畢業(yè)設計（論文）PLC搬運機械手的控制系統(tǒng)設計

1、i 摘摘 要要 隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手的應用也逐 漸普及，主要在汽車，電子，機械加工、食品、醫(yī)藥等領域的生產流水線或貨物裝卸調 運, 可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設備或產品的效率，以降低其他搬運方式的限制和 不足，滿足現代經濟發(fā)展的要求。 搬運機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，本文介 紹的是機械手模型基于 plc 的控制系統(tǒng)設計。在設計中，通過對機械手手部結構的設計， 臂部結構的設計，以及液壓系統(tǒng)的設計，完成了搬運機械手的系統(tǒng)結構設計。在 plc 控 制系統(tǒng)設計中，首先，對可編程序控制器進行相應的介紹，選擇了 plc 的型號。

2、然后， 通過對機械手的各功能實現形式和控制方式的研究，給出了各部分的實現方案并確定了 控制系統(tǒng)的器材。最后，進行 plc 控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件程序設計。 關鍵詞：關鍵詞：搬運機械手；結構設計；液壓系統(tǒng)；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 au

3、tomotive, 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 dev

4、elopment. 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

5、 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 an

6、d 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 錄錄 摘 要.i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 設計背景.

7、1 1.2 機械手簡介.1 1.2.1 機械手的發(fā)展概況.1 1.2.2 機械手的應用意義.2 1.2.3 搬運機械手的應用簡況.3 1.2.4 機械手的發(fā)展趨勢.4 1.3 plc 概況及在機械手中的應用.4 1.4 設計目的 .6 1.5 設計原則.6 1.6 本設計的主要內容 .7 2.搬運機械手的整體設計.8 2.1 執(zhí)行機構.8 2.2 驅動系統(tǒng).9 2.3 控制系統(tǒng) .9 2.4 位置檢測裝置 .9 3 手部結構.10 3.1 概述 .10 3.2 設計時應考慮的幾個問題 .10 3.3 驅動力的計算 .10 3.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 .12 3.5 手抓加持范圍計

8、算 .12 4 臂部的設計.14 4.1 臂部設計的基本要求 .14 4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 .15 4.2.1 手臂的典型運動機構.15 4.2.2 手臂運動機構的選擇.15 4.3 手臂直線運動的驅動力計算 .15 4.3.1 手臂摩擦力的分析與計算.15 4.3.2 手臂慣性力的計算.16 4.3.3 密封裝置的摩擦阻力.17 5 臂部運動驅動力計算.18 5.1 臂垂直升降運動驅動力的計算 .18 5.2 手臂回轉運動 .19 iv 5.3 臂水平伸縮運動驅動力的計算 .19 6 液壓系統(tǒng)的設計.21 6.1 液壓系統(tǒng)簡介 .21 6.2 液壓系統(tǒng)的組成 .21 6.3

9、機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 .21 6.3.1 壓力控制回路.21 6.3.2 速度控制回路.22 6.3.3 方向控制回路.23 6.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) .23 6.4.1 上料機械手的動作順序.23 6.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理.23 6.5 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 .26 6.5.1 雙作用單桿活塞油缸.26 6.5.2 無桿活塞油缸.28 7 plc 控制回路的設計.30 7.1 機械手工作流程 .30 7.2 電磁鐵動作順 .30 7.3 器件分配 .31 7.4 plc 梯形圖 plc 指令表.32 7.5 plc 指令表 .33 結 論.35 致 謝.36 參考文

10、獻.37 畢業(yè)設計（論文） 1 1 1 緒論緒論 1.1 設計背景設計背景 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置， 它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特 別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的 一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動 化的有機結合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提 高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ， 加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使

11、用更普遍。目前，機 械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) fms 和柔性制造單元 fmc 中一個重要組成部分。把機床 設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產， 可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產 系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市 場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的 距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平 的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常 有意義的。 1.2 機械

12、手簡介機械手簡介 1.2.1 機械手的發(fā)展概況機械手的發(fā)展概況 (1)機械手的發(fā)展 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附 屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重 復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械 手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中 獲得廣泛的引用。 專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用 機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不 僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識

13、，而且還應用一些電子技術、電視技術、通 訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新 技術。目前國內外對發(fā)展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直 比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。 畢業(yè)設計（論文） 2 早在 40 年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現了模擬關節(jié)式的第一代機械手。 5060 年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數控示教再現型機械手。這種 機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(unimate)機械手即屬于這種類型。 6070 年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即 是

14、第二代機械手這一新技術進入了應用階段。 80-90 年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。 90 年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農、林、礦 業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。 90 年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機械手技術 也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機械手的主要經歷分為三代： 第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的 方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、 觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反

15、饋，使機械手 具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設 備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng) fms(flexible manufacturing system)和柔性制 造單元 fmc(flexible manufacturing cell)中重要一環(huán)。 （2）液壓機械手 液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介 質李源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有 可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公 斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適

16、用于高速、輕載、高溫和 粉塵大的環(huán)境中進行工作。 液壓技術有以下優(yōu)點: 1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊； 2）能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度，并可實現無極調速； 3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線 往復運動的轉換； 4）液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制； 5）由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長； 6）操縱控制簡便，自動化程度高； 7）容易實現過載保護。 1.2.2 機械手的應用意義機械手的應用意義 在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如

17、下： （1）可以提高生產過程的自動化程度 畢業(yè)設計（論文） 3 應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等 的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業(yè)生產機械化和 自動化的步伐。 （2）可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、 臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危 險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善 了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工 作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）

18、可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產 應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械 手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動 生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié) 奏地進行生產。 綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.2.3 搬運機械手的應用簡況搬運機械手的應用簡況 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加 工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數 控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的

19、重要辦法。 但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現機 械化。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有 75是小批量生產；金屬加工生產 批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的 5。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現這些工 序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品 種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。 國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面： （1）熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了

20、提高工作 效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就 更需要采用機械手操作。 （2）冷加工方面的應用 冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時 的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組 成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(lián)接的重要于 段。 （3）拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前 國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸 畢業(yè)設計（論文） 4 箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動

21、強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一 種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高 噴漆的質量和效率。 近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用， 工業(yè)機械手已經成為工業(yè)生產中提高勞動生產率的重要因素。 1.2.4 機械手的發(fā)展趨勢機械手的發(fā)展趨勢 目前國內工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、性能 方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。 因此，國內主要是逐步擴大機械手應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手， 以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手， 有條件的還要研制示教

22、式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。 將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，以及適于不同類 型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部 件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用 的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還 應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算 機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛 壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它

23、可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的 操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就 將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某 些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應的變更。 如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星 計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析 物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制

24、裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工 件，通過裝在手指內的壓力敏感元件產生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。 手的抓力大小可通過裝在手指內側的壓力敏感元件來控制，達到自動調整握力的大 小?？傊S著傳感技術的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到 1995 年， 全世界約有 50%的汽車由機械手裝配。 現今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結合， 從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.3 plc 概況及在機械手中的應用概況及在機械手中的應用 （1） 可編程序控制器的應用和發(fā)展概況 畢業(yè)設計（論文） 4 可編程序控制器（programmable con

25、troller），現在一般簡稱為 plc（programmable logic controller），它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、 半導體集成技術、自動控制技術、數字技術、通 信網絡技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自 動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領域獲得了廣泛的應用，成 為了現代工業(yè)控制三大支柱之一。 在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是繼電器控制占主導地位。傳統(tǒng)的繼 電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產中應用甚廣。但是控 制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構成系統(tǒng)， 接線繁雜，當生產工藝或控制對象改

26、變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變 或更換，通用性和靈活性較差。 （2）plc 的應用概況 plc 的應用領域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的 plc 幾乎可以說凡是需要控制系 統(tǒng)存在的地方就需要 plc，尤其近幾年來 plc 的性價比不斷提高已被廣泛應用在冶金、機 械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。 按 plc 的控制類型，其應用大致可分為以下幾個方面。 1）用于邏輯控制 這是 plc 最基本，也是最廣泛的應用方面。用 plc 取代繼電器控制和順序控制器控 制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。 2）用于模擬量控制 plc 通過模擬量 i/o 模塊，可實現模擬量

27、和數字量之間轉換，并對模擬量控制。 3）用于機械加工中的數字控制 現代 plc 具有很強的數據處理功能，它可以與機械加工中的數字控制（nc）及計算 機控制（cnc）緊密結合，實現數字控制。 4）用于工業(yè)機器人控制 5）用于多層分布式控制系統(tǒng) 高功能的 plc 具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現 plc 與 plc 之間、plc 與遠程 i/o 之 間、plc 與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網絡。 （3）plc 的特點 1）可靠性高、抗干擾能力強 plc 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工 作，plc 的平均無故障間隔時間高，日本三菱公

28、司的 f1 系列 plc 平均無故障時間間隔長 達 30 萬 h，這是一般微機所不能比擬的。 2）控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強 由于 plc 是采用軟件編程來實現控制功能，對同一控制對象，當控制要求改變需改 變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變 plc 的硬件設備，只需相應改變軟件程序。 3）編程簡單、使用、維護方便 4）組合方便、功能強、應用范圍廣 畢業(yè)設計（論文） 5 plc 既可用于開關量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組 成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。因此，plc 應用范圍很廣。 5）體積小、重量輕、功耗低 plc 采用了半導體集成電路，外形尺寸很小，

29、重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約 1.2kw。 （4）plc 在機械手中的應用 機械手通常應用于動作復雜的場合來代替人的反復的操作，從而節(jié)省人的勞動，普 通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經常被應用于動作簡單的電氣及流水線控制， 而 plc 以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構成簡單、通用性強; 編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應用范圍廣; 體積小、重量輕、功 耗低等有點被廣泛應用于類似機械手的控制動作復雜的場合，本設計正是以 plc 控制為 基礎從而實現機械手的各種動。 1.4 設計目的設計目的 本設計通過對機電一體化技術專業(yè)大學三年的所學知識進行整合，完成一個特定功 能

30、、特殊要求的搬運機械手的設計，能夠比較好地體現機電一體化技術專業(yè)畢業(yè)生的理 論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標， 能夠實現理論和實踐的有機結合。 目前，在國內很多工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、 生產效率低。為了提高生產加工的工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系 統(tǒng),適應現代自動化大生產,針對具體生產工藝,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手 代替人工工作，以提高勞動生產率。 本機械手主要與數控車床（數控銑床，加工中心等）組合最終形成生產線，實現加 工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅

31、速發(fā)展， 越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設計能夠應用到加工工 廠車間，滿足數控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕 工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產效率和生產力。 1.5 設計原則設計原則 在設計之前，必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設計的設計原則是：以任務書所要 求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。 在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元 配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經濟和滿足生產要求的設計原則，同時 也考慮本次設計是畢業(yè)設計的特點，將大學期間

32、所學的知識，如機械設計、機械原理、 液壓、氣動、電氣傳動及控制、可編程控制器（plc） 、電子技術、自動控制、機械系統(tǒng) 仿真等知識盡可能多的綜合運用到設計中，使得經過本次設計對大學階段的知識得到鞏 畢業(yè)設計（論文） 6 固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實 地，實事求是的做好本次設計。 1.6 本設計的主要內容本設計的主要內容 （1）機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數，由于是采用液壓方式驅動，因此考慮抓 取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計 設計抓取的工件質量為60kg。 （2）基本參數運動速度是機械手主要的基本參數

33、。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要 求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮 及回轉的速度。該機械手手臂最大中心高設計為848mm。最大回轉角設計為0-180度。平 均升降速度為67mm/s。平均伸縮速度為83mm/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、 減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關， 故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本 參數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動 操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種

34、情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為800mm,最 大工作半徑約為1200mm。手臂升降行程定為300mm。 畢業(yè)設計（論文） 7 2.2.搬運機械手的整體設計搬運機械手的整體設計 對搬運機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高 精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能 自動定位等特性。設計搬運機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求， 擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和 材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，

35、從而進一步 確定對機械手結構及運行控制的要求；盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程， 兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制.本次設計的機械手是一種適合于成 批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單 調頻繁的生產場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝 置等所組成。在plc程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位 發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng) 的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤

36、或發(fā)生 故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并 與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達 到設定位置。 2.1 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 （1）手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本 課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指 是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡 單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手 指夾持圓形

37、零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大 的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的 重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式 較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式 和重力式等。 （2）手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢) （3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件， 畢業(yè)設計（論文） 8 并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如 油缸、液壓缸、

38、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、 液壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。 （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，手臂的回轉運動和升降(或俯 仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱 為可移式立柱。 （5）機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上， 故起支撐和連接的作用。 2.2 驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置 組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、機械傳動。由于液壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈 敏，阻力損失和泄

39、漏較小，成本低廉因此本機械手采用液壓傳動方式。 2.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系 統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是plc程 序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如 動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令， 必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。考慮 到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(plc)對機械手進 行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變p

40、lc程序即可實現，非常方便快捷。 2.4 位置檢測裝置位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)， 并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度 達到設定位置. 畢業(yè)設計（論文） 9 3 3 手部結構手部結構 3.1 概述概述 手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模 仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結構型式不象人手，它的手指形狀 也不象人的手指，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根 據它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的

41、不同而設 計各種類型的手部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手 部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、 斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。 3.2 設計時應考慮的幾個問題設計時應考慮的幾個問題 （1）應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的 慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 （2）手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角 保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑

42、的工件考慮。 （3）應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相 應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“v”形面的手指，以便自動定心。 （4）應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力 和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡 單緊湊，自重輕。 （5）應考慮被抓取對象的要求 應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定手指的形狀。 3.3 驅動力的計算驅動力的計算 如圖 2-1 所示為滑槽式手部結構。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為

43、p，并通過銷 軸中心 o 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 p1、p2，其力的方向垂直于滑槽中心 線 oo1 和 oo2 并指向 o 點，p1 和 p2 的延長線交 o1o2 于 a 及 b，由于o1ob 和o2oa 均 為直角三角形，故aoc=boc=。根據銷軸的力平衡條件，即 畢業(yè)設計（論文） 10 0;, 0 21 yx fppf cos2 1 pp cos2/ 1 pp 圖圖 3-1 滑槽杠桿式手部受力分析滑槽杠桿式手部受力分析 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 銷軸對手指的作用力為 p1。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力） ，假想 握力作用在過手指與工件接觸面的

44、對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以 n 表示。由手指的力矩平衡條件，即m01(f)=0 得 （3-1） b nhp 1 因為 cos/ah 所以 anp/)(cosb2 2 式中 a 手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米） 。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅動力 p 一定時， 角增大則握力 n 也隨之增加，但 角過大會導 致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結構加大，因此，一 般取。這里取角度。 403030 這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工業(yè)機械手設計基 礎中表 2-1 可知，v 形手指夾緊圓棒

45、料時，握力的計算公式 n=0.5g，綜合前面驅動力 的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以 及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力 p 實際應按以下公式計算，即： （3-2）/ 21k pkp 實際 式中 手部的機械效率，一般?。?5 . 0 85 . 0 k1安全系數，一般取 ;22 . 1 畢業(yè)設計（論文） 11 k2工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，k2 可近似按下式估計， ，其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度，g 為重力加速度。gk/a1 2 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為 500 毫米/秒，移動加速度 為 1000 毫米

46、/秒 ，工件重量 g 為 98 牛頓，v 型鉗口的夾角為 120,=30時，拉緊油 2 缸的驅動力 p 和 p 實際計算如下： 根據鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算 公式 gn5 . 0 把已知條件代入得當量夾緊力為 )(300 nn 由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式 得anbp/)(cos2 2 )(75030030cos33/552 2 npp）（ 計算 （3-3）/ 21k kpp 計算實際 取 , , 85 . 0 5 . 1 1 k1 . 19810/10001 2 k 則 np145585 . 0 /1 . 15 . 1490 實際 3.4 兩支

47、點回轉式鉗爪的定位誤差的分析兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 如圖 2-2 所示，鉗口與鉗爪的連接點 e 為鉸鏈聯(lián)結,如圖示幾何關系,若設鉗爪對稱 中心 o 到工件中心 o的距離為,則x 22 )sin/(abrlx 當工件直徑變化時,x 的變化量即為定位誤差,設工件半徑 r 由 rmax 變化到 rmin 時, 其最大定位誤差為 2 max 2 )sin/(abrl 2 min 2 )sin/(abrl 其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,=15mm ,rmax=30mm 代入公式計算得 最大定位誤差=44.2-44.7=0.50.8 故符合要求. 3.5 手抓

48、加持范圍計算手抓加持范圍計算 為了保證手抓張開角為 60，活塞桿運動長度為 34mm，手指長為 100mm。當手抓么 有張開的時候，如圖 2-3（1）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑 r1=25mm，當張 開 60 如圖 2-3（2）所示，最大夾持半徑 r2 計算如下： mmr12330cos2530tan110 2 畢業(yè)設計（論文） 12 所以機械手的夾持半徑從。.12325mmmm 圖圖 3-2 帶浮動鉗口的鉗爪帶浮動鉗口的鉗爪 （1） （2） 圖圖 3-3 鉗口持半徑鉗口持半徑 畢業(yè)設計（論文） 13 4 4 臂部的設計臂部的設計 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和

49、手部（包括工件或工具） ， 并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉和升降。本章敘述手 臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方 位） ，則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基 本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種 傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件 的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到 機械手的工作性能。 4.1 臂

50、部設計的基本要求臂部設計的基本要求 （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的 距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡化結構，提高配合精度。 （2）臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于 高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在，最大回轉角速度設計在smm/15001000 內，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。在速度和回轉s/180smm/1000s/90 角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械 手臂部要盡可能的輕。

51、減少慣量具體有 3 個途徑： 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。 減少臂部運動件的輪廓尺寸。 減少回轉半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮） ，盡可 能在較小的前伸位置下進行回轉動作。 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。 （3）手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的 機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降 支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現象） 。為此，必須計算使之滿足 不自鎖的條件。 總結：以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完 美的、性能良好的

52、機械手。 畢業(yè)設計（論文） 14 4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇手臂的典型機構以及結構的選擇 4.2.1 手臂的典型運動機構手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： （1）雙導桿手臂伸縮機構。 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動， 如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的 雙層液壓缸空心結構。 （2）雙活塞桿液壓崗結構。 （3）活塞桿和齒輪齒條機構。 4.2.2 手臂運動機構的選擇手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動,液壓缸選取雙作 用液壓缸。 4.3 手臂直線運動

53、的驅動力計算手臂直線運動的驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸， 再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾 個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算。 慣回密摩 fffff 4.3.1 手臂摩擦力的分析與計算手臂摩擦力的分析與計算 分析： 摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具 體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在 伸縮崗兩側。機械手臂部受力分析如圖 3-

54、1 所示。 圖圖 4-1 機械手臂部受力示意機械手臂部受力示意 畢業(yè)設計（論文） 15 計算如下： 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 0 a m b g laf 總 得 b g l f a 總 0y ba gff 總 得 （4-1） a la fg a 總 abab fffff 摩摩 摩 （4-2） 2la fg a 總摩 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件） （n） ； g總 l手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）, 參考上一節(jié)的計算; a導向支撐的長度（mm） ； 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： 57 . 1

55、 27 . 1 2 4 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取15 . 0 1 . 0 鋼對鑄鐵：取3 . 018 . 0 計算： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵,，l=1.69-3 . 05 . 120. 0ng1070 總 0.028=1.41m,導向支撐 a 設計為 0.016m 將有關數據代入進行計算 22 1.41 0.16 1070 0.35978.6 0.16 l fgn a 總摩 4.3.2 手臂慣性力的計算手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是,在計算慣性力的時候,設置啟動時間，minm/5vst2 . 0 啟動速度,smv v /083 . 0 畢業(yè)設計（論文

56、） 16 （4-3） gv f g t 總 慣 gv f g t 總 慣 10700.083 45.5 9.80.02 ns n n kgs 4.3.3 密封裝置的摩擦阻力密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 o 型密封，當液壓缸工作壓力 小于 10mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。ff03 . 0 封 經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力： 0.03=6210nffff 摩慣 畢業(yè)設計（論文） 17 5 5 臂部運動驅動力計算臂部運動驅動力計算 5.1 臂垂直升降運動驅動力的計算臂垂直升降運動驅動力的計算 如圖 4-1 所示為手臂的升降運動機構。

57、當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠 4 做 上下運動，活塞缸體 2 固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒 3 做升降運動。其導向作用 靠立柱的平鍵 9 實現。圖中 6 為位置檢測裝置。 圖圖 5-1 手臂升降和回轉機構圖手臂升降和回轉機構圖 1 升降臺 2 缸體 3 套筒 4 活塞桿 5 活塞 6 固定力柱 7 齒條缸 8 平鍵 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力 fm 和慣性力 fg 之外，還要克服臂部運動部件 的重力，故其驅動力 pq 可按下式計算： （5- nwfgfmpq 1） 式中 fm各支承處的摩擦力（n） ； fg啟動時慣性力（n）可按臂伸縮運動時的情況計算； 畢業(yè)設計（論文） 18

58、臂部運動部件的總重量（n） ；w 上升時為正，下降時為負。 當 fm=40n，fg=100n， =1098n 時w pq=40+100+1098=1238（n） 5.2 手臂回轉運動手臂回轉運動 實現手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈 輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖 6 所示，回轉運動 由齒條活塞桿 8 驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵 9 帶動外 套一起轉動實現手臂的回轉。 臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩 來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅動力矩要比

59、理論平均值大一些， 一般取平均值的 1.3 倍。故驅動力矩 mq 可按下式計算： mq = 1.3(mm + mg )(nm) 式中 mm各支承處的總摩擦力矩； mg啟動時慣性力矩，一般按下式計算： （5-2）mn t jmg 式中 j手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量（kgm ）; 2 回轉手臂的工作角速度（rad/s）; t回轉臂啟動時間（s） 當 mm=84(nm),(nm) 32 2 . 0 8 . 0 8mg (nm) 8 . 1501163 . 1 q m 對于活塞、導向套筒和油缸等的轉動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較 大或回轉半徑較大，對總的計算結果影響也較大，對于小零件則

60、可作為質點計算其轉動 慣量，對其質心轉動慣量忽略不計。對于形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分 別進行計算，其中有的部分可當作質點計算。 5.3 臂水平伸縮運動驅動力的計算臂水平伸縮運動驅動力的計算 手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及 導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅動力 pq 可按 下式計算： pq = fm + fg (n) 式中 fm各支承處的摩擦阻力； 畢業(yè)設計（論文） 19 fg啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算 (n)a g w fg 式中 手臂伸縮部件的總重量 （n） ；w g 重力加速度（）; 2