摘 要

机械手是具有人手臂的某些功能，用以按固定程序抓取，搬运工件或完成一定操作的自动机械装置。机械手不仅是最早出现的工业机器人，也是最早的现代机器人，它能将工人从繁重的重复性劳动中解放出来，能在有害条件下操作以改善工人劳动环境，降低工厂的人力成本，提高产品的生产效率和生产质量，所以在如今的工业生产和科研活动中，机械手都得到了越来越广泛的应用。

随着技术的不断进步，机械手越来越复杂，所能实现的功能也越来越多，控制方式也在不断进步。本次设计是以玻镁板生产线为背景，根据用户提出的生产要求设计的两自由度机械手。设计内容包括机械手总体方案设计，标准件的选型，结构尺寸的确定，关键部位零件的强度校核，和控制系统的设计。

关键字：机械手；玻镁板生产线；设计；PLC；参数选用

Abstract

The Manipulator is a automatic machine that have some features of human arm , use for carrying workpieces or finishing some specific operations at a fixed program. The manipulator is not only the earliest industrial robot but also the earliest the robot in modern sense. It can relief the workers from the onerous repetitive work and operated in harsh environment which can improve the working environment. It also can reduce the labor costs of plant and increase the productivity and the quality of the products. So the manipulator is used more and more widely in today’s industrial production and research activities.

As technology advances ,the manipulator is becoming more complex and can realize more and more functions,and the control theory has been steadily progressing as well. This manipulator with two degrees of freedom is designed with the magnesium board production line in the background,and according to the production requirements raised by users. The design includes the overall program,standard parts selection,structure sizes,strength check of key parts and the control system.

Key Words：manipulator;structure;magnesium board production line

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 2

1.1 机械手概况 2

1.2 机械手的分类 2

1.3 机械手的应用 3

1.4 机械手的发展趋势 4

第2章 总体方案设计 5

2.1 原始数据（主要参数） 5

2.2 工作要求 5

2.3 总体方案设计 5

第3章 详细设计 8

3.1 真空发生器和吸盘的选型与计算 8

3.2 气缸的选型 10

3.3 齿轮的设计 15

3.4 电动机的选择 18

3.5 机架设计 26

第4章关键部位强度校核 31

4.1 螺栓的校核 32

模型信息 32

4.2 方通衡量的校核。 36

第5章 控制系统设计 40

5.1 本设计的控制要求 40

5.2 确定输入输出点数，选择PLC并确定I/O分配 40

5.2.1 输入信号 40

5.2.2 输出信号 40

5.2.3 PLC的选择与I/O分配 41

5.3 PLC控制系统程序设计 41

5.3.1 手动程序设计 42

5.3.2自动程序设计 43

5.3.3 单步程序设计 44

总结 47

致谢 48

参考文献： 49

第1章 绪论

1.1 机械手概况

随着工程技术水平越来越高，人们对生产效率的要求也随之增高。尤其是在现代化大规模工业中，生产节拍快、劳动量大、内容枯燥，人工操作难免造成生产效率低，良品率差的现象，而且在有些情况下，例如化工生产线，铸造车间中，空气质量差，噪音大，对工人的身体状况有很大影响，这些都与如今人们对工作的要求有很大差距。再加上随着经济的发展，工人的工资水平也水涨水涨船高，人力成本在企业运行总成本的比重越来越大。因为这些原因，从二十世纪五十年代出现以来，各种各样的机械手被越来越广泛地用于各种工业生产中。

1.2 机械手的分类

目前，针对机械手的分类尚没有一个统一的标准。一般可以按照规格、适用范围和运动坐标形式三个方面来分类。

按规格分类：

1. 搬运重量一公斤以下 ——轻型
2. 搬运重量一到十公斤 ——小型
3. 搬运重量十到五十公斤 ——中型
4. 搬运重量五十公斤以上 ——大型

按使用范围分类：

1. 专用机械手：通常从属于某一个设备，或是生产线的比部分，完成工件的输送或是某一特定操作。这种机械手成本低廉，结构简单，在动作比较简单，生产批量较大的场合中比较适用。本设计即属于这一类型。
2. 通用机械手：是指拥有独立的控制系统，而且可以使用可变的控制程序，不作为某一设备的一部分，而且能自动完成传送工件，或是完成某种操作的机械装置。简易型机械手只能由程序控制，通常为点位控制，伺服型通常属于数字控制类型，可以由点位控制，也可以通过连续轨迹控制。

按运动坐标形式分类：

1. 直角坐标机械手：臂部可以按照直角坐标轴X Y Z的三个方向进行移动，即前后、左右和上下方向的移动。
2. 圆柱坐标机械手：手臂可以沿直角坐标轴X Z的两个方向移动，又可绕Z轴转动。即前后，上下方向移动和左右方向转动。
3. 球坐标机械手：手臂可以沿X方向移动，同时绕Y Z方向转动。即可以前后方向移动，上下和左右方向转动。
4. 多关节机械手：这种机械手的臂部可以分为大臂和小臂。其肩部和肘部均为铰链式连接，手臂还可以左右转动。

按驱动方式分类：

1. 液压驱动机械手：以压力油进行驱动
2. 气压驱动机械手：以压缩空气为动力来驱动
3. 电力驱动机械手：直接用电动机进行驱动
4. 机械驱动机械手：主机的动力通过机械装置（凸轮、连杆、齿轮、槽轮等）传递来驱动机械手。

1.3 机械手的应用

1. 和单机实现自动化

在生产中，有许多如专用加工机床这样的高效专用加工设备，如果继续由人工来完成一些辅助工作（如工件的装夹和装卸等），不经会增加工人的劳动强度，也不能让设备的优势得到充分发挥。如采用机械手自动上下料，则可以改变上述情况，并为多机床看管提供了条件。

1. 组成自动生产线

在实现单机自动化的基础上，为了使若干单机连成生产线，可以采用机械手来自动运输工件。目前在回转类零件生产上采用机械手来实现自动化应用得尤其广泛。

1. 恶劣环境作业自动化

在热处理，铸造和锻造车间中，室内温度高，工人劳动条件艰苦而且劳动强度很大。若采用机械手来操作，可以大大改善工人劳动条件，尤其具有现实意义。

1. 进行特殊行业

在现代科学技术中，有些环境是人体不能直接接触或难以接近的，如原子能应用、海底资源开发和星际探索等。采用机械手代替人来进行作业，既能完成任务又能长时间安全工作，是人类向未知自然领域探索的有效工具。

可以看出机械手可以代替人手进行高强度重复劳动，不但可以改善工人的劳动环境，而且提高生产效率和自动化水平。特别是在高温、低温、深水、放射性、和有毒环境中更能发挥出独特的优势。因此在各行各业的生产中都有广泛的应用前景。

1.4 机械手的发展趋势

随着技术的发展，人们对机械手也提出了更高的要求。一是重复高精度，由于经常要进行重复性动作，所以对于机械手而言，重复精度比单次精度更为重要，重复精度的提高与驱动器和反馈装置的性能密切相关。二是模块化，相比于组合导向驱动装置，模块化拼装的机械手更具灵活的安装体系。模块中集成了各种接口和气管接口等，使安装和应用都十分灵活方便。同时，为了扩展同一型机械手的应用范围，可以通过更换不同的模块来达到这一目的。三是自润滑，自润滑是一个新提出的概念，主要是为了适应食品、医药、生物工程等高技术高精度行业的无污染要求，不需加润滑脂，也不用供润滑油元件已经问世。构造特殊，采用自润滑材料制成的元件不仅节省润滑油，不污染环境，而且系统简单。而且由于材料技术的进步和新材料的不断出现，采用自润滑材料制作的零件摩擦性能稳定、成本低、寿命长。四是机电气一体化，机电气一体化的核心思想在于发展与电子技术结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。

第2章 总体方案设计

2.1 原始数据（主要参数）

主要参数如下：

2.2 工作要求

本设计是应用于玻镁板生产线的自动上下料机械手。在玻镁板生产中，该机械手负责将养护完毕的产品从模板上卸下并码成垛，或将模板以一定的速度装在到玻镁板生产线上。故对本设计的工作要求有一下几点：

1. 能平稳可靠地吸起板材
2. 有足够的水平和竖直行程
3. 能准确地控制工件位置
4. 工作稳定可靠，最好可以无人照料

2.3 总体方案设计

通过对工作要求的分析可以发现，本设计中的机械手是一个两自由度机械手，即要实现水平和竖直方向的运动。其中水平方向由Y系列三项电机驱动，减速器选用蜗轮蜗杆减速器，由蜗轮蜗杆减速器驱动齿轮，滚珠直线导轨导向；竖直方向由气缸驱动，由滑动轴承导向。如图1所示，小车安装在横梁上，可以左右运动，气缸安装在小车上，来实现上下运动。