机械毕业设计（论文）-海水有机锡测定机械手设计【全套图纸】

本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 31 页1引言随着人类社会工业化的不断发展,海洋污染问题日益严重,而有机锡作为人为因素引入海洋环境的极毒化学品之一, 已经引起各国政府和环保组织的高度重视 1。在海洋领域, 有机锡主要用于海洋船体的防污涂料中, 其中氯化三丁基锡( TBT )是对人体和生物有巨毒的物质, 极低质量浓度的 TBT 就能引起海洋生物累积性中毒或引起可怕的生殖逆向性变化, 引起生物性畸变。有机锡化合物对于海洋生态系统的不同层次、不同侧面、各个子系统都会造成严重的污染,甚至是不可逆转的破坏,最终将影响到人类的生活和生存。全套图纸，加由于海水中有机锡的质量浓度很低, 因此研制开发具有高灵敏度的有机锡的测定方法具有重要的实际意义。采用机械手进行测定便是大家普遍认同的方向。机械手是一种模仿人手动作并按设定的程序、轨迹和要求替代人手抓取、搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动化装置，不仅可以提高生产过程中的自动化程度，而且还可以改善劳动条件，减轻人力，并便于有节奏的生产作业。机械手的迅速发展是因为它对于工业自动化生产的积极作用正在日益为人们所认识：首先，它 本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 31 页可以部分地代替人工操作；其次，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和重复装卸；再次，它能操作必要的机具进行焊接和装配。它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。所以，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。工业机械手的性能，要求不断提高工，作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。机械手研究的关键在于：安全可靠性、自适应性和更高的智能。安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制系统要简单化，并且向小型化，集成化技术的发展。日本学者认为多自由度多控制单元机械手缺乏机械的可靠性和实用性，并且存在着抓取稳固性和控制复杂性的问题，在微处理器防辐射能力有限的情况下，很难可靠地控制复杂的多单元机械手。从这点出发，研制使用简单、可靠的机械机构机械手就成了发展的趋势。11 设计任务及目的本毕业设计所设计的有机锡测定机械手替代人手来完成化学成分鉴定中化学试剂在萃取瓶中萃取，并在反应容器中鉴定的系列动作。海水中有机锡含量的鉴定通常是通过手工方式将萃取针压进发生器，10 分钟后将萃取针从发生器中取出。然后，萃取针移动到气相色谱仪进样口进行反应，从而获得相关实验数据。由于海水中有机锡的质量浓度很低, 因此研制开发具有高灵敏度的有机锡的测定方法具有重要的实际意义。本课题的的工作就是将手动来完成的工作通过自动机械手的方式来替代，提高测定设备的自动化程度。自动机械手的设计要实现控制简单，维护方便，可以适应海上的工作环境，能够更好的完成实验操作。12 国内外相关技术的现状和发展趋势目前机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。随着生产的发展，机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大并发展成为工业机器人。 本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 31 页从 1959 年美国 UNIMATION 公司推出了全世界第一台工业机器人，随着科学技术的不断进步与技术的日益创新。世界各国在机器人制造业竞争十分激烈。其中美国、日本及西欧机器人制造业在世界上具有一定的代表性。尤其是日本，随着电子自动化技术的迅速发展和相应举措的得当应用，使其超越美国成为“机器人王国” 。随着自动化技术的不断发展，特别是计算机的出现推动了机器人迅速向前迈进。从上世纪 50 年代到本世纪初机器人技术无论是在研究品种与制造质量，或是在销售数量与应用范围（工业领域或非工业领域）方面，都在不断扩大和提高。从研究品种来看，机器人可以按负载重量、控制方式、自由度、结构或应用领域等分成很多种类，一般可以分为操作型机器人、程控性机器人、示教再现型机器人、数控机器人、感觉控制型机器人、适应控制型机器人、学习控制型机器人及智能机器人。我国的机器人从应用领域出发，分为工业机器人及特种机器人两大类。从应用范围来看，19992003 年，世界实际装备工业机器人数量预计将由 1999 年的 74.3 万台增加到 89.2 万台。其中日本、美国、欧洲居前三位。从销售数量来看，自从 20 世纪 60 年代机器人进入工业领域以来，世界各国历年累计销售量到 1999 年底达到约 110 万台。1999 年世界工业机器人的年销售额比上半年增长 7%，达到 51 亿美元。与创纪录的 1999 年同期相比，2000 年上半年世界机器人增长了 12%。欧洲的销售合同增长 14%，亚洲销售合同增长率 38%。我国在机器人的研究方面，与世界其他工业发达国家相比，落后了 10 年多时间。真正的研究应该始于 20 世纪 70 年代初期。1972 年我国开始研究自己的工业机器人。进入二十世纪 80 年代后，国家 863 计划把机器人自动化领域的重要研究课题。这样机械手也步了入快速发展的轨道。经过十几年的研究、生产和应用，是中国的机械手的生产从无到有，跨出了一大步。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年查销售额已突破十亿元。 “十五”是中国工业机器人产业发展的一个关键转折点，市场需求也有一个井喷的发展。经过“八五” 、 “九五”的技术攻关，我国基本掌握了工业中机械手的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业中所用到的不同类型机械手并装配于大型生产线中。13 本课题研究的意义 本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 31 页本课题研究通过有机锡测试装置测定海水中有机锡，通过对项目的分析及方案论证，最终确定开展对简易型精确定位自动机械手的开发和研究，通过机械手控制萃取装置实现测试过程的自动化。该机械手要求在 X、 Y 两坐标中可以实现有效行程内准确定位，并能在实际操作中尽可能的简便，采用现代工业自动化普遍用到的可编程控制器(PLC)对系统动作进行控制。工业机械手运动臂的控制方式主要有液压驱动，气压驱动，电动控制，机械传动控制。在本课题的研究中，舍弃了传统的液压驱动，气压驱动，采用全电动控制。通过对直线运动定位技术的研究，实现机械手的控制和驱动。结合课题中的两自由度机械手，本文深入地研究了通过电动驱动和 PLC 控制系统的原理及其实现方法，实现了运行速度快、易于控制、控制精度高、结构简单、维护与使用方便。本课题的研究，为纯电动机械手的实现和应用，提供了一种简单易行且具有一定定位精度的方法，此方法对电动控制机械手在工业自动化中的应用，具有较高的工程实际意义。同时可以提高学生综合运用所学理论知识进行机械产品液电气系统设计的能力，并通过与同组同学配合，锻炼其合作设计机电系统的能力。2总体方案设计21机械手设计说明本课题针对海水中有机锡测定过程中自动化程度不高的弊端，通过设计自动机械手用以替代之前的检测手段，提高测定设备的自动化程度。海水有机锡测试装置（如图 2.1）由气相色谱仪、用于控制萃取针的机械手、氢化物发生系统和系统控制单元组成。本课题设计的机械手固定在所述气相色谱仪的工作台面上，系统控制单元用来连接机械手和气相色谱仪、氢化物发生系统。 本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 31 页图 2-1 海水有机锡测试装置测试装置由气相色谱仪（3） 、用于控制萃取针（2）的机械手（1） 、氢化物发生系统（5）和系统控制单元（4）组成。本课题完成对机械手（1）的设计。大多数工业机械手运动臂的控制方式主要采用液压或气压驱动。这种控制方式的优点是结构简单、易于控制，但需要配置压力源或气源，控制系统的体积大，系统定位靠设定行程开关的位置来实现，可靠性和灵活性差，不利于生产过程的自动化。基于上述原因，我所设计的有机锡测定机械手的运动定位全电动控制方式，用伺服电机和步进电机驱动机械手手臂和躯干的运动，实现升降和伸缩。这种方式可以避免液压驱动和气压驱动产生的弊端。为实现这一过程，需要采用对直线运动单元(滚珠丝杠及直线导轨)进行设计选型，用以实现给定位移的移动。对步进电机进行数据分析并选型，用以实现对动作的驱动。并用 PLC 对系统进行控制。22 机械手系统功能分析2.2.1功能要求根据本课题的应用要求，我所设计的机械手应具备以下的功能：(1)机械手采用步进电机驱动，配以直线运动系统，要设计合适底座，保证机构能 本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 31 页够平稳运行，电机能够稳定输出。(2)在指定行程范围内，利用滚珠丝杠带动滑台实现X 方向125mm，Y方向181.5mm，机械手能够准确的运动并将带动探针移动至指定位置，实现萃取实验功能。该系统的作用是控制萃取装置，使萃取装置能够在X 方向，Y 方向进行准确定位，为之后的实验动作提供准确的位置保证。(3)机械手带动萃取装置在指定位置停住，使萃取针能够进行萃取动作。通过凸轮传动使萃取针能够下压20mm。(4)机械手通过步进电机进行驱动，以PLC为控制模块，控制电机的脉冲信号，从而实现控制简单，准确。要求PLC能与被控制系统实现有效通讯，通过合适的程序使PLC能够完成运动参数的变化。(5)机械手需要以海水为实验对象，通常要在海上进行实验操作。所以要保证系统尽可能的平稳，准确的运行。在正常和非正常工作情况下，及使出现意外故障，也要求机构能够尽可能的便于修理甚至更换零件。2.2.2工作流程机械手的工作流程如下图所示：开始 系统初始化 实验动作机械手移动机械手还原机械手移动 定位萃取针定位萃取针实验动作结束图 2-2 机械手的工作流程基于课题的实际应用要求，再考虑执行部件的特点，具体的实验步骤如下：1)启动气相色谱仪至工作状态，机械手将萃取针移动至原点。2)移动机械手至发生器上方，将萃取针压进发生器上盖口，压下萃取针，将萃取纤维伸出，使萃取纤维暴露在发生器中，开始计时。3)10 分钟后，将萃取纤维缩回，将萃取针从发生器中取出。4)移动机械手将萃取针移动到气相色谱仪进样口，将萃取针插入气相色谱仪进样口， 本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 31 页压下萃取针，将萃取纤维伸出，是萃取头暴露在进样口中，开始计时。5)5 分钟后，将萃取针头缩回，将萃取针从进样口中取出，移动机械手将萃取针移动至原点，测试完成。3机械手运动机构详细设计31运动机构设计要求本课题设计的机械手，要完成对海水中有机锡测定的实验操作。固定在测试装置底座上，可以实现 X 方向 125mm，Y 方向 181.5mm 的移动。4316 789 1025图 3-1 机械手运动机构简图图中（1）为底座， （2） （5）为直线运动系统， （3） （4）为伺服电机， （6）为步进电机， （7）为连接板， （8）为萃取针， （9）为实验瓶， （10）发生器。在本课题中，按照实验要求和实际设计情况，设计的运动系统为 XY 型直线运动系统，即在 XY 方向上分别实现直线运动。Y 方向上，由伺服电机（4）控制直线系统（2） ，使其在 Y 方向的运动距离为 150mm。X 方向上，在直线系统（ 2）的工作台上固定直线系统（5） ，并由伺服电机（3）进行控制，使其在 X 方向的运动距离为200mm。在直线系统（5）的工作台上，固定萃取部分。萃取部分由步进电机（6）连 本 科 毕