1、学号毕 业 设 计（论 文）工业机器人50kg袋料抓手设计教 学 系：指导教师：专业班级:学生姓名：二零一五年五月毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位设计(论文)题目工业机器人50kg袋料抓手设计设计（论文）主要内容： 设计安装于工业机器人手臂前端的袋料抓手，抓手可以实现袋装物料的抓放、旋转及规格调整本抓手额定载荷为1050kg，旋转范围为95，采用PLC控制动作。要求完成的主要任务及其时间安排:1. 查阅相关资料并到相关企业实地了解工业机器人抓手的种类和国内外应用及生产现状,提出设计方案并写出开题报告； 第1-4周2.完成抓手总体方案设计及论证； 第5-6周3.完成总装图设
2、计； 第7-9周4.完成关键零部件设计； 第10-11周5.完成气动原理图设计； 第12周6.完成PLC电气控制设计 ； 第12周7.完成一份设计计算说明书（论文） 第13周必读参考资料：1. 徐元昌工业机器人中国轻工业出版社，2. 姜培刚，盖玉先机电一体化系统设计机械工业出版社，3. 杨公源机电控制技术及应用电子工业出版社，2005：1911924. 蔡鹤皋机电一体化技术手册(2)机械工业出版社，1998：345. 吴卫荣气动技术中国轻工业出版社，2005：246. 龟冈纥一，施昌彦现代称重技术最新质量计测技术中国计量出版社，2000：指导教师签名： 教研室主任签名： 毕业设计(论文)开题报
3、告题目工业机器人50kg袋料抓手设计1 目的及意义（含国内外的研究现状分析）：1.1课题研究的意义 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行
4、工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。1.2课题研究的目的 一培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。 二培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 三培养学生进行调查研究，面向实际，面向生
5、产，向工人和技术人员学习的基本工作态度工作作风和工作方法。1.3国外研究现状分析 机械手首先是从美国开始研制的。刚开始时，只是为了实现简单的抓放运动。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。随着数控的技术逐步成熟，人们又将上述方案基础之上将数控技术引进。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，其结构上采用球坐标形式，能实现臂回转、俯仰，由于驱动力较大故采用液压驱动；控制系码垛机械手设计统用磁鼓最存储装置。不
6、少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。为了使机械手实现中央立柱回转，臂可以回转、升降、伸缩等功能。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。其结构原型采用的是圆柱体坐标，比球状坐标能多实现一个自由度的运转。同样的由于其传输动力较大采用了液压驱动。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。为了近一步提高机械手的可靠性，改进其结构，降低成本。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机程序进行控制，传感器进行实时监控。其用于装配作业时，
7、能使定位误差可小于1毫米。与此同时，德国、瑞士、日本的机械工业也在迅速发展。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。1.4国内研究现状分析1.4.1码垛机器人的市场需求 目前，在通货膨胀、人力成本逐渐升高的经济背景下，从现有国内啤酒、饮料工业的发展趋势来看，机器人需求量将相当可观。业界已给出高度的评价和关注。据有关数据显示，市场每年的需求在
8、150台套以上。每年可为啤酒、饮料包装行业增加产值1.5亿元，既可带动相关产业链同步发展，又对推进社会进步和科技创新具有着深远的社会意义。我国啤酒、饮料行业有数百家生产厂家、数千条20000瓶/小时和数百条40000瓶/小时包装生产线。大部分生产线是人工码垛人库，工人劳动强度大，工伤事故率高，增加了啤酒、饮料企业的生产管理成本。近年来，一些大型啤酒、饮料企业，特别是新建工厂，开始购置码垛设备，需求量增长幅度较大。1.4.2码垛机械手技术的发展 宝鸡新科机械制造有限公司在热缩膜包装机、40/60型纸箱包装机上成功地应用了4-7轴伺服电机驱动、PLC、人机界面，CAN总线技术，技术水平已与国际同步
9、，可与机器人配套码垛机械手设计使用。 机械设计采用目前国际流行的适于精密控制用的行星减速机，减速比1:192256,瞬时输出扭矩可达到16OOONm，额定扭矩8OOONm，特别适用于重载机器人。针对每分钟码垛70箱，即每小时完成4,200箱的生产能力要求，理论上可以码垛50400瓶/小时，可以满足目前国内啤酒饮料40000瓶/小时的啤酒饮料灌装生产线的需要。1.4.3码垛机械手的发展趋势 近几年，啤酒、饮料、乳品等食品行业经历了前所未有的高速增长，然而随着原料、包装物流、营销、人力等成本的不断上涨，国内外对节能环保要求的提高以及产业集团化、规模化和国际化进程的加快，啤酒、饮料、乳品等食品企业正
10、面临着成本控制和产品升级换代的挑战。同时消费者对产品质量和多样化的要求越来越高，生产工艺和设备革新也势在必行。新技术、新设备、新材料不仅可帮助企业根据各自的需求和企业文化开发个性化的产品和包装，而且可以降低原材料、设备和生产能耗等成本，增加企业的产品竞争力。快、安全、节能美观，整机功率小比传统的码垛机在电能上每年可以节省10万以上。并且可以大大的缩短生产线的长度，减少设备量，简化工作程序。2基本内容和技术方案：2.1基本内容： 安装于工业机器人手臂前端的袋料抓手，抓手可以实现袋装物料的抓放、旋转及规格调整。抓手额定载荷为10-50kg，旋转范围为95，采用PLC控制动作。2.2其总体方案 本课
11、题是抓袋码垛机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构设计，控制方式设计及程序编写，驱动方式设计及驱动装置选型。下面对机械手的座标形式、自由度、驱动机构、控制机构等进行了确定。2.2.1机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以4种:(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。由于此次设计内容为抓袋码垛机械手，需要完成空间多方位的运动，故采用多关节型机械手。2.2.2机械手的主要部件及运动 在多关节机械手的基本方案选定后，为了满足机械手一个自由度的要求，本人拟定了两种抓袋方案：（1） 采用爪
12、型机械手抓和以实现袋料的装放过程，采用左右U型夹板夹紧以实现袋料的定位过程。 图1.1 手爪简图 （2）采用爪型机械手抓和以实现袋料的装放过程，采用垂直压板与抓手配合夹紧以实现袋料的定位过程。通过比较由于当采用左右U型夹板夹紧时，袋料可能发生受损情况，使得袋料中的物品裸露出来，故本次设计采用垂直压板和抓手配合夹紧。 采用方案（2）时，本设计机械手主要由3个大部件和4个气压缸组成：（1）机械手抓，采用两个直线气压缸，通过气缸推动实现手抓的张合。（2）压架，采用相同的直线缸来通过压架的压合过程来实现袋料的夹紧与放松。压架可采用直线棒形，圈形等，考虑到袋料大小，采用圈形压架定位可靠性较高。（3）机架
13、，整体框架以链接各部分零件与结构。2.3驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，成本低，动作可靠，不发热，无污染等优点。但推力偏小，不能实现精确的中间位置调节，通常是两个极限位置使用，而码垛机袋料机械手实现的正好是抓放两个“极限位置”。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。2.4位置检测装置的选择 机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与
14、机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。2.5控制方式的选择 目前市面上可以选择的控制方式有（1）继电器控制（2）单片机控制（3）PLC控制。 PLC控制系统：可靠性能高，抗干扰能力强，平均故障时隔时间长。故障修复时间短。通用性强，控制程序可变，使用方便。并且编程简单，容易掌握。还有体积小，重量轻，功耗低，维护方便等优点。因此本设计采用PLC控制系统比较合理。 图1.2 系统方框图 3 进度安排：1. 设计方案并写出开题报告 第1-4周2. 完成机械手部结构总体设计（装配图） 第4-7周3. 完成关键零部件设计 第7-9周4. 完成驱动单元及控制设计 第9-11周5. 完成机
15、械手控制程序设计 第11-12周6. 编写设计说明书 第12-14周4指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果
16、作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 2015年5月 目 录摘 要1ABSTRACT21绪论31.1 机械手的概述31.2 机械手的国内外研究现状及设计目的41.3 机械手的技术发展方向51.4 本设计的主要任务51.5 机械手的坐标式与自由度62 袋料抓手的总体设计72.1 袋料抓手的手部结构方案设计72.2 袋料抓手的驱动方案设计 92.3 袋料抓手电气控制方案比较与确定93 气动系统设计103.1 空气压缩器选型113.2 减压阀选型113.3 管道设计113.4 油水分离器选型123.5 管接头选型设计123.6 驱动机械手爪的气压缸初步选型123.7 驱
17、动机械手压架的气压缸初步选型123.8 气动阀的选型134 袋料抓手各部分的设计计算134.1 驱动机械手珠的气压缸校核134.2 驱动机械手压架的气压缸推力校核154.3 连接杆尺寸计算与力的校核164.4 手指部分弯曲强度校核：184.5 圆锥滚子轴承受力计算与寿命的的分析195 控制系统的设计 195.1电气控制要求分析与PLC的选型195.2 PLC控制程序设计215.3 PLC梯形图225.4 程序说明22总 结23参 考 文 献24致 谢25摘 要 在当今社会的制造业中，企业为提高生产效率，普遍重视生产过程的自动化程度。机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自
18、动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。 本文主要针对生产线上的自动化设计了一个抓袋机械手，实现袋料抓放过程的自动化。该机械手能实现机械手的夹紧和放松等动作。驱动系统采用气压驱动，实现了手爪的夹紧和放松动作。控制系统采用PLC控制，通过光电传感器的信号来触发机械手的工作，实现自动化过程。并且尽可能详尽的讨论了该机械手的手部等主要部件的结构设计及尺寸设计。 通过上述工作,机械手最终能够按照控制程序的要求进行运动,达到了本论文的设计目的和要求。关键词： 机械手；PLC（可编程控制器）；气压驱动；ABSTRACT 窗体顶端 窗体顶端 In todays society , M
19、anufacturing enterprises to improve production efficiency, universal attention automation of the production process. Robot is an automated device having gripping and moving the workpiece features used in the automated production process, it is a new device developed in mechanization and automation o
20、f the production process. This paper mainly automated production line designed a robot grab bags, bags of material to achieve a pick and place process automation. The robot manipulator to achieve clamping and relaxation and other activities. Drive system uses pneumatic drive to achieve a gripper cla
21、mping and releasing operation. The control system uses PLC control, photoelectric sensor through a signal to trigger the robots work, to automate the process. And as detailed as possible to discuss the design and size of the design of the robot hand and other major components. Through this work, the
22、 robot eventually can be performed in accordance with the requirements of motion control programs to achieve the purpose of this paper the design and requirements.Key words: Manipulator; PLC(programmable logic controller); pneumatic drive;1绪论1.1机械手的概述 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（或工具）的部件，根据被抓持
23、物的形状，尺寸，重量材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型，托持行和吸附性等。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，称为机械手的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2-3个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作、同事接受传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是有单片机或DSP等微控制芯片构成，通过对其编程实现多要的功能。 机械手通常机床或其他机械的附加装置，如在自行机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由
24、人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热，累等劳动条件。机械手的机械结构采用滚珠丝杆，滑竿，等机械器件组成；电气方面有交流电机，变频器，传感器，等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术，检测设计等，是机电一体化的典型代表一起之一。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 在现代工业中，
25、生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已成为现代企业中的重要支柱，无人车间，无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温，放射性，有毒气体，有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣中生产环境不利于人工进行操作。 工业机械手是近代自动化控制领域中出现的一项新技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温，高压，粉尘，噪音一起带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近
26、几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 专用机械手经过几年的发展，如今已进入以通过机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械，液压，气动等基础知识，而且还应用一些电子技术，电视技术，通讯技术，计算技术，无线电控制，仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外发展这一新技术都很重要，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50-60年代
27、即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现性机械手。这种机械手也成为第二代机械手。如尤尼曼特机械手即属于这种类型。 60-70年代，又相继的把通用机械手用于汽车车身的电焊和冲压生产自动线上，亦既是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。 80-90年代，装备机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农，林，矿业，航天，海洋，文娱，体育，医疗，服务业，军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术，微电子技术，网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。1.2机械手的国内外研究现状及设计目的 1.2.1机械手国内外研究现
28、状 机械手首先是从美国开始研制的。刚开始时，只是为了实现简单的抓放运动。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。随着数控的技术逐步成熟，人们又将上述方案基础之上将数控技术引进。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，其结构上采用球坐标形式，能实现臂回转、俯仰，由于驱动力较大故采用液压驱动；控制系码垛机械手设计统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。为了使机械手实现中央立柱回转，臂可以回转、升降、伸缩等功能。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。其结构原型采用的是圆柱体坐标，比球状坐标能多实现一个自由度的运转。同样的由于其传输动力较大采用了液压驱动。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。为了近一步提高机械手的可靠性，改进其结构，降低成本。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni
