毕业设计（论文）-PLC搬运机械手的控制系统设计.doc

i 摘摘 要要 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐 渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调 运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和 不足，满足现代经济发展的要求。 搬运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，本文介 绍的是机械手模型基于 plc 的控制系统设计。在设计中，通过对机械手手部结构的设计， 臂部结构的设计，以及液压系统的设计，完成了搬运机械手的系统结构设计。在 plc 控 制系统设计中，首先，对可编程序控制器进行相应的介绍，选择了 plc 的型号。然后， 通过对机械手的各功能实现形式和控制方式的研究，给出了各部分的实现方案并确定了 控制系统的器材。最后，进行 plc 控制系统的硬件结构和软件程序设计。 关键词：关键词：搬运机械手；结构设计；液压系统；plc 控制 ii abstract with the popularization and development of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, this paper introduces the mechanical hand model the control system design based on plc. in the design, through the mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, completed the manipulator system structure design. in the design of plc control system, first of all, to the programmable controller to carry out the corresponding introduction, selection of plc models. then, through the mechanical hand function implementation and research on the control mode, discussed some of the implementation scheme and the control system equipment. finally, the plc control system hardware structure and the software design. key words：manipulator；structure design ；hydraulic system ；plc control iii 目目 录录 摘 要i abstractii 1 绪论.1 1.1 设计背景1 1.2 机械手简介1 1.2.1 机械手的发展概况1 1.2.2 机械手的应用意义2 1.2.3 搬运机械手的应用简况3 1.2.4 机械手的发展趋势4 1.3 plc 概况及在机械手中的应用4 1.4 设计目的 .6 1.5 设计原则6 1.6 本设计的主要内容 .7 2.搬运机械手的整体设计.8 2.1 执行机构8 2.2 驱动系统9 2.3 控制系统 .9 2.4 位置检测装置 .9 3 手部结构.10 3.1 概述 .10 3.2 设计时应考虑的几个问题 .10 3.3 驱动力的计算 .10 3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析 .12 3.5 手抓加持范围计算 .12 4 臂部的设计14 4.1 臂部设计的基本要求 .14 4.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .15 4.2.1 手臂的典型运动机构.15 4.2.2 手臂运动机构的选择.15 4.3 手臂直线运动的驱动力计算 .15 4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算.15 4.3.2 手臂惯性力的计算.16 4.3.3 密封装置的摩擦阻力.17 5 臂部运动驱动力计算.18 5.1 臂垂直升降运动驱动力的计算 .18 5.2 手臂回转运动 .19 iv 5.3 臂水平伸缩运动驱动力的计算 .19 6 液压系统的设计.21 6.1 液压系统简介 .21 6.2 液压系统的组成 .21 6.3 机械手液压系统的控制回路 .21 6.3.1 压力控制回路.21 6.3.2 速度控制回路.22 6.3.3 方向控制回路.23 6.4 机械手的液压传动系统 .23 6.4.1 上料机械手的动作顺序.23 6.4.2 自动上料机械手液压系统原理.23 6.5 机械手液压系统的简单计算 .26 6.5.1 双作用单杆活塞油缸.26 6.5.2 无杆活塞油缸.28 7 plc 控制回路的设计30 7.1 机械手工作流程 .30 7.2 电磁铁动作顺 .30 7.3 器件分配 .31 7.4 plc 梯形图 plc 指令表.32 7.5 plc 指令表 .33 结 论.35 致 谢.36 参考文献.37 毕业设计（论文） 1 1 1 绪论绪论 1.1 设计背景设计背景 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 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。 1.2 机械手简介机械手简介 1.2.1 机械手的发展概况机械手的发展概况 (1)机械手的发展 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附 属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重 复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械 手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中 获得广泛的引用。 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。 毕业设计（论文） 2 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(unimate)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。 （2）液压机械手 液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介 质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有 可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公 斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和 粉尘大的环境中进行工作。 液压技术有以下优点: 1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； 2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； 3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线 往复运动的转换； 4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； 5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； 6）操纵控制简便，自动化程度高； 7）容易实现过载保护。 1.2.2 机械手的应用意义机械手的应用意义 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 毕业设计（论文） 3 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。 1.2.3 搬运机械手的应用简况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。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。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生产 批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工 序的自动化而产生的。机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品 种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。 国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面： （1）热加工方面的应用 热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作 效率，和确保工人的人身安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就 更需要采用机械手操作。 （2）冷加工方面的应用 冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时 的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组 成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于 段。 （3）拆修装方面 拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前 国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴 毕业设计（论文） 4 箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一 种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高 喷漆的质量和效率。 近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用， 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。 1.2.4 机械手的发展趋势机械手的发展趋势 目前国内工业机械于主要用于机床加工、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。 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。 1.3 plc 概况及在机械手中的应用概况及在机械手中的应用 （1） 可编程序控制器的应用和发展概况 毕业设计（论文） 4 可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为 plc（programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、 半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通 信网络技发展起来的一种通用的工业自 动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成 为了现代工业控制三大支柱之一。 在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。传统的继 电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是控 制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统， 接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变 或更换，通用性和灵活性较差。 （2）plc 的应用概况 plc 的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的 plc 几乎可以说凡是需要控制系 统存在的地方就需要 plc，尤其近几年来 plc 的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机 械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按 plc 的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。 1）用于逻辑控制 这是 plc 最基本，也是最广泛的应用方面。用 plc 取代继电器控制和顺序控制器控 制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 2）用于模拟量控制 plc 通过模拟量 i/o 模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 3）用于机械加工中的数字控制 现代 plc 具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（nc）及计算 机控制（cnc）紧密结合，实现数字控制。 4）用于工业机器人控制 5）用于多层分布式控制系统 高功能的 plc 具有较强的通信联通能力，可实现 plc 与 plc 之间、plc 与远程 i/o 之 间、plc 与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 （3）plc 的特点 1）可靠性高、抗干扰能力强 plc 能在恶劣的环境如电磁干扰、电源电压波动、机械振动、温度变化等中可靠地工 作，plc 的平均无故障间隔时间高，日本三菱公司的 f1 系列 plc 平均无故障时间间隔长 达 30 万 h，这是一般微机所不能比拟的。 2）控制系统构成简单、通用性强 由于 plc 是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改 变控制系统的功能时，不必改变 plc 的硬件设备，只需相应改变软件程序。 3）编程简单、使用、维护方便 4）组合方便、功能强、应用范围广 毕业设计（论文） 5 plc 既可用于开关量的控制又可用于模拟量的控制；既可用单片机控制，又可用于组 成多级控制系统；既可控制简单系统，又可控制复杂系统。因此，plc 应用范围很广。 5）体积小、重量轻、功耗低 plc 采用了半导体集成电路，外形尺寸很小，重量轻，同时功耗也很低，空载功耗约 1.2kw。 （4）plc 在机械手中的应用 机械手通常应用于动作复杂的场合来代替人的反复的操作，从而节省人的劳动，普 通继电器由于其体积和接口等各方面限制，经常被应用于动作简单的电气及流水线控制， 而 plc 以其可靠性高、抗干扰能力强;控制系统构成简单、通用性强; 编程简单、使用、维护方便;组合方便、功能强、应用范围广; 体积小、重量轻、功 耗低等有点被广泛应用于类似机械手的控制动作复杂的场合，本设计正是以 plc 控制为 基础从而实现机械手的各种动。 1.4 设计目的设计目的 本设计通过对机电一体化技术专业大学三年的所学知识进行整合，完成一个特定功 能、特殊要求的搬运机械手的设计，能够比较好地体现机电一体化技术专业毕业生的理 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， 能够实现理论和实践的有机结合。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控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,并使生产线发展成为柔性制造系 统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手 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，实现加 工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展， 越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工 厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻 工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.5 设计原则设计原则 在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要 求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。 在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元 配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时 也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、 液压、气动、电气传动及控制、可编程控制器（plc） 、电子技术、自动控制、机械系统 仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩 毕业设计（论文） 6 固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实 地，实事求是的做好本次设计。 1.6 本设计的主要内容本设计的主要内容 （1）机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用液压方式驱动，因此考虑抓 取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计 设计抓取的工件质量为60kg。 （2）基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要 求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩 及回转的速度。该机械手手臂最大中心高设计为848mm。最大回转角设计为0-180度。平 均升降速度为67mm/s。平均伸缩速度为83mm/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、 减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关， 故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本 参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动 操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种 情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为800mm,最 大工作半径约为1200mm。手臂升降行程定为300mm。 毕业设计（论文） 7 2.2.搬运机械手的整体设计搬运机械手的整体设计 对搬运机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高 精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能 自动定位等特性。设计搬运机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求， 拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和 材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步 确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程， 兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是一种适合于成 批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单 调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装 置等所组成。在plc程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位 发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统 的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生 故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并 与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达 到设定位置。 2.1 执行机构执行机构 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 （1）手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本 课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指 是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简 单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手 指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大 的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的 重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式 较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式 和重力式等。 （2）手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) （3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件， 毕业设计（论文） 8 并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如 油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、 液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 （4）立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯 仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称 为可移式立柱。 （5）机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上， 故起支撑和连接的作用。 2.2 驱动系统驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置 组成。常用的驱动系统有液压传动、机械传动。由于液压传动系统的动作迅速，反应灵 敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用液压传动方式。 2.3 控制系统控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系 统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是plc程 序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如 动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令， 必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。考虑 到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(plc)对机械手进 行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变plc程序即可实现，非常方便快捷。 2.4 位置检测装置位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统， 并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度 达到设定位置. 毕业设计（论文） 9 3 3 手部结构手部结构 3.1 概述概述 手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模 仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状 也不象人的手指，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根 据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设 计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手 部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、 斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。 3.2 设计时应考虑的几个问题设计时应考虑的几个问题 （1）应具有足够的握力（即夹紧力） 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的 惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 （2）手指间应有一定的开闭角 两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角 保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 （3）应保证工件的准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相 应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“v”形面的手指，以便自动定心。 （4）应具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力 和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简 单紧凑，自重轻。 （5）应考虑被抓取对象的要求 应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 3.3 驱动力的计算驱动力的计算 如图 2-1 所示为滑槽式手部结构。在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 p，并通过销 轴中心 o 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为 p1、p2，其力的方向垂直于滑槽中心 线 oo1 和 oo2 并指向 o 点，p1 和 p2 的延长线交 o1o2 于 a 及 b，由于o1ob 和o2oa 均 为直角三角形，故aoc=boc=。根据销轴的力平衡条件，即 毕业设计（论文） 10 0;, 0 21 yx fppf cos2 1 pp cos2/ 1 pp 图图 3-1 滑槽杠杆式手部受力分析滑槽杠杆式手部受力分析 1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 销轴对手指的作用力为 p1。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力） ，假想 握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 n 表示。由手指的力矩平衡条件，即m01(f)=0 得 （3-1） b nhp 1 因为 cos/ah 所以 anp/)(cosb2 2 式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 由上式可知，当驱动力 p 一定时， 角增大则握力 n 也随之增加，但 角过大会导 致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一 般取。这里取角度。 403030 这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查工业机械手设计基 础中表 2-1 可知，v 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式 n=0.5g，综合前面驱动力 的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以 及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 p 实际应按以下公式计算，即： （3-2）/ 21k pkp 实际 式中 手部的机械效率，一般取；95 . 0 85 . 0 k1安全系数，一般取 ;22 . 1 毕业设计（论文） 11 k2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，k2 可近似按下式估计， ，其中 a 为被抓取工件运动时的最大加速度，g 为重力加速度。gk/a1 2 本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米/秒，移动加速度 为 1000 毫米/秒 ，工件重量 g 为 98 牛顿，v 型钳口的夹角为 120,=30时，拉紧油 2 缸的驱动力 p 和 p 实际计算如下： 根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算 公式 gn5 . 0 把已知条件代入得当量夹紧力为 )(300 nn 由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 得anbp/)(cos2 2 )(75030030cos33/552 2 npp）（ 计算 （3-3）/ 21k kpp 计算实际 取 , , 85 . 0 5 . 1 1 k1 . 19810/10001 2 k 则 np145585 . 0 /1 . 15 . 1490 实际 3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析两支点回转式钳爪的定位误差的分析 如图 2-2 所示，钳口与钳爪的连接点 e 为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称 中心 o 到工件中心 o的距离为,则x 22 )sin/(abrlx 当工件直径变化时,x 的变化量即为定位误差,设工件半径 r 由 rmax 变化到 rmin 时, 其最大定位误差为 2 max 2 )sin/(abrl 2 min 2 )sin/(abrl 其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,=15mm ,rmax=30mm 代入公式计算得 最大定位误差=44.2-44.7=0.50.8 故符合要求. 3.5 手抓加持范围计算手抓加持范围计算 为了保证手抓张开角为 60，活塞杆运动长度为 34mm，手指长为 100mm。当手抓么 有张开的时候，如图 2-3（1）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径 r1=25mm，当张 开 60 如图 2-3（2）所示，最大夹持半径 r2 计算如下： mmr12330cos2530tan110 2 毕业设计（论文） 12 所以机械手的夹持半径从。.12325mmmm 图图 3-2 带浮动钳口的钳爪带浮动钳口的钳爪 （1） （2） 图图 3-3 钳口持半径钳口持半径 毕业设计（论文） 13 4 4 臂部的设计臂部的设计 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具） ， 并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手 臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。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，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基 本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种 传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件 的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到 机械手的工作性能。 4.1 臂部设计的基本要求臂部设计的基本要求 （1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸，提高支撑刚度和合理选择支撑点的 距离，合理布置作用力的位置和方向，注意简化结构，提高配合精度。 （2）臂部运动速度要高，惯性要小 机械手手部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。对于 高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在，最大回转角速度设计在smm/15001000 内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转s/180smm/1000s/90 角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械 手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 3 个途径： 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 减少臂部运动件的轮廓尺寸。 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩） ，尽可 能在较小的前伸位置下进行回转动作。 驱动系统中设有缓冲装置。 （3）手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的 机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降 支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象） 。为此，必须计算使之满足 不自锁的条件。 总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完 美的、性能良好的机械手。 毕业设计（论文） 14 4.2 手臂的典型机构以及结构的选择手臂的典型机构以及结构的选择 4.2.1 手臂的典型运动机构手臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1）双导杆手臂伸缩机构。 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动， 如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的 双层液压缸空心结构。 （2）双活塞杆液压岗结构。 （3）活塞杆和齿轮齿条机构。 4.2.2 手臂运动机构的选择手臂运动机构的选择 通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作 用液压缸。 4.3 手臂直线运动的驱动力计算手臂直线运动的驱动力计算 先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸， 再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。 做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几 个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。 惯回密摩 fffff 4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算手臂摩擦力的分析与计算 分析： 摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具 体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在 伸缩岗两侧。机械手臂部受力分析如图 3-1 所示。 图图 4-1 机械手臂部受力示意机械手臂部受力示意 毕业设计（论文） 15 计算如下： 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 0 a m b g laf 总 得 b g l f a 总 0y ba gff 总 得 （4-1） a la fg a 总 abab fffff 摩摩 摩 （4-2） 2la fg a 总摩 式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件） （n） ； g总 l手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）, 参考上一节的计算; a导向支撑的长度（mm） ； 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面： 57 . 1 27 . 1 2 4 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取15 . 0 1 . 0 钢对铸铁：取3 . 018 . 0 计算： 导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁,，l=1.69-3 . 05 . 120. 0ng1070 总 0.028=1.41m,导向支撑 a 设计为 0.016m 将有关数据代入进行计算 22 1.41 0.16 1070 0.35978.6 0.16 l fgn a 总摩 4.3.2 手臂惯性力的计算手臂惯性力的计算 本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，minm/5vst2 . 0 启动速度,smv v /083 . 0 毕业设计（论文） 16 （4-3） gv f g t 总 惯 gv f g t 总 惯 10700.083 45.5 9.80.02 ns n n kgs 4.3.3 密封装置的摩擦阻力密封装置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 o 型密封，当液压缸工作压力 小于 10mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。ff03 . 0 封 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力： 0.03=6210nffff 摩惯 毕业设计（论文） 17 5 5 臂部运动驱动力计算臂部运动驱动力计算 5.1 臂垂直升降运动驱动力的计算臂垂直升降运动驱动力的计算 如图 4-1 所示为手臂的升降运动机构。当升降缸上下两腔通压力油时，活塞杠 4 做 上下运动，活塞缸体 2 固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒 3 做升降运动。其导向作用 靠立柱的平键 9 实现。图中 6 为位置检测装置。 图图 5-1 手臂升降和回转机构图手臂升降和回转机构图 1 升降台 2 缸体 3 套筒 4 活塞杆 5 活塞 6 固定力柱 7 齿条缸 8 平键 手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力 fm 和惯性力 fg 之外，还要克服臂部运动部件 的重力，故其驱动力 pq 可按下式计算： （5- nwfgfmpq 1） 式中 fm各支承处的摩擦力（n） ； fg启动时惯性力（n）可按臂伸缩运动时的情况计算； 毕业设计（论文） 18 臂部运动部件的总重量（n） ；w 上升时为正，下降时为负。 当 fm=40n，fg=100n， =1098n 时w pq=40+100+1098=1238（n） 5.2 手臂回转运动手臂回转运动 实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链 轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图 6 所示，回转运动 由齿条活塞杆 8 驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体上的平键 9 带动外 套一起转动实现手臂的回转。 臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩 来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些， 一般取平均值的 1.3 倍。故驱动力矩 mq 可按下式计算： mq = 1.3(mm + mg )(nm) 式中 mm各支承处的总摩擦力矩； mg启动时惯性力矩，一般按下式计算： （5-2）mn t jmg 式中 j手臂部件对其回转轴线的转动惯量（kgm ）; 2 回转手臂的工作角速度（rad/s）; t回转臂启