机械手在做物料搬运时机械手臂具有上升、下降、伸出和缩回以及回转的运动形式，为了满足功能要求，本文的物料搬运机械手设计为四个自由度。并且将机械手的运动形式分解为方向移动和工作执行两个部分。其中方向移动部分占有两个自由度，包括了伸出和缩回移动机构和平面摆动机构，由于这两个自由度之间没有祸合，可以有效地简化机械手的运算和控制。工作执行部分也是有两个自由度，并且这两个自由度之间也是相互垂直的，包括了上升和下降机构以及加紧和放松机构如图1所示：图1 机械手结构简图4.2.2 物料搬运机械手的驱动系统气动驱动、液压驱
22、动以及电气驱动是目前的机械手驱动方式中主要采用的三种形式。本文在综合各方面的要求后，决定采用气动驱动的方式。气动系统是一种能量转换系统，典型的气压传动系统由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件4个部分组成，如图2所示：图2 气动系统的基本构成气压发生装置简称气源装置，是获得压缩空气的能源装置，其主体部分是空气压缩机，另外还有气源净化设备。辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元器件间连接所需要的一些装置，如分水虑气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的的元件。它包括各种压力阀、方
23、向阀、流量阀、逻辑元件、射流元件、行程阀和传感器等执行元件是将压缩空气压力能装换为机械能的能量转换装置，如左直线往复运动的气缸、做连续回转运动的气马达和做不连续回转运动的摆动马达等。.4.2.3 物料搬运机械手的控制系统在主控计算机的选用方面有两种解决方案:一种是采用单片机自行设计和开发各种功能模块以构成主控计算机系统。另一种是在工业控制计算机系统的基础上对必要的专用功能模块接口板进行开发(或者是利用现有的专用功能模块接口板)。机械手控制部分的主控计算机采用单片机构成与选用PC工控机控制系统方案相比较，性能的差别体现在以下几个方面:（1）在通常情况下，藕联现象大量的存在于机械手各个关节之间，然
24、而适时性的控制要求应该在关节速度的控制上得到满足，所以就会有大量的数据运算要进行处理。由于单片机可寻址的存储容量范围并不大，有可能会达不到机械手的性能要求，并且单片机还存在着编程复杂等缺点，所以其不是很适合用在机械手上。而PC机在数据的运算和处理方面有着很明显的优势，而且使用PC机的开发工作量也较小。（2）随着进几年计算机技术的不断进步，现在PC系列工控机已经具备了有较高的可靠性，同时在价格上也大幅降低，所以采用PC工控机对机械手控制系统的进行研制和开发，可以有效地降低成本并能缩短开发周期，对经济型机械手控制系统是一个不错的硬件解决方案。机械手的控制精度及机械手的可靠性由机械手的核心部件机械手
25、控制系统来决定。机械手的控制系统形式通常可以被分为两种，其中一种叫集中式控制;另一种是分布式控制。将所有的信息输入、运算处理乃至控制都集中于一台计算机上的控制结构称为集中式控制结构。很明显，集中式控制的特点是结构比较简单，但是对计算机的的性能要求也比较高。而如果采用分布式控制系统的话，就能降低机械手控制系统对计算机性能的要求，而且机械手系统的可扩充性也会得到增强。并且随着存储技术的不断更新和计算机技术的快速发展，许多微型机在运行速度上已经接近甚至有些己经超过了小型机，所以经济型机械手的控制用微型计算机进行比较合适。根据以上分析，本文搬运机械手的控制系统采用集中控制方式，考虑到机械手的通用性要求
26、，因此该机械手采用可编程序控制器PLC进行控制。当机械手的动作流程需要改变时，只需要相应的改变PLC程序就可以得到实现，非常方便快捷，物料搬运机械手完成动作输出后的下一步的控制，则可以选用步进电机来控制。结 论本文在分析了国内外关于搬运机械手研究现状的基础上，结合物料搬运机械手的性能要求和工作特点，对机械手的机械结构、驱动系统和传动方式以及控制系统等问题进行了整体的分析和方案的设计，确定了机械手采用圆柱坐标系的机械结构形式，气压传动方式的驱动方案，以及采用可编程序控制器PLC进行控制的控制方案。对提高机械手的通用性、优化机械手软硬件结构以及缩短开发周期等均具有着重要的意义。致 谢至此今日，论文
27、终于完成。在此，我要首先感谢我的导师，从论文选题至今，导师一直悉心询问，不论从命题角度还是文章的整体构架都给予了多方面的宝贵意见，是我最终确立了文章的研究方向和写作框架。在学习期间，老师渊博的理论功底，严谨的治学态度，兢兢业业的工作精神一直深深地影响和鼓励着我，让我在汲取精神养料的同时，个人人格也得到了进一步的完善和升华。在此谨向敬爱的老师表示衷心的感谢！同时，衷心感谢我的家人，父母的无私付出让我解除了求学的后顾之忧，你们的理解和支持一直都是我前进的力量，你们的关心和爱护更让我刻骨铭心。我一定会用我的所学回报你们，谢谢你们！.参考文献1 蔡白兴. 机械人学M.北京:清华人学出版社，2002:2
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