摘 要随着社会不断进步及科学不断发展，工业生产也在变革，智能化及自动化的生产方式成为工业国家的主要生产方式。 机械手，也叫自动手，能模仿人手和臂一些动作，按固定程序进行抓、搬及操作工具。由手部、运动机构及控制系统这三部分组成。手部用来抓持工件，结构形式因被抓持物件的尺寸、形状、材料、重量及要求变化，有吸附型、夹持型、托持型等。手部和运动机构能通过各种转动、移动或复合运动完成需要动作，被抓工件的位置可以改变。自由度为运动机构伸缩、升降、旋转等运动方式。专用机械手一般有2-3个自由度。通过对每个自由度的电机控制以完成指定动作为控制系统。接收传感器反馈到的信息从而形成闭环控制。一般通过单片机进行编程。由于电子计算机的广泛应用，机器人已成为一种新兴技术，促进了机械手的发展，使其更好地实现机械自动化。随着工厂自动化装备的发展，机器人在各领域的应用日益广泛。此次设计的小型机械手有4个自由度，2个回转，1个上下移动，1个夹持旋转180°。本设计首先对机械手进行结构运动分析，包括其移动、旋转关节的设计，传动部分的设计，底座、同步带轮的设计等，计算并校核主要部件的刚度、强度，最后用PLC进行控制。
目 录
第一章 工业机器人手臂升降机构总体方案设计 1
1.1总体方案分析 1
1.1.1设计任务 1
1.1.2方案选择 1
1.2总体结构分析 1
1.2.1结构特点分析 1
1.2.2工作原理分析 2
第二章 工业机器人手臂升降机构总体结构设计 3
2.1机械手手部设计 3
2.1.1设计时要注意的问题 3
2.1.2手指夹紧力的计算 3
2.1.3气缸的设计 3
2.2移动关节的设计 4
2.2.1驱动方式的比较 4
2.2.2气缸的设计 4
2.3小臂的设计 5
2.3.1设计时注意的问题 5
2.3.2小臂结构的设计 5
2.3.3轴的设计计算 6
2.3.4轴承的选择 7
2.3.5轴承摩擦力矩的计算 7
2.3.6伺服系统的选择 8
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3.7传动结构设计 8
2.4大臂的设计 12
2.4.1结构的设计 12
2.4.2轴的设计计算 12
2.4.3轴承的选择 13
2.4.4轴承摩擦力矩的计算 14
2.5立柱的设计 14
2.5.1设计时注意的问题 14
第三章 直线导轨的选择 16
3.1直线导轨特点 16
3.2直线导轨主要参数 16
3.3直线导轨的寿命 17
第四章 工业机器人手臂升降机构控制系统设计 18
4.1PLC控制系统的设计步骤 18
4.2PLC类型的选择及I/O点的确定 18
4.2.1PLC类型的选择 18
4.2.2I/O点的确定 18
4.3PLC程序的编程 19
4.3.1编写PLC程序 19
4.3.2制作NS流程图 19
4.3.3编写PLC程序时需要注意的问题 20
结束语 21
致谢 22
参考文献 23
第一章 工业机器人手臂升降机构总体方案设计
1.1总体方案分析
1.1.1设计任务
本次毕业设计的任务是：工业机器人手臂升降机构设计。主要技术参数如下：
机械臂类型：关节型
升降最大重量：1kg
自由度：4个（2个回转，1个上下移动，1个夹持旋转180°）
大臂：长为400mm，回转运动，其回转角为240°，由步进电机驱动并由单片机控制
小臂：长为310mm，回转运动，其回转角为240°，由步进电机驱动并由单片机控制
移动关节：气缸驱动，行程开关控制
旋转抓手：气缸驱动，行程开关控制
1.1.2方案选择
其功能是抓取和转动，机械结构设计和伺服控制驱动决定能否实现。本次设计的大臂旋转运用步进电机驱动和两级同步带通过减速来传动；小臂旋转运用另外的步进电机和两级同步带减速来传动；由于此次设计工作范围较小，所以手臂的升降通过气缸驱动实现；末端夹持器使用外夹式，通过小型气缸驱动来夹紧。
1.2总体结构分析
1.2.1结构特点分析
根据参数及设计要求分析，此机械手分为底座、大臂、小臂、上下关节、手指组成，步进电机安装在底座与大臂、大臂与小臂连接处，小臂连接气缸带动直线导轨滑动，以实现移动关节带动手指上下升降搬运工件，机械结构及其如下图11所示。


图11 机械结构图
1.2.2工作原理分析
本次设计中，大臂转动关节与立柱连接大臂，立柱上配电机架，步进电机配在电机架上，步进电机驱动两级同步带联接减速，带动大臂转动，速度和频率由单片机控制；大臂与小臂的关节处配驱动装置，结构与上述大臂关节相同；导轨上下支撑与小臂固定连接直线导轨，气缸连接板与直线导轨由滑块固定，导轨支撑上固定气缸，气缸活塞杆连接气缸连接板上下移动；气缸驱动通过手指控制，使其从外部抓轴类工件，并能旋转180°。
第二章 工业机器人手臂升降机构总体结构设计
2.1机械手手部设计
机械手的手部是抓持工件或工具的关键部件之一，其速度、准确性及耐劳度直接决定机械手的工作性能的好坏。
2.1.1设计时要注意的问题
（1）具有适当夹紧力和驱动力，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应该具有足够的开闭角度

，以便抓取工件。
（3）保证足够的刚度、强度，使其结构紧凑简单轻巧、效率高，以便减轻手臂的负载。
（4）保证手抓的夹持精度。
2.1.2手指夹紧力的计算

（G=10N，f指工件与手指间的静摩擦系数） ，
工件和手指材料分别为45号钢和钢，查表得f=0.15
，

，取N=17N
驱动动力:
（
为斜面倾角，取
=15°，
为传动效率），
查表得
=0.850.92，取
=0.85
，

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