論數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要通過對機(jī)械設(shè)計(jì)、制造及其自動(dòng)化專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，總結(jié)大學(xué)四年所學(xué)的知識，對工業(yè)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的論述和分析，以及實(shí)際操作中的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一種圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。重點(diǎn)針對機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及機(jī)械手控制系統(tǒng)（傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)對其控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算?；赑LC對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入細(xì)致的設(shè)計(jì)，通過對機(jī)械手作業(yè)的工藝過程和控制要求的分析，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路，同時(shí)編制了機(jī)械手的控制程序，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手，PLC，液壓伺服定位，電液

2、系統(tǒng) 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目 錄摘 要1Abstract2目 錄21 前 言51.1選題背景61.2 設(shè)計(jì)目的61.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢62 機(jī)械手各部件設(shè)計(jì)72.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)72.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型72.1.2 具體設(shè)計(jì)方案82.2 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)82.2.1 設(shè)計(jì)要求82.2.2 驅(qū)動(dòng)方式92.2.3 典型結(jié)構(gòu)92.3 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)102.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求102.3.2 具體設(shè)計(jì)方案112.4 機(jī)械手手臂構(gòu)的設(shè)計(jì)112.4.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求112.4.2具體設(shè)計(jì)方案122.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)122.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求132.5

3、.2具體設(shè)計(jì)方案13 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)142.6.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題142.6.2常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式142.6.3具體設(shè)計(jì)方案162.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)162.7.1常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn)162.7.2具體設(shè)計(jì)方案172.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)172.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式183 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算193.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算193.1.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算193.1.2電機(jī)型號的選擇193.2液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算203.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案203.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路203.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)213.2.4確定液壓

4、系統(tǒng)的主要參數(shù)213.2.5選擇液壓元件224 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)234.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)234.1.1操作面板布置234.1.2工藝過程與控制要求244.1.3作業(yè)流程24 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4.1.4控制器的選型264.1.5控制系統(tǒng)原理分析264.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)274.2.1控制主程序流程圖275 結(jié)論28參 考 文 獻(xiàn)29致 謝30 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 前言1.1 選題背景 由于工業(yè)自動(dòng)化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動(dòng)化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動(dòng)化機(jī)械以取代人的勞動(dòng)，滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。其中

5、機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)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(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械

6、行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。1.2 設(shè)計(jì)目的目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化和無人化。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 &

7、#160;  目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。(2)工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。(3)機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進(jìn)了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發(fā)展。(4)關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研

8、究，控制系統(tǒng)開發(fā)； (5)焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。    總的來說，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價(jià)比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2 機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)

9、。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：(1).直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.a。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運(yùn)動(dòng)位置精度高，但此種類型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動(dòng)空間，則要求機(jī)械手的尺寸足夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。(2).圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運(yùn)作

10、業(yè)。(3).球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(4).關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。相對機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。2.1.2 具體采用方案如圖2-2所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此其自由度數(shù)目為3，綜合考慮，應(yīng)選

11、擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。2.2 機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.2.1 設(shè)計(jì)要求手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多，根據(jù)操作及作業(yè)方式的不同，分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)有如下要求：(1).機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計(jì)手爪，在滿足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)

12、構(gòu)緊湊。(2).機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手手爪。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3).機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。(4).機(jī)械手手爪要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。2.2.2 驅(qū)動(dòng)方式(1).氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取

13、運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。(2).電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。(3).液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。2.2.3 典型結(jié)構(gòu)機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下五種：(1).楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。(2).滑槽式手爪當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后

14、運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3).連桿杠桿式手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。(4).齒輪齒條式手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。(5).平行杠桿式手爪采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，且比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小得多。2.3 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使手爪在空間運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。

15、2.3.1 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求(1).由于手腕安裝在機(jī)械手末端，因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。(2).根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數(shù)目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3).為實(shí)現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于和不同的機(jī)械手手爪進(jìn)行連接。(4).為保證工作時(shí)力的傳遞和運(yùn)動(dòng)的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度。(5).要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。(6).手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。2.3.2 具體設(shè)計(jì)方案通過對數(shù)控機(jī)床上下料作

16、業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。2.4 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.4.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的手臂在工作時(shí)，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動(dòng)本身具有一定的速度，因此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循以下設(shè)計(jì)要求：(1).工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)合理，一般滿足其工作空間即可。(2).為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)

17、在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）(3).應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的控制。(4).機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。(5).為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。2.4.2 具體設(shè)計(jì)方案由于機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)30KG），以及機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅(qū)

18、動(dòng)方式。通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是液壓缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)

19、桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。2.5 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.5.1 腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，有以下設(shè)計(jì)要求：(1).由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度。(2).腰

20、部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。(3).腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。(4).為了減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高控制精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。2.5.2 具體設(shè)計(jì)方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式主要有兩種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，二是通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。考慮到腰座是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制

21、的精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，不用額外設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，并考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，故采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故僅采用一級齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小傳動(dòng)誤差，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-5所示： 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.6 機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.6.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題：(1).機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕

22、，體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度。并在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。(2).盡量減少系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命。(3).盡量縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度。(4).選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。(5).適當(dāng)?shù)淖枘岜?。阻尼比越大，零件產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會(huì)使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應(yīng)采取合適的阻尼比。2.6.2 常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)等。(1)

23、.螺旋傳動(dòng) 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠。(2).齒輪傳動(dòng)在機(jī)械手中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器，用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)時(shí)，齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比必須是最佳匹配，應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時(shí)，為保證在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最

24、大，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傳動(dòng)死區(qū)，要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。(3).鏈傳動(dòng)在機(jī)械手中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)械手末端的重量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動(dòng)。(4).同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強(qiáng)力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進(jìn)行傳動(dòng)。其特點(diǎn)是傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（

25、可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、傳動(dòng)比可達(dá)10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)械手中使用很多。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2.6.3 具體設(shè)計(jì)方案因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動(dòng)力單元，因此不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電動(dòng)機(jī)不能作為直接驅(qū)動(dòng)元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)。為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，以較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動(dòng)，采用大的

26、傳動(dòng)比（大于100），齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造2.7 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.7.1 常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn)工業(yè)常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。(1).液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、精度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。(2).氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。(3).電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

27、沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.7.2 具體設(shè)計(jì)方案在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的定位控制精度，因此采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故用液壓驅(qū)動(dòng)。隨著機(jī)床加工的工件的不同，手臂伸出長度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。2.8 機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)型、圓柱

28、坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)械手可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。2.8.1 平衡機(jī)構(gòu)的形式(1).配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(jī)構(gòu)。(2).彈簧平衡機(jī)構(gòu) 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用廣泛。(3).活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動(dòng)平衡系統(tǒng)。其中液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一

29、定的阻尼作用；而氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。2.8.1 具體設(shè)計(jì)方案因?yàn)楸緳C(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)和布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算3.1.1 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在

30、摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；T=F*R=G*f*R式中，f-為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005G-為機(jī)械手本身負(fù)載的重量之和，取100KGR-為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240mm帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 T=0.12N*m 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定位N=5r/min;傳動(dòng)比定為1/120且，GD=mgD2帶入數(shù)據(jù)得：GD=10.45667N*m2帶入其上公司得 P=1.3227W; P1=0.0068W啟動(dòng)時(shí)間 T=0.0029623ms制動(dòng)時(shí)間 T13ms折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：TL=0.0010523 N*m3.1.2 電機(jī)型號的選擇根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并綜合

31、考慮各方面因素，決定選擇北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301  沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）該驅(qū)動(dòng)方式為升頻升壓 ，步距角為0.36°。同時(shí)因?yàn)檠魁X輪傳動(dòng)比為1：120，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的1/120（理論上），雖然實(shí)際上存在著間隙和齒輪傳動(dòng)非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當(dāng)高，完全滿足機(jī)械手的定位精度要求3.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 確定液壓系統(tǒng)基本方案液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達(dá)，液壓缸實(shí)現(xiàn)直線

32、運(yùn)動(dòng)，液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有3個(gè)自由度，一個(gè)為腰座的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)為手臂的移動(dòng)自由度。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作環(huán)境和載荷對其布局和定位精度的要求，以及計(jì)算機(jī)的控制的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。3.2.2 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制是液壓回路的核心問題。速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變化來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般中小流量的

33、液壓系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3.2.3 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源來提供，液壓源的核心是液壓泵。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)一般用定量泵供油，在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)溢流閥流回油箱，溢流閥同時(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。一般泵的入口要裝粗

34、濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，可在回油路上設(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。 3.2.4 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。(1).計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷(2).手抓執(zhí)行液壓缸工作壓力(3).液壓缸主要參數(shù)的確定考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實(shí)

35、現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下； 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）缸內(nèi)徑mm壁厚mm直徑mm行程mm工作壓力Mpa20520803-6手抓執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm桿直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010254001水平伸縮液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm桿直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010251001垂直液壓缸參數(shù)因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)槭肿A持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍S向主要是克服摩擦力矩，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因?yàn)闄C(jī)械手要求具有一定的柔性，水平液壓缸

36、活塞桿要求具有比較大的工作行程。因此，在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d荷方式既有一定的軸向載荷，又存在著比較大的傾覆力矩（由加工工件的重力引起的）。3.2.5 選擇液壓原件根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 硬件設(shè)計(jì)4.1.1 操作面板布置機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種。1.手動(dòng)操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動(dòng)進(jìn)

37、行單獨(dú)的控制。當(dāng)選擇升降按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而按下停止按鈕時(shí)，機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手爪夾緊，而按下停止按鈕時(shí)，手爪松開。2.自動(dòng)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手的動(dòng)作將自動(dòng)的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個(gè)周期動(dòng)作后，回到原點(diǎn)位置。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4.1.2 工藝過程與控制要求機(jī)械手的動(dòng)作有腰座的旋轉(zhuǎn)，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)；手爪的

38、夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與齒輪來實(shí)現(xiàn)。其中，液壓缸由相應(yīng)的電磁閥控制，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當(dāng)下降電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手下降；斷電時(shí)，機(jī)械手下降停止；當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升；斷電時(shí)，機(jī)械手上升停止。實(shí)現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當(dāng)線圈不通電時(shí)，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時(shí)，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。4.1.3 作業(yè)流程機(jī)械手工作流程如圖所示： 沈陽理工

39、大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同時(shí)張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時(shí)手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 接著下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，機(jī)械手到達(dá)卡盤中心高度； 機(jī)械手開始水平定位后縮，

40、將工件裝入機(jī)床卡盤； 當(dāng)工件裝入到位后，卡盤收緊； 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命； 機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工完一個(gè)工件時(shí)，發(fā)送下料命令給機(jī)械手，機(jī)械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊

41、，夾緊已加工好的工件；機(jī)床卡盤松開； 機(jī)械手開始前伸，將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走； 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止； 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開； 接著上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原； 接著機(jī)械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點(diǎn)，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止，機(jī)械手回到原

42、點(diǎn)，一個(gè)上下料過程結(jié)束； 機(jī)械手在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備下一個(gè)工作循環(huán)。機(jī)械手的每次循環(huán)都從原點(diǎn)位置開始動(dòng)作。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4.1.4 控制器的選型機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上考慮到機(jī)械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應(yīng)選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)的工業(yè)控制器-PLC，故選擇在國內(nèi)應(yīng)用較多的西門子S7-200型PLC。具體型號為SIMATIC S7-200 CPU224。如圖所示：該P(yáng)LC集成14，輸入/10，輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，具有16K字節(jié)程序

43、和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz 高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。4.1.5 控制系統(tǒng)原理分析由于機(jī)械手作業(yè)時(shí)，取、放工件和裝、卸工件都有較高的定位精度要求，所以在機(jī)械手控制中，除了要對垂直手臂、執(zhí)行手爪液壓缸和腰部步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開環(huán)控制外，還要對水平手臂進(jìn)行閉環(huán)伺服控制。 沈陽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）為了減少PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，以伺服放大器作為閉環(huán)的比較點(diǎn)。伺服放大器具有傳感器反饋輸入端，給定的輸入信號和反饋信號進(jìn)行比較后形成的控制信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)和功率放大后，驅(qū)動(dòng)電液伺服閥對液壓缸進(jìn)行伺服定位。如圖所示：4.2 軟件設(shè)計(jì)4.2.1 控制主程序流程圖機(jī)械手控