立式精锻机自动上料机械手及其控制系统设计Word文件下载.doc
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2.6机械手的手部结构方案设计 13
2.7机械手的手腕结构方案设计 13
2.8机械手的手臂结构方案设计 13
2.9机械手的驱动方案设计 13
2.10机械手的控制方案设计 13
第三章机械手结构设计 14
3.1机械手手部设计计算 14
3.1.1手部设计要求 14
3.1.2拉紧装置设计 15
3.2腕部设计计算 16
3.2.1计算扭矩M1 17
3.2.2油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2 17
3.2.3摆动缸的摩擦力矩M摩 17
3.3手臂伸缩机构设计 18
3.4机身和机座的设计计算 20
3.4.1电机的选择 20
3.4.2减速器的选择 21
3.4.3螺杆的设计与校核 22
第四章机械手的液压系统设计 24
4.1液压系统简介 24
4.1.1液压系统的工作原理 24
4.1.2液压传动的工作特性 24
4.1.3液压系统的组成 24
4.1.4液压系统的优、缺点 25
4.1.5液压传动的主要缺点：
25
4.2自动上料机械手液压系统 26
4.2.1．机械手的动作顺序 26
4.2.2．液压控制原理 26
4.3大臂升降油缸设计计算 30
4.3.1工作载荷的计算 30
4.3.2主要尺寸的确定 30
4.4液压缸主要部件的设计和材料选择 31
4.4.1缸筒 31
4.4.2活塞 32
4.4.3缸盖及活塞杆导向套 32
4.5液压缸的缓冲、排气与密封 32
第五章机械手的PLC控制设计 33
5.1PLC的简介 33
5.1.1PLC的基本组成 33
5.1.2PLC的工作过程 36
5.2可编程序控制器的选择及工作过程 38
5.2.1可编程序控制器的选择 38
5.2.2可编程序控制器的工作过程 38
5.3机械手控制系统设计 39
5.3.1PLC控制系统设计 39
5.3.2PLC程序设计 41
总结 51
参考文献 52
摘要
本文介绍了立式精锻机自动上料机械手与其它设备的配置关系及工作过程，并对机械手的动作进行了分析，详细论述了机械手总体方案的设计，特别是对实现预期要求动作的各种方案进行了比较分析，进而得出最终方案。
根据手臂的动作要求，采用圆柱坐标型机械手；
机械手的自由度数为四个，它们是大臂的升降和回转运动，小臂的伸缩运动，手腕的回转运动；
机械手手部结构采用两支点回转型；
机械手驱动方式采用液压驱动。
控制方式为点位程序控制。
本次设计主要进行大臂升降及回转机构设计、手臂及伸缩结构设计、手部结构设计，并且对液压系统进行理论分析和比较。
关键词：
双作用式油缸；
点位控制；
液压系统；
结构设计
1
第一章绪论
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
1.1机械手的基本概念
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。
我国国家标准（GB/T12643-90）对机械手的定义;
“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。
1.2机械手的分类及简史
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
1.2.1机械手的分类
（一）按用途分
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、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”。
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。
格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:
简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:
可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
（二）按驱动方式分
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。
其主要特点是:
抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。
但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。
若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
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。
介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，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，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手
即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。
它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。
它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。
动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。
其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。
此类机械手目前还不多，但有发展前途。
（三）按控制方式分
1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。
若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。
目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。
这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
1.2.2机械手的简史
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。
它的结构是：
机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。
1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础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）。
运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；
控制系统用磁鼓作为存储装置。
不少球坐标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,专门生产工业机械手。
1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。
该机械手的中央立柱可以回转、升降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-Vicarm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，定位误差小于±
1毫米。
联邦德国机械制造业是从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。
联邦德国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。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。
前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。
目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；
改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。
它设有微型电子计算控制系统，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，是机械手具有感觉机能。
第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。
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和柔性制造单元FMC中的重要一环。
1.3机械手的应用简况
现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
有资料统计：
美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。
随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。
并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。
采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。
1.4机械手的发展趋势
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。
使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。
如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。
目前已经取得一定成绩。
视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。
工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。
触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。
工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。
手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。
总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。
更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
1.5机械手的组成
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
其组成及相互关系如下图：
1.5.1.执行机构
（1）手部
手部安装在手臂的前端。
手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。
本课所指的机械手仅需开闭手指。
机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。
手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。
可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。
本课所做的机械手采用二指形状。
（2）手臂
手臂有无关节和有关节手臂之分
本课所做的机械手的手臂采用无关节臂
手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。
为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。
本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。
总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。
躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。
（如图1.5.1所示）
图1.5.1
1.5.2.驱动机构
驱动机构主要有四种：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。
液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。
它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；
利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。
液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。
缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。
一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。
它的优点是气源方便，维护简单，成本低。
缺点是出力小，体积大。
由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。
电气驱动采用的不多。
现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；
直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；
有的采用直线电动机。
通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。
电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。
驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；
缺点是控制响应速度比较慢。
机械驱动只用于固定的场合。
一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。
它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；
缺点是不易调整。
1.5.3.控制系统
机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。
它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。
1.6应用机械手的意义
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。
在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。
其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
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
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，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。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势
第二章系统设计方案
2.1机械手的设计参数
抓重：
60kg；
自由度数：
4个；
坐标形式：
圆柱坐标；
最大工作半径：
1700毫米；
手臂最大中心高：
2300毫米；
手臂运动参数；
手臂伸缩范围：
0~500毫米
手臂伸缩速度：
伸出176毫米每秒；
缩回233毫米每秒；
手臂升降范围：
0~600毫米；
手臂升降速度：
上升102毫米每秒；
下降152毫米每秒；
手臂回转范围：
00~2000（实际使用为950）；
手臂回转速度：
630每秒；
手腕运动参数：
手腕回转范围:
00~1800；
手腕回转速度：
2010每秒；
手指夹持范围：
Φ30-Φ120毫米；
缓冲方式及定位方式：
手臂伸缩：
伸出时由行程开关适时切断油路，手臂缓冲，缩回时由行程开关控制返回终了位置。
手臂升降：
上升时是靠可调碰铁触动行程开关而发信，使电液换向阀变为“o”型滑阀机能，切断油路而实现缓冲定位，下降时靠油缸端部节流缓冲，由行程开关控制终了位置。
手臂回转：
采用行程节流阀（双向使用）减速缓冲，用定位油缸驱动定位销而定位。
手腕回转：
采用行程开关发信，切断油路滑行缓冲，死挡块定位。
驱动方式：
液压
控制方式：
点位程序控制
2.2机械手的工艺流程
待料（起始位置；
手爪闭合；
待夹料立放）→插定位销→手臂前伸→手爪张开→手爪夹料→手臂上升→手臂缩回→手腕回转180度→拔定位销→手臂回转95度→插定位销→手臂前伸→手爪松料→手爪闭合→手臂下降→手腕反转（复位）→拔定位销→手臂复位→待料卸荷
2.3机械手的总体结构
本机械手系统由执行系统、驱动系统和控制系统组成。
执行系统包括手部、手臂、手腕。
驱动系统包括动力源、控制调节装置和辅助装置组成。
控制系统由程序控制系统和电气系统组成。
2.4机械手的工作过程
立式精锻机和自动上料机械手等的配置如图2-4-1所示。
被加热的坯料由运输车2送到上料位置后，自动上料机械手3将热坯料搬运到立式精锻机1上锻打，其成品锻件由下料机械手4送立式精锻机上取下并送到转换机械手5上，转换机械手先把锻件翻转90°
成水平位置，由丙烷切割装置6将两端切齐，切割完毕，转换机械手5的手臂再水平回转87°
，将锻件水平放置到下料运输装置7上，运送到车间外面的料仓处进行冷却。
自动上料机械手3在此精锻生产线上可以完成取料、喂料和变换工位等动作。
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2.5机械手的座标型式与自由度选择
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。
由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。
相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。
2.6机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。
2.7机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。
因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转液压缸。
2.8机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降（或俯仰）运动。
手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。
手臂的各种运动由液压缸来实现。
2.9机械手的驱动方案设计
由于液压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压传动方式。
2.10机械手的控制方案设计
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。
第三章机械手结构设计
3.1机械手手部设计计算
3.1.1手部设计要求
1、有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。
对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
2、有足够的开闭范围
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。
工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。
对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。
手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。
图3-1机械手开闭示例简图
3、力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。
因此，在设计手部时，必须力求结
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