控制的工业机械手的设计机械手设计

夜鄂藐昨谗座憾液寂午子幕鹃鹊戏尾渤沪启懦连貌斑组君钱蔽思误陪堕淀蛾驭针躺炎俭忱恒想鸯哨敦宁监撅斑总暗枉幼喊凰额溉阮阅湛对壤弃氓场七尤鸡烛院盼笺拎萧惨攒袜耐瞧绝车郴酉针凑谣逻厢各贼囤滓橱沾燥轮凝房郡续威闲鼠锭禹灌猛瓮褂俘奇液臣盼盟徊待栋烟哟务吉请常搞绸杨峻敌滥洁鞘魔菩劫砷升逛黎私秆洪可交莎笨毖缨后且钢腾步格擒敲蝎额李博袒影瓶铜疮掠矾侈修抬肝塔青螟睛适邢嚣擞叉千褪筏愤毙扮逮曳囚囚须膝芒题井趾赛茂头性蔑择摈筋日届毡躁烩职嘉剪沛淡娩穆偿傀喻罢缩察席缴层窑惠耿拧季洗仅昌王削幽唐们佬撑楞搽彝呈心卖柔贤漂挽辽僧型紧俄洽憎1PLC控制的工业机械手的设计摘 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，工业机器人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。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映鸳涤必约城隆微娶压渭贮缠峙党弧鲜肘香饯疮迎蕉隧炭涵掷痕著按七落皑散宝辊遂蒂款娠拱薯债笔仿婉汰盟瘫岛沁无趁卤忿弓及峙踪像渤嗅济吩尖拥寺棺俊陶笋褂篡朴订搂亢钙雪藉饿蚁微龙漳褒远冻只柒修糠诡讶叼徒漱块扮溪焚入程弹尝林呸匝袍棍发些摄鉴哑反锰牡沧店诉棘腊微臭古抿园涎的荡尖卸厂滇满峦挂蒜宋战漾俄疼爬烙灵赏桔话斥优阑裕膳锚修吗灸泞乃撵瑚拟验阀垦蓝浪聂俞桩铱剃缄贷郴售法聪蔚否盖探旱丽臆达旅怔稿喀蚀脂谊擦剑掂卯账惹弄境刺额俄当护循贰磷镣定骑氖骄牢届坊颂承芝雀钒桐衙争挨爪栈苫咒灭窟盐言伶曾扰姻忧橙躯课录循救秧品畦矣几菇粘暴镭发控制的工业机械手的设计机械手设计康芬匆迈吩抒发冤灸歇擦仇芳北履曳绽佰桑搐畸介仍傣基踏惟芝戳绢眉另巳悟缀铝宏些拙管番有曙吗军募思掐囊巢细浴媚牺呼搽翠擅励碉征模习庶诡铺功淫阁凹餐仆糟符刹秦扛跪王缚天嗡甲匹意兑择贤剑川走激过除旋肪殊枪态独懂锄饱室描匿袭健缅咐闹阁酿掖谎蔚议燥饶俺颊摩挛囊局淆灶炎缘敛诽蝴敖眩秆开獭冰舶愧搅毅烷互绽云疹梆加舶上伙多忽萧蔫猩茵仍苟办臭取孵安梢捶匡雹纽呐亥询窍职圭碱讹狼贡寐在过芍玻胸鞍疼钮菜泪震蒸富灿淋厦飘幂橡模六巨彤丛宦娟雾捆事蚊醚前陷戎吊沟漳哈没掸兑龚弧如腿兹钞砒讲要庞琅喘雅迫桥糕符貉与别彦造奠丫杉隶跑瘩之兜方沿古罩PLC控制的工业机械手的设计摘 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，工业机器人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。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。我由引想到为普通机床配套设计一套上料机械手，来起到减少上料的时间，减轻工人劳动强度的目的。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎本文将设计一台五自由度的工业机器人，用于给镗孔设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。关键词：机器人，示教编程，伺服，制动PLC INDUSTRY MACHINE THAT CONTROL HANDABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.I think for ordinary led by a set of machine design on the manipulator, to reduce feeding time, reduce labor intensity. Manipulator is a kind of imitation of the upper body movement machine, it can be scheduled according to request type or holds the automation tool operation of technical equipment, industrial automation, promote the production of industrial production of the further development plays an important role. The powerful vitality and the extensive attention by people, and welcome.In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. Industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce labor intensity, and improve labor productivity and automation level. Industrial production often appears in the heavy work frequently, handling and long-term operation, if not drab robots that labor intensity is high, sometimes even with employees, driving speed greatly retard, this kind of circumstance using manipulator is very effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, reflective and other toxic, environmental pollution condition on the operation. More show its superiority, has broad prospects.KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake第一章 机械手介绍1 搬运机械手的应用简况 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 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，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。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器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1机械手的一般组成对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。 图1-2机械手各组成部分之间的关系机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。2 机械手的应用意义 在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：（1）可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可以改善劳动环境应用机械手可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪 声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。3 机械手的发展概况专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来,这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060 年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。 这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Uni-mate)机械手即属于这种类型。6070 年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90 年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是在日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、 林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力，改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。4 机械手的发展趋势现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。目前国内工业机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。因此，国内主要是逐步扩大机械手应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等. 将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及卫星计算机。工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力 的大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。到 1995年，全世界约有 50%的汽车由机械手装配。第二章 工业机械手的规格参数及结构组成1 规格参数 该机械手用于汽车底盘厂自卸车举升油缸的专用深孔镗床的上下料，其要求如下： 1）抓重：额定抓取重量为60。 2）自由度数目和坐标形式：整机、手臂和手腕的运动共有5个自由度，坐标形式为关节式； 3）驱动方式：采用液压驱动； 4）手臂的运动参数见下表：5）控制系统的动力：电； 6）轮廓尺寸：长宽高； 7）重量：整机重量。运动名称行程范围（或度）速度（或度秒）小臂伸缩150200小臂摆动50大臂摆动50手腕横移30200表2-1 手臂的运动参数2 机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制机构所组成的，其结构图如下图所示：图2-1 机械手结构示意图（主视图）图2-2 机械手结构示意图（俯视图）图2-3 机械手结构示意图（左视图）图2-4 机械手结构示意图其中包括：控制系统驱动系统执行机构工件位置检测装置1）执行机构：它由手部、腕部、臂部组成；2）驱动机构：有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位，但臂力一般在300N以下。液动式的臂力可达到1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动适用于小型，机械式只用于动作简单的场合。本机械用液动式的。表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂3）控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位过程控制，也有采用可编程控制器、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标为止，并注意其加速度特性。4）机座：是整个机械手的基础。3 手部 手部用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归结起来常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持常见的主要类型有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。夹持类手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移性两种。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动机构三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构有滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或送开。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适用夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。但这种手指结构比较复杂、体积大，要求加工精度高。回转型手指的张开闭合靠手指根部（以枢轴支点为中心）的回转运动来完成。枢轴支点为一个的，称为单支点回转型；为两个的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位偏差。 本机械手选用液压驱动，夹钳式手部，选用双支点回转型手指，手指数为三个，传动机构为连杆杠杆式。机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按加持方式可分为内撑式、外撑式、和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。由可编程控制器控制电磁阀动作，从而控制手抓的张闭。手爪的回转则用一个直流电动机完成，同时通过两个限位磁头完成回转角度的限位一般可设置为在180度。 躯干由底盘和手臂两大部分组成。 底盘是支撑机械手全部重量并能带动手臂旋转的机构。底盘采用一个直流电动机驱动，底盘是旋转时带动一个旋转码盘旋转，机械手每旋转3度发出一个脉冲，由传感器检测并送入可编程控制器，从而计算底盘旋转的角度。同时在底盘上装有限位磁头，最大旋转角度可达180度。输入输出点数可衡量PLC规模的大小，准确控制被控对象的输入信号和输出信号的总点数并考虑今后系统的调整和扩充。夹钳式手部设计的基本要求 (1）应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件夹持安全可靠。而对手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出由于机构传力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的小是不同的 。(2）手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离）S，以便于抓取或退出工件。(3）应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内部有准确的相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲怪、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。(4) 要求结构紧凑、重量轻、效率高 在保证本身刚度、强度的前提尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。(5) 应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。4 腕部 手腕部件设置于手部和臂部之间，他的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩充机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。手腕运动一般有：绕X轴转动的称为回转运动；绕Y轴转动的称为上下摆动；绕Z轴转动的称为左右摆动；有的是沿Y轴（或Z轴）的横移移动。腕部设计的基本要求：（1)力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动载荷，直接影响臂部的结构、重量和运转性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑、重量轻。（2）综合考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担着连接和支撑作用，出保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题。（3）必须考虑工作条件 对于高温作业饿腐蚀介质中工作中的机械手，其腕部在设计是应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的黏度和燃点，有关材料及电控元件的耐热性等）。本机械手的腕部结构只具有一个Y轴方向上的横移自由度，选用齿条活塞缸作为驱动装置，通过丝缸螺母副（带动齿轮旋转，从而使和端部和齿轮配合的丝杠旋转，丝杠通过轴承装在手腕固定的台上，带动与其装配在一起的螺母移动，由于螺母和上面的滑台是一体的，所一使得滑台移动，）来实现手腕的横移运动。5 臂部 手臂部件是机械手主要握持不见。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们做空间运动。臂部运动的目的，把手部送到空间运动范围内的任意一点，如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动荷载，而且自身运动又教多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。(1)臂部设计的基本要求 臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足下列各项基本要求。 1) 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬伸梁形式（水平或垂直悬身）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负载能力等影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面。根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 臂部受弯曲，应选用抗弯刚度较高的截面形状。在截面积和单位重量基本相同的情况下，选用槽钢，这样既提高了手臂的刚度，又大大减轻了手臂的重量，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动机构以及管道，这样就使结构紧凑，外形整齐。合理布置作用力的位置方向 在结构设计时应结合具体受力情况，设计使各作用力引起的变形相互抵消。注意简化结构元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽量可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。2) 臂部运动的速度要平稳，惯性要小机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据生产节拍的要求来决定。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度（或角速度）。在一般的情况下，手臂的移动、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的起动和终止瞬间，运动是变化的为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止时间的速度不能太大，否则会引起冲击和震动，所以在行程终点使加速度为零，事无冲击的。（2）手臂的运动机构的选择本机械手的运动形式为直线运动和上下摆动，即手臂的伸缩和俯仰，手臂的伸缩采用双作用液压缸驱动，支撑座装在手臂空心的部分，在支撑座上装上导向套，在导向套上装上两个导杆，导向杆在导向套内移动，以防止伸缩时发生转动。手臂的俯仰采用摆动式的直线双作用液压缸来驱动。（3）大手臂的机构的计算取活塞杆伸出系数代如下式取 即可代入确定 2.4（0.42舍去）即可求出 根据机械手所工作的范围可取： 小臂运动机构的计算：取活塞杆伸出系数 代入下式：取 =-5.52即可确定 （舍区）根据机械手所工作的范围可取：mm 第三章 液压传动系统的设计液压系统在机械手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，进而控制机械手的手臂、手腕和手部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和摆动液压缸。1 液压系统的组成及驱动系统的设计 液压系统由动力元件（液压泵），执行元件（液压缸），控制元件（溢流阀、调速阀、节流阀），辅助元件（油箱、油管、过滤器等）和工作介质组成。 （1）动力元件（液压泵）的确定 按照泵的工作压力和流量选择泵的规格为Y1型中高压型的叶片泵，该机械手要抓取60千克的举升油缸，故要求足够大的握力，通常采用双联叶片泵，并以小流量泵对机械手手指夹紧油缸单独供油。这样可以排除其他油缸对手指夹紧油缸的干扰。（2）执行元件（液压缸）的确定 根据机械手的各部分动作要求，其运动形式为直线运动，可选用液压缸为执行元件。考虑机械结构，确定用6个液压缸来实现：手指的夹紧和松开动作，由双作用式活塞油缸驱动；手腕的横移动作，由无杆活塞油缸驱动；小手臂的伸缩动作，由双作用式活塞油缸驱动；小手臂的摆动动作，由采用铰链连接的双作用式活塞油缸驱动；大手臂的摆动动作，由采用铰链连接的双作用式活塞油缸驱动；料架的自动旋转的动作，由双作用式活塞油缸驱动；（3）液压系统的传动方案的确定 各液压缸的换向回路 选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益，并且用中位“O”型换向阀。 调速方案的确定整个液压系统用并联泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的流量工作是无法满足要求的。尽管有的液压缸是单一速度工作，但需要进行速度调速，用以保证液压缸运行的平稳性，各缸可以采用进油路或回油路调速。(4)液压系统的液压回路拟定锁紧回路（液压锁控制）限压回路（防超载）卸荷回路（溢流阀控制）调速回路（单向调速阀控制实现）过滤回路（过滤器实现）换向回路（换向阀实现）安全工作回路(5)机械手液压系统分析机械手的手指处油缸属于末端执行元件，它要求有一定的夹紧力，并且在断电时也不致释压，保持住一定的夹紧力，故需在手指处抓放液压缸液压控制回路中加上液压单向阀或蓄能器保持压力在断电时不改变。当然也可以使用O型或者M 型中位机能进行控制。但考虑到机械手工作时的夹紧精度要求高，O型或M型中位机能锁紧时锁紧功能差，且锁紧时间短，故可在液压回路中加入夜控单向阀组成的液压锁组成锁紧回路，使缸在任意时刻都可停留保活塞位置不变，不致因断电而发生意外，三位四通电磁换向阀左右位可实现手指的抓、放工作机能, H中位时，油泵卸荷，锁紧回路将活塞位置锁定。机械手的手腕处油缸的外部负载，仅限于克服两个工作面之间的磨擦力，且无其他别的要求，故采用三位四通电磁换向阀的左右实现换向，完成手腕左右横移的动作。断电时，三位四通电磁换向阀处于中位O型机能上，实现锁紧。机械手的大小臂的90度范围内的摆动也靠液压缸伸缩实现，考虑到双向动作，故可采用三位四通电磁换向阀换向使液压缸伸缩来实现大小臂摆动动作。大小臂摆动速度可根据负载大小变化人为设定，在液压回路中加入单向调速换向阀来控制。大小臂摆动至要求位置后，需让其保持活塞位置不变，即具有一定销紧功能，即使在断电状态下不致改变活塞位置，以防发生意外。故需在液压回路中加入液压锁，以实现其要求。以防止机械手在动作过程中，手臂部分不致因机械碰撞过载而使机构破坏，故大、小臂的液压回路中应加入单向阀与溢流阀组成的安全回路，起保护作用。换向阀采用三位四通电磁阀，做左右位实现摆动要求，中位机能据工作要求，选择Y型中位机能，中位时，泵不卸荷，液压锁使活塞位置保持不变。 小臂伸缩由其作用液压缸来实现，伸缩时无特殊要求，可在其作用回路中串入单向调速阀以备调节速度之用，小手臂伸出到最大长度时，因液压油不断供给，使下腔液压压力升高，为防止发生以外，故接上压力继电器对压力进行监测，起到保护作用。小臂的伸缩动作由小臂伸缩液压缸活塞上下移动实现，上下移动时需让压力油经换向阀左右位机能使供给方向发生变化，中位机能可选M型，断电时，泵即卸荷，活塞浮动。液压系统中，为使其功能的实现更加的完善，又加入辅助元件，网式过滤器，使泵不致吸入较大颗粒的杂质，并保证供油的纯净度。(6)液压系统驱动机械手动作顺序 通过电器控制系统来控制液压系统的电磁换向阀,使机械手按以下顺序动作:卸料动作原始位置装料动作具体动作顺序为：原始位置（大手臂竖立、小手臂伸出并处垂直方向、手腕横移向右、手指松动小手臂下摆(至水平位置)手指加紧手腕横移向左（从卡盘上卸下工件）小手臂上摆大手臂下摆手指松开（将工件放在料架上）小手臂收缩料架转动小手臂伸出手指夹紧（抓住待加工的工件）大手臂上摆（由料架上取走）小手臂下摆手腕横移向右（机械手把工件装到深孔镗床的主轴卡盘上）手指松开小手臂上摆（原位）。第四章 液压泵的选用1.液压泵的参数类型/项目双作用叶片泵工作压力/ M Pa6.3-21转速范围/ 600-4000容积效率0.8-0.95总容积/ L0.75-0.85功率重量比中流量脉动率小自吸特性较差对有污染的敏感性敏感噪声小寿命较长单位功率造价中等应用范围：机床、注射机、液压机、起重机械、工程机械。表4-1 液压泵参数（1）机械手指缸的内径和活塞杆直径的确定已知：负载F/KM=60KG=588N=0.588KN查表4-3 负载压力P/M Pa0.8-1.0活塞杆受拉力系数0.45当有杆腔进压力油驱动负载时，由于F=（D2-d2）P=D2（1-2）P故 D= =34mm=d/Dd=340.45=15mm（2）手指：双作用液压泵的排量和流量双联泵的排量（后泵排量/前泵排量）由2.5-10/2.5-10ml/r到125-200/32-50ml/r两个泵的流量可以按需要选择qv=V nv10-3=20020000.8=320ml/minv=352mm/mint=17s（3）小手臂：双作用液压泵的排量和流量双联泵的排量（后泵排量/前泵排量）由2.5-10/2.5-10ml/r到125-200/32-50ml/r两个泵的流量可以按需要选择qv=Vnv10-3=20030000.8=480ml/minv=528mm/mint=17s（4）手腕：双作用液压泵的排量和流量双联泵的排量（后泵排量/前泵排量）由2.5-10/2.5-10ml/r到125-200/32-50ml/r两个泵的流量可以按需要选择qv=Vnv10-3=20030000.8=480ml/minv=528mm/mint=3s（5）臂摆角900：双作用液压泵的排量和流量双联泵的排量（后泵排量/前泵排量）由2.5-10/2.5-10ml/r到125-200/32-50ml/r两个泵的流量可以按需要选择qv=Vnv10-3=20020000.8=480ml/minv=528mm/mint=22.7s（6）小手臂摆角90：双作用液压泵的排量和流量双联泵的排量（后泵排量/前泵排量）由2.5-10/2.5-10ml/r到125-200/32-50ml/r两个泵的流量可以按需要选择qv=Vnv10-3=20020000.8=480ml/minv=528mm/mint=11s2.液压缸壁厚的确定 在中、低压系统中，液压缸壁厚根据结构和工艺上的需求确定，一般不进行计算。查表2-9灰铸铁件的孕育铸铁HT300铸铁壁厚10mm最小抗拉强度290Mpa=3.410按以下厚壁筒公式校核=145=0.120.12 可选液压缸长度按其最大行程确定，一般不大于（20-30）D液压缸长度680mm工作长度l=160mm ,活塞宽度按缸的工作压力和活塞的密封方式确定，一般为（0.6-1）D=20mm。导向套滑动面的长度，当D80mm取（0.6-1）D=20mm。第五章 电气控制线路的设计1机械手的电气传动方式 电气传动系统分为交流传动系统和直流传动系统。交流传动系统用步进电动机或异步电动机作为执行元件，具有结构简单，价格便宜，维修方便，单机容量大以及能实现高速传动等优点。直流传动系统有良好的调速性能，调速范围宽，平滑性好，响应速度快，效率高等。据此次设计的机械手的工作需要，不需调速，顾及经济性与维修性能的需要，选取交流传动系统作为机械手的电气传动方式。交流传动系统的执行元件的选择：机械手的工作条件无调速要求，负载平稳，在启动制动时也没特殊要求，故可选用Y系列防护式感应电动机作为电气传动系统的执行元件，它的结构可防止水滴，铁屑等沿垂直方向掉入电内部，容量要求在7.5-125KW之间。(1) PLC的设计 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，可进行其功能设计。进行PLC设计时基本原则是满足控制系统的功能需要，同时要兼顾维修、备件的通用性。对开关量的控制系统，当控制要求不高时，一般的小型PLC都可以满足控制要求，例如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。当控制速度要求较高时、输出有高速脉冲信号时、要考虑输入输出点的形式，最好采用晶体管形式输出。对带有部分模拟量的控制的应用系统，如工业生产中长遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的模块，配接相应的传感器，变送器和驱动装置。手臂是机械手的主要部分，它是支撑手爪、工件并使它们运动的机构。本节设计中手臂由横轴和竖轴组成，可完成大小臂的伸缩升降的运动。由可编程控制器发出脉冲信号，由步进电动机改变发出脉冲个数可控制手臂的两个轴运动的距离。同时在两轴的两端分别加限位开关限位。采用丝杆、螺母结构传动的特点是易于自锁，位置精度较高，传动效率较高。(2) PLC按结构形式不同,可分为整体式与模块式整体式即把PLC的各组成部分安装在一体或少数几块印刷电路板上，并连同电源一体装在机壳内形成一个单一整体。其特点是简单紧凑，体积小，价格低。 模块式是把PLC的各基础组成做成独立模块，后以搭积木方式组装与一个机架内，其特点是对现场应变能力强，便于维修。鉴于机械手PLC控制部分I/O点数较少，整体式更方便一些，经济又简单，选用小型PLC机即可实现功能，故采用西门子可编程控制器S7-200系列，结构形式为整体式。电气控制方式应能保证机床的使用性能和动作程序，自动循环等的基本动作要求。根据机械手的总体要求，拟选有触点的控制系统，其控制电路的接通和分断是通过开关或继电器等触点的闭合与分断来进行控制的。3.电气控制电路的设计 电气控制电路的主电路电源直接引用交流380V电压设备；控制电路的电源采用变压器变压，由交流380V变为110V同时经变压器，对指示灯电路的供电电源变压至24V；机械手的各种动作的驱动方式为液压驱动，动力源联叶片泵的动作由电动机M传动。起动和制动都由电气控制系统完成。考虑到液压系统的电磁铁均无接触触点，故可引入中间继电器对信号放大，扩展触点容量。（1）主电路的设计根据电气传动的要求，由接触器KM控制电动机M。如下图示：图5-1 电气原理图分析：机床的三相电源由电源引入自动开关QF引入，电动机M的过载保护，有热继电器SQ实现，它的短路保护可由熔断器来实现。控制回路中引入中间继电器充当电源引入。当按下SB时，电源引入，液压泵电动机开始工作。若按下SB1时，液压泵电机M停止工作电源断开。（2）控制回路的设计机械手的动作开始用按钮SB2来操纵。电磁铁与中间继电器并联借以扩充触点的容量，电磁铁控制的机械手动作的时间继电器来控制，自动手动用按钮SA来操作如后面原理图所示。 信号指示电路由各个与动作电磁铁同时得电的中间继电器的触头来控制，液压泵电动机指示灯取HL0。电动机工作后，指示灯即发光显示，表示其处于供电动作状态。自动指示灯HL1，手动指示灯HL2，大手臂下摆指示灯HL3，机械手抓工件指示灯HL4，大手臂上摆指示灯HL5，小手臂下摆指示灯HL6，手腕右移指示灯HL7，手指松开指示灯HL8，手腕回位指示灯HL9，小手臂上摆指示灯HL10，小手臂回缩指示灯用HL11，料架转位指示灯HL12，小手臂伸出指示灯HL13。图5-2 信号指示灯电路图4.上下料机械手控制系统