数控机床上下料机械手毕业论.doc

毕业设计（论文）题目 数控机床上下料机械手 专业班级 姓名 所属助学单位 2015 年 9 月 5 日目 录1 绪论11.1 选题背景11.2 设计目的11.3 发展现状与趋势22 液压上下料机械手的设计方案32.1机械手的概念32.2 机械手的组成及工作原理32.3 机械手的总体设计42.3.1 机械手的总体机构的类型42.3.2 具体采用方案52.4 机械手主要部件的选用52.4.1 机械手手爪的选用52.4.2 机械手手腕的选用62.4.3 机械手手臂的选用72.4.4 机械手机身的选用82.5 驱动机构的选择82.6 传动结构的选择92.7 机器人手臂的平衡机构设计103 液压系统的设计113.1 液压系统的概述113.2 液压系统的组成113.3 液压系统的基本控制回路113.4 液压系统的总体设计123.4.1 控制回路的设计123.4.2 液压源系统的设计123.4.3 绘制的液压系统图133.5 液压系统的简单计算133.5.1油缸的主要类型与相关运算 143.5.2油泵的选择 183.5.3 油泵电动机功率的确定 184 机械手控制系统的设计194.1 系统硬件电路的设计194.1.1 可编程控制器的概念194.1.2 PLC的应用领域194.1.3 PLC系统的组成204.1.4 PLC的工作原理21结 论30致 谢31参考文献32摘要通过对机械设计基础、工业用微型计算机及其自动化等专业课程的学习，以及课外实践所学的知识，对数控机床上下料机械手各部分机械结构和功能进行了论述和分析，设计了一种液压式圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。此设计主要针对机械手的手爪、手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了的设计。同时对PLC控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。PLC控制系统的分析重点放在PLC各硬件部分的设计和介绍、PLC梯形图的编写上。此次设计的自动上下料机械手采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统用PLC作为控制器，优化了机械手群的控制系统。该机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业。 关键词：机械手；液压系统；PLC控制系统；1 绪论1.1 选题背景近年来，随着科学技术的不断提高以及工业自动化的快速发展，高效、高质量、低成本、低污染无疑成为了工业自动化所追求的目标。其中机器人就代表了工业自动化的最高水平。机器人的研发与应用，体现了一个企业先进的加工制造能力和科研能力。同时它也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。由于机械手能代替人类完成高危险、高强度，重复枯燥的工作，同时可以连续长时间生产，从而大大的提高了生产效率，降低了人工生产成本，减轻了人类的劳动强度。因此机械手已经越来越广泛的得到了应用。一般机械手在机械行业中可用于零部件组装 、加工工件自动抓取、上料、下料、工件翻转、工件转序等工作，特别是在自动化数控机床以及组合机床上使用比较普遍。目前，机械手已经发展成为一种非常成熟的机械加工辅助手段，同时也发展成为了柔性制造系统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。可以节省庞大的工件输送装置及人工，结构简单，适应性强。机械手的应用改变了传统的搬运方式，有效地改善了作业环境，提倡零件加工数字化，信息化，少人化直至无人化管理，极大程度的保证了产品的质量，使现代加工制造技术迈上了新的台阶。然而，目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与国外相比还有一定的差距，机械手应用工程起步相对比较晚。因此，为了加快我国工业自动化的步伐，进行机械手的研究设计是非常必要，也是十分具有意义的事。1.2 设计目的众所周知，一个国家经济实力很大程度上取决于制造业的发展水平。上世纪，美国制造业占世界制造业40%，2010年中国制造业第一次赶超美国（中国占19.8%，美国占19.4%）。近几年，美国、日本、韩国等国家纷纷将自己的制造产业搬回本国，准备大力发展制造业，一场无硝烟的工业大战即将开始。然而，我国大部分的工厂和企业仍然还是使用人工装卸、搬运、包装、打码等。这些人工操作具有一定的危险性，在高强度的作业环境下人容易犯错，工作效率会大打折扣。这些已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了加快工业自动化的步伐，使其真正的走进人们的生活，结合自己所学的专业理论知识及课外实践知识，设计了一台自动上下料机械手，其兼备人和机器的优点，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。1.3 发展现状和趋势 目前，国内外各种机械手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：1.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。2.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，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和维修性。3.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进行决策控制；传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。4.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；5.焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、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。 综上所述可以概括为两个方向：其一是机械手的智能化，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，性价比高，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。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。2 液压上下料机械手的设计方案2.1机械手的概念我国国家标准(GB/T1264390)对机械手的定义：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调)程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。2.2 工业机械手的组成及工作原理2.2.1工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图2.1：控制机构驱动机构执行机构位置检测装置电量工件 图2.1 工业机械手各部分关系图执行机构：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。机械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）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装卸；（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。2.2.2上下料机械手的工作原理上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是设计好的，一般只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时，先由料槽中取出工件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点料槽；放料点加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：直线下降直线升起平面圆弧摆动直线下降。2.3机械手的总体设计2.3.1机械手总体结构的类型工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：1. 直角坐标机械手结构特点直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2. 圆柱坐标机械手结构特点圆柱坐标机械手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2-1.b。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。 3. 球坐标机械手结构特点球坐标机械手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2-1.c。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。4. 关节型机械手结构特点关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。2.3.2 具体采用方案 具体到本设计，因为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，一件小成本、提高可靠度。该机械手的工作中需要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一栋栋自由度，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。2.4机械手主要部件的选用2.4.1手爪2.4.1.1机械手手爪的结构设计要求手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。机械手手爪设计有如下要求：（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。2.4.1.2设计具体采用方案手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，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。手部示意图如下：图2-3 手部示意图2.4.2 腕部2.4.2.1 腕部设计的基本要求手腕部件置于手部和臂部之间，它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，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕X轴转动和沿X轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。2.4.2.2设计具体采用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，腕部的结构如图2-4所示，它可做与手臂垂直方向（例如Y轴方向）横移，还可以绕Y轴或Z轴回转。本次设计，手腕回转角度115，手腕回转速度，V腕回 = 40/s。 图2-4 腕部结构2.4.3 手臂 2.4.3.1手臂设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有三个自由度才能满足基本要求：即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，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都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：（1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度。（2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般是根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（v和w为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。为减少转动惯量的措施：减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。减少手臂运动件的尺寸轮廓。减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。（3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。（4）位置精度要高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。2.4.3.2具体设计方案由于机械手手臂运动为直线运动，这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。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，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。目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数K一般可在1.53，本机械手取安全系数K=2。定位精度为1mm。手臂伸长量150mm，手臂回转角度120。手臂升降行程180mm，手臂水平运动行程100mm。手臂伸缩速度 ，V臂伸 = 50 mm/s手臂回转速度， V臂回 = 40/s，手臂升降速度， V臂升 = 50 mm/s。2.4.4机身2.4.4.1机身设计的基本要求机身是直接支撑和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机体的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。此次设计机身为地面轨道运动式。它的驱动系统是步进电机，再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器其输出速度为1.2m/s。在后是一个制动箱。其主要参数是由外部计算机调整和控制，在很大程度上是由运动学和轨迹运动而去编制小车的运行程序。2.5驱动机构的选择2.5.1驱动机构的主要类型驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同,可分为以下四类：（1）气压传动机械手 气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、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、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。（2）液压传动机械手 液压传动机械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。（3）机械驱动机械手 它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。（4）电气驱动机械手 它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。驱动机构是工业机械手的重要组成部分,工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。2.5.2具体设计方案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，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。2.6 传动结构的选择2.6.1工业机器人常用的传动机构形式（1） 齿轮传动机构在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。（2） 谐波齿轮传动谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。（3）螺旋传动螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%40%）。后 者 虽 然 结 构 复 杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%98%），其运动平稳，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。（4）同步带传动同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。（5）钢带传动 钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。（6)链传动 在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。（7)钢丝绳轮传动钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。2.6.2工业机器人传动机构设计的要求 机器人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，机器人各联杆及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。机器人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转动、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。2.6.3 具体设计方案 为了简化结构，同时提高精度。机械手腰部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。经济分析比较，选择圆柱齿轮传动，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，同时较大的降低电动机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比,齿轮采用高强大、高硬度的材料，高精度加工制动。2.7 机器人手臂的平衡机构设计 直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，一减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。2.7.1 机器人平衡机构的形式通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：1.配重平衡机构这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。2.弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。3.活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡小童平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用：气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。2.7.2 设计具体采用的方案因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。3 液压系统的设计3.1液压系统的概述 机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。3.2液压系统的组成 液压传动系统主要由以下几个部分组成： （1） 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。 （2） 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。 （3） 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。3.3液压系统的基本控制回路 机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。3.3.1 压力控制回路 压力控制回路是通过控制液压系统的压力，以满足执行元件对力和力矩要求的回路。包括调压、卸荷、减压、平衡锁紧等基本回路。本设计采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路和单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路 为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。3.3.2 速度控制回路 液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。 根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。 节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。 采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。 调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。3.3.3 方向控制回路 在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。 目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。3.4液压系统总体设计此次设计的上下料机械手是以PLC来控制整个液压元件，通过控制液压缸的电磁换向阀而实现机械手各个关节的运动。至于机械手在空间的运动和定位则由外部的电脑操作系统完成，它主要先进行机器手的运动学分析，动力学分析，轨迹规划和编程。从而由上述系统完成整个机械手在空间的行走，定位和重复定位等操作。3.4.1液压执行元件运动控制回路的设计液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。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；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。 本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。3.4.2 液压源系统的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。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。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3.4.3 绘制液压系统图本机械手的液压系统图如图3-1所示它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、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进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，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。3.5液压系统的简单计算 计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。 一般会用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360的往复回转运动），及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。3.5.1 油缸的主要类型与相关运算3.5.1.1 双作用单杆活塞油缸 图5-2 双作用单杆活塞杆油缸计算简图 流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为 Q1 = DV1 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为： P1 = Dp 对于手臂伸缩油缸：P1=196N， 对于手指夹紧油缸：P1=126N ，对于手臂升降油缸：P1=320N 当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量 Q2 为： Q2 = （D-d）V2 对于手臂伸缩油缸：Q2=0.87cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q2=0.96 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q2=0.72 cm/s 油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为： P2 = （D-d）p 对于手臂伸缩油缸：P2=172N， 对于手指夹紧油缸：P2=108N ，对于手臂升降油缸：P2=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷 机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为 P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回 其中P工 为工作阻力 P导 为装置处的摩擦阻力 P封 为密封装置处的摩擦阻力 P惯 为性阻力 P回 为回背压阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) 确定油缸的结构尺寸 油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即 P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算 D = = 1.13 厘米 （无杆腔） 对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm或D = 厘米（有杆腔） 油缸壁厚的计算： 依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： = 厘米 P计 为计算压力 油缸材料的许用应力。 对于手臂伸缩油缸： =6mm， 对于手指夹紧油缸： =17mm ，对于手臂升降油缸： =16mm , 对于立柱横移油缸: =17mm 活塞杆的计算 可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即 = 即 d 厘米 对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm3.5.1.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） 图5-3 齿条活塞缸计算简图 流量、驱动力的计算 Q = 当D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s时 Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷P P = P工 + P封 + P惯 + P回 其中P工为工作阻力 P封 为密封装置处的摩擦阻力 P惯 为惯性阻力 P回 为背压阻力 P = 66+108+208=382（N） 油缸内径的计算 根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 D = （厘米） D = 45mm3.5.1.3单叶片回转油缸 在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下： 图5-4回转油缸计算简图 流量、驱动力矩的计算 当压力油输入回转油缸，使动片以角速度运动时，需要输入回转油缸的流量Q为： Q = 当D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s时 Q=0.02m/s回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M： M = 得 M = 0.8 (Nm) 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工为工作阻力矩 M封 为密封装置处的摩擦阻力矩 M惯 为参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 为回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (Nm) 回转油缸内径的计算 回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： D = D = 30mm（厘米)3.5.2油泵的选择 一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力P泵 和最大流量Q泵 来确定。 确定油泵的工作压力P泵 P泵 p + p 式中 p 油缸的最大工作油压 p 压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。 P泵 = 60*10帕 确定油泵的 Q泵 油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定 Q泵 = K ，Q最大 其中：K一般取1.101.25 Q泵=53升/分 3.5.3 油泵电动机功率的确定 油泵的电动功率为 N = （千瓦） 式中 p油泵的最大工作压力 Q所选油泵的额定流量 油泵总效率 N=7.5（千瓦）4 机械手控制系统的设计4.1 系统硬件电路的设计4.1.1可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC具有如下特点：1、编程方法简单易学。2、功能强，性能价格比高。3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4、可靠性高，抗干扰能力强。5、系统的设计、安装、调试工作量少。6、维修工作量小，维修方便。7、体积小，能耗低。4.1.2 PLC的应用领域PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常分成以下5种类型：1、顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。2、运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。相对来说，位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便，3、过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度等。PID模块提供了使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某