導語：如何才能寫好一篇機械手畢業(yè)設計論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

指導老師：戴勝坤

設計要求：1、安裝資料及要求。包括：平面圖；用電負荷情況；供電電源情況；氣象及水文資料等。

2、選子：位置、型號的選擇

3、土建施工

4、設備安裝

課題二、小電流接地系統(tǒng)的故障選線的研究

指導老師：戴勝坤 地故障時，故障特點不是非常明顯，故障選線就顯得很有必要，所以，要求學生

比較詳細的了解國內外小電流接地系統(tǒng)故障選線的研究現狀和研究方法，對現有

的選線方法進行總結并加以改進，找到適合的故障選線的方法；3、 利用ATP的仿真軟件對小電流接地系統(tǒng)進行仿真；4、撰寫畢業(yè)論文。

課題三、64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設計

指導老師：游佳

設計內容：64點溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)針對室溫環(huán)境下的溫度監(jiān)控，如大型機組的軸溫，大型變壓器油溫，化學反應過程，環(huán)境測試等。控制核心采用微處理器或單片機，監(jiān)測64點溫度，溫度范圍0～100℃，采用半導體溫度傳感器AD590，按矩陣方式切換輸入信號。輸出8路開關控制信號和2路PWM模擬信號（具備PID控制能力）。同時要求利用微處理器或單片機的已有通訊接口或其它工業(yè)控制網絡實現數據上傳和控制。

設計要求：1.總體方案設計，需要提出至少兩種切實可行的方案，并加以比較，選擇一種最優(yōu)方案；

2.根據總體方案設計硬件電路，需要有理論依據，有分析計算過程，選擇的主要元件要有原理和說明，所有元件必須有型號和參數；

3.軟件設計，使用匯編語言或C語言編成。主要軟件必須能在設計制作的硬件電路上正確運行 ，且能夠顯示被測試對象的溫度；

4.制作硬件電路，調試硬件和軟件，完成溫度檢測與測試點切換，實現溫度上傳并在屏幕上顯示或存盤；

5.撰寫畢業(yè)論文，嚴格按照畢業(yè)論文標準，論文引用其它文章和相關技術資料不得多于40%。

課題四、 用8051單片機設計一交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的設計

指導老師：潘紋

一、設計任務與要求：

用單片機8051設計一個十字路口的紅、綠、黃交通信號燈控制系統(tǒng)，要求如下：

1）用紅、綠、黃三色發(fā)光二極管作信號燈?？紤]到學生設計時的難度，只考慮一條道路相對的兩個方向，每個方向有紅、綠、黃三個燈。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，每隔30秒紅綠燈交替變化。在每次由綠燈亮變成紅燈亮或者由紅燈亮變成綠燈亮的交替變化轉換時要求黃燈閃爍5秒，給行駛中的車輛有時間?？康浇芯€之外。

2）能實現正常的計時顯示功能。用倒計時方法顯示紅燈、綠燈、黃燈還需亮的時間。

3）能實現控制器總清零功能。 按下某個鍵后，系統(tǒng)實現總清零，計數器由初始狀態(tài)開始計數，對應狀態(tài)的指示燈亮。 二、根據設計任務與要求：畫出設計總電路圖，寫出設計程序。

課題五、單片機步進電機控制器的設計

指導教師：游佳

設計要求:1.用MCS-51單片機,通過軟件編程,設計一個步進電機控制器。要求能對步進電機實現正、反轉及速度控制，同時能對步進電機進行位置控制，即能控制步進電機從一個位置精確地運行到另一個位置。

課題六、傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的應用及發(fā)展的研究

指導老師：周小薇

論文要求：1.了解傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用及地位

2.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的類型、特點、結構及用途等

3.如何為機電一體化系統(tǒng)選擇傳感器（舉例說明）

4.機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的發(fā)展

相關知識：本課題要求學生綜合《傳感器技術》《機電一體化技術》《控制電機》等相關知識進行編寫。

課題七、水輪機制動系統(tǒng)的設計

指導老師：周小薇

設計要求：

掌握一定的電氣控制技術的基礎知識，可以利用PLC進行編程，并且對氣壓傳動和液壓傳動有一定的了解。還要求能夠運用基本的繪圖軟件進行繪圖。

設計內容：

本設計共有三個部分：電氣控制部分、流體控制部分、PLC編程部分。

（一）電氣控制部分設計任務： 2.24點制動閘動作后向PLC發(fā)出制動成功或復位信號

3.壓力站氣路壓力數顯示向PLC發(fā)出4～20mA的模擬信號

4.根據PLC傳送來的4～20mA的模擬信號，顯示相應的轉速。

（二）流體控制部分設計任務：

采用節(jié)流閥控制流量，水份分離器凈化空氣，兩個三通換向閥分別控制汽缸的上、下腔；氣液混用三通球閥進行氣、油的轉換控制，多塊壓力表可直接讀數等。

（三）PLC編程部分設計任務：

根據給出的梯形圖進行編程。

課題八、畢業(yè)設計題目：恒壓供水系統(tǒng)設計

指導教師：黃衛(wèi)庭

構成：PLC系統(tǒng)、變頻器、檢測保護電路、轉速測量等環(huán)節(jié)

要求：1、采用PWM變頻調速

2、有具體結構圖及外形圖

3、選用元器件合適

4、有控制電路圖、主電路原理圖、PLC程序框圖和清單

[注意：選題要結合實際供水工作。要求寫明本設計所涉及的分析方法或技術手段（如定性、定量分析的方法）；要求有學生獨立的見解，設計內容要詳細寫明具體步驟]。

課題九、兩種液體混合的設計

指導老師：葉俊 一、控制要求

1．初始狀

此時各閥門關閉，容器是空的。 SL1=SL2=SL3=OFF

M＝OFF

二、起動操作

按下起動按鈕，開始下列操作： (2)液體B流入，液面達到SL1時，YV2=OFF，M＝ON，開始攪拌；

(3)混合液體攪拌均勻后（設時間為l0s），M＝OFF，YV3＝ON，放出混合液體；

(4)當液體下降到名 SL2時，SL2從ON變?yōu)镺FF，再過20s后容器放空，關閉YV3，YV3=OFF，完成一個操作周期；

(5)只要沒按停止按鈕，則自動進入下一操作周期。·

三、停止操作

按一下停止按鈕，則在當前混合操作周期結束后，才停止操作，使系統(tǒng)停止于初始狀態(tài)。

四、要求：用歐姆龍型PLC技術設計

課題十、機械手控制的設計

指導老師：葉俊

一、機械手工作過程，且每次循環(huán)動作均從原位開始。

二、控制要求

1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關PS，用以檢測物品的到來。當光電開關檢測到物品時為ON狀態(tài)。

2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉。當光電開關檢測到物品后，傳送帶A停。

3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉）上。

4.機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉，進行下一個循環(huán)。

5．按下停止按鈕后，應等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。

6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結構均采用雙線圈的二位電磁閥驅動液壓裝置實現，每個線圈完成一個動作。

7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。

8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關控制。

9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設為2s）。

要求：用歐姆龍型PLC技術設計

課題十一、建立機械全自動洗衣機的工作電路模型

指導老師：方瑋

結構：由電動程控器、水位開關、安全開關（蓋開關）、排水選擇開關、 不排水停機開關、貯水開關、漂洗選擇開關、洗滌選擇開關等組成。工作原理：通過各種開關組成控制電路，來控制電動機、進水閥、排水電磁鐵及蜂鳴器的電壓輸出，使洗衣機實現程序運轉。

主要內容：進水控制電路，電動機控制電路，排水系統(tǒng)電路等。

要求：結合洗衣機的工作過程，給出以上電路模型號并說明原理，論文不少于5000字

課題十二、工廠變配電所的設計

指導老師：居劍文

一、設計的要求

根據設計課題的技術指標和給定條件，能夠獨立而正確地進行方案認證和設計計算，要求概念清楚，方案合理，方法正確，步驟完整。

要求會查閱有關參考資料和手冊等

要求學會選擇有關元件和參數

要求學會編制有關電氣系統(tǒng)圖和編制元件明細表

要求學會編寫設計說明書

二、設計說明書的內容

負荷計算及無功功率補償計算。

變配電所所址和型式的選擇。

變電所主變壓器臺數、容量及類型的選擇（配電所設計不含此內容）。

變電所主結線方案的設計

短路電流的計算

變配電所一次設備的選擇

變配電所二次回路方案的選擇及繼電保護裝置的選擇與整定

變電所防雷保護與接地裝置的設計

編寫設計說明書及主要設備材料清單

10、繪制變電所主結線圖、平面圖和必要的剖線圖、二次回路圖及其它的施工圖樣。

課題十三、電纜－架空混合線路的繼電保護問題的研究

指導老師：方瑋 研究現狀，了解目前電纜－架空混合線路的保護的配置的方法，優(yōu)缺點，并根據

電纜的特點，架空線路的特點，提出適合于混合線路的保護的方案；

3、 提出適合于電纜－架空混合線路的繼電保護的方案； 4、撰寫畢業(yè)論文。

課題十四、鉸鏈四桿機構的運動特性分析

指導老師：潘紋

設計任務與要求

1）對鉸鏈四桿機構中的曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構三種基

本類型的運動特性進行分析。

2）每種類型各舉一個日常生活中常見的實例，畫出其基本圖表。對每種

類型要求用falsh或者authorware等做一個能動的形象逼真的例子。如吊起重物的起重機、運動的火車的機輪、橢圓儀、翻箱機、機械手爪等。

課題十五、數控銑床及加工中心產品加工工藝設計

指導老師：倪祥明 課題十六、機械手直線運動液壓系統(tǒng)的制作

指導教師：黃國祥

目的：實現機械手水平、垂直兩個方向的機械運動

任務：1、系統(tǒng)方案的設計與計算；液壓泵、液壓閥等技術參數的選擇；液壓輔助部件的選擇與購買。

2、液壓缸的加工制作。

3、液壓系統(tǒng)的安裝與調試。

4、電路系統(tǒng)的安裝。

5、技術資料整理與電子文檔的制作。

要求： 1、分組布置任務，每組可以是1人以上。

2、電子文檔要求打印，字數不少于5000字。

3、現場展覽制作產品，參加答辯。

課題十七、“中國結”造型設計

指導教師：張蓉

1.畢業(yè)設計的基本任務

著重提高在CAD/CAM軟件應用方面的實踐技能，樹立嚴謹的科學作風，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建中國結造型設計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應用CAD/CAM進行工業(yè)造型設計的方法和基本技能。

2.畢業(yè)設計的基本要求

通過畢業(yè)設計各環(huán)節(jié)的實踐，應達到如下要求：

靈活運用所學Pro/e軟件創(chuàng)建“中國結”,打印出造型設計步驟和造型圖；

對造型出來的“中國結”進行包裝設計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；

寫出500字左右的論文小結

培養(yǎng)一定自學能力和獨立分析問題、解決問題能力；

通過畢業(yè)設計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的工作作風，并培養(yǎng)自己具有一定的生產觀點、經濟觀點、全面觀點及團結協(xié)作的精神。

3.“中國結”造型參考圖：

（造形和尺寸自定義）

課題十八、“福娃”造型設計

指導教師：羅進生

1.畢業(yè)設計的基本任務

著重提高在CAD/CAM軟件應用方面的實踐技能，樹立嚴謹的科學作風，培養(yǎng)綜合運用理論知識解決實際問題的能力。通過創(chuàng)建“福娃”造型設計、市場推廣、資料整理等環(huán)節(jié)，初步掌握應用CAD/CAM進行工業(yè)造型設計的方法和基本技能。

2.畢業(yè)設計的基本要求

通過畢業(yè)設計各環(huán)節(jié)的實踐，應達到如下要求：

靈活運用所學Pro/e軟件創(chuàng)建“福娃”,打印出造型設計步驟和造型圖；

對造型出來的“福娃”進行包裝設計。如用Photoshop或3dmax等軟件進行包裝，打印出用于市場推廣的效果圖；

寫出500字左右的論文小結；

培養(yǎng)一定自學能力和獨立分析問題、解決問題能力；

通過畢業(yè)設計實踐，樹立嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的工作作風，并培養(yǎng)自己具有一定的生產觀點、經濟觀點、全面觀點及團結協(xié)作的精神。

3.“福娃”造型參考圖：

課題十九、大功率高頻直流開關電源的設計

指導老師： 倪濤

通過該題目的設計,加強電力電子的學習和理解，系統(tǒng)學習開關電源的設計方法，綜合運所學過的知識,培養(yǎng)獨立工作，解決實際問題的能力，為走向工作崗位打一定的基礎

內容：

按技術參數設計一臺直流開關電源

主要技術參數：

輸入電壓：三相交流380V 輸入頻率：50HZ

輸 出：恒流50安 輸出電流變動范圍：0---50安連續(xù)可調

輸出電壓：0—60伏

要求：

1.按要求分階段寫文字材料；

2. 3.論文要按要求格式打??；

4.獨立完成

設計步驟：

1.閱讀國內外有關 2.選定開關電源集成控制器，學習其工作原理、應用方法；

3.主電路方案選擇，要有技術經濟比較；

4.主電路設計；

5.元器件的設計、計算、選擇；

6.控制電路、保護電路的設計；

7.打印論文

課題二十、三層樓電梯PLC控制系統(tǒng)設計與調試

指導老師：倪濤

設計內容： 1、不允許同時有兩層樓要求停電梯；

2、當二層不需要停時，能越過二層直接到達所需樓層。

要求：

分階段寫文字材料；

2、 3、論文要按要求格式打印；

4、獨立完成

步驟：

1、設計I/O配線表。

2、設計出電梯控制的梯形圖。

3、寫出指令表。

4、用編程器輸入指令。

調試運行。

課題二十一、車輛出入庫管理PLC系統(tǒng)設計

指導老師：楊芳

內容：編制一個用PLC控制的車輛出入庫管理梯形圖控制程序,控制要求如下:

1、入庫車輛前進時,計數器加1,后退則減1.

2、出庫車輛前進時計數器減1,后退則加1.

3、要求有顯示屏指示車庫內車輛的實際數目.

要求：

1.根據題意設計顯示電路，并按圖連接。

2.畫PLCI/O接口連線圖，并按圖連接。

3.編制梯形圖及指令語句表。

4.完成系統(tǒng)調試，實現控制要求。

課題二十二、水塔水位控制PLC系統(tǒng)設計

指導老師：楊芳

內容：1、保持水池的水位在S3——S4之間，當水位低于S3，則打開閥門進水，水位到達S4時，則關閉閥門。 水塔水位控制面板

要求：1.根據題意設計顯示電路，并按圖連接。

2.畫PLCI/O接口連線圖，并按圖連接。

3.編制梯形圖及指令語句表。

4.完成系統(tǒng)調試，實現控制要求。

課題二十三、用PRO/E軟件進行玩具造型設計

指導教師：羅進生

要求：利用軟件進行實體造型，寫出具體造型步驟。步驟清晰合理，造型思路明確?？梢宰约涸O計玩具形狀，分析所設計玩具市場前景。

參考圖樣：

課題二十四、基于PROE軟件的機械制圖三維模型庫開發(fā)及應用

指導老師：李廣坤

篇2

關鍵詞：機械手；PLC；液壓伺服定位；電液系統(tǒng)

目 錄

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

1.1　選題背景. 1

1.2　設計目的. 1

1.3　發(fā)展現狀和趨勢. 1

第2章 機械手各部件的設計. 3

2.1機械手的總體設計. 3

2.1.1　機械手總體結構的類型. 3

2.1.2　具體設計方案. 4

2.2機械手手爪結構的設計. 4

2.2.1　設計要求. 4

2.2.2　驅動方式. 5

2.2.3　典型結構. 5

2.2.4　具體設計方案. 6

2.3機械手手腕結構的設計. 7

2.3.1　手腕結構的設計要求. 7

2.3.2　具體設計方案. 7

2.4機械手手臂構的設計. 8

2.4.1　手臂結構的設計要求. 8

2.4.2　具體設計方案. 8

2.5機械手腰座結構的設計. 9

2.5.1　腰座結構的設計要求. 9

2.5.2　具體設計方案. 9

2.6機械手的機械傳動機構的設計. 10

2.6.1　傳動機構設計應注意的問題. 10

2.6.2　常用的傳動機構形式. 10

2.6.3　具體設計方案. 11

2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計. 12

2.7.1　常用驅動系統(tǒng)及其特點. 12

2.7.2　具體設計方案. 12

2.8機械手手臂的平衡機構設計. 12

2.8.1　平衡機構的形式. 12

2.8.2　具體設計方案. 13

第3章 理論分析和設計計算. 14

3.1電機選型有關參數計算. 14

3.1.1　有關參數的計算. 14

3.1.2　電機型號的選擇. 16

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算. 18

3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案. 18

3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路. 19

3.2.3　液壓源系統(tǒng)的設計. 19

3.2.4　繪制液壓系統(tǒng)圖. 20

3.2.5　確定液壓系統(tǒng)的主要參數. 21

3.2.6　計算和選擇液壓元件. 26

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計. 28

4.1系統(tǒng)硬件設計. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工藝過程與控制要求. 28

4.1.3 作業(yè)流程. 29

4.1.4 控制器的選型. 30

4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接線設計. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系統(tǒng)軟件設計. 33

4.2.1　控制主程序流程圖. 33

4.2.2　控制程序設計. 34

結論. 51

致謝................................................................52

參考文獻.......................................................... 53

第一章 前言

1.1選題背景

由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。

1.2設計目的

目前，我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率，降低成本，并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現代機械行業(yè)自動化生產的要求，針對具體生產工藝，結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。

1.3發(fā)展現狀和趨勢

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：

一．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。

二．工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。

三．機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。

四．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)；

五．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。

總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。

第二章機械手各部件的設計

2.1機械手的總體設計

2.1.1機械手總體結構的類型

工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：

1.直角坐標機械手結構特點

直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。

2.圓柱坐標機械手結構特點

圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。

3.球坐標機械手結構特點

球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1.c。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。

4.關節(jié)型機械手結構特點

關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。

2.1.2具體采用方案

如圖2-2所示機械手模擬工作布局圖，根據實際操作的需要，該機械手在工作中需要3種運動，其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運動，另一個為手臂的回轉運動，因此其自由度數目為3，綜合考慮，應選擇圓柱坐標機械手結構，其結構簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設計要求。

2.2機械手手爪結構設計

2.2.1設計要求

手爪是用來進行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械手附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。

機械手手爪設計有如下要求：

1、機械手手爪是根據機械手作業(yè)要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。

2、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現，從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設計的經濟效益。

3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現標準化。

4、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。

2.2.2驅動方式

一般工業(yè)機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。

機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種：

1.氣動驅動方式

這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。

2.電動驅動方式

電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。

3.液壓驅動方式

液壓驅動方式是利用液壓系統(tǒng)進行控制，傳動剛度大，可實現連續(xù)位置控制。

2.2.3典型結構

機械手手爪的典型結構有以下五種：

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。

2.滑槽式手爪

當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。

3.連桿杠桿式手爪

在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。

4.齒輪齒條式手爪

通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。

5.平行杠桿式手爪

采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具體設計方案

結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-3所示：

2.3機械手手腕結構的設計

機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。

2.3.1 手腕結構的設計要求

1、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。

2、根據作業(yè)需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業(yè)要求來確定。

3、為實現腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。

4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。

5、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。

2.3.2具體設計方案

通過對數控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯結梁）結構見圖2-4。

2.4機械手手臂結構的設計

2.4.1手臂結構的設計要求

機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求：

1、工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度，手臂關節(jié)的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。

2、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。

3、應盡可能使機械手手臂各關節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。

4、機械手各關節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。

5、為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關節(jié)回轉軸應盡可能在重量上平衡。

2.4.2具體設計方案

由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大（質量達30KG），以及機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式。通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，因此不用再額外設計執(zhí)行件；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實現，其關鍵在于機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的設計。因此手臂液壓缸的設計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。

2.5機械手腰座結構的設計

2.5.1腰座結構的設計要求

機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節(jié)，承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求：

1、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。

2、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。

3、腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。

4、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.5.2具體設計方案

腰座回轉的驅動形式主要有兩種，一是電機通過減速機構來實現，二是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現。考慮到腰座是機械手的第一個回轉關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。因為電動方式控制的精度高，結構緊湊，不用額外設計液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機都不能直接驅動，并考慮到轉速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故僅采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小傳動誤差，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結構如圖2-5所示：

2.6機械手的機械傳動機構設計

2.6.1傳動機構設計應注意的問題

由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應能力，因此，在設計機械手的傳動機構時要注意以下問題：

1、機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。

2、盡量減少系統(tǒng)運動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現象，增加系統(tǒng)壽命。

3、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。

4、選用最佳傳動比，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。

5、適當的阻尼比。阻尼比越大，零件產生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應采取合適的阻尼比。

2.6.2常用的傳動機構形式

常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。

1.螺旋傳動

它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂等；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。

2.齒輪傳動

在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。

齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同一驅動功率時，其加速度響應最大，還要求其轉動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產生傳動死區(qū)，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。

3.鏈傳動

在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節(jié)驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節(jié)處。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。

4.同步帶傳動

同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優(yōu)點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機械手中使用很多。

2.6.3具體設計方案

因為選用了液壓缸作為機械手的手臂，它既是關節(jié)結構，又是動力單元，因此不需要中間傳動機構，既簡化了結構，又提高了精度。而其腰座的回轉采用步進電動機驅動，而電動機不能作為直接驅動元件，因此為取得較大的轉矩，經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機轉速，使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機械手驅動系統(tǒng)設計

2.7.1常用驅動系統(tǒng)及其特點

工業(yè)常用驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。

1.液壓驅動系統(tǒng)

具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。

2.氣動驅動系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中。

3.電動驅動系統(tǒng)

具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，但大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。

2.7.2具體設計方案

在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，因此采用步進電動機來實現。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅動。隨著機床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。

2.8 機械手手臂的平衡機構設計

直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節(jié)機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。

2.8.1平衡機構的形式

1.配重平衡機構

這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節(jié)軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。

2.彈簧平衡機構

彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。

3.活塞推桿平衡機構

活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復雜，因此造價高，設計、安裝和調試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。

2.8.2具體設計方案

因為本機械手采用圓柱坐標型的結構，而且在手臂的結構設計以及整個機械手的設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設計結構，使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足，則設置彈簧平衡機構進行平衡。

第3章 理論分析和設計計算

3.1電機選型有關參數計算

3.1.1有關參數的計算

1.若傳動負載作直線運動（通過滾珠絲杠）則有

具體到本設計，因為步進電機是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。

因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有；

3.1.2電機型號的選擇

根據以上計算結果，并綜合考慮各方面因素，決定選擇北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：

110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進電機高轉矩，低振動，綜合性能很好，各項參數如表3-2。

其中 110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數。如圖3-3所示

驅動方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為1：120，步進電機經過減速后傳遞到回轉軸，回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/120（理論上），雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差，實際回轉軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當高，完全滿足機械手的定位精度要求。

3.2液壓傳動系統(tǒng)設計計算

3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案

液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達，液壓缸實現直線運動，液壓馬達實現回轉運動。二者的特點及適用場合見表3-1：

因為機械手設計為圓柱坐標形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉動，兩個為手臂的移動自由度。同時考慮機械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計算機的控制的因素，腰部的回轉用電機驅動實現，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現直線往復運動。

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運動控制回路

液壓執(zhí)行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是液壓回路的核心問題。

速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實現。相應的調速方式有節(jié)流調速、容積調速以及二者結合的容積節(jié)流調速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現。

本設計的速度的控制主要采用節(jié)流調速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實現，而方向控制采用電磁換向閥來實現。

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設計

液壓系統(tǒng)的工作介質完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經溢流閥流回油箱，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。

油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗濾油器，進入系統(tǒng)的油液根據要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質流回油箱，可在回油路上設置磁過濾器。根據液壓設備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。

本設計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來調定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過濾器，而在油泵的出口安裝精過濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖

本機械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-2所示（詳見圖紙第四頁），

它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構。

其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。

考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現手爪迅速松開。

另外，由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負載。

3.2.5確定液壓系統(tǒng)的主要參數

液壓系統(tǒng)的主要參數是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結構尺寸。

1.計算液壓缸的總機械載荷

3.液壓缸主要參數的確定

考慮到機械手的特點，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機械手的結構和運動的穩(wěn)定性和安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設計階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調速回路和元件來實現。經過仔細分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數如下；

因為伸縮缸的作用主要是實現直線運動，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因為手爪夾持工件，受力方向為垂直方向），軸向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質為彎矩，使其產生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度有較高的要求。

因此，在水平伸縮缸的設計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結構布局設計，使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的，設計中采用了兩個導向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面，為增大結構的剛度和穩(wěn)定性，將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式，以增大抗彎截面模量，也大大增加了液壓缸的工作剛度。

因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。作為液壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的，要解決的關鍵問題仍然是它的結構設計能否有足夠的剛度來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構，圍繞垂直升降缸設置四根導桿，較好的解決了這一問題。

4.液壓缸強度的較核

（1）活塞桿直徑的較核

3.2.6計算和選擇液壓元件

1. 控制元件的選擇

根據系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標準元件的產品樣本中選取各控制元件。

2. 液壓泵的計算

第4章 機械手控制系統(tǒng)的設計

4.1硬件設計

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如圖4-2所示：

機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。

1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇升／降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇正轉/逆轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。

2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。

4.1.2工藝過程與控制要求

機械手的動作有腰座的旋轉，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。

其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。

實現執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。

當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

4.1.3作業(yè)流程

機械手工作流程如圖4-1所示：

從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。

當數控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅動機械手順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復原； 接著機械手水平手臂開始后縮，準備回原點，當后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結束； 機械手在原點等待命令，準備下一個工作循環(huán)。

機械手的每次循環(huán)都從原點位置開始動作。

4.1.4控制器的選型

機械手控制系統(tǒng)的硬件設計上考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設計開發(fā)的工業(yè)控制器---PLC，故選擇在國內應用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖4－3所示：

該PLC集成14，輸入/10，輸出共24個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數字量I/O點或35路模擬量I/O點，具有16K字節(jié)程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz 高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強控制能力的控制器。

4.1.5控制系統(tǒng)原理分析

由于機械手作業(yè)時，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進驅動進行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進行閉環(huán)伺服控制。

為了減少PLC的I/O點數，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進行比較后形成的控制信號經過PID調節(jié)和功率放大后，驅動電液伺服閥對液壓缸進行伺服定位。PLC將上位機輸入的給定信號轉換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖4-4所示：

這種方案使得PLC控制量少（尤其是模擬量），節(jié)省了系統(tǒng)資源，而且編程簡單，不必過多考慮控制算法等優(yōu)點，也是完全能滿足工作要求的。

4.1.6 PLC外部接線設計

為實現水平手臂液壓缸伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7-200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，因此增加一個模擬量輸出模塊EM232。鑒于伺服放大器和位移傳感器對輸入的要求，PLC的模擬量采用-10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖4-5所示。

PLC的具體硬件接線圖如下圖所示（詳細的硬件設計見圖紙）

4.1.7 I/O地址分配

詳細參見表4-1、4-2：

4.2軟件設計

4.2.1控制主程序流程圖

機械手控制主程序流程圖如圖4-6所示：

結 論

本設計通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年所學知識進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現了理論和實踐的有機結合。

機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制。系統(tǒng)結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低。PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I/O點的接線稍作修改，或對I/O重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

綜上，經過資料的收集、方案的選擇比較和論證，到分析計算，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四本科階段的知識有了一個整體的深層次的理解，同時對工程的理解更加深刻和準確。因此，通過畢業(yè)設計實現了預期目標。

致 謝

經過一段時間的努力，本次畢業(yè)設計終于完成。在這段時間里，我運用大學所學知識，通過對本設計的論證、計算以及圖紙的繪制，對大學所學知識進行了一次系統(tǒng)的整合，使自己的理論和實際動手能力有了很大提高。

此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師和同學的幫助和支持，在此向他們表示感謝。在此畢業(yè)設計過程中，尤其要感謝我的指導老師，他給我很多專業(yè)方面的幫助，讓我少走很多彎路。還有在大學里所有的任課老師和圖書館的管理老師，也謝謝你們，是你們給我知識，謝謝！

此外，由于個人知識能力水平有限，論文中難免有紕漏錯誤指出，懇請各位老師批評指正，謝謝！

參考文獻

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篇3

[關鍵詞]工程素質力學教學體系

力學課程是學生在大學階段接觸到的第一門與工程實際相結合的課程，其工程實踐性強，是工科機械類學生進行后續(xù)課學習及從事設計工作所需知識的必備課程。力學經過100多年的積累與沉淀形成了比較經典的理論體系，但工程實際中的仍有一些問題無法得到精確解和完備的理論解釋。隨著近代計算力學的發(fā)展、計算機技術與數學的發(fā)展，在工程設計中，一些新的設計方法日趨完善與經典力學相互應證，在現代復雜工程設計中充當了重要的角色。材料科學日新月異的飛速發(fā)展，使新興材料的力學性能與傳統(tǒng)材料產生了很大的差別。這些相關學科的發(fā)展都極大的推進了力學的發(fā)展，如何在非力學專業(yè)的機械類學生中進行力學課程的教學，在發(fā)展的時代面前面臨新的問題。

我校是以應用型人才培養(yǎng)為目標，注重培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，課程組就基礎力學教學與工程應用及工科大學生素質能力培養(yǎng)體系展開研究，圍繞學校辦學特色，結合機械工程、車輛工程、材料工程專業(yè)特點，在基礎力學教學中提出“課程體系貫通化、求解問題工程化、工程構件模型化、教學手段多樣化、經典力學柔性化、反映學科現代化”的建設目標，并實施了改革實踐，突出培養(yǎng)學生的實踐應用能力、抽象簡化能力、初步的科學研究能力和綜合的工程素質。

一、課程體系貫通化

（一）調整教學內容，實現力學課程體系與其它課程貫通

我校機械類工科專業(yè)在力學課后會開出機械原理、機械設計、汽車理論、汽車設計等專業(yè)課，這些課程用到大量的力學知識，而以學科劃分的課程不能反映出學科間的相互聯系與變化，造成課程體系僵化、課程內容重復、課程信息陳舊等問題。通過調研基礎力學先修課和后續(xù)課的教學內容，適當打破原課程體系的嚴格界限，建立貫通化課程體系，對基礎力學課程的教學內容進行有機組合和優(yōu)化。對于同一類教學內容或采用合并或在力學教學中只簡單復習不再深入討論。重點與后續(xù)專業(yè)課的某些知識點建立聯系，將后續(xù)課程的研究對象引入力學課堂，這樣，學生在后期的學習中其所用的理論分析體系已經熟悉，專業(yè)課的再次提及既可強化簡力學應用，又可減少理論分析時間，為學生學習專業(yè)課夯實力學基礎。

（二）確立“三年力學學習不斷線”滲透式的教學體系

大學二年級通過兩門基礎力學課程學習力學基本理論和方法，融入力學競賽與力學小課題。大學三年級在有限元法基礎與應用課程中進一步深入力學模型的概念，結合工程實例介紹力學模型構建的思路，并通過典型的力學模型的理論解與仿真結果對比，提高學生的仿真和力學應用分析能力。同時成立CAE課外興趣小組，對學生實行個性化培養(yǎng)。大學四年級將力學課題滲透到課程設計、畢業(yè)設計課題中，進一步強化力學在工程實際中的應用。

二、求解問題工程化

力學問題來源于實踐，回歸于實踐。將力學理論緊密結合實際問題是其立足之本。

（一）深入實際進行調研

通過往屆畢業(yè)生的“基礎力學教學與工科大學生工程素質的培養(yǎng)研究”調研表，了解畢業(yè)生從事的工作中運用力學知識的重要程度、應用的重點內容、應用中理論的充足性以及畢業(yè)生對基礎力學課程教學內容的建議，收集他們在工作中應用力學知識解決實際問題的實例。通過分析總結課程組進一步增強了基礎力學教學改革及培養(yǎng)學生工程應用能力與創(chuàng)新能力的信心。同時對奇瑞汽車公司、東風有限商用車技術中心CAE室等單位進行了調研，了解汽車生產中較為集中的力學設計計算內容及設計部門對基礎力學教學的建議，了解CAE室最新發(fā)展狀況，收集生產部門的具體力學實例，掌握力學在生產實際與前沿研究中的應用，積累了大量的工程素材。

（二）建立工程實例素材的共享庫

通過教師的教學實踐和科研成果的資料收集，整理出上百個與機械和汽車相關的工程實際問題及其力學模型，包含生活領域及自然界中與力學問題有關的趣味例子，形成較為豐富的課程資源庫。這些資源可直接用于教學，為每一章新內容的引入與理論應用提供了良好的工程平臺，由于學生學習目的明確，易于接受，使較為嚴謹的力學課堂教學吸引力有了極大提升。同時，該工程實例庫面對全體課程組教師實現教學資源共享，不同的經驗可以相互借鑒，為教師整體教學水平的提高和團隊以老帶新打下良好基礎。

（三）根據自身特點，編寫出版教材

為突出課程培養(yǎng)特色，課程組在配套十一五優(yōu)秀教材的基礎上，編寫工程針對性強的習題冊。一些習題來源于工程實際設計課題，涉及車輛部件、機床結構、機械手、加工工裝及工藝等。習題冊內同時增加一部分有一定深度題目，也涉及實驗測設方法與理論分析相結合的實驗方案確定問題，強化實際應用，拓展學生的思維，培養(yǎng)學生的研究能力。

三、工程構件模型化

力學建模是聯結力學與工程應用最為重要的紐帶，其重要性毋庸置疑。基于這點共識，工科高校也紛紛開設力學建模的講座或課程。因此，課程組在課程中為力學建模設置單獨教學單元，就模型簡化的載荷處理、約束處理、等效替換等問題通過實例進行分析。同時，本課程組提出“力學建模貫穿式”教學，該模式符合“三年力學學習不斷線”的教學體系。即在基礎力學學習中，采用概念實例力學模型的教學模式展開，力學模型描述的內容含有構件的幾何、材料、受力和約束模型。而工程結構力學模型的參數估計和模型的檢驗在后續(xù)有限元法課程中將涉獵。

四、教學手段多樣化

針對教學手段以“處方式”為主、學生“按方取藥”，建立了“課內與課外相結合、多媒體與板書相結合、理論與實驗相結合”的教學模式。

（一）課內與課外相結合

課內教學堅持以學生為主體，教師為主導的原則，在教學手段方面形成了基礎力學課程的教學特色，即基于基礎原理傳授式教學、基于工程背景啟發(fā)式教學、基于力學專題研究型教學、基于思考題討論式教學。在夯實第一課堂的基礎上，大力拓展第二課堂，鼓勵學生不滿足書本上的知識，積極進行課外研究。1）建成基礎力學教學網絡平臺。開發(fā)了一套具有不同教師個性化的、能反映教學過程管理和監(jiān)控的網上輔助教學系統(tǒng)。該教學平臺包括隸屬于每位教師的教學資料、教學管理信息，以及課程公共的資料信息，能夠構建基礎力學課程的課后學習及教師日常教學管理等環(huán)境。考慮到力學系列課程的建設，網站除了開辟了理論力學，材料力學課程外，還增設了流體力學和有限元法基礎等課程。課程網站建設的除包括基本的課程簡介、教學大綱、授課教案、網絡課件、教學錄像、力學實驗外，還包含力學論文、力學自測題、趣味力學、力學小課題和力學名人新穎的內容。為學生課外復習課堂內容，學習課程相關知識提供了便利的條件。2） 開展力學競賽。為提高工科學生力學知識水平及應用能力，鞏固所學的基礎知識、活躍思維和激發(fā)鉆研力學問題的熱情，課題組每年舉辦力學競賽。競賽增進了學生對力學學習和研究的興趣，促進了基礎力學的教學改革。3）考研單獨輔導?；A力學兩門課程是工科類學生考研的專業(yè)課，分值高達150分。課題組教師收集了各個學校的考研試題，分析總結了試題的知識點、分值分布和解題方法，對需要的學生進行單獨輔導。4）開展力學小課題的活動。充分考慮學生個體化差異，實現常規(guī)教學與個性培養(yǎng)相結合、課內和課外相結合的教學模式，著力培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力和綜合應用能力。力學小課題融新穎、靈活、趣味于一體，理論聯系實際、包括討論題、設計題、利用計算機求解的問題等。

（二）多媒體與板書相結合

課程教學中，采用傳統(tǒng)的黑板教學和現代多媒體技術相結合，利用現代計算機數值模擬仿真動畫技術，直觀揭示構件各種變形下的應力分布規(guī)律、變形特點等；通過啟發(fā)式教學，揭示知識發(fā)生過程。例如，在講解應力集中問題時，由于缺乏相應的配套實驗，學生往往很難理解。利用通用有限元分析軟件能夠模擬出帶小圓孔方板的應力分布圖，同時還可以引導學生分析孔的大小、形狀及位置與應力集中的關系，如圖1。對于某些強調學生思考的問題，可以在黑板上逐步進行引導，讓學生給出求解思路和方法，這樣的方式互動性強，促進學生主動思考。

（三）理論與實驗相結合

除開出教學基本要求的實驗外，實驗室實行分期全天開放，為學生提供可選做的實驗項目，學生可也利用實驗設備，自行驗證理論、設計實驗。實驗教師開發(fā)出新的設計性實驗項目，實驗內容注重工程背景、追求真刀真槍、突出學科交叉。如：閉口方鋼的性能測試及數值模擬分析，槽鋼的性能測試及數值模擬分析等，通過理論計算、電測試驗和仿真模擬，研究結構在變形時的力學性能和特點。在理論層次、實驗方法設計層次方面對學生的實踐應用和研究能力都有一個大的提升。

五、經典力學柔性化

專業(yè)基礎課要“厚”，不僅體現在課程本身的教學內容上，還涉及科研精神的培養(yǎng)與教學中體現的人文精神。

（一）實現基礎力學課程的模塊化教學，由1+1變?yōu)?+2。嘗試多學時力學課程分模塊化教學

使學生分階段重點掌握知識內容，易于學習消化，易于監(jiān)督檢查，在一定程度上防止了學生前期懶散最終一次性復習的不良習慣，培養(yǎng)學生持之以恒進行科學研究的工程素質。經過三輪教學實踐，考試成績分析及試卷分析報告說明：實施模塊化教學能更加全面的考察學生對課程的掌握情況，學生前期內容明顯掌握扎實，避免了大學分課程一次性考試剛度過大的問題，同時幫助學生逐步養(yǎng)成腳踏實地、堅持不懈的優(yōu)良學習習慣，逐步建立做人做事上不要投機取巧的思維模式。

（二）在經典力學教學體系中引入人文教育

力學課程內容嚴謹、邏輯性強、推到繁雜，學生學習有一定的難度。在授課中適當介紹本學科相關歷史和發(fā)展進程及關鍵人物。如，講胡克定律時介紹中國古代鄭玄的貢獻；講梁的合理截面時介紹中國古代對矩形截面梁高寬比的認識；講梁彎曲時介紹圣維南的貢獻等。學生在學習力學知識的同時，對其發(fā)展過程有初步的了解，認識前人在學科發(fā)展中探索研究的艱苦歷程和學科發(fā)展史與人類文明史之間的關系，激發(fā)學生學習興趣和探索鉆研精神。

六、反映學科現代化

筆者認為將課程的前沿內容引入到教學中是對教師能力的一個極大挑戰(zhàn)?，F代科學發(fā)展迅猛，一些傳統(tǒng)的設計方法在碰到復雜大型設計問題上會顯得繁雜而無力，在力學學科中新的技術、理論及應用也在不斷涌現，其理論新、涉及面廣、實用性強。將這些先進的方法融入教學對開拓學生視野無疑具有積極的作用。課程組教師結合自身科研對一些現代先進的科技成果和學科的發(fā)展動態(tài)適當的增加，如：當代力學計算手段有什么，可以應用到什么方面的設計，引入優(yōu)化、非線性、有限元分析技術介紹等。在專項內容方面，講授上除經典理論外，將最新研究成果進行介紹，使學生在這一方面有初步的、較為全面的知識把握。如講授疲勞內容時，將疲勞的新、舊理論進行介紹，闡明單軸與多軸疲勞應力分析之間的區(qū)別與聯系，對其應用背景進行闡述。在材料力學性能講授時，對新興各向異性復合材料的性能與各向同性經典材料進行對比等。

通過“六化”建設目標的提出和實施，課程組力爭全方位構建培養(yǎng)高素質人才的工科力學教學體系。該體系集基礎性、層次性、系統(tǒng)性為一體，具有“立足培養(yǎng)目標、突出工程背景、張顯與時俱進、強化綜合交叉、體現學科成果”五個特點，為理論與實踐相結合的工程素質教育培養(yǎng)探索出一條有益的道路。

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