机械手控制电路.docx
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机械手控制电路
学院机电学院
专业电气自动化技术
班级20140302班
姓名孔豪
学号201403023226
指导教师倪涛
学业作品任务书
学生姓名：
孔豪专业：
电气自动化
班级：
201402班学号：
201403023226
指导教师：
倪涛
学业作品题目：
机械手控制电路
学业作品主要内容：
（1）机械手的控制电路的原理
（2）机械手控制的PLC的程序的编程
（3）机械手控制的液压系统的选择以及设计
（4）机械手的CAD制图，以及装配图要求完成的主要内容：
本次设计的液压传动机械手根据规矩的动作顺序，综合运用所学的基本理论，
统图，PLC控制图，机械手的机械机构采用油缸，螺杆导向管等机械件组成；在液压传
动机构中机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的传动采用齿
条传动，机械手的升降采用升降油缸立柱的横移采用横向移动油缸；在PLC控制回路中
采用FX2N，当按下连续启动后，PLC按制定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械
手惊醒相应的动作循环，当按下连续停止后机械手在完成一个循环动作后停止。
指导教师签名：
专业负责人签名：
黄冈职业技术学院机电学院
学业作品开题报告
课题名称:
机械手控制电路
学院机电学院
专业电气自动化
班级201402班
姓名孔豪
学号201403023226
指导教师倪涛
毕业设计说明书
题目：
机械手控制电路
学院：
黄冈职业技术学院
专业：
电气自动化
学号：
201403023226
姓名：
孔豪
指导教师：
倪涛
完成日期：
2016年12月27日
Thedesignofthehydraulicmanipulator
Abstract:
Thedesignofhydraulicdrivemanipulatormovementsundertheprovisionsoftheorderusethebasictheory,basicknowledgeandrelatedmechanicaldesignexpertisecomprehensivelytocompletethedesignanddrawingthenecessaryassembly,hydraulicsystemmapPLCcontrolsystemdiagramManipulatormechanicalstructureusingtanksscrew,guidetubesandothermechanicaldevicecomponentInthehydraulicdrivebodiesmanipulatorarmstretchingusingtelescopictankrotatingcolumnoftanksusedrackmanipulatormovementsusingtankmovementsthecolumntakesthehorizontalmovementoftanksThePLCcontrolcircuitusethetypeofFX2NPLCWhenpressedforcommencementPLCinaccordancewiththeprescribedproceduresthroughthecontrolofthesolenoidvalvetocontroltheswitchmanipulatorcorrespondingmovescycle，afterpresstherowstopbutton,themanipulatorcompleteacycleofactiontostopaftertheholecampaign.
Keywords：
Manipulator,Hydraulic,ControlLoop,PLC.
第一章前言12
1.1工业机器人简介12
1.2世界机器人的发展12
1.3我国工业机器人的发展13
1.4我要设计的机械手14
1.4.1臂力的确定14
1.4.2工作范围的确定14
1.4.3确定运动速度14
1.4.4手臂的配置形式15
1.4.5位置检测装置的选择15
1.4.6驱动与控制方式的选择15
第二章手部结构16
2.1概述16
2.2设计时应考虑的几个问题16
2.3驱动力的计算16
2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析18
第三章腕部的结构20
3.1概述20
3.2腕部的结构形式20
3.3手腕驱动力矩的计算21
第四章臂部的结构24
4.1概述24
4.2手臂直线运动机构24
4.2.1手臂伸缩运动24
4.2.2导向装置25
4.2.3手臂的升降运动26
4.3手臂回转运动26
4.4手臂的横向移动27
4.5臂部运动驱动力计算27
4.5.1臂水平伸缩运动驱动力的计算28
4.5.2臂垂直升降运动驱动力的计算28
4.5.3臂部回转运动驱动力矩的计算28
第五章液压系统的设计30
5.1液压系统简介30
5.2液压系统的组成30
5.3机械手液压系统的控制回路30
5.3.1压力控制回路30
5.3.2速度控制回路31
5.3.3方向控制回路32
5.4机械手的液压传动系统32
5.4.1上料机械手的动作顺序32
5.4.2自动上料机械手液压系统原理介绍33
5.5机械手液压系统的简单计算35
5.5.1双作用单杆活塞油缸35
5.5.2无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）37
5.5.3单叶片回转油缸38
5.5.4油泵的选择39
5.5.5确定油泵电动机功率N40
第六章PLC控制回路的设计41
6.1电磁铁动作顺序41
6.2根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址编号，其对照表如下：
41
6.3PLC与现场器件的实际连接图42
6.4梯形图43
第七章结束语49
第八章参考文献50
第九章致谢51
第一章前言
1.1工业机器人简介
几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。
如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas），犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。
到了近代，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。
机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。
工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
1.2世界机器人的发展
近几年国外机器人领域发展有几个趋势：
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），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6.5万美元。
（2）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；国外已有模块化装配机器人产品问市。
（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，便于规范化、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。
（4）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环境建模及决策控制；多传感器融合配置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）当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著名实例。
（7）机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.3我国工业机器人的发展
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。
这是一种误解。
在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。
它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已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，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看，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，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；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人，6000M水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
1.4我要设计的机械手
1.4.1臂力的确定
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L臂=1650（N），安全系数K一般可在1.5~3，本机械手取安全系数K=2。
定位精度为±1mm。
1.4.2工作范围的确定
机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。
一个操作运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。
本机械手的动作范围：
手腕回转角度±115°；手臂伸长量150mm；手臂回转角度±115°；手臂升降行程170mm；手臂水平运动行程100mm。
1.4.3确定运动速度
机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。
液压上料机械手要完成整个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的技术方案进行比较，才能确定。
机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行，要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下几点：
（1）给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间；
（2）伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。
在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的运动速度。
机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。
（3）在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。
为此驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。
液压上料机械手的各运动速度：
手腕回转速度（V腕回=40°/s）；手臂伸缩速度（V臂伸=50mm/s）。
手臂回转速度（V臂回=40°/s）。
手臂升降速度（V臂升=50mm/s）。
立柱水平运动速度（V柱移=50mm/s）。
手指夹紧油缸的运动速度（V夹=50mm/s）
1.4.4手臂的配置形式
机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。
运动要求、操作环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。
本机械手采用机座式。
机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置，便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采用手臂配置在机座立柱上的形式。
手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。
1.4.5位置检测装置的选择
机械手常用的位置检测方式有三种：
行程开关式、模拟式和数字式。
本机械手采用行程开关式。
利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机械挡块联合应用。
在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高又简单实用可靠，故应用也是最多的。
1.4.6驱动与控制方式的选择
机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。
控制系统也有不同的类型。
除一些专用机械手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的设计。
驱动方式一般有四种：
气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。
参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。
第二章手部结构
2.1概述
手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。
机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。
钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。
其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。
2.2设计时应考虑的几个问题
（1）应具有足够的握力（即夹紧力）
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
（2）手指间应有一定的开闭角
两个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。
（3）应保证工件的准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。
例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。
（4）应具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。
（5）应考虑被抓取对象的要求
应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。
1.手指2.销轴3.拉杆4.指座
图1滑槽杠杆式手部受力分析
2.3驱动力的计算
如图所示为滑槽式手部结构。
在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，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P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。
根据销轴的力平衡条件，即
∑Fx=0,P1=P2。
∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
销轴对手指的作用力为p1′。
手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。
由手指的力矩平衡条件，即∑m01（F）=0得
P1′h=Nb
因h=a/cosα
所以P=2b（cosα）
N/a
式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫M）。
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。
由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。
这里取角α=30度。
这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。
查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。
为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：
P实际=PK1K2/η
式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系数，一般取1.2~2
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，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。
本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫M/秒，移动加速度为1000毫M/秒
，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算：
根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量：
M=0.5G
把已知条件代入得当量夹紧力为
M=49（N）
由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式
P=2b（cosα）
N/a得
P=P计算=2*45/27（cos30°）
*49=122.5（N）
P实际=P计算K1K2/η
取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1
则P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238（N）
2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析
图2带浮动钳口的钳爪
钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x,则
x=
当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为
△=∣-
∣
其中l=45mm,b=5mm，a=27mm,2
=120°,Rmin=15mm,Rmax=30mm
代入公式计算得
最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8
故符合要求.
第三章腕部的结构
3.1概述
腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。
设计腕部时要注意以下几点：
（1）结构紧凑，重量尽量轻。
（2）转动灵活，密封性要好。
（3）注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、管线的布置以及润滑、维修、调整等问题
（4）要适应工作环境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管路不扭转和不外露，使外形整齐。
3.2腕部的结构形式
本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性差，回转角度为±115°.
如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。
夹紧缸体也指座固连成一体。
当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体和指座一同转动，即为手腕的回转运动。
图3机械手的腕部结构
3.3手腕驱动力矩的计算
驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。
手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：
M驱=M惯+M偏+M摩（N.m）
式中M驱——驱动手腕转动的驱动力矩
M惯——惯性力矩（N.m）
M偏——参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）
M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩（N.m）
图4腕部回转力矩计算图
（1）摩擦阻力矩M摩
M摩=
（N1D1+N2D2）（N.m）
式中f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；
N1、N2——轴承支承反力（N）；
D1、D2——轴承直径（m）
由设计知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020时
M摩=0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得M摩=2.50（N.m）
（2）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏=G1e（N.m）
式中G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零
当e=0.020，G1=98N时
M偏=1.96（N·m）
（3）腕部启动时的惯性阻力矩M惯
①当知道手腕回转角速度
时，可用下式计算M惯
M惯=（J+J工件）
（N·m）
式中
——手腕回转角速度（1/s）
T——手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）
J——手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg·m
）
J工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg·m
）
按已知计算得J=2.5，J工件=6.25，
=0.3m/m
t=2
故M惯=1.3（N·m）
②当知道启动过程所转过的角度
时，也可以用下面的公式计算M惯：
M惯=（J+J工件）
（N·m）
式中
——启动过程所转过的角度（rad）。
——手腕回转角速度（1/s）。
考虑到驱动缸密封摩擦损失等因素，一般将M取大一些，可取
M=1.1∽1.2（M惯+M偏+M摩）（N.m）
M=
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