上下料机械手设计毕业设计 精品.docx
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上下料机械手设计毕业设计精品
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摘要
通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。
重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。
具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。
同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。
基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。
设计达到了设计的预期目标。
关键词：
机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统
Abstract
Integratetheknowledgeofthepastfouryears’ofundergraduatecourseofMachine,discussandanalysistheeachpartandfunctionofmanipulator;designakindofcylindericalcoordinatemanipulatorusedtopackandunloadworkpieceforCNCmachinetools.Inparticular,madethedetaileddesignaboutbase,arm,andendeffectorandthecontrolsystemetc.includingTotaldesign,waist’sconstructiondesign,thearm’sconstructiondesign,thewrist’sconstructiondesign,theendeffector’sconstructiondesign,andthedrivesystemofmanipulator.Atthesametime,analysisandcomputethehydraulicpressuresystemandcontrolsystem.Deeplydesignthemanipulator’scontrolsystem,whichbasedonPLC.Afteranalysisaboutthecraftprocessandtherequestsofthemanipulator,thehardwarecircuitandthecontrolprogramofthemanipulatorthenisdesigned.Inaword,thedesignofthemanipulatorhascometotheanticipantobject.
Keyways:
Manipulator；PLC；Hydraulicservocontrol；Electrohydraulicsystem
第一章绪论
1.1选题背景
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。
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。
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。
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设计目的
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。
目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。
为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。
本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。
目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。
本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。
1.3国内外研究现状和趋势
目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
A．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。
B．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。
C．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。
D．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；
E．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。
1.4设计原则
在设计之前，必须要有一个指导原则。
这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、气动、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、机械系统仿真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。
第二章机械手的概述
2.1机械手的组成
1.手部（或称抓取机构）：
包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.传送机构（或称臂部）：
包括手腕、手臂等，主要起改变物件方位和位置的作用。
3.驱动部分：
是驱动前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。
4.控制部分：
是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。
5.传感装置：
其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映受制于物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的方位是否正确、手指对物件的握紧力是否于物件的重量相适应等。
6.行程检测装置：
是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。
2.2机械手的分类
1.按用途分类
（1）专用机械手
专用机械手是专门为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用得比较广泛。
它一般只能完成一、两种特定的作业，如用来抓取和传送工件。
它的工作程序是固定的，也可根据需要编制控制程序来获得多种工作程序，以适应多种作业的需要。
（2）通用机械手
通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。
它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。
它是一种能独立工作的自动化装置，其动作程序可按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统。
2.按控制形式分类
（1）点位控制机械手
点位控制机械手的运动轨迹是空间两点之间的连接。
控制点数越多，性能愈好。
它基本能满足各种要求，结构简单。
（2）连续轨迹控制机械手
这种机械手的运动轨迹是空间的任意曲线，它能在三维空间中做极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂。
3.按驱动方式分类
可分为四类：
（1）液压驱动式；
（2）气压驱动式；
（3）电气驱动式；
（4）机械驱动式。
4.按机械手臂力大小分类
按臂力（即被传送物件的重量）的大小，又可将机械手分成如下4类：
（1）微型机械手，臂力小于1kg。
（2）小型机械手，臂力为1～10kg。
（3）中型机械手，臂力为10～30kg。
（4）大型机械手，臂力大于30kg。
2.3机械手的基本动作
机械手形式较多，按手臂的坐标形式而言，主要有4种基本形式——直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。
现就每种形式所能完成的动作进行阐述。
1.直角坐标式
直角坐标式机械手，是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。
它只能进行直线运动。
具体动作如下：
（1）手臂伸缩；
（2）手臂左右移动；
（3）手臂上下移动。
2.圆柱坐标式
圆柱坐标式机械手，是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。
基本动作如下：
（1）手臂水平回转；
（2）手臂伸缩；
（3）手臂上下；
（4）手臂回转动作；
（5）手指夹紧动作。
3.球坐标式
球坐标式机械手，是用途比较广的一种机械手。
它的基本动作如下：
（1）手臂上下运动，即俯仰运动；
（2）手臂左右运动，即回转运动；
（3）手臂前后运动，即伸缩运动；
（4）手腕上下弯曲；
（5）手腕左右摆动；
（6）手腕旋转运动；
（7）手指夹紧运动；
（8）机械手整体运动。
4.关节式
关节式机械手，是一种适用于靠近机体操作的传动形式。
它像人手一样有肘有节，可实现多个动作，动作比较灵活，适于在狭小的空间工作。
其动作如下：
（1）肩旋转；
（2）上臂弯曲摆动；
（3）下臂弯曲摆动；
（4）下臂旋转；
（5）手腕弯曲摆动；
（6）机械手整体旋转。
2.4机械手的操作原理
设计机械手的灵感来自人的手臂，但也有些不同。
例如，机器人的手臂可以通过嵌入重叠而扩展，即滑动一个套一个的圆筒使手臂延长。
机器人的手臂将有待改造以便于他们能像大象鼻子那样弯曲。
抓手,或末端效应器,被设计仿造人的手的作用和结构。
许多机器人装备有特别的抓手以抓取特殊设备譬如试管或弧焊工机架。
机器人手臂的关节通常是电动机驱动的，大多数机器人抓手从一个地方移到另一地方改变方向。
运动中计算机计算关节角度时需要将抓手移到指定位置。
一些多关节的手臂由伺服系统，反馈系统，从计算机接收输入信号的控制器构成。
手臂各关节有一个设备测量它的角度并把结果送往控制器。
如果手臂的实际角度不合指定位置的计算角度，伺服控制器控制关节移动到手臂角度等于计算值。
控制器和与之相连的计算机还必须处理从照相机收集到的确定被抓物体位置的测量信息，不然的话就会碰坏抓手上调节抓力的传感器。
任一种机械手的设计在一个无特定结构或未知的环境里将要求多个传感器和控制器,例如，超音波或红外传感器可避免障碍。
机器人，像美国航空航天局（NASA）的齿轮机器，要求有许多传感器和强有力的机载计算机处理他们流动性的复杂信息。
对于设计像人一样准确工作的机械手，例如帮助残疾人的机械手和在医院为病人喂食的机械手，就更是如此。
安全性是设计为人类服务的机械手必备的。
2.5机械手的应用
机械手是一种能按给定的程序或要求，自动地完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。
较高级形式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业[3]。
机械手正在工业生产的各个领域大显身手。
它们被用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如：
让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。
而且让机械手处理高温、有毒产品等，它比人手更能适应工作。
机器人技术发展到智能化阶段，机械手也越来越灵巧了，它们已能完成握笔写字、弹奏乐器、抓起鸡蛋、甚至穿针引线等精细复杂的工作。
机械手还可以用来装配电子元件。
机器人能很好的将芯片装配在印刷电路板上，因为它具备人所没有具备的能力。
一旦适当地编程，机械手就不会将芯片放错地方。
这种自动的精度在这种类型的工业中特别有价值，因为定位和安装错误代价是很高的。
机械手的运动范围是指机械手在平面或空间的运动图形（轨迹的形状）及其大小是机械手的主要技术参数之一。
机械手所具有的活动度的数目及组合不同，则其运动图形也不同，而活动度的变化范围（即直线运动的距离和回转角度的大小）决定着运动图形的大小。
一般情况下臂部的活动度主要是用以基本上确定手部以及工件（或工具）在空间的运动范围和位置。
因此臂部的运动也称作机械手的主运动而腕部的活动度则主要是用来调整手部以及工件（或工具）在空间的方位。
第三章机械手夹紧自动控制系统
3.1控制系统的选择
控制系统是机械手的一个重要组成部分，是保证机械手完成动作要求的主要手段。
用它可以控制机械手的工作顺序、运动轨迹、动作时间和速度等，使机械手按照作业的要求去完成各项任务。
在综合性装配作业中，机械手不仅需要具备各项装置的性能，还应具有相当的识别能力，如视觉、听觉和触觉的能力等。
如要具有判断、思考能力，则还需要装配各种传感装置。
对于复杂的作业则需要装配计算机来进行控制。
目前生产中配备的机械手主要采用液压控制和程序控制。
控制动作比较简单的可采用射流控制和机械控制；控制动作较多、较复杂的可采用数字控制；多台机械手同时操作时，则可采用小型计算机控制系统。
本次设计中，基于考虑实际应用和机械手具体动作而采用液压控制系统，然后采用PLC逻辑编程。
3.2液压控制系统的元件
液压控制是机械手的一种主要的控制形式，机械手的运动速度和操作是根据油的流量与压力来确定的。
1.油缸
油缸是盛油液的主要装置，是进行自动控制的媒介。
它与手爪夹紧时所需的压力、油缸的机械效率、机械手运行速度都有关系，应根据具体情况而定。
当外部载荷确定后，工作压力高，可减小活塞面积，使机械手小巧灵活。
但随着压力增高，对液压元件精度及密封要求也高。
2.油泵
油泵是液压系统的心脏，它把电动机输入的机械能转变成为油压，同时向液压系统提供具有一定压力和流量的压力油。
油泵的种类较多，目前在机械手上多数是采用齿轮泵和叶片泵。
而从流量的特性看，多数是采用定量泵。
机械手常用的齿轮泵CB型，一般额定工作压力为25kg/
，叶片泵（YB）型一般为63kg/
。
而定量泵是根据液压系统所需的油泵工作压力P和所需的流量q这两个参数来确定的。
3.控制阀
液压元件主要有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀3大类。
（1）方向控制阀
方向控制阀能够引导或阻止液流通过某选定的通道，它只起开关作用，而不能调节流量和压力。
它通常是两通、三通和四通型的，可以采用手动和机械传动、气动和电动进行操作。
（2）压力控制阀
压力控制阀用于调节油路压力，可分为溢流阀和减压阀两类，可以是单级（直接作用式），也可以是两级（复合式）。
溢流阀是常闭的，达到最大压力时才开启，将多余流量从旁路流掉，以保持调定的压力；减压阀是常开的，它的关闭是为了对管道中液流进行节制，以保持某一最低压力。
此外，与减压阀结构近似的压力控制阀还有安全阀或过载溢流阀、背压阀、卸荷阀、分载阀、顺序阀、降压阀以及冲击抑制阀等。
（3）流量控制阀
流量控制阀用来调节油路中流量，其结构形式也很多。
从简单的两通针阀、球阀、闸门阀直至固定式和可调式带压力补偿的流量控制阀等。
分流阀、减速阀也是流量控制的一种特殊形式。
总之，液压执行元件结构紧凑，输出功率大，作为动力元件是十分合适的。
但怎样进行反馈测量以及信号放大、信号操纵，则有赖于电子元件。
3.3液压控制系统原理
机械手的液压系统是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。
电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。
压力油经过管道及一些控制调节装置进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换机械能。
手臂在运动时所克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效面积有关。
手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。
这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都是属于容积式液压传动。
液压传动系统框图可概括如下：
机械能
输出
图3-3a液压传动系统框图
根据系统框图绘画出其原理图。
图3-3b机械手夹紧液压原理图
1-油箱2-滤油器3-油泵4-溢流阀5-单向阀6、7、8-换向阀9-压力表开关10-压力表11-直线缸12-活塞杆（手臂）13-手指14-手指动作直线缸20-回油油
图3-3b中换向阀8是处于中间位置的，这时手臂是不动的。
换向阀7处于断电状态（工作油路19与手指夹紧油缸14左腔断开）。
压力油通过单向阀5进入工作油路19后，又分成几条油路分别进行工作。
其中一条压力油经换向阀8（此时电磁铁线圈左通电，而右端的电磁铁断电）把阀芯推向右方，使压力油经左边的环槽进入手臂伸缩油缸11的左腔，活塞杆12向右移动（手臂伸出）。
油缸11右腔的油经换向阀8右边的环槽和回油路20流回油箱。
当换向阀8的电磁铁线圈左断电，而其右边的电磁铁线圈通电时，把阀芯推向左边，使工作油路19与手臂伸缩油缸11的右腔接通，压力油推动活塞杆（手臂）12向左移动，使伸缩缸11左腔的油经换向阀8左边的环槽和回油油路20流回油箱。
另一路压力油经换向阀7，工作油路19中的压力油进到握紧油缸14的左腔，推动活塞杆21向右移动，借助其端面的楔形使手指13闭合，以握紧物件。
手部握紧工件时要有一定的握力，因此要求油路系统要保持一定的压力，这个压力的调节是由溢流阀4实现的。
从油泵3打出来的压力油，除了通向单向阀5以外，还有一条分路通向溢流阀4。
当溢流阀中的钢球在弹簧的作用下将阀门堵死时，压力油不能通过溢流阀。
当油液的压力增高到一定程度时，并能克服弹簧的作用力将钢球顶开时，压力油就通过溢流阀及管路而流回油箱，使工作油液的压力再不能继续升高。
3.4机械手夹紧液压系统的控制回路
机械手的液压系统，根据机械手动作的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路所组成。
这些基本控制回路具有各种功用，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。
而任何机械运动的全局都是由它的局部构成，掌握了实现这些基本功用的液压控制回路，对于分析和设计机械手的液压系统大有裨益。
3.5液压控制的特点
1.液压控制的优点
（1）液压执行元件（马达和油缸）结构紧凑，重量轻，功率-重量比小。
（2）可通过液压油带走大量热能，保证机械的正常运行，并且由于液压油的润滑作用，可延长元件的使用寿命。
（3）液压元件有直线位移式和旋转式两种，使用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。
只要通过阀和泵的调节就能实现开环与闭环的控制系统。
（4）响应速度比较快，能高速启动、制动和反向，无滞后现象。
其力矩-惯量比也较大，因而其加速能力较强。
（5）液压元件与其他驱动元件相比，刚度较大、位置误差小、定位精度、耐振动。
2.液压控制的缺点
（1）液压控制需要一套液压系统，不像电力容易获得，而且价格较贵。
（2）油温有上限，并难以保持不漏，比较脏，容易使阀和执行元件堵塞。
（3）控制系统比较复杂，处理功率信号的数字运算误差、检测、放大、测试与补偿功能不如电子、机电装置灵活简便。
第四章机械手夹紧电气控制设计
4.1设计内容
机械手的设计，主要是根据生产的具体要求进行机械手方案的设计，以便选择和确定机械手的形式、机械结构、驱动方式及系统原理图和控制方式及线路图等。
它必须视具体情况而定。
此次设计因为要考虑到手部、大手臂、小手臂、手腕的动作状态，根据这几个动作要求，选择可进行多个动作操作的关节式。
目前工业生产中多采用液压系统进行控制，故此次设计经实用性方面考虑驱动方式和控制方式
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