机械手毕业设计论文范文

导语：如何才能写好一篇机械手毕业设计论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

指导老师：戴胜坤

设计要求：1、安装资料及要求。包括：平面图；用电负荷情况；供电电源情况；气象及水文资料等。

2、选子：位置、型号的选择

3、土建施工

4、设备安装

课题二、小电流接地系统的故障选线的研究

指导老师：戴胜坤 地故障时，故障特点不是非常明显，故障选线就显得很有必要，所以，要求学生

比较详细的了解国内外小电流接地系统故障选线的研究现状和研究方法，对现有

的选线方法进行总结并加以改进，找到适合的故障选线的方法；3、 利用ATP的仿真软件对小电流接地系统进行仿真；4、撰写毕业论文。

课题三、64点温度监测与控制系统的设计

指导老师：游佳

设计内容：64点温度监测与控制系统针对室温环境下的温度监控，如大型机组的轴温，大型变压器油温，化学反应过程，环境测试等。控制核心采用微处理器或单片机，监测64点温度，温度范围0～100℃，采用半导体温度传感器AD590，按矩阵方式切换输入信号。输出8路开关控制信号和2路PWM模拟信号（具备PID控制能力）。同时要求利用微处理器或单片机的已有通讯接口或其它工业控制网络实现数据上传和控制。

设计要求：1.总体方案设计，需要提出至少两种切实可行的方案，并加以比较，选择一种最优方案；

2.根据总体方案设计硬件电路，需要有理论依据，有分析计算过程，选择的主要元件要有原理和说明，所有元件必须有型号和参数；

3.软件设计，使用汇编语言或C语言编成。主要软件必须能在设计制作的硬件电路上正确运行 ，且能够显示被测试对象的温度；

4.制作硬件电路，调试硬件和软件，完成温度检测与测试点切换，实现温度上传并在屏幕上显示或存盘；

5.撰写毕业论文，严格按照毕业论文标准，论文引用其它文章和相关技术资料不得多于40%。

课题四、 用8051单片机设计一交通信号灯模拟控制系统的设计

指导老师：潘纹

一、设计任务与要求：

用单片机8051设计一个十字路口的红、绿、黄交通信号灯控制系统，要求如下：

1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。考虑到学生设计时的难度，只考虑一条道路相对的两个方向，每个方向有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，每隔30秒红绿灯交替变化。在每次由绿灯亮变成红灯亮或者由红灯亮变成绿灯亮的交替变化转换时要求黄灯闪烁5秒，给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。

2）能实现正常的计时显示功能。用倒计时方法显示红灯、绿灯、黄灯还需亮的时间。

3）能实现控制器总清零功能。 按下某个键后，系统实现总清零，计数器由初始状态开始计数，对应状态的指示灯亮。 二、根据设计任务与要求：画出设计总电路图，写出设计程序。

课题五、单片机步进电机控制器的设计

指导教师：游佳

设计要求:1.用MCS-51单片机,通过软件编程,设计一个步进电机控制器。要求能对步进电机实现正、反转及速度控制，同时能对步进电机进行位置控制，即能控制步进电机从一个位置精确地运行到另一个位置。

课题六、传感器在机电一体化系统中的应用及发展的研究

指导老师：周小薇

论文要求：1.了解传感器在机电一体化系统中的作用及地位

2.机电一体化系统中常用传感器的类型、特点、结构及用途等

3.如何为机电一体化系统选择传感器（举例说明）

4.机电一体化系统中常用传感器的发展

相关知识：本课题要求学生综合《传感器技术》《机电一体化技术》《控制电机》等相关知识进行编写。

课题七、水轮机制动系统的设计

指导老师：周小薇

设计要求：

掌握一定的电气控制技术的基础知识，可以利用PLC进行编程，并且对气压传动和液压传动有一定的了解。还要求能够运用基本的绘图软件进行绘图。

设计内容：

本设计共有三个部分：电气控制部分、流体控制部分、PLC编程部分。

（一）电气控制部分设计任务： 2.24点制动闸动作后向PLC发出制动成功或复位信号

3.压力站气路压力数显示向PLC发出4～20mA的模拟信号

4.根据PLC传送来的4～20mA的模拟信号，显示相应的转速。

（二）流体控制部分设计任务：

采用节流阀控制流量，水份分离器净化空气，两个三通换向阀分别控制汽缸的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、油的转换控制，多块压力表可直接读数等。

（三）PLC编程部分设计任务：

根据给出的梯形图进行编程。

课题八、毕业设计题目：恒压供水系统设计

指导教师：黄卫庭

构成：PLC系统、变频器、检测保护电路、转速测量等环节

要求：1、采用PWM变频调速

2、有具体结构图及外形图

3、选用元器件合适

4、有控制电路图、主电路原理图、PLC程序框图和清单

[注意：选题要结合实际供水工作。要求写明本设计所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤]。

课题九、两种液体混合的设计

指导老师：叶俊 一、控制要求

1．初始状

此时各阀门关闭，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF

M＝OFF

二、起动操作

按下起动按钮，开始下列操作： (2)液体B流入，液面达到SL1时，YV2=OFF，M＝ON，开始搅拌；

(3)混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液体；

(4)当液体下降到名 SL2时，SL2从ON变为OFF，再过20s后容器放空，关闭YV3，YV3=OFF，完成一个操作周期；

(5)只要没按停止按钮，则自动进入下一操作周期。·

三、停止操作

按一下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，才停止操作，使系统停止于初始状态。

四、要求：用欧姆龙型PLC技术设计

课题十、机械手控制的设计

指导老师：叶俊

一、机械手工作过程，且每次循环动作均从原位开始。

二、控制要求

1．在传输带A端部，安装了光电开关PS，用以检测物品的到来。当光电开关检测到物品时为ON状态。

2.机械手在原位时，按下起动按钮，系统起动，传送带A运转。当光电开关检测到物品后，传送带A停。

3．传输带A停止后，机械手进行一次循环动作，把物品从传送带A上搬到传送带B(连续运转）上。

4.机械手返回原位后，自动再起动传送带A运转，进行下一个循环。

5．按下停止按钮后，应等到整个循环完成后，才能使机械手返回原位，停止工作。

6.机械手的上升／下降和左移／右移的执行结构均采用双线圈的二位电磁阀驱动液压装置实现，每个线圈完成一个动作。

7.抓紧／放松由单线圈二位电磁阀驱动液压装置完成，线圈通电时执行抓紧动作，线圈断电时执行放松动作。

8.机械手的上升、下降、左移、右移动作均由极限开关控制。

9.抓紧动作由压力继电器控制，当抓紧时，压力继电器动合触点闭合。放松动作为时间控制（设为2s）。

要求：用欧姆龙型PLC技术设计

课题十一、建立机械全自动洗衣机的工作电路模型

指导老师：方玮

结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、 不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。

主要内容：进水控制电路，电动机控制电路，排水系统电路等。

要求：结合洗衣机的工作过程，给出以上电路模型号并说明原理，论文不少于5000字

课题十二、工厂变配电所的设计

指导老师：居剑文

一、设计的要求

根据设计课题的技术指标和给定条件，能够独立而正确地进行方案认证和设计计算，要求概念清楚，方案合理，方法正确，步骤完整。

要求会查阅有关参考资料和手册等

要求学会选择有关元件和参数

要求学会编制有关电气系统图和编制元件明细表

要求学会编写设计说明书

二、设计说明书的内容

负荷计算及无功功率补偿计算。

变配电所所址和型式的选择。

变电所主变压器台数、容量及类型的选择（配电所设计不含此内容）。

变电所主结线方案的设计

短路电流的计算

变配电所一次设备的选择

变配电所二次回路方案的选择及继电保护装置的选择与整定

变电所防雷保护与接地装置的设计

编写设计说明书及主要设备材料清单

10、绘制变电所主结线图、平面图和必要的剖线图、二次回路图及其它的施工图样。

课题十三、电缆－架空混合线路的继电保护问题的研究

指导老师：方玮 研究现状，了解目前电缆－架空混合线路的保护的配置的方法，优缺点，并根据

电缆的特点，架空线路的特点，提出适合于混合线路的保护的方案；

3、 提出适合于电缆－架空混合线路的继电保护的方案； 4、撰写毕业论文。

课题十四、铰链四杆机构的运动特性分析

指导老师：潘纹

设计任务与要求

1）对铰链四杆机构中的曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构三种基

本类型的运动特性进行分析。

2）每种类型各举一个日常生活中常见的实例，画出其基本图表。对每种

类型要求用falsh或者authorware等做一个能动的形象逼真的例子。如吊起重物的起重机、运动的火车的机轮、椭圆仪、翻箱机、机械手爪等。

课题十五、数控铣床及加工中心产品加工工艺设计

指导老师：倪祥明 课题十六、机械手直线运动液压系统的制作

指导教师：黄国祥

目的：实现机械手水平、垂直两个方向的机械运动

任务：1、系统方案的设计与计算；液压泵、液压阀等技术参数的选择；液压辅助部件的选择与购买。

2、液压缸的加工制作。

3、液压系统的安装与调试。

4、电路系统的安装。

5、技术资料整理与电子文档的制作。

要求： 1、分组布置任务，每组可以是1人以上。

2、电子文档要求打印，字数不少于5000字。

3、现场展览制作产品，参加答辩。

课题十七、“中国结”造型设计

指导教师：张蓉

1.毕业设计的基本任务

着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建中国结造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。

2.毕业设计的基本要求

通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：

灵活运用所学Pro/e软件创建“中国结”,打印出造型设计步骤和造型图；

对造型出来的“中国结”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；

写出500字左右的论文小结

培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；

通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

3.“中国结”造型参考图：

（造形和尺寸自定义）

课题十八、“福娃”造型设计

指导教师：罗进生

1.毕业设计的基本任务

着重提高在CAD/CAM软件应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养综合运用理论知识解决实际问题的能力。通过创建“福娃”造型设计、市场推广、资料整理等环节，初步掌握应用CAD/CAM进行工业造型设计的方法和基本技能。

2.毕业设计的基本要求

通过毕业设计各环节的实践，应达到如下要求：

灵活运用所学Pro/e软件创建“福娃”,打印出造型设计步骤和造型图；

对造型出来的“福娃”进行包装设计。如用Photoshop或3dmax等软件进行包装，打印出用于市场推广的效果图；

写出500字左右的论文小结；

培养一定自学能力和独立分析问题、解决问题能力；

通过毕业设计实践，树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风，并培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结协作的精神。

3.“福娃”造型参考图：

课题十九、大功率高频直流开关电源的设计

指导老师： 倪涛

通过该题目的设计,加强电力电子的学习和理解，系统学习开关电源的设计方法，综合运所学过的知识,培养独立工作，解决实际问题的能力，为走向工作岗位打一定的基础

内容：

按技术参数设计一台直流开关电源

主要技术参数：

输入电压：三相交流380V 输入频率：50HZ

输 出：恒流50安 输出电流变动范围：0---50安连续可调

输出电压：0—60伏

要求：

1.按要求分阶段写文字材料；

2. 3.论文要按要求格式打印；

4.独立完成

设计步骤：

1.阅读国内外有关 2.选定开关电源集成控制器，学习其工作原理、应用方法；

3.主电路方案选择，要有技术经济比较；

4.主电路设计；

5.元器件的设计、计算、选择；

6.控制电路、保护电路的设计；

7.打印论文

课题二十、三层楼电梯PLC控制系统设计与调试

指导老师：倪涛

设计内容： 1、不允许同时有两层楼要求停电梯；

2、当二层不需要停时，能越过二层直接到达所需楼层。

要求：

分阶段写文字材料；

2、 3、论文要按要求格式打印；

4、独立完成

步骤：

1、设计I/O配线表。

2、设计出电梯控制的梯形图。

3、写出指令表。

4、用编程器输入指令。

调试运行。

课题二十一、车辆出入库管理PLC系统设计

指导老师：杨芳

内容：编制一个用PLC控制的车辆出入库管理梯形图控制程序,控制要求如下:

1、入库车辆前进时,计数器加1,后退则减1.

2、出库车辆前进时计数器减1,后退则加1.

3、要求有显示屏指示车库内车辆的实际数目.

要求：

1.根据题意设计显示电路，并按图连接。

2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。

3.编制梯形图及指令语句表。

4.完成系统调试，实现控制要求。

课题二十二、水塔水位控制PLC系统设计

指导老师：杨芳

内容：1、保持水池的水位在S3——S4之间，当水位低于S3，则打开阀门进水，水位到达S4时，则关闭阀门。 水塔水位控制面板

要求：1.根据题意设计显示电路，并按图连接。

2.画PLCI/O接口连线图，并按图连接。

3.编制梯形图及指令语句表。

4.完成系统调试，实现控制要求。

课题二十三、用PRO/E软件进行玩具造型设计

指导教师：罗进生

要求：利用软件进行实体造型，写出具体造型步骤。步骤清晰合理，造型思路明确。可以自己设计玩具形状，分析所设计玩具市场前景。

参考图样：

课题二十四、基于PROE软件的机械制图三维模型库开发及应用

指导老师：李广坤

篇2

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统

目 录

第1章 前言............................................................. 1

1.1　选题背景. 1

1.2　设计目的. 1

1.3　发展现状和趋势. 1

第2章 机械手各部件的设计. 3

2.1机械手的总体设计. 3

2.1.1　机械手总体结构的类型. 3

2.1.2　具体设计方案. 4

2.2机械手手爪结构的设计. 4

2.2.1　设计要求. 4

2.2.2　驱动方式. 5

2.2.3　典型结构. 5

2.2.4　具体设计方案. 6

2.3机械手手腕结构的设计. 7

2.3.1　手腕结构的设计要求. 7

2.3.2　具体设计方案. 7

2.4机械手手臂构的设计. 8

2.4.1　手臂结构的设计要求. 8

2.4.2　具体设计方案. 8

2.5机械手腰座结构的设计. 9

2.5.1　腰座结构的设计要求. 9

2.5.2　具体设计方案. 9

2.6机械手的机械传动机构的设计. 10

2.6.1　传动机构设计应注意的问题. 10

2.6.2　常用的传动机构形式. 10

2.6.3　具体设计方案. 11

2.7机械手驱动系统的设计. 12

2.7.1　常用驱动系统及其特点. 12

2.7.2　具体设计方案. 12

2.8机械手手臂的平衡机构设计. 12

2.8.1　平衡机构的形式. 12

2.8.2　具体设计方案. 13

第3章 理论分析和设计计算. 14

3.1电机选型有关参数计算. 14

3.1.1　有关参数的计算. 14

3.1.2　电机型号的选择. 16

3.2液压传动系统设计计算. 18

3.2.1 确定液压系统基本方案. 18

3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路. 19

3.2.3　液压源系统的设计. 19

3.2.4　绘制液压系统图. 20

3.2.5　确定液压系统的主要参数. 21

3.2.6　计算和选择液压元件. 26

第4章 机械手控制系统的设计. 28

4.1系统硬件设计. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工艺过程与控制要求. 28

4.1.3 作业流程. 29

4.1.4 控制器的选型. 30

4.1.5 控制系统原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接线设计. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系统软件设计. 33

4.2.1　控制主程序流程图. 33

4.2.2　控制程序设计. 34

结论. 51

致谢................................................................52

参考文献.......................................................... 53

第一章 前言

1.1选题背景

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

1.2设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

1.3发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

一．机械结构向模块化、可重构化发展。

二．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

三．机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

第二章机械手各部件的设计

2.1机械手的总体设计

2.1.1机械手总体结构的类型

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

1.直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

3.球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

4.关节型机械手结构特点

关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

2.1.2具体采用方案

如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动，另一个为手臂的回转运动，因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。

2.2机械手手爪结构设计

2.2.1设计要求

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

机械手手爪设计有如下要求：

1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。

2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。

3、机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。

4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

2.2.2驱动方式

一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：

1.气动驱动方式

这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式

电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式

液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.2.3典型结构

机械手手爪的典型结构有以下五种：

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

4.齿轮齿条式手爪

通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

5.平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具体设计方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-3所示：

2.3机械手手腕结构的设计

机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。

2.3.1 手腕结构的设计要求

1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。

2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。

3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。

4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。

5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.3.2具体设计方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

2.4机械手手臂结构的设计

2.4.1手臂结构的设计要求

机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：

1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。

2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。

2.4.2具体设计方案

由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达30KG），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.5机械手腰座结构的设计

2.5.1腰座结构的设计要求

机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：

1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。

2、腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。

3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.5.2具体设计方案

腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具体结构如图2-5所示：

2.6机械手的机械传动机构设计

2.6.1传动机构设计应注意的问题

由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：

1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。

2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。

3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。

4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。

5、适当的阻尼比。阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。故应采取合适的阻尼比。

2.6.2常用的传动机构形式

常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。

1.螺旋传动

它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

2.齿轮传动

在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。

3.链传动

在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

4.同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。

2.6.3具体设计方案

因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比较，选择圆柱齿轮传动。为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7机械手驱动系统设计

2.7.1常用驱动系统及其特点

工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。

3.电动驱动系统

具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。

2.7.2具体设计方案

在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8 机械手手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1平衡机构的形式

1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2具体设计方案

因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

第3章 理论分析和设计计算

3.1电机选型有关参数计算

3.1.1有关参数的计算

1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有

具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

3.1.2电机型号的选择

根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。如图3-3所示

驱动方式为升频升压 ，步距角为0.36°。同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120（理论上），虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。

3.2液压传动系统设计计算

3.2.1确定液压系统基本方案

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.2.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

3.2.3液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

3.2.4绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-2所示（详见图纸第四页），

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

3.2.5确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

1.计算液压缸的总机械载荷

3.液压缸主要参数的确定

考虑到机械手的特点，系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性和安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定各液压缸的基本参数如下；

因为伸缩缸的作用主要是实现直线运动，在其轴向上并不承受显性的工作载荷（因为手爪夹持工件，受力方向为垂直方向），轴向主要是克服摩擦力矩，其所受的载荷主要是径向载荷，载荷性质为弯矩，使其产生弯曲变形。而且因为机械手要求具有一定的柔性，水平液压缸活塞杆要求具有比较大的工作行程。同时具有比较大的弯矩和比较长的行程，这对液压缸的稳定性和刚度有较高的要求。

因此，在水平伸缩缸的设计上，一是增大其抗弯能力，二是通过合理的结构布局设计，使其具有尽量大的刚度。为了达到这个目的，设计中采用了两个导向杆，以满足长行程活塞杆的稳定性和导向问题。另一方面，为增大结构的刚度和稳定性，将两个导向杆与活塞杆布局成等边三角形的截面形式，以增大抗弯截面模量，也大大增加了液压缸的工作刚度。

因为垂直液压缸所承受的载荷方式既有一定的轴向载荷，又存在着比较大的倾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作为液压执行元件，满足此处的驱动力要求是轻而易举的，要解决的关键问题仍然是它的结构设计能否有足够的刚度来抗倾覆。这里同样采用了导向杆机构，围绕垂直升降缸设置四根导杆，较好的解决了这一问题。

4.液压缸强度的较核

（1）活塞杆直径的较核

3.2.6计算和选择液压元件

1. 控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的产品样本中选取各控制元件。

2. 液压泵的计算

第4章 机械手控制系统的设计

4.1硬件设计

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如图4-2所示：

机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种。

1.手动操作：就是用按钮作机械手的每一步运动进行单独的控制。当选择升／降按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择正转/逆转按钮时，按下启动按钮，机械手顺时针转动，而按下停止按钮时，机械手逆时针转动。同理，当选择夹紧/放松按钮时，按下启动按钮，机械手爪夹紧，而按下停止按钮时，手爪松开。

2.自动操作：机械手从原点开始，按下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完成一个周期动作后，回到原点位置。

4.1.2工艺过程与控制要求

机械手的动作有腰座的旋转，垂直手臂的升降，水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。

其中，液压缸由相应的电磁阀控制，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，当下降电磁阀通电时，机械手下降；断电时，机械手下降停止；当上升电磁阀通电时，机械手上升；断电时，机械手上升停止。而水平方向的伸缩主要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。

实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。

当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业。同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

4.1.3作业流程

机械手工作流程如图4-1所示：

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度； 机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘； 当工件装入到位后，卡盘收紧； 机械手松开手爪，准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命； 机床进行加工。

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；机床卡盘松开； 机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止； PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动； 下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开； 接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原； 接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

4.1.4控制器的选型

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，故选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。如图4－3所示：

该PLC集成14，输入/10，输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。

4.1.5控制系统原理分析

由于机械手作业时，取、放工件和装、卸工件都有较高的定位精度要求，所以在机械手控制中，除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还要对水平手臂进行闭环伺服控制。

为了减少PLC的I/O点数，以伺服放大器作为闭环的比较点。伺服放大器具有传感器反馈输入端，给定的输入信号和反馈信号进行比较后形成的控制信号经过PID调节和功率放大后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺服定位。PLC将上位机输入的给定信号转换为电压信号，输出至伺服放大器，由伺服放大器作为闭环比较点，组成模拟控制系统，如图4-4所示：

这种方案使得PLC控制量少（尤其是模拟量），节省了系统资源，而且编程简单，不必过多考虑控制算法等优点，也是完全能满足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接线设计

为实现水平手臂液压缸伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考虑到位移传感器和伺服放大器工作采用的都为模拟量，因此增加一个模拟量输出模块EM232。鉴于伺服放大器和位移传感器对输入的要求，PLC的模拟量采用-10V~ +10V输入输出，各输入输出点及其接线如图4-5所示。

PLC的具体硬件接线图如下图所示（详细的硬件设计见图纸）

4.1.7 I/O地址分配

详细参见表4-1、4-2：

4.2软件设计

4.2.1控制主程序流程图

机械手控制主程序流程图如图4-6所示：

结 论

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。

机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对工程的理解更加深刻和准确。因此，通过毕业设计实现了预期目标。

致 谢

经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。

此次毕业设计能够顺利完成，我得到了很多老师和同学的帮助和支持，在此向他们表示感谢。在此毕业设计过程中，尤其要感谢我的指导老师，他给我很多专业方面的帮助，让我少走很多弯路。还有在大学里所有的任课老师和图书馆的管理老师，也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！

此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！

参考文献

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12．张启玲， 何玉安. PLC在气动控制称量包装装置中的应用. 液压与气动. 2005， (1): 31~33

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[关键词]工程素质力学教学体系

力学课程是学生在大学阶段接触到的第一门与工程实际相结合的课程，其工程实践性强，是工科机械类学生进行后续课学习及从事设计工作所需知识的必备课程。力学经过100多年的积累与沉淀形成了比较经典的理论体系，但工程实际中的仍有一些问题无法得到精确解和完备的理论解释。随着近代计算力学的发展、计算机技术与数学的发展，在工程设计中，一些新的设计方法日趋完善与经典力学相互应证，在现代复杂工程设计中充当了重要的角色。材料科学日新月异的飞速发展，使新兴材料的力学性能与传统材料产生了很大的差别。这些相关学科的发展都极大的推进了力学的发展，如何在非力学专业的机械类学生中进行力学课程的教学，在发展的时代面前面临新的问题。

我校是以应用型人才培养为目标，注重培养学生的工程素养，课程组就基础力学教学与工程应用及工科大学生素质能力培养体系展开研究，围绕学校办学特色，结合机械工程、车辆工程、材料工程专业特点，在基础力学教学中提出“课程体系贯通化、求解问题工程化、工程构件模型化、教学手段多样化、经典力学柔性化、反映学科现代化”的建设目标，并实施了改革实践，突出培养学生的实践应用能力、抽象简化能力、初步的科学研究能力和综合的工程素质。

一、课程体系贯通化

（一）调整教学内容，实现力学课程体系与其它课程贯通

我校机械类工科专业在力学课后会开出机械原理、机械设计、汽车理论、汽车设计等专业课，这些课程用到大量的力学知识，而以学科划分的课程不能反映出学科间的相互联系与变化，造成课程体系僵化、课程内容重复、课程信息陈旧等问题。通过调研基础力学先修课和后续课的教学内容，适当打破原课程体系的严格界限，建立贯通化课程体系，对基础力学课程的教学内容进行有机组合和优化。对于同一类教学内容或采用合并或在力学教学中只简单复习不再深入讨论。重点与后续专业课的某些知识点建立联系，将后续课程的研究对象引入力学课堂，这样，学生在后期的学习中其所用的理论分析体系已经熟悉，专业课的再次提及既可强化简力学应用，又可减少理论分析时间，为学生学习专业课夯实力学基础。

（二）确立“三年力学学习不断线”渗透式的教学体系

大学二年级通过两门基础力学课程学习力学基本理论和方法，融入力学竞赛与力学小课题。大学三年级在有限元法基础与应用课程中进一步深入力学模型的概念，结合工程实例介绍力学模型构建的思路，并通过典型的力学模型的理论解与仿真结果对比，提高学生的仿真和力学应用分析能力。同时成立CAE课外兴趣小组，对学生实行个性化培养。大学四年级将力学课题渗透到课程设计、毕业设计课题中，进一步强化力学在工程实际中的应用。

二、求解问题工程化

力学问题来源于实践，回归于实践。将力学理论紧密结合实际问题是其立足之本。

（一）深入实际进行调研

通过往届毕业生的“基础力学教学与工科大学生工程素质的培养研究”调研表，了解毕业生从事的工作中运用力学知识的重要程度、应用的重点内容、应用中理论的充足性以及毕业生对基础力学课程教学内容的建议，收集他们在工作中应用力学知识解决实际问题的实例。通过分析总结课程组进一步增强了基础力学教学改革及培养学生工程应用能力与创新能力的信心。同时对奇瑞汽车公司、东风有限商用车技术中心CAE室等单位进行了调研，了解汽车生产中较为集中的力学设计计算内容及设计部门对基础力学教学的建议，了解CAE室最新发展状况，收集生产部门的具体力学实例，掌握力学在生产实际与前沿研究中的应用，积累了大量的工程素材。

（二）建立工程实例素材的共享库

通过教师的教学实践和科研成果的资料收集，整理出上百个与机械和汽车相关的工程实际问题及其力学模型，包含生活领域及自然界中与力学问题有关的趣味例子，形成较为丰富的课程资源库。这些资源可直接用于教学，为每一章新内容的引入与理论应用提供了良好的工程平台，由于学生学习目的明确，易于接受，使较为严谨的力学课堂教学吸引力有了极大提升。同时，该工程实例库面对全体课程组教师实现教学资源共享，不同的经验可以相互借鉴，为教师整体教学水平的提高和团队以老带新打下良好基础。

（三）根据自身特点，编写出版教材

为突出课程培养特色，课程组在配套十一五优秀教材的基础上，编写工程针对性强的习题册。一些习题来源于工程实际设计课题，涉及车辆部件、机床结构、机械手、加工工装及工艺等。习题册内同时增加一部分有一定深度题目，也涉及实验测设方法与理论分析相结合的实验方案确定问题，强化实际应用，拓展学生的思维，培养学生的研究能力。

三、工程构件模型化

力学建模是联结力学与工程应用最为重要的纽带，其重要性毋庸置疑。基于这点共识，工科高校也纷纷开设力学建模的讲座或课程。因此，课程组在课程中为力学建模设置单独教学单元，就模型简化的载荷处理、约束处理、等效替换等问题通过实例进行分析。同时，本课程组提出“力学建模贯穿式”教学，该模式符合“三年力学学习不断线”的教学体系。即在基础力学学习中，采用概念实例力学模型的教学模式展开，力学模型描述的内容含有构件的几何、材料、受力和约束模型。而工程结构力学模型的参数估计和模型的检验在后续有限元法课程中将涉猎。

四、教学手段多样化

针对教学手段以“处方式”为主、学生“按方取药”，建立了“课内与课外相结合、多媒体与板书相结合、理论与实验相结合”的教学模式。

（一）课内与课外相结合

课内教学坚持以学生为主体，教师为主导的原则，在教学手段方面形成了基础力学课程的教学特色，即基于基础原理传授式教学、基于工程背景启发式教学、基于力学专题研究型教学、基于思考题讨论式教学。在夯实第一课堂的基础上，大力拓展第二课堂，鼓励学生不满足书本上的知识，积极进行课外研究。1）建成基础力学教学网络平台。开发了一套具有不同教师个性化的、能反映教学过程管理和监控的网上辅助教学系统。该教学平台包括隶属于每位教师的教学资料、教学管理信息，以及课程公共的资料信息，能够构建基础力学课程的课后学习及教师日常教学管理等环境。考虑到力学系列课程的建设，网站除了开辟了理论力学，材料力学课程外，还增设了流体力学和有限元法基础等课程。课程网站建设的除包括基本的课程简介、教学大纲、授课教案、网络课件、教学录像、力学实验外，还包含力学论文、力学自测题、趣味力学、力学小课题和力学名人新颖的内容。为学生课外复习课堂内容，学习课程相关知识提供了便利的条件。2） 开展力学竞赛。为提高工科学生力学知识水平及应用能力，巩固所学的基础知识、活跃思维和激发钻研力学问题的热情，课题组每年举办力学竞赛。竞赛增进了学生对力学学习和研究的兴趣，促进了基础力学的教学改革。3）考研单独辅导。基础力学两门课程是工科类学生考研的专业课，分值高达150分。课题组教师收集了各个学校的考研试题，分析总结了试题的知识点、分值分布和解题方法，对需要的学生进行单独辅导。4）开展力学小课题的活动。充分考虑学生个体化差异，实现常规教学与个性培养相结合、课内和课外相结合的教学模式，着力培养和提高学生的创新能力和综合应用能力。力学小课题融新颖、灵活、趣味于一体，理论联系实际、包括讨论题、设计题、利用计算机求解的问题等。

（二）多媒体与板书相结合

课程教学中，采用传统的黑板教学和现代多媒体技术相结合，利用现代计算机数值模拟仿真动画技术，直观揭示构件各种变形下的应力分布规律、变形特点等；通过启发式教学，揭示知识发生过程。例如，在讲解应力集中问题时，由于缺乏相应的配套实验，学生往往很难理解。利用通用有限元分析软件能够模拟出带小圆孔方板的应力分布图，同时还可以引导学生分析孔的大小、形状及位置与应力集中的关系，如图1。对于某些强调学生思考的问题，可以在黑板上逐步进行引导，让学生给出求解思路和方法，这样的方式互动性强，促进学生主动思考。

（三）理论与实验相结合

除开出教学基本要求的实验外，实验室实行分期全天开放，为学生提供可选做的实验项目，学生可也利用实验设备，自行验证理论、设计实验。实验教师开发出新的设计性实验项目，实验内容注重工程背景、追求真刀真枪、突出学科交叉。如：闭口方钢的性能测试及数值模拟分析，槽钢的性能测试及数值模拟分析等，通过理论计算、电测试验和仿真模拟，研究结构在变形时的力学性能和特点。在理论层次、实验方法设计层次方面对学生的实践应用和研究能力都有一个大的提升。

五、经典力学柔性化

专业基础课要“厚”，不仅体现在课程本身的教学内容上，还涉及科研精神的培养与教学中体现的人文精神。

（一）实现基础力学课程的模块化教学，由1+1变为2+2。尝试多学时力学课程分模块化教学

使学生分阶段重点掌握知识内容，易于学习消化，易于监督检查，在一定程度上防止了学生前期懒散最终一次性复习的不良习惯，培养学生持之以恒进行科学研究的工程素质。经过三轮教学实践，考试成绩分析及试卷分析报告说明：实施模块化教学能更加全面的考察学生对课程的掌握情况，学生前期内容明显掌握扎实，避免了大学分课程一次性考试刚度过大的问题，同时帮助学生逐步养成脚踏实地、坚持不懈的优良学习习惯，逐步建立做人做事上不要投机取巧的思维模式。

（二）在经典力学教学体系中引入人文教育

力学课程内容严谨、逻辑性强、推到繁杂，学生学习有一定的难度。在授课中适当介绍本学科相关历史和发展进程及关键人物。如，讲胡克定律时介绍中国古代郑玄的贡献；讲梁的合理截面时介绍中国古代对矩形截面梁高宽比的认识；讲梁弯曲时介绍圣维南的贡献等。学生在学习力学知识的同时，对其发展过程有初步的了解，认识前人在学科发展中探索研究的艰苦历程和学科发展史与人类文明史之间的关系，激发学生学习兴趣和探索钻研精神。

六、反映学科现代化

笔者认为将课程的前沿内容引入到教学中是对教师能力的一个极大挑战。现代科学发展迅猛，一些传统的设计方法在碰到复杂大型设计问题上会显得繁杂而无力，在力学学科中新的技术、理论及应用也在不断涌现，其理论新、涉及面广、实用性强。将这些先进的方法融入教学对开拓学生视野无疑具有积极的作用。课程组教师结合自身科研对一些现代先进的科技成果和学科的发展动态适当的增加，如：当代力学计算手段有什么，可以应用到什么方面的设计，引入优化、非线性、有限元分析技术介绍等。在专项内容方面，讲授上除经典理论外，将最新研究成果进行介绍，使学生在这一方面有初步的、较为全面的知识把握。如讲授疲劳内容时，将疲劳的新、旧理论进行介绍，阐明单轴与多轴疲劳应力分析之间的区别与联系，对其应用背景进行阐述。在材料力学性能讲授时，对新兴各向异性复合材料的性能与各向同性经典材料进行对比等。

通过“六化”建设目标的提出和实施，课程组力争全方位构建培养高素质人才的工科力学教学体系。该体系集基础性、层次性、系统性为一体，具有“立足培养目标、突出工程背景、张显与时俱进、强化综合交叉、体现学科成果”五个特点，为理论与实践相结合的工程素质教育培养探索出一条有益的道路。

[参考文献]

[1]李乐山.高等学校进行研究型教学的方法和意义[J].西安交通大学学报,2008,(28).

[2]张田梅,高春,王志伟.应用型本科院校材料力学课程研究型教学的几点实践[C].北京:高等教育出版社,2009.