关于机械手的论文

本科毕业设计（论文）题目:装卸机械手及其控制系统设计院 系： 机电工程学院 学科专业：机械设计制造及其自动化 学 生： 王亚峰 学 号： 080203119 指导教师： 张国锋 2012年 06月装卸机械手及其控制系统摘 要装卸机械手是一种能自动化定位控制并可重新编写程序以变动的多功能机器，本次设计是装卸机械手结构及其基于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，以及腰部结构的设计，完成了装卸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。最后，进行PLC控制系统的硬件和软件的结构设计。关键词：装卸机械手；系统结构设计；PLC控制Loading and unloading manipulator and its control systemABSTRACTLoading and unloading 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 . Finally, the PLC control system hardware and software structure design.Key words：Loading and unloading manipulator；Structure design ； PLC control 目录中文摘要英文摘要1 绪论1 1.1 题目背景1 1.2 研究意义1 1.3 国内外研究情况11.4 设计原则32 机械手设计方案5 2.1 机械手总体设计5 2.1.1 主要设计内容52.1.2 总体设计方案5 2.2 机械手基本结构5 2.3 机械手基本形式的选择7 2.4 机械手的主要部件及运动7 2.5 机械手的技术参数列表73 机械手的设计计算9 3.1 机械手手部的设计方案9 3.1.1 选择手抓的类型及夹持装置9 3.1.2 手抓的力学分析9 3.1.3 夹紧力及驱动力的计算11 3.1.4 手抓夹持范围计算12 3.1.5 手抓夹持精度分析13 3.1.6 弹簧的设计计算14 3.2 机械手腕部的设计计算16 3.2.1 腕部设计考虑参数16 3.2.2 腕部的驱动力矩计算16 3.3 机械手手臂的结构设计173.4 机械手腰座的结构设计18 3.5 电机选型相关参数计算20 3.5.1 有关参数计算20 3.5.2 电机型号的选择224 机械手控制系统的设计244.1 PLC概况24 4.1.1 可编程控制器24 4.1.2 PLC的应用概况24 4.1.3 PLC的特点25 4.1.4 PLC在机械手中的应用264.2 机械手控制系统硬件设计26 4.2.1 机械手工艺过程与控制要求26 4.2.2 机械手的作业流程26 4.2.3 机械手操作面板布置28 4.2.4 控制器的选择28 4.2.5 控制系统原理分析29 4.2.6 PLC外部接线设计30 4.2.7 I/O地址分配304.3 机械手控制系统软件设计31 4.3.1 系统控制示意图31 4.3.2 控制系统原理接线图31 4.3.3 机械手操作系统32 4.3.4 回原位程序33 4.3.5 手动单步操作程序34 4.3.6 自动操作程序35 4.3.7 机械手传送系统梯形图36 4.3.8 程序指令38结论 40参考文献 41 致谢 42毕业设计（论文）知识产权声明43毕业设计（论文）独创性声明441 绪论1.1 题目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1。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。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2。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 研究意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下3：（1）以提高生产过程中的自动化程度：应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（2）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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，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的完成作业，使劳动条件得以改善；在一些简单、重复、特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产：机械手可以代替人进行工作,同时机械手可以连续的长时间的工作，有效地减轻了人力劳动。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都在使用机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。1.3 国内外相关研究情况现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品4。在国外，机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止2008年，机械手累计产量达106900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到2020年将有55万台机器人在工作。在我国，我国机械手技术起步较晚，进入20 世纪90 年代后，我国机械手的研究步入正轨，在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上,在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上得到广泛应用，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，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。（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。（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。总之，目前机械手主要经历了三代5：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。改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手它设有微型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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地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制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.4 设计原则本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、液压与气压传动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制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。西安工业大学毕业设计（论文）2 机械手设计方案2.1 机械手总体设计2.1.1.主要设计内容 主要了解国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉装卸机械手的运动机理。在此基础上，确定装卸机械手的基本系统结构，对装卸机械手的运动进行简单的力学模型分析，完成机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。设计机械手基于PLC的控制系统。2.1.2 总体设计方案对于装卸机械手的基本要求是：能快速、准确地装卸物件，这就要求它具有高精度、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；设计装卸机械手的原则是: 以任务书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，同时提高科学性,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结构及运行控制的要求；具体到本设计，因为设计要求装卸的加工工件的质量达60KG，且长度达1500mm，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5种运动,其中大臂的升降和小臂的伸缩为两个直线运动,还有手部的回转运动，手抓的张合及手臂的回转。综合考虑，机械手自由度数目取为5，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。2.2 机械手基本结构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6，如下图2.1所示：驱动系统控制系统执行机构被抓取工件位置检测装置 图2.1 机械手组成图 1. 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7；（1）手部：是机械手与工件接触的部件；由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部；由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务；（2）手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用；手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置；（3）立柱：是支承手臂的部件；手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系；机械手的立柱通常为固定不动的；（4）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，故起支承和联接的作用；图2.2 机械手的运动示意图82.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。3. 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。4. 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6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。2.3 机械手基本形式的选择按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标形式可分为直角座标形式、圆柱坐标形式、球坐标形式和关节形式【9】，如2.3图：图2.3 机械手坐标形式图由于本机械手在装卸时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标形式；相应的机械手具有三个自由度。2.4 机械手的主要部件及运动在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手臂伸缩；手臂升降；手臂的回转，手部回转5个主要运动。本设计机械手主要由4个大部件和液压缸，步进电机组成。（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转1800。 （3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.5m。（4）机身，采用一个步进电机和一个齿轮及轴的转动来实现手臂的回转。2.5 机械手的技术参数列表1.用途；装卸:用于车间装卸工件。2.设计技术参数:(1)抓重:60Kg (夹持式手部)(2)自由度数:5个自由度(3)座标型式:圆柱座标(4)最大工作半径:1500mm(5)手臂最大中心高:1380mm (6)手臂运动参数：伸缩行程：1200mm；伸缩速度：500mm/s升降行程：200mm；升降速度：300mm/s；回转范围:01800 （7）手腕运动参数：回转范围: 01800(8)驱动方式:步进电机,液压缸(9)控制方式:点位程序控制(采用PLC)3 机械手的设计计算3.1 机械手手部的设计计算1. 手部设计基本要求:（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2） 手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。（3） 在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（4） 应保证手抓的夹持精度。3.1.1 选择手抓的类型及夹紧装置本次设计是设计装卸工件的机械手，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=，夹取重量为60Kg。按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差为零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手爪张开10。3.1.2 手抓的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如3.1图为常见的滑槽杠杆式手部结构。 图3.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1:手指 2:销轴 3:杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，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F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线和并指向点，交和的延长线于A及B;由： 得： 由： 得： 即：销轴对手指作用力为,手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力）。假想握力作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，以表示，由手指平衡条件得： （3.1）上式中： a手指的回转支点到对称中心的距离（mm）. 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力一定时，角增大，则握力也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好。3.1.3 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据11。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： （3.2）式中: 安全系数，通常取1.22.0； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算：，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;其中： 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G被抓取工件所受重力（N）。表3.1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.81.020000300002.04.05000100001.52.030000500004.05.010000200002.53.050000以上5.08.0计算：设a=50mm,b=100mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力和驱动液压缸的尺寸。(1) 设 = 根据公式，将已知条件带入： （2）根据驱动力公式得： （3）取得： （4）确定液压缸的直径D 选取活塞杆直径d=0.4D,选择液压缸压力油工作压力P=0.81MPa, 根据表3.2（JB826-66），选取液压缸内径为：D=25mm则活塞杆内径为:d=250.4=10mm。3.1.4 手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从40104mm。（a） (b)图3.2 手抓张开示意图3.1.5 手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关12。图3.3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度：机械手的夹持范围为80mm208mm；一般夹持误差不超过1mm，分析如下：工件的平均半径：手指长,取V型夹角偏转角按最佳偏转角确定：计算: 当时带入有： 夹持误差满足设计要求。3.1.6 弹簧的设计计算本次设计选用圆柱螺旋弹簧。如3.4图所示，计算过程如下：图3.4 圆柱螺旋弹簧的几何参数(1).弹簧材料选择60Si2Mn，由机械零件设计手册表（常用弹簧材料的机械性能）中查取相应的许用剪应力,剪切弹性模数13。(2).预先选取弹簧指数C=8，则: 即(3).由弹簧的设计公式，弹簧丝直径： （3.3）即mm由机械零件设计手册查得：,变形量又有：,故有 mm(5).根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数： （3.4） 选择标准为，弹簧的总圈数圈(6).对于压缩弹簧稳定性的验算： 对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长径比，本设计弹簧是两端固定的，根据下列选取： 当两端固定时，,当一端固定；一端自由时，；当两端自由转动时，；结论：本设计弹簧，因此弹簧选择合适。(7).疲劳强度和应力强度的验算：对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算14。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：15 （3.5） 选取1.31.7（力学性能高） （3.6）结论：经过校核，弹簧选择合适。 3.2 机械手腕部的设计计算1. 腕部设计的基本要求:（1） 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。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，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3） 本次设计，机械手的工作条件是在工作场合中装卸加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。2. 腕部的结构以及选择:本次设计要求手腕回转，综合考虑各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。3.2.1 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量60Kg，回转。3.2.2 腕部的驱动力矩计算（1）腕部的驱动力矩需要的力矩。（2）腕部回转支撑处的摩擦力矩。若夹取棒料直径100mm，长度1000mm，重量60Kg，当手部回转时，计算力矩：（1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其估算重力G；（2） 摩擦力矩（3） 启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。 （3.7）查取转动惯量公式有：代入： 3.3 机械手手臂的结构设计1. 机械手手臂的设计要求: 机械手手臂的作用：是在一定的载荷和一定的速度下，实现机械手所要求工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循以下原则15： （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，这样有利于机械手的控制。(2) 机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手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。(3) 为提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手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。(4) 机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。(5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。(6) 机械手手臂在结构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，传动机构及其它元件的安装。2.设计具体采用方案: 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16。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达60KG，属大型重量，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。可通过增设导杆，来提高机械手的运动刚度和稳定性，这样能较好的解决结构稳定性的问题。3.4 机械手腰座的结构设计1. 机械手腰座结构的设计要求: 机械手的腰座，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17。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，以保证机械手在工作时整体安装的稳定20性。(2) 腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手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) 机器人的腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手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。(5) 腰部结构要便于安装、调整。腰部与机械手手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。(6) 为了减轻机械手运动部分的惯量，提高机械手的控制精度，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。2. 设计具体采用方案: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18，本次设计采用电机通过减速机构来实现。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。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，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为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，同时为了减小机械手的整体结构，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造成的误差19。腰座具体结构如3.6图所示：图3.6 机械手腰座图3.5 电机选型有关参数计算3.5.1 有关参数的计算1. 步进电机驱动腰部的回转，则有：负载额定功率： （3.8）负载加速功率： （3.9）负载力矩（折算到电机轴）： （3.10）负载GD（折算到电机轴）： （3.11）23起动时间： （3.12） 制动时间： （3.13） 式中，-为额定功率，KW；-为加速功率，KW；-为负载轴回转速度，r/min；-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，； 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； （3.14）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；-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=140；带入数据，计算得 =0.07；同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3.8）（3.14）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到电机轴上的负载转矩为：。3.5.2 电机型号的选择 根据以上结果，综合考虑各种因素，选择的步进电机型号为： 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。图3.7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。图3.7 所选电机相关参数图3.8 110BYG550B-SAKRMA-0301步进电机的矩频特性曲线4 机械手控制系统的设计4.1 可编程控制器概况4.1.1可编程序控制器 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【20】。可编程控制器主要由CPU模块，输入模块，输出模块和编程装置组成，其基本构成如图4.1所示： 图4.1 PLC控制系统示意图 （1）CPU模块在可编程控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。（2）I/O模块输入（Input）输出(Output)模块简称I/O模块,他们是系统的眼，耳，手，脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。（3）编程装置 编程装置是用来生成用户程序，并对它进行编辑，检查和修改。通过编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图，指令表，功能图块和顺序功能图程序，并可以实现不同程序语言的相互转换。（4）电源 可编程序控制器采用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V,12V,24V等直流电源。 4.1.2 可编程控制器的应用概况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。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。按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面21。(1）用于数字量逻辑控制PLC具有“与”“或”“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制与顺序逻辑控制。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）用于运动控制PLC使用抓用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置，速度，和加速度进行控制，可实现单周，双周，3轴和多轴位置控制，使运动与顺序控制功能有机地结合在一起。（3）用于闭环过程控制PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID控制（4）用于数据处理 现代PLC具有数学运算，数据传送，转换，排序，和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析、和处理。（5）用于通信连网PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信，多台可编程控制器之间的通信、PLC和其他智能控制设备之间的通信。PLC和其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。4.1.3 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；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。4.1.4 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作【22】。4.2 机械手控制系统硬件设计4.2.1 机械手工艺过程与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。 而执行手爪的加紧与放松，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装卸工件工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出装卸工件命令时，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23。4.2.2机械手的作业流程机械手的作业动作流程如图4.2所示：26图4.2 装卸机械手工作流程图从原点开始，按下启动键，且有装卸工件命令，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，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，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，发送卸工件命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱