上下料机械手结构 控制系统设计

目 录第1章 绪论31.1 选题背景31.2 设计目的41.3 现状与发展前景41.4 设计任务51.5 设计原则6第2章 设计方案的论证62.1机械手总体方案的选择62.2 机械手腰座构造的设计92.3 机械手的手臂构造设计112.4 机械手腕部的构造设计122.5机械手的构造设计142.6机械手整体驱动的设计172.7 机器人手臂的平衡机构设计173、机械手控制系统的设计183.1 机械手控制系统硬件设计183.2 机械手控制系统软件设计25结 论26第4章 控制系统的设计274.1机械手控制系统硬件设计274.2机械手控制系统软件设计34参照文献36附录37道谢49第1章 绪论1.1 选题背景随着工业自动化限度的提高，工业现场中有诸多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所替代。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在国内的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。机械手是在机械自动化生产过程中发展起来的可以模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和规定实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。机械手生产中应用中可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:能替代人类完毕危险、反复枯燥的工作，减轻人类劳动强度、保证产品质量、提高劳动生产力、实现安全生产；特别在高温、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，它替代人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热解决、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运送业等方面得到越来越广泛的引用。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中一种重要构成部分。把机床设备和机械手共同构成一种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。当工件变更时，柔性生产系统很容易变化，有助于公司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。而目前国内的工业机器手技术及其工程应用的水平和国外比尚有一定的距离，应用规模和产业化水平低，因此，进行机械手的研究设计是非常故意义的。 1.2 设计目的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的所学知识进行整合，完毕一种特定功能、特殊规定的数控机床上下料机械手的设计，可以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行目的，可以实现理论和实践的有机结合。目前，在国内诸多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完毕，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,减少成本,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,运用机器人技术，设计用一台装卸机械手替代人工工作，以提高劳动生产率。本机械手重要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最后形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，国内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。本设计可以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、卸载加工工件的规定，从而减轻工人劳动强度，节省加工辅助时间，提高生产效率和生产力。1.3 现状与发展前景目前，国外多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：(1)工业机器人性价比性能不断提高，也就是性能(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)不断提高的同步，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械构造向模块化、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;国外已有模块化妆配机器人产品问市。(3)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，便于原则化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用老式的位置、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环境建模及决策控制;多传感器融合配备技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)现代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最出名实例。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，重要采用性价比高的模块，在满足工作规定的基本上，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。国外多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：国内目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人核心元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，国内的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比尚有一定的距离，如:可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。以上因素重要是没有形成机器人产业，目前国内的机器人生产都是应顾客的规定，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化限度低、供货周期长、成本也不低，并且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的核心技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推动产业化进程。 1.4 设计任务本课题将要完毕的重要任务如下:(1)机械手为数控机床上下料专用机械手；(2)选用机械手的座标型式和自由度；(3)设计出机械手的各执行机构，涉及:腰部、手腕、手臂等部件的设计；(4)液压传动系统的设计，并绘出液压原理图；(5)机械手的控制系统的设计，本次选用三菱公司FX系列PLC进行控制，并根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。1.5 设计原则在设计之前，必须要有一种指引原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所规定的具体设计规定为主线设计目的，充足考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体规定。在满足工艺规定的基本上，尽量的使构造简洁，尽量采用原则化、模块化的通用元配件，以减少成本，同步提高可靠性。本着科学经济和满足生产规定的设计原则，同步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，如工程力学、工程制图、机械设计、机械原理、液压传动、检测技术、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统设计等知识尽量多的综合运用到设计中，使得通过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同步也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充足发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第2章 设计方案的论证2.1机械手总体方案的选择对机械手的基本规定是能迅速、精确地拾一放和搬运物件，这就规定它们具有高精度、迅速反映、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。充足分析作业对象(工件)的作业技术规定，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能规定和环境条件;明确工件的构造形状和材料特性，定位精度规定，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步拟定对机械手构造及运营控制的规定；尽量选用定型的原则组件，简化设计制造过程，并能实现柔性转换和编程控制。为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。本次设计的械手的工作布局如图2-1所示。图2-1 机械手工作布局2.1.1 机械手总体构造的类型工业机械手的种类诸多，有关分类的问题，在此暂按使用范畴、驱动方式、控制方式和构造形式等进行分类。(1)按使用范畴机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、构造简朴、使用可靠和造价低等特点，合用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范畴大、定位精度高、通用性强，合用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。(2)按驱动方式1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:抓持力较大，可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作敏捷。但对密封装置规定严格，且不适宜在高温、低温下工作。2、气压传动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。其重要特点是:介质源极为以便，输出力小，气动动作迅速，构造简朴，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，并且气源压力较低，抓重一般在30公斤如下。合用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、电力传动机械手即有特殊构造的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，由于不需要中间的转换机构，故机械构造简朴。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用以便。此类机械手目前还不多，但有发展前程。（3）按构造形式工业机器人的构造形式重要有直角坐标构造，圆柱坐标构造，球坐标构造，关节型构造四种。各构造形式及其相应的特点，分别简介如下。1、直角坐标机器手直角坐标机器手的空间运动是用三个互相垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。直角坐标机器人能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的构造尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的构造尺寸要比其她类型的机器人的构造尺寸大得多。直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种构造。2.圆柱坐标机器手构造圆柱坐标机器人的空间运动是用一种回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器人构造比较简朴，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一种圆柱状的空间。3. 球坐标机器手构造球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一种直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器人构造简朴、成本较低，但精度不很高。重要应用于搬运作业。其工作空间是一种类球形的空间。4. 关节型机器人构造关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机器人动作灵活，构造紧凑，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。关节型机器人构造，有水平关节型和垂直关节型两种。图2-1 四种机器人坐标形式综上所述，本设计采用机械手。2.1.2 设计采用方案具体到本次数控机床上下料机械手设计中，设计规定搬运的加工工件的质量达30KG以上，且直径达到50mm，同步考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体规定，考虑在满足系统工艺规定的前提下，尽量简化构造，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,另一种为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，即一种转动自由度两个移动自由度，采用液压传动、圆柱坐标式专用型机械手方案。2.2 机械手腰座构造的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行具体设计。2.2.1 机械手腰座构造设计原则 圆柱坐标式腰座是机器手的第一种回转关节，机器人的运动部分所有安装在腰座上，它承受了机器人的所有重量。在设计机器手腰座构造时，要注意如下设计原则：1.腰座要承受机器人所有的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的构造要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。2.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。 3.机器人的腰座是机器人的第一种回转关节，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，它涉及驱动器（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。5.腰部构造要便于安装、调节。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的互相位置精度。要设有调节机构，用来调节腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 2.2.2 设计采用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，本设计使用用前者。由于电动方式控制的精度可以很高，并且构造紧凑，不用设计此外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一种回转关节，对机械手的最后精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。考虑到转速以及扭矩的具体规定，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。又由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（i=100），同步为了减小机械手的整体构造，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动导致的误差。腰座具体构造如图2-3所示：图2-3 腰座构造图2.3 机械手的手臂构造设计2.3.1手臂设计原则 机器手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实目前机器人所规定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.机器人手臂的构造尺寸应满足机器人工作空间的规定。工作空间的形状和大小与手臂的长度，手臂关节的转动范畴有密切的关系。2.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，尽量在构造上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，一般选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前比较有效的措施是用有限元法进行机器人手臂构造的优化设计。在保证所需强度与刚度的状况下，减轻机器人手臂的重量。3.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽量在重量上平衡，在设计机器人的手臂时，应尽量运用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残存的不平衡重量。4.机器人手臂在构造上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其他元件的安装。2.3.2 手臂采用方案 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，同步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规定。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，不用再设计此外的执行件了；并且液压缸实现直线运动，控制简朴，易于实现计算机的控制。为满足机械手运动的稳定性和刚度，手臂液压缸的设计原则是缸的直径获得大一点（在整体构造容许的状况下），再进行强度的较核。但由于具体工作的规定，机械手的手臂的构造不能太大，因此，在设计时增设了导杆机构，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，尽量增长其刚度；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构造。通过增设导杆，能明显提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了构造、稳定性的问题。2.4 机械手腕部的构造设计机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完毕所需要的作业动作。2.4.1手腕构造的设计原则1.机器手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，灵活性愈好，适应能力也愈强。但是，自由度的增长，也必然会使腕部构造更复杂，控制更困难，成本也会增长。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业规定来拟定。在满足作业规定的前提下，应使自由度数尽量的少。2.机器手腕部安装在手臂的末端，应力求减少其重量和体积，构造力求紧凑。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，要有原则的联接法兰，构造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。 5.要设有可靠的传动间隙调节机构，以减小空回间隙，提高传动精度。 6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设立硬限位，以避免超限导致机械损坏。2.4.2设计采用方案 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规定，在满足系统工艺规定的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的构造尽量简朴，减少控制的难度，本设计手腕不增长自由度，实践证明这是完全能满足作业规定的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕（手臂手爪联结梁）构造见图2-4。图2-4手爪联结构造2.5机械手的构造设计2.5.1机械手的设计原则机器手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。种类有诸多，以适应机器人的不同作业及操作规定。按用途可分为搬运用、加工用和测量用等。在设计机器人末端执行器时，应注意如下问题；1.机器手规定机器人末端执行器体积小、重量轻、构造紧凑。2、万能性是指一机多能，而通用性是指机械手可应用在不同的多种场合伙业，可合用于不同的机器人，以上就规定末端执行器要有原则的机械接口（如法兰），使末端执行器实现原则化和模块化。3、两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。手指的开闭角应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。对于移动型手指只有开闭幅度的规定。4.机器手要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最以便的是电气式执行机构。因此，工业机器人执行机构的主流是电气式，另一方面是液压式和气压式（在驱动接口中需要增长电-液或电-气变换环节）。2.5.2机器手的驱动方式机器人夹持器及机器人手爪。一般工业机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。机器人夹持器（手爪）的驱动方式重要有三种1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，因此气动夹持器在工业中应用较为普遍。2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆规定的条件下，由于电机有也许产生火花和发热。3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现持续位置控制。2.5.3 机器手的典型构造1.楔块杠杆式手爪运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.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。4.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诸多。2.5.4设计具体采用方案 结合具体的工作状况，本设计采用齿轮齿条式的手爪。液压缸驱动活塞往复移动，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50mm来设计。手爪的具体构造形式如图2-5所示：本课题机械手的手部构造如图3-2所示，其工件重量G=30公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=25mm,摩擦系数取f=0.10 。图2-5 齿轮齿条式手部(1) 根据手部构造的传动示意图，其驱动力为: (2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: N=12G*tan-=0.5309.8tan（60-5.4）205（N） 因此：=212025205=1985（N）(3) 实际驱动力: 由于传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: 因此： p实际=19851.520.94=6337.5（N） 因此夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为6337.5N。2.6机械手整体驱动的设计工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。2.6.1工业机械手驱动系统的选择原则 设计机械手时，驱动系统的选择，要根据机械手的用途、作业规定、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂限度、运营的功耗、性价比以及既有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基本上，综合上述各因素，充足论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最后的选择。一般状况下： 1.物料搬运（涉及上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中档负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，规定具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才干满足规定。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。2.6.2设计具体采用方案 具体到本设计，在分析了具体工作规定后，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；由于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；同步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，规定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柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞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。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，优化设计构造，使得手臂自身也许达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同步缩短启动时间。2.7.1机械手平衡机构的形式一般，机器人所采用的平衡机构重要有如下几种：1.配重平衡机构 这种平衡装置构造简朴，平衡效果好，易于调节，工作可靠，但增长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状况下采用这种平衡机构。2.弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简朴、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：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有较好的阻尼作用，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、安装和调试都增长了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作规定的场合。2.8.2设计具体采用的方案由于本设计机械手采用圆柱坐标型的构造，并且在手臂的构造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，优化设计构造，使得手臂自身尽量达到平衡。若实际工作中平衡成果不满足，则设立弹簧平衡机构进行平衡。3、机械手控制系统的设计3.1 机械手控制系统硬件设计3.1.1 机械手工艺过程与控制规定机械手的动作有水平手臂的伸缩，垂直手臂的升降，执行手爪的加快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。而水平方向的伸缩重要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制27。 而执行手爪的加快与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，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，为了保证安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才容许机械手下降进行作业。同步，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。3.1.2 机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图4-1所示：图4-1 上下料机械手工作流程图从原点开始，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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同步张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同步手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，遇到上限位开关，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，遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手达到卡盘中心高度； 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，遇到上限位开关，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种工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC立即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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，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，遇到上限位开关，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，下降到位后遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，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，遇到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同步手爪也闭合复原； 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，一种上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一种工作循环。机械手的每次循环都从原点位置开始动作。3.1.3 机械手操作面板布置操作面板布置如图4-2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28。(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4-2 机械手操作面板示意图(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、持续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完毕一种周期动作后，回到原点位置。3.1.4控制器的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、可靠性以及多种控制元件连接的灵活性和以便性，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PLC29。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。图4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC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 通讯合同、MPI 通讯合同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。3.1.5 控制系统原理分析由于机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件均有定位精度的规定，因此在机械手控制中，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30。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通过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，构成模拟控制系统，如图4-4所示。这种方案使得PLC控制量少（特别是模拟量），节省了系统资源，并且编程简朴，不必过多考虑控制算法等长处，也是完全能满足工作规定的。图4-4 水平手臂伺服定位控制原理图3.1.6 PLC外部接线设计为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制规定，运用西门子SIMATIC S7-200 （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，故增长一种模拟量输出模块EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器的输入规定，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3-5所示31。PLC的具体硬件接线图如下图所示（具体的硬件设计见图纸）图3-5 PLC硬件接线图3.1.7 I/O地址分派表4-1 PLC输入元件地址分派明细表控 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，闭合表达有工件控制面板上/下选择开关SQ1I0.6用于手动调节时控制面板夹紧/松开选择开关SQ2I0.7用于手动调节时控制面板顺/逆选择开关SQ3I1.0用于手动调节时控制面板手动工作选择开关SQ4I1.1用于手动调节时控制面板自动工作选择开关SQ5I1.2表4-2 PLC输出元件地址分派明细表控 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机械手原点状态批示灯L1Q0.5显示原点位置中断强制关机开关KMQ0.6用于中断控制3.2 机械手控制系统软件设计4.2.1 机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图4-6所示：图4-6 机械手控制主程序流程图3.2.2 机械手控制程序设计机械手控制系统的软件设计采用西门子S7-200 PLC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32。得出了具体的程序梯形图，具体梯形图（LAD）程序。图4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32编程窗口结 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，完毕一种特定功能、满足特殊规定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行目的，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，不顾具体工作规定，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，从而导致诸多功能主线用不着，“大材小用”，无谓的提高了成本，导致资源挥霍的老设计“套路”和老措施。在满足系统工艺规定的前提下，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构造形式和控制系统，采用模块化设计，大量采用原则化、模块化的通用元配件，从而使成本大为减少，具有明显的技术经济性。本机械手可以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。并且，只要把手爪的构造稍作变化,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，并且节省能源，减轻工人的劳动强度，增进生产技术的进步。具有较好的经济效益。机械手采用可编程序控制器控制,可以实行手动调节、手动及自动控制。系统构造紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程变化时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分派，在控制程序中作简朴修改，补充扩展即可。通过重新编制相应的控制程序，就可以比较容易的推广到其她类似的加工状况。综上，通过近三个月的毕业设计，通过资料的收集、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种整体的深层次的理解，同步对工程的理解更加深刻和精确。因此，通过毕业设计实现了预期目的。第4章 控制系统的设计4.1机械手控制系统硬件设计4.1.1机械手工艺过程与控制规定机械手的动作有水平手臂的伸缩，垂直手臂的升降，执行手爪的加快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。而水平方向的伸缩重要由电液伺服阀、伺服驱动器、感应式位移传感器构成的回路进行调节控制。 而执行手爪的加快与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现。柱塞缸由单线圈的电磁阀（夹紧电磁阀）来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，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，为了保证安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才容许机械手下降进行作业。同步，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。4.1.2机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图4-1所示：图4-1 上下料机械手工作流程图从原点开始，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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同步张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同步手爪夹紧，抓住工件； 上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，遇到上限位开关，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，遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手达到卡盘中心高度； 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，遇到上限位开关，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种工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC立即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，同步手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后遇到下限行程开关，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，遇到上限位开关，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，下降到位后遇到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止； 接着手爪柱塞缸电磁阀通电，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，遇到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同步手爪也闭合复原； 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，一种上下料过程结束； 机械手在原点等待命令，准备下一种工作循环。机械手的每次循环都从原点位置开始动作。4.1.3机械手操作面板布置 操作面板布置如图4-2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4-22.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、持续的周期性循环。在工作中若按下停止按钮，机械手将继续完毕一种周期动作后，回到原点位置。4.1.4控制器的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、可靠性以及多种控制元件连接的灵活性和以便性，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。具体型号为SIMATIC S7-200 CPU224。图4-3 SIEMENS SIMATIC S-700 PLC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 通讯合同、MPI 通讯合同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。4.1.5控制系统原理分析由于机械手作业时，取工件、放工件，安装工件、卸下工件均有定位精度的规定，因此在机械手控制中，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通过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，构成模拟控制系统，如图4-4所示。这种方案使得PLC控制量少（特别是模拟量），节省了系统资源，并且编程简朴，不必过多考虑控制算法等长处，也是完全能满足工作规定的。图4-4 水平手臂伺服定位控制原理图4.1.6 PLC外部接线设计为适应水平手臂液压缸的伺服定位的控制规定，运用西门子SIMATIC S7-200 （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，故增长一种模拟量输出模块EM232，鉴于伺服放大器和位移传感器的输入规定，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4-5所示。PLC的具体硬件接线图如下图所示（具体的硬件设计见图纸）图4-5 PLC硬件接线图4.1.7 I/O地址分派表4-1 PLC输入元件地址分派明细表控 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，闭合表达有工件控制面板上/下选择开关SQ1I0.6用于手动调节时控制面板夹紧/松开选择开关SQ2I0.7用于手动调节时控制面板顺/逆选择开关SQ3I1.0用于手动调节时控制面板手动工作选择开关SQ4I1.1用于手动调节时控制面板自动工作选择开关SQ5I1.2表4-2 PLC输出元件地址分派明细表控 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机械手原点状态批示灯L1Q0.5显示原点位置中断强制关机开关KMQ0.6用于中断控制4.2机械手控制系统软件设计4.2.1机械手控制主程序流程图机械手控制主程序流程图如图4-6所示：图4-6 机械手控制主程序流程图4.2.2机械手控制程序设计机械手控制系统的软件设计采用西门子S7-200 PLC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。得出了具体的程序梯形图，具体梯形图（LAD）程序见附录3。图4-7 STEP 7-MICRO/WIN 32编程窗口参照文献1 宋吉来，俞建成等轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计J北京：微计算机信息.2 张毅刚，赵光权，孙宁等.TMS320LF240X系列DSP原理、开发与应用D .哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.3 熊新民，曹毅等智能机器人运动关节集成驱动控制器研究J北京：微计算机信息.4 高峰,冯培恩,高宇,周波,张强.挖掘机器人液压传动的伺服控制方略. 北京：液压与气动.5 廖万辉，李琳等基于机器视觉的工业机器人定位系统J北京：微计算机信息.6 程宪平.机电传动与控制. 北京：华中科技大学出版社.7 郭仁生.机械设计基本. 北京：清华大学出版社.8 张群生.液压与气动传动. 北京：机械工业出版社.9 液压总纲.北京：国防工业出版社.10 电力拖动控制系统.北京：清华大学出版社.11 机械制造专业毕业设计指引.北京：化学工业出版社.12 王承义.机械手及其应用.北京：机械工业出版社.1981.13 朱龙根.机械系统设计.北京：机械工业出版社.14 左健昆.液压与气压传动.北京：机械工业出版社.15 孔玉安.液压技术在工程中的应用.江苏科学技术出版社.1986.16 孙志礼.机械设计.沈阳：东北大学出版社.附录附件1：外文原文Manipulator developed in recent decades as high-tech automated production equipment. Industrial robot is an important branch of industrial robots. It features can be programmed to perform tasks in a variety of expectations, in both structure and performance advantages of their own people and machines, in particular, reflects the peoples intelligence and adaptability. The accuracy of robot operations and a variety of environments the ability to complete the work in the field of national economy and there are broad prospects for development. With the development of