工业机械手设计论文.doc 81页

'学士学位论文工业机械手设计论文摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。主要包括三个方面：机械手腰部，大臂，小臂，手爪的结构设计；液压系统设计；PLC控制部分的设定。关键词：机械手；液压系统；PLC控制78 学士学位论文AbstractInthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,manipulatorsgraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Integratetheknowledgeofthepastfouryears’ofundergraduatecourseofMachine,discussandanalysistheeachpartandfunctionofmanipulator;designakindofCylindricalcoordinatesmanipulatorusedtopackandunloadworkpieceforCNCmachinetools.Inparticular,makethedetaileddesignaboutbase,arm,andhandclawandthecontrolsystemetc.Therearemainlythreeaspectsinthedesign:Thestructuredesignofbase,arm,forearmandhandclaw ;ThedesignofThehydraulicsystem;ThesettingofPLCcontrol.Keywords:Manipulator;Structure;Hydraulicsystem;PLCcontrol78 学士学位论文78 学士学位论文1.绪论机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸。［1］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，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人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是非常有意义的。1.1设计目的通过机械设计制造及自动化专业大学四年知识的学习,进行机械手的设计,可以更好地巩固所学的课程，,实现理论与实践的结合。78 学士学位论文目前,国内很多工厂的生产线上机床装卸工件仍由人工完成,劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线成为柔性制造系统,适应现代自动化生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术,设计用一个装卸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车床(数控铣床、加工中心等)组合最终形成生产线,实现过程无人自动化。目前,中国的制造业发展迅速,越来越多的制造业,越来越多的生产制造商。这个设计可以应用到加工厂车间,满足数控机床和加工中心加工、安装和卸载加工要求,以降低劳动强度,节省加工辅助时间,提高生产效率和生产力。［3］1.2机械手的发展历史机械手自二十世纪六十年代初问世以来，经过40多年的发展，现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前，正式投入使用的绝大部分机械手属于第一代机械手，即程序控制机械手。这代机械手基本上采用点位控制系统，没有感觉外界环境信息的感觉器官，主要用于焊接、喷漆和上下料。第二代机械手具有感觉器官，仍然以程序控制为基础，但可以根据外界环境信息对控制程序进行校正。这代机械手通常采用接触传感器一类的简单传感装置和相应的适应性算法。现在，第三代机械手正在第一、第二代机械手的基础上蓬勃发展起来，它是能感知外界环境与对象物，并具有对复杂信息进行准确处理，对自己行为做出自主决策能力的智能化机械手。它能识别景物，具有触觉、视觉、力觉、听觉、味觉等多种感觉，能实现搜索、追踪、辨色识图等多种仿生动作，具有专家知识、语音功能和自学能力等人工智能。1.3国内外研究现状和趋势78 学士学位论文目前，在国内外各种机器人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：A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B．工业机器人控制系统向基于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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C．机器人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，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，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；E．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、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：其一是机器人的智能化，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，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，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。1.4应用领域工业制造领域：主要让机器手在机械制造业中代替人完成大批量、高质量要求78 学士学位论文的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，也有部分是由机器人完成的,如图1.1。军事领域：主要让机器人执行一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹等。还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要的工作。医疗领域：主要用来辅助护士进行一些日常的工作，以及协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部手术等。图1.1工业机械手78 学士学位论文2.机械手的整体方案2.1机械手坐标形式分类工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。其结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。圆柱坐标机器人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b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。球坐标机器人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c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。78 学士学位论文图2.1关节型机械手类型2.2设计方案具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，直径160MM。同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。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两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2.2所示。图2.2机械手工作布局图78 学士学位论文2.3整体设计参数1.水平伸缩位移：0～400mm水平伸缩速度:50mm/s重复定位精度：+/-1mm2.垂直升降位移：100mm垂直升降速度：200mm/s重复定位精度：+/-1mm3.回转速度：45°/s4.最大持重：30KG（可随液压系统压力适当增大）5.驱动方式：电液混合驱动6.液压油：石油基液压油7.控制方式：PLC8.自由度数：39.结构型式：圆柱坐标型式10.整机重量：约180KG11.电源：220VAC/24VDC78 学士学位论文3.机械手结构设计3.1机械手腰座结构设计3.1.1腰座设计要求工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人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的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）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。3.1.2设计方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，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。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用减速箱进行减速和扭矩的放大。腰座具体结构如图3.1所示：78 学士学位论文图3.1基座结构3.2机械手手臂结构设计3.2.1机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则：1.应尽可能使机器人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，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。78 学士学位论文3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人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。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。3.2.2设计方案机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，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，不用再设计另外的执行件了；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。因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是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缸径来增大刚度，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。3.3机械手腕部结构设计3.3.1机器人手腕结构设计要求78 学士学位论文1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递3.3.2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。3.4末端执行器（手爪）结构设计3.4.1设计要求机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。在设计机器人末端执行器时，应注意以下问题：1.78 学士学位论文机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。［10］2.机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.4.2夹持器典型结构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.连杆杠杆式手爪这种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.齿轮齿条式手爪这种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，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。3.4.3设计方案结合具体的工作情况，本设计采用齿轮齿条式的手爪。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160mm来设计。手爪的具体结构形式如图3.2所示：78 学士学位论文图3.2手爪78 学士学位论文4.机械传动机构设计4.1传动机构设计应注意的问题机械手是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机械手各联杆及各关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机械手所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响着机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此，应设计和选择满足传动间隙小，精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。在设计机器人的传动机构时要注意以下问题：1.为了提高机械手的运动速度及控制精度，要求机械手各运动部件的重量要轻，惯量要小。因此，机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小。2.在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。3.系统传动部件的静摩擦力应尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减小。因此，要采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件。4.2减速箱减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，如图4.1，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。78 学士学位论文图4.1减速箱选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。1.齿轮、轴及轴承组合小齿轮与轴制成一体，称齿轮轴，这种结构用于齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下，如果轴的直径为d，齿轮齿根圆的直径为df，则当df-d≤6～7mn时，应采用这种结构。而当df-d>6～7mn时，采用齿轮与轴分开为两个零件的结构，如低速轴与大齿轮。此时齿轮与轴的周向固定平键联接，轴上零件利用轴肩、轴套和轴承盖作轴向固定。两轴均采用了深沟球轴承。这种组合，用于承受径向载荷和不大的轴向载荷的情况。当轴向载荷较大时，应采用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承与推力轴承的组合结构。轴承是利用齿轮旋转时溅起的稀油，进行润滑。箱座中油池的润滑油，被旋转的齿轮溅起飞溅到箱盖的内壁上，沿内壁流到分箱面坡口后，通过导油槽流入轴承。当浸油齿轮圆周速度υ≤2m/s时，应采用润滑脂润滑轴承，为避免可能溅起的稀油冲掉润滑脂，可采用挡油环将其分开。为防止润滑油流失和外界灰尘进入箱内，在轴承端盖和外伸轴之间装有密封元件。2.箱体78 学士学位论文箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单体生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。灰铸铁具有很好的铸造性能和减振性能。为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体制成沿轴心线水平剖分式。上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近加支撑肋。为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座一般不采用完整的平面。3.减速器附件为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。检查孔为检查传动零件的啮合情况，并向箱内注入润滑油，应在箱体的适当位置设置检查孔。检查孔设在上箱盖顶部能直接观察到齿轮啮合部位处。平时，检查孔的盖板用螺钉固定在箱盖上。通气器减速器工作时，箱体内温度升高，气体膨胀，压力增大，为使箱内热胀空气能自由排出，以保持箱内外压力平衡，不致使润滑油沿分箱面或轴伸密封件等其他缝隙渗漏，通常在箱体顶部装设通气器。轴承盖为固定轴系部件的轴向位置并承受轴向载荷，轴承座孔两端用轴承盖封闭。轴承盖有凸缘式和嵌入式两种。利用六角螺栓固定在箱体上，外伸轴处的轴承盖是通孔，其中装有密封装置。凸缘式轴承盖的优点是拆装、调整轴承方便，但和嵌入式轴承盖相比，零件数目较多，尺寸较大，外观不平整。78 学士学位论文4.3设计方案具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂、垂直手臂和手爪，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮箱传动，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，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。采用大的传动比120，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。随着减速箱的广泛应用，已经成为标配，可以直接按型号选择。硬齿面减速机是按照国家标准（Gb19004-88）生产的，主要包括ZDY（单级）、ZLY（两级）、ZSY（三级）和ZFY（四级）四大系列。本设计选用三级传动即可，见图4.2，性能特点：1.中心距，传动比等主要均经优化设计，主要零、部件互换性好。2.齿轮均采用优质合金钢渗碳、淬火而成，齿轮硬度达HRC58-62。3.体积小、重量轻、精度高、承载能力大、寿命长、可靠性高、传动平稳、噪音低。4.一般采用油池润滑，自然冷却，当热功率不能满足时，可采用循环油润滑或风扇，冷却盘管冷却。图4.2硬齿面减速箱78 学士学位论文5.机械手驱动系统的设计5.1液压驱动系统液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。节流调速系统，动态特性好，但是效率低。容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。［4］1.程序控制机器人的液压系统这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：（1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。（2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。2.伺服控制机器人的液压系统78 学士学位论文具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸，电-液步进马达，电-液步进液压缸，液压回转伺服执行器等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。5.2电动驱动系统这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在100kg以下的工业机器人大多数采用电动驱动系统。［5］在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。［8］1.机器人驱动系统电机的选择机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号。［6］有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表5.1。78 学士学位论文名称主要特点及性能结构特点用途及使用范围驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，低速性好，调速比可达1：10e4范围，但低速输出力矩不大转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器小惯量直流永磁伺服电动机电机的惯量小，理论加速度大，调速比可达1：10e4范围，但低速输出力矩不大转子直径小，惯量小适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器有刷绕组永磁直流伺服电动机转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳无铁心，具有轴向平面间隙可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器78 学士学位论文大惯量永磁直流伺服电动机输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下又称力矩电机，其转子较粗适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙直流PWM伺服驱动器，SCR变压驱动器反应步进电机将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制直流PWM伺服驱动器SCR变压驱动器同步交流伺服电动机转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组可通过大电流，可频繁起、制动转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中交流PWM变频调速器异步交流伺服电动机转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，容量大定子由对称三相绕组组成，用于数控机床主轴等容量大的场合交流PWM变频调速器表5.1驱动电机78 学士学位论文2.机器人电动驱动系统伺服驱动器（1）直流电机伺服驱动器直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。其电源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。（2）步进电机驱动器步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部分组成。脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以控制步进电机。环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电机按着一定的规律运动。功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。目前功率放大器多采用高低压驱动电路。这种电路有高、低压二组电源。当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。高电压加入的时间长短由控制电路来实现。5.3设计方案78 学士学位论文具体到本设计，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，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。因此，要求水平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缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在液压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。6.液压系统基本方案78 学士学位论文6.1液压执行元件液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表6.1名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动；小于180的摆动齿轮马达结构简单、价格便宜高转速、低转矩的回转运动叶片马达体积小、转动惯量小高速低转矩、动作灵敏的回转运动摆线齿轮马达体积小、输出转局大低速、小功率大转矩的回转运动轴向柱塞马达运动平稳、转矩大、转速范围宽大转矩的回转运动径向柱塞马达转速低，输出转矩大低速大转矩回转运动表6.1液压执行原件78 学士学位论文本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体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，剩下的两个运动均为直线运动。因此，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。6.2液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。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。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。［2］本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。6.3液压源系统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。78 学士学位论文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。［11］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。6.4绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图6.1所示，它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/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进入液压缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT得电时，工作液体进入液压缸中，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。78 学士学位论文图6.1液压系统78 学士学位论文7.理论分析和设计计算7.1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。［14］1.液压缸的总机械载荷根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为（式7.1）式中，-----为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；------为活塞上所受的惯性力；------为密封阻力；------为导向装置的摩擦阻力；------为回油被压形成的阻力；（1）的计算（式7.2）式中，------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；------为重力加速度，；------为速度变化量；------启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s78 学士学位论文将各值带入上式，得：=1.02（2）的计算（式7.3）式中，-----克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；------为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：=283N（3）的计算机械手水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为（式7.4）式中，------为机械手和所操作工件的总重量，取为100KG；------为摩擦系数，取f=0.1；带入数据计算得：=98（4）的计算回油背压形成的阻力按下式计算（式7.5）式中，-----为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3-----为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，78 学士学位论文分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为。2.手爪执行液压缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足：（式7.6）式中，-----为所需夹持力；-----安全系数，通常取1.2~2；-----为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，，为重力加速度；-----方位系数，查表选取；-----被抓持工件的重量30；带入数据，计算得：；理论驱动力的计算：（式7.7）式中，----为液压缸所需理论驱动力；----为夹紧力至回转支点的垂直距离；-----为扇形齿轮分度圆半径；-----为手指夹紧力；---齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得78 学士学位论文计算驱动力计算公式为：（式7.8）式中，-----为计算驱动力；---安全系数，此处选1.2；---工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得：而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有（式7.9）式中，---为液压缸工作油压；----为活塞截面积；经计算，所需的油压约为：3.液压缸主要参数确定针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手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、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；手爪执行液压缸参数表7.1:缸内径mm壁厚mm直径mm行程mm工作压力20520803~6表7.1：手爪执行液压缸参数78 学士学位论文注：手爪液压缸工作压力由系统压力阀调定。水平伸缩液压缸参数表7.2:缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力6010254001表7.2水平伸缩液压缸参数因为伸缩缸的作用主要是实现伸缩直线运动这个运动形式，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问题有较高的要求。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。垂直液压缸参数表7.3:缸内径mm壁厚mm杆直径mm行程mm工作压力6010251001表7.3垂直液压缸参数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。［13］78 学士学位论文4.液压缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核当D/时，液压缸壁厚的较核公式如下：（式7.20）式中，----为缸筒内径；----为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；----为缸筒材料的许用应力，，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取；带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为（式7.11）式中，-----为活塞杆上作用力；-----为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。7.2计算和选择液压元件1.液压泵的计算（1）确定液压泵的实际工作压力78 学士学位论文（式7.12）式中，-------计算工作压力，前以定为；------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为1。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为（2）确定液压泵的流量（式7.13）式中，------为泄露因数，取1.1；-----为机械手工作时最大流量。经计算得=3.140带入上式得（3）确定液压泵电机的功率（式7.14）式中，------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；-------液压泵实际工作压力，5；------为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。2.控制元件选型78 学士学位论文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。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。3.油管及其他辅助装置的选型（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取；液压泵吸油管稍微粗些，选择；其余都选为；（2）确定油箱的容量一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为7.3电机相关参数和选型1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有负载额定功率：（式7.15）负载加速功率：（式7.16）负载力矩（折算到电机轴）：（式7.17）负载（折算到电机轴）：（式7.18）起动时间：78 学士学位论文（式7.19）制动时间：（式7.20）2.若传动负载作回转运动负载额定功率：（式7.21）负载加速功率：（式7.22）负载力矩（折算到电机轴）：（式7.23）负载GD（折算到电机轴）：（式7.24）起动时间：（式7.25）制动时间：（式7.26）式中，-----为额定功率，KW；-----为加速功率，KW；-----为负载轴回转速度，r/min；78 学士学位论文-----为电机轴回转速度，r/min；-----为负载的速度，m/min；-----为减速机效率；-----为摩擦系数；-----为负载转矩（负载轴），；-----为电机启动最大转矩，；-----为负载转矩（折算到电机轴上），；-----为负载的，；-----为负载（折算到电机轴上），；-----为电机的，；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；（式7.27）式中，-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-----为机械手本身与负载的重量之和，取100；-----为回转轴半径，R=240；带入数据，计算得=0.12；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；（式7.28）78 学士学位论文带入数据得：=10.45667。将其带入上式，得：启动时间；制动时间；折算到电机轴上的负载转矩为：。3.电机型号的选择根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产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。下图为110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。驱动方式：升频升压；步距角：0.36°；其中步距角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，故其精度是相当高的，完全能满足机械手上下料的定位精度要求。所选电机相关参数图7.4所示：表7.4电机参数78 学士学位论文8.机械手控制系统硬件设计8.1机械手控制要求机械手的动作有水平手臂的伸缩，垂直手臂的升降，执行手爪的加紧与松开以及腰部的旋转。其中，垂直升降和水平伸缩有液压实现驱动。而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，升降分别由双线圈的两位电磁阀控制，例如，当下降电磁阀通电时，机械手下降；当下降电磁阀断电时，机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；而当上升电磁阀断电时，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。［7］而执行手爪的加紧与放松，通过液压缸与齿轮来实现。液压缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，液压缸不工作，当线圈通电时，液压缸工作冲程，手爪张开，液压缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方时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。8.2机械手的作业流程图8.1机械手作业流程78 学士学位论文从原点开始，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，同时手爪液压缸电磁阀也通电，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，同时手爪液压缸电磁阀也通电，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；——→78 学士学位论文接着手爪液压缸电磁阀通电，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。8.3机械手操作面板布置操作面板布置如图所示。机械手的操作方式分为手动操作和自动操作两种工作方式可以选择。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。例如，当选择上/下按钮时，按下启动按钮，机械手上升；按下停止按钮时，机械手上升。当选择逆转/顺转按钮时，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。图8.2机械手操作方式78 学士学位论文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。8.4控制器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，选择在国内应用较多的西门子S7-200型PLC，见图8.3。具体型号为SIMATICS7-200CPU224。图8.3SIEMENSSIMATICS-700PLC该机集成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。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。［15］8.5控制系统原理分析78 学士学位论文因为机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件都有定位精度的要求，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8.4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。［12］图8.4控制系统8.6PLC外部接线设计为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制要求，利用西门子SIMATICS7-200（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，故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的输入要求，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8.5所示。78 学士学位论文图8.5PLC硬件接线图8.7I/O地址分配PLC输入元件地址分配明细表如8.1所示：控制元件符号编程地址备注总停开关SB0I0.0按下停止工作启动开关SB1I0.1按下开始工作垂直缸上限行程开关SM1I0.2垂直缸下限行程开关SM2I0.3机床上下料命令开关SB2I0.4检测料架有无工件光电开关SP0I0.5常闭开关，闭合表示有工件控制面板上/下选择开关SQ1I0.6用于手动调整时控制面板夹紧/松开选择开关SQ2I0.7用于手动调整时控制面板顺/逆选择开关SQ3I1.0用于手动调整时78 学士学位论文控制面板手动工作选择开关SQ4I1.1用于手动调整时控制面板自动工作选择开关SQ5I1.2表8.1PLC输入元件地址分配明细表PLC输出元件地址分配明细表8.2：控制元件符号编程地址备注步进电机高速驱动脉冲输出Q0.0步进电机方向控制Q0.2Q0.2为1顺时针，反之为逆时针；垂直缸上升动作电磁阀2DTQ0.1垂直缸下降动作电磁阀3DTQ0.3手爪张开动作电磁阀5DTQ0.4机械手原点状态指示灯L1Q0.5显示原点位置中断强制关机开关KMQ0.6用于中断控制表8.2PLC输出元件地址分配明78 学士学位论文9.机械手控制系统软件设计1.主程序流程图9.1图9.1主程序流程图2.软件程序机械手控制系统的软件设计采用西门子S7-200PLC的编程软件STEP7-Micro/WIN32进行，通过编程给出具体控制程序梯形图并进行编译和调试。具体程序代码，包括主程序MAIN，自动操作子程序SBR-0，手动工作子程序SBR-1，机械手中断服务程序INT_0。详细程序参照附录。78 学士学位论文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。本设计摒弃了照搬照抄国外设计，不具体问题具体分析，不顾具体工作要求，一味仿照国外原型，盲目选择高精度、高性能、高价格的先进元件和设备，从而导致很多功能根本用不着，无谓的提高了成本，造成资源浪费的老设计“套路”和老方法。在满足系统工艺要求的前提下，将机械手系统中相对独立的环节采用高性价比且相对简洁的结构形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性。本机械手能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。它在实际生产中的应用推广必将提高产品的质量，减轻工人的劳动强度，促进生产技术的进步。具有很好的经济效益。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，通过近三个月的毕业设计，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。78 学士学位论文参考文献［1］张建民机械手设计［M］.北京：北京理工大学出版社，2007.169～183.［2］袁子荣.液气压传动与控制［M］.重庆：重庆大学出版社，2007.39～241.［3］陈恳，杨向东，刘莉，等.机器人技术应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.106～111.［4］陈奎生.液压与气压传动［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2001.47～106.［5］张铁，谢存禧.机器人学［M］.广州：华南理工大学出版社，2001.115～138.［6］费仁元，张慧慧.机器人设计和分析［M］.北京：北京工业大学出版社，1998.190～234.［7］王永章，杜君文，程国全.数控技术［M］.北京：高等教育出版社，2001.251～273.［8］郭爱芳，王恒迪.传感器原理及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.281～290.［9］鄂大辛.液压传动与气压传动［M］.北京：北京理工大学出版社，2007.276～294.［10］陆祥生，杨秀莲.机械手理论及应用［M］.北京：北京铁道出版社，1985.40～63.［11］宋建武，赵冬梅.液压与气动元件操作训练［M］.北京：化学工业出版社，2007.249～261.［12］吉顺平，孙承志，路明，等.西门子PLC与工业网络技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.1～6.［13］朱梅，朱光力.液压与气动技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.177～201.［14］杨文生，沈兆奎，王宝中，等.液压与气压传动［M］.北京：电子工业出版社，2007.224～264.78 学士学位论文［15］常晓玲.电气控制系统与可编程控制器［M］.北京：机械工业出版社，2004.170～226.78 学士学位论文致谢首先感谢我的指导老师老师，论文的完成是老师悉心教导下完成，严谨的治学态度、渊博的学识和敏锐的思维使我在学习中获益匪浅。同时也感谢工厂师傅对我的课题从原理到结构和功能的详细讲解，耐心的指导不仅使我对机械手的了解从有到无，同时也让我学习了液压系统、PLC，拓宽了我在机械方面的知识面。此外，我还要感谢我的同学，在课题的研究过程中给与了我结构设计方面的灵感，也感谢他们对我的论文提出的宝贵意见。最后，再一次向支持帮助完成毕业设计的所有人表示深深的感谢。78 学士学位论文附录1英文文献译文1.1英文文献Robotdevelopedinrecentdecadesashigh-techautomatedproductionequipment.Industrialrobotisanimportantbranchofindustrialrobots.Itfeaturescanbeprogrammedtoperformtasksinavarietyofexpectations,inbothstructureandperformanceadvantagesoftheirownpeopleandmachines,inparticular,reflectsthepeople"sintelligenceandadaptability.Theaccuracyofrobotoperationsandavarietyofenvironmentstheabilitytocompletetheworkinthefieldofnationaleconomyandtherearebroadprospectsfordevelopment.Withthedevelopmentofindustrialautomation,therehasbeenCNCmachiningcenter,itisinreducinglaborintensity,whilegreatlyimprovedlaborproductivity.However,theupperandlowercommoninCNCmachiningprocessesmaterial,usuallystillusemanualortraditionalrelay-controlledsemi-automaticdevice.Theformertime-consumingandlaborintensive,inefficient;thelatterduetodesigncomplexity,requiremorerelays,wiringcomplexity,vulnerabilitytobodyvibrationinterference,whiletheexistenceofpoorreliability,faultmoremaintenanceproblemsandotherissues.ProgrammableLogicControllerPLC-controlledrobotcontrolsystemformaterialsupanddownmovementissimple,circuitdesignisreasonable,withastronganti-jammingcapability,ensuringthesystem"sreliability,reducedmaintenancerate,andimproveworkefficiency.Robottechnologyrelatedtomechanics,mechanics,electricalhydraulictechnology,automaticcontroltechnology,sensortechnologyandcomputertechnologyandotherfieldsofscience,isacross-disciplinaryintegrated78 学士学位论文technology.First,anoverviewofindustrialmanipulator.Robotisakindofpositioningcontrolcanbeautomatedandcanbere-programmedtochangeinmulti-functionalmachine,whichhasmultipledegreesoffreedomcanbeusedtocarryanobjectinordertocompletetheworkindifferentenvironments.LowwagesinChina,plasticproductsindustry,althoughstillalabor-intensive,mechanicalhandusehasbecomeincreasinglypopular.ElectronicsandautomotiveindustriesthatEuropeandtheUnitedStatesmultinationalcompaniesveryearlyintheirfactoriesinChina,theintroductionofautomatedproduction.Butnowthechangesarethosefoundinindustrial-intensiveSouthChina,EastChina"scoastalareas,localplasticprocessingplantshavealsoemergedinmechanicalwatchesbegantobecomeincreasinglyinterestedin,becausetheyhavetofaceahighturnoverrateofworkers,aswellasfortheworkerstopaywork-relatedinjuriesfeechallenges.WiththerapiddevelopmentofChina"sindustrialproduction,especiallythereformandopeningupaftertherapidincreaseinthedegreeofautomationtoachievetheworkpiecehandling,steering,transmissionoroperationofbrazing,spraygun,wrenchesandothertoolsforprocessingandassemblyoperationssince,whichhasmoreandmoreattractedourattention.Robotistoimitatethemanualpartoftheaction,accordingtoagivenprogram,trackandrequirementsforautomaticcapture,handlingoroperationoftheautomaticmechanicaldevices.Inreallife,youwillfindthisaproblem.Inthemachineshop,theprocessingofpartsloadingtimeisnotannoying,andlaborproductivityisnothigh,thecostofproductionmajor,andsometimesman-madeincidentswilloccur,resultinginprocessingwereinjured.Thinkaboutwhatcouldreplaceitwiththeprocessingtimeofatouraslongasthereareafewpeople,andcanoperate24hours78 学士学位论文saturatedhumanrightTheanswerisyes,buttherobotcancometoreplaceit.Productionofmechanicalhandcanincreasetheautomationlevelofproductionandlaborproductivity;canreducelaborintensity,ensuringproductquality,toachievesafeproduction;particularlyinthehigh-temperature,highpressure,lowtemperature,lowpressure,dust,explosive,toxicandradioactivegasessuchaspoorenvironmentcanreplacethenormalworkingpeople.HereIwouldliketothinkofdesigningarobottobeusedinactualproduction.Whywouldarobotdesignedtoprovideapneumaticpower:pneumaticrobotreferstothecompressedairaspowersource-drivenrobot.Withpressure-drivenandotherenergy-drivencomparisonhavethefollowingadvantages:1.Airinexhaustible,usedlaterdischargedintotheatmosphere,doesnotrequirerecyclinganddisposal,donotpollutetheenvironment.(Conceptofenvironmentalprotection)2.Airstickissmall,thepipelinepressurelossissmall(typicallylessthanasphaltgaspathpressuredropofone-thousandth),tofacilitatelong-distancetransport.3.Compressedairoftheworkingpressureislow(usually4to8kg/persquarecentimeter),andthereforemovingthematerialcomponentsandmanufacturingaccuracyrequirementscanbelowered.4.Withthehydraulictransmission,comparedtoitsfasteractionandreaction,whichisoneoftheadvantagespneumaticoutstanding.5.Theaircleanermedia,itwillnotdegenerate,noteasytoplugthepipeline.Buttherearealsoplaceswhereitflyintheointment:1.Asthecompressibilityofair,resultinginpooraerodynamicstabilityofthework,resultingintheimplementingagenciesastheprecisionofthevelocityandnoteasilycontrolled.2.Astheuseoflowatmosphericpressure,theoutputpowercannotbetoolarge;inordertoincreasetheoutputpowerisboundtothestructureoftheentirepneumaticsystemsizeincreased.Withpneumaticdriveandcomparewithotherenergysourcesdrivehasthefollowing78 学士学位论文advantages:Airinexhaustible,usedlaterdischargedintotheatmosphere,withoutrecyclinganddisposal,donotpollutetheenvironment.Accidentalorasmallamountofleakagewouldnotbeaseriousimpactonproduction.Viscosityofairissmall,thepipelinepressurelossalsoisverysmall,easylong-distancetransport.Thelowerworkingpressureofcompressedair,pneumaticcomponentsandthereforethematerialandmanufacturingaccuracyrequirementscanbelowered.Ingeneral,reciprocatingthrustin1to2tonspneumaticeconomyisbetter.Comparedwiththehydraulictransmission,anditsfasteractionandreaction,whichisoneoftheoutstandingmeritsofpneumatic.Cleanairmedium,itwillnotdegenerate,noteasytoplugthepipeline.Itcanbesafelyusedinflammable,explosiveandthedustbigoccasions.Alsoeasytorealizeautomaticoverloadprotection.Second，Thecompositionofmechanicalhand.MechanicalhandRobotintheformofavarietyofforms,somerelativelysimple,somemorecomplicated,butthebasicformisthesameasthecompositionoftheUsuallybytheimplementingagencies,transmissionsystems,controlsystemsandauxiliarydevicescomposed.1.ImplementingagenciesManipulatorexecutingagencybythehands,Wrists,arms,pillars.Handsarecrawlinginstitutions,isusedtoclampandreleasetheworkpiece,andsimilartohumanfingers,tocompletethestaffingofsimilaractions.Wristandfingersandthearmconnectingthecomponentscanbeupanddown,left,androtarymovement.Asimplemechanicalhandcannotwrist.Pillarsusedtosupportthearmcanalsobemademobileasneeded.2.TransmissionTheactuatorTransmissionTheactuatortobeachievedbythetransmissionsystem.78 学士学位论文Sub-transmissionsystemcommonlyusedmanipulatormechanicaltransmission,hydraulictransmission,pneumaticandelectricpowertransmissionandotherdriveseveralforms.3.ControlSystemManipulatorcontrolsystem"smainroleistocontroltherobotaccordingtocertainprocedures,direction,position,speedofaction,asimplemechanicalhandisgenerallynotsetupadedicatedcontrolsystem,usingonlytripswitches,relays,controlvalvesandcircuitscanbeachieveddynamicdrivesystemcontrol,sothatimplementingagenciesaccordingtotherequirementsofaction.Actionwillhavetousecomplexprogrammablerobotcontroller,themicro-computercontrol.Three,mechanicalhandclassificationandcharacteristicsRobotsaregenerallydividedintothreecategories:thefirstisthegeneralmachinerydoesnotrequiremanualhand.Itisanindependentnotaffiliatedwithaparticularhostdevice.Itcanbeprogrammedaccordingtotheneedsofthetasktocompletetheoperationoftheprovisions.Itischaracterizedwithordinarymechanicalperformance,alsohasgeneralmachinery,memory,intelligenceternarymachinery.Thesecondcategoryistheneedtomanuallydoit,calledtheoperationofaircraft.Itoriginatedintheatom,militaryindustry,firstthroughtheoperationofmachinestocompleteaparticularjob,andlaterdevelopedtooperateusingradiosignalstocarryoutdetectingmachinessuchastheMoon.Usedinindustrialmanipulatoralsofallintothiscategory.Thethirdcategoryisdedicatedmanipulator,themainsubsidiaryoftheautomaticmachinesorautomaticlines,tosolvethemachineupanddowntheworkpiecematerialanddelivery.Thismechanicalhandinforeigncountriesknownasthe"MechanicalHand",whichisthehostofservices,fromthehost-driven;exceptionofafewoutsidetheworkingproceduresaregenerallyfixed,andthereforespecial.Mainfeatures:First,78 学士学位论文mechanicalhand(theupperandlowermaterialrobot,assemblyrobot,handlingrobot,stackingrobot,helprobot,vacuumhandlingmachines,vacuumsuctioncrane,labor-savingspreader,pneumaticbalancer,etc.).Second,cantilevercranes(cantilevercrane,electricchainhoistcrane,airbalancethehanging,etc.)Third,rail-typetransportsystem(hangingrail,lightrail,singlegirdercranes,double-beamcrane)machinery,Four,Applicationanddevelopmentofindustrialmanipulator.ApplicationofhandManipulatorinthemechanizationandautomationoftheproductionprocessdevelopedanewtypeofdevice.Inrecentyears,aselectronictechnology,especiallycomputerextensiveuseofrobotdevelopmentandproductionofhigh-techfieldshasbecomearapidlydevelopedanewtechnology,whichfurtherpromotedthedevelopmentofrobot,allowingrobottobetterachievedwiththecombinationofmechanizationandautomation.Althoughtherobotisnotasflexibleasstaff,butithastothecontinuousduplicationofworkandlabor,Idonotknowfatigue,notafraidofdanger,thepowersnatchweightcharacteristicswhencomparedwithmanuallarge,therefore,mechanicalhandhasbeenofgreatimportancetomanysectors,andincreasinglyhasbeenappliedwidely,forexample:(1)Machiningtheworkpieceloadingandunloading,especiallyintheautomaticlathe,combinationmachinetooluseismorecommon.(2)Intheassemblyoperationsarewidelyusedintheelectronicsindustry,itcanbeusedtoassembleprintedcircuitboards,inthemachineryindustry.Itcanbeusedtoassemblepartsandcomponents.(3)Theworkingconditionsmaybepoor,monotonous,repetitiveeasytosub-fatigueworkingenvironmenttoreplacehumanlabor.(4)Maybeindangeroussituations,suchasmilitarygoodshandling,dangerousgoodsandhazardousmaterialsremovalandsoon.(5)Universeandoceandevelopment.(6)Militaryengineeringandbiomedicalresearchandtesting.78 学士学位论文Helpmechanicalhands:alsoknownasthebalancer,balancesuspended,labor-savingspreader,manualTransfermachineisakindofweightlessnessofmanualloadsystem,anovel,time-savingtechnologyformaterialhandlingoperationsboosterequipment,belongingtokindsofnon-standarddesignofseriesproducts.Customerapplicationneeds,creatingcustomizedcases.Manualoperationofasimulationoftheautomaticmachinery,itcanbeafixedprogramdraws﹑handlingobjectsorperformhouseholdtoolstoaccomplishcertainspecificactions.Applicationofrobotcanreplacethepeopleengagedinmonotonous﹑repetitiveorheavymanuallabor,themechanizationandautomationofproduction,insteadofpeopleinhazardousenvironmentsmanualoperation,improvingworkingconditionsandensurepersonalsafety.Thelate20thcentury,40,theUnitedStatesatomicenergyexperiments,thefirstuseofradioactivematerialhandlingrobot,humanrobotinasaferoomtomanipulatevariousoperationsandexperimentation.50yearslater,manipulatorandgraduallyextendedtoindustrialproductionsector,forthetemperatures,pollutedareas,andloadingandunloadingtotakeplacetheworkpiecematerial,butalsoasanauxiliarydeviceinautomaticmachinetools,machinetools,automaticproductionlinesandprocessingcenterapplications,thecompletionoftheupperandlowermaterial,orFromthelibrarytakeplaceknifeandsoonaccordingtofixedproceduresforthereplacementoperation.Robotbodymainlybythehandandsportsinstitutions.Agencieswiththeuseofhandsandoperationofobjectsofdifferentoccasions,oftenthereareclamping﹑supportandadsorptiontypeofcare.Movementorgansaregenerallyhydraulicpneumatic﹑electricaldevicedrivers.Manipulatorcanbeachievedindependentlyretractable﹑rotationandliftingmovements,generally2to3degreesoffreedom.Robotsarewidelyusedinmetallurgicalindustry,machinerymanufacture,lightindustry78 学士学位论文andatomicenergysectors.Canmimicsomeofthestaffandarmmotorfunction,afixedprocedureforthecapture,handlingobjectsoroperatingtools,automaticoperationdevice.Itcanreplacehumanlaborinordertoachievetheproductionofheavymechanizationandautomationthatcanoperateinhazardousenvironmentstoprotectthepersonalsafety,whichiswidelyusedinmachinerymanufacturing,metallurgy,electronics,lightindustryandnuclearpowersectors.Mechanicalhandtoolsorotherequipmentcommonlyusedforadditionaldevices,suchastheautomaticmachinesorautomaticproductionlinehandlingandtransmissionoftheworkpiece,thereplacementofcuttingtoolsinmachiningcenters,etc.generallydonothaveaseparatecontroldevice.Someoperatingdevicesrequiredirectmanipulationbyhumans;suchastheatomicenergysectorperformshouseholdhazardousmaterialsusedinthemaster-slavemanipulatorisalsooftenreferredtoasmechanicalhand.Manipulatormainlybyhandandsportsinstitutions.Taskofhandisholdingtheworkpiece(ortool)components,accordingtograspingobjectsbyshape,size,weight,materialandoperationalrequirementsofavarietyofstructuralforms,suchasclamptype,typeandadsorption-basedcaresuchasholding.Sportsorganizations,sothatthecompletionofavarietyofhandrotation(swing),mobileorcompoundmovementstoachievetherequiredaction,tochangethelocationofobjectsbygraspingandposture.Robotistheautomatedproductionofakindusedintheprocessofcrawlingandmovingpiecefeaturesautomaticdevice,whichismechanizedandautomatedproductionprocessdevelopedanewtypeofdevice.Inrecentyears,aselectronictechnology,especiallycomputerextensiveuseofrobotdevelopmentandproductionofhigh-techfieldshasbecomearapidlydevelopedanewtechnology,whichfurtherpromotedthedevelopmentofrobot,allowingrobottobetterachievedwiththecombinationofmechanizationand78 学士学位论文automation.Robotcanreplacehumanscompletedtheriskofduplicationofboringwork,toreducehumanlaborintensityandimprovelaborproductivity.Manipulatorhasbeenappliedmoreandmorewidely,inthemachineryindustry,itcanbeusedforpartsassembly,workpiecehandling,loadingandunloading,particularlyintheautomationofCNCmachinetools,modularmachinetoolsmorecommonlyused.Atpresent,therobothasdevelopedintoaFMSflexiblemanufacturingsystemsandflexiblemanufacturingcellinanimportantcomponentoftheFMC.Themachinetoolequipmentandmachineryinhandtogetherconstituteaflexiblemanufacturingsystemoraflexiblemanufacturingcell,itwasadaptedtosmallandmediumvolumeproduction,youcansaveahugeamountoftheworkpiececonveyordevice,compact,andadaptable.Whentheworkpiecechanges,flexibleproductionsystemisveryeasytochangewillhelpenterprisestocontinuouslyupdatethemarketablevariety,improveproductquality,andbetteradapttomarketcompetition.Atpresent,China"sindustrialrobottechnologyanditsengineeringapplicationlevelandcomparabletoforeigncountriesthereisacertaindistance,applicationandindustrializationofthesizeofthelowlevelofrobotresearchanddevelopmentofadirectimpactonraisingthelevelofautomationinChina,fromtheeconomy,technicalconsiderationsareverynecessary.Therefore,thestudyofmechanicalhanddesignisverymeaningful.1.2译文机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业78 学士学位论文机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展,出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时,大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序,通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低;后者因设计复杂,需较多继电器,接线繁杂,易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力,保证了系统运行的可靠性,降低了维修率,提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。一、工业机械手的概述机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后,自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自动化，已愈来愈引起我们重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，78 学士学位论文加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生产实际中。为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点：1.空气取之不竭，用过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念）2.空气的沾性很小，管路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。3.压缩空气的工作压力较低(一般为4～8公斤/每平方厘米)，因此对传动元件的材质和制造精度要求可以降低。4.与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。5.空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方：1.由于空气的可压缩性，致使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。2.由于使用气压较低，输出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点：空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生严重的影响。空气的粘性很小，管路中压力损失也就很小，便于远距离输送。压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在1~2吨以下采用气动经济性较好。与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护.二﹑机械手的组成78 学士学位论文机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。1.执行机构机械手的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。2.传动系统执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。3.控制系统机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作．动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。三、机械手的分类和特点机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。主要特点：(1)机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。(2)悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）(3)导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）78 学士学位论文四、工业机械手的应用发展机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。助力机械手:又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备,属于一种非标设计的系列化产品。针对客户应用需求，量身定制的个案创作。一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取﹑搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调﹑重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。50年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温﹑污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床﹑78 学士学位论文自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同，常见的有夹持﹑托持和吸附等类型。运动机构一般由液压﹑气动﹑电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩﹑旋转和昇降等运动，一般有2～3个自由度。机械手广泛用于机械製造﹑冶金﹑轻工和原子能等部门。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势......机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS78 学士学位论文和柔性制造单元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，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人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是非常有意义的。78 学士学位论文附录2程序1.主程序MAIN梯形图78 学士学位论文2.自动操作子程序SBR-0梯形图78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文78 学士学位论文3.手动工作子程序SBR-1梯形图4.机械手中断服务程序INT_0梯形图78'