Page1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手專(zhuān)業(yè)班級(jí)姓名所屬助學(xué)單位2015年9月5日目錄1緒論 11.1選題背景 11.2設(shè)計(jì)目的 11.3發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 22液壓上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 32.1機(jī)械手的概念 32.2機(jī)械手的組成及工作原理 32.3機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 42.3.1機(jī)械手的總體機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 42.3.2具體采用方案 52.4機(jī)械手主要部件的選用 52.4.1機(jī)械手手爪的選用 52.4.2機(jī)械手手腕的選用 62.4.3機(jī)械手手臂的選用 72.4.4機(jī)械手機(jī)身的選用 82.5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 82.6傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇 92.7機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 103液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 113.1液壓系統(tǒng)的概述 113.2液壓系統(tǒng)的組成 113.3液壓系統(tǒng)的基本控制回路 113.4液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 123.4.1控制回路的設(shè)計(jì) 123.4.2液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 123.4.3繪制的液壓系統(tǒng)圖 133.5液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 133.5.1油缸的主要類(lèi)型與相關(guān)運(yùn)算 143.5.2油泵的選擇 183.5.3油泵電動(dòng)機(jī)功率的確定 184機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 194.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 194.1.1可編程控制器的概念 194.1.2PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 194.1.3PLC系統(tǒng)的組成 204.1.4PLC的工作原理 21結(jié)論 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32摘要通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、工業(yè)用微型計(jì)算機(jī)及其自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)，以及課外實(shí)踐所學(xué)的知識(shí)，對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了論述和分析，設(shè)計(jì)了一種液壓式圓柱坐標(biāo)形式的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手。此設(shè)計(jì)主要針對(duì)機(jī)械手的手爪、手腕、手臂、機(jī)身等各部分機(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)行了的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)PLC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。PLC控制系統(tǒng)的分析重點(diǎn)放在PLC各硬件部分的設(shè)計(jì)和介紹、PLC梯形圖的編寫(xiě)上。此次設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，且易于控制，控制系統(tǒng)用PLC作為控制器，優(yōu)化了機(jī)械手群的控制系統(tǒng)。該機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)；Page321緒論1.1選題背景 近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高以及工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，高效、高質(zhì)量、低成本、低污染無(wú)疑成為了工業(yè)自動(dòng)化所追求的目標(biāo)。其中機(jī)器人就代表了工業(yè)自動(dòng)化的最高水平。機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用，體現(xiàn)了一個(gè)企業(yè)先進(jìn)的加工制造能力和科研能力。同時(shí)它也促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。由于機(jī)械手能代替人類(lèi)完成高危險(xiǎn)、高強(qiáng)度，重復(fù)枯燥的工作，同時(shí)可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)，從而大大的提高了生產(chǎn)效率，降低了人工生產(chǎn)成本，減輕了人類(lèi)的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此機(jī)械手已經(jīng)越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用。一般機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中可用于零部件組裝、加工工件自動(dòng)抓取、上料、下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床以及組合機(jī)床上使用比較普遍。目前，機(jī)械手已經(jīng)發(fā)展成為一種非常成熟的機(jī)械加工輔助手段，同時(shí)也發(fā)展成為了柔性制造系統(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?？梢怨?jié)省龐大的工件輸送裝置及人工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。機(jī)械手的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的搬運(yùn)方式，有效地改善了作業(yè)環(huán)境，提倡零件加工數(shù)字化，信息化，少人化直至無(wú)人化管理，極大程度的保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，使現(xiàn)代加工制造技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。然而，目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平與國(guó)外相比還有一定的差距，機(jī)械手應(yīng)用工程起步相對(duì)比較晚。因此，為了加快我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的步伐，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常必要，也是十分具有意義的事。1.2設(shè)計(jì)目的眾所周知，一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力很大程度上取決于制造業(yè)的發(fā)展水平。上世紀(jì)，美國(guó)制造業(yè)占世界制造業(yè)40%，2010年中國(guó)制造業(yè)第一次趕超美國(guó)（中國(guó)占19.8%，美國(guó)占19.4%）。近幾年，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家紛紛將自己的制造產(chǎn)業(yè)搬回本國(guó)，準(zhǔn)備大力發(fā)展制造業(yè)，一場(chǎng)無(wú)硝煙的工業(yè)大戰(zhàn)即將開(kāi)始。然而，我國(guó)大部分的工廠和企業(yè)仍然還是使用人工裝卸、搬運(yùn)、包裝、打碼等。這些人工操作具有一定的危險(xiǎn)性，在高強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境下人容易犯錯(cuò)，工作效率會(huì)大打折扣。這些已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了加快工業(yè)自動(dòng)化的步伐，使其真正的走進(jìn)人們的生活，結(jié)合自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)及課外實(shí)踐知識(shí)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)上下料機(jī)械手，其兼?zhèn)淙撕蜋C(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。1.3發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)目前，國(guó)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(shì)如下：1.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。2.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)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，控制柜日見(jiàn)小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和維修性。3.機(jī)器人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，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)進(jìn)行決策控制；傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。4.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)器人產(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)器人開(kāi)發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)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。綜上所述可以概括為兩個(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(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境都需要用機(jī)器人代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在各行各業(yè)中還在不斷開(kāi)辟著新用途。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。2液壓上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1機(jī)械手的概念我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T12643–90)對(duì)機(jī)械手的定義：“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。”機(jī)械手可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類(lèi)。專(zhuān)用機(jī)械手：它作為整機(jī)的附屬部分，動(dòng)作簡(jiǎn)單，工作對(duì)象單一，具有固定(有時(shí)可調(diào))程序，使用大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手，自動(dòng)換刀機(jī)械手，裝配焊接機(jī)械手等裝置。通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。它的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。2.2工業(yè)機(jī)械手的組成及工作原理2.2.1工業(yè)機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部分關(guān)系如下框圖2.1：控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)裝置電量工件圖2.1工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件所組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。控制系統(tǒng)：有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式。機(jī)身：它是整個(gè)工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。機(jī)械手功能：（1）它能部分的代替人工操作；（2）它能按照生產(chǎn)工藝的要求遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；（3）它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。2.2.2上下料機(jī)械手的工作原理上下料機(jī)械手是一種專(zhuān)用的工業(yè)機(jī)械手，其執(zhí)行程序一般是設(shè)計(jì)好的，一般只能進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，所以機(jī)械手的動(dòng)作是固定的，一種機(jī)械手只能供送一種或有限的幾種物品，程序控制系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。供送料機(jī)械手可看做是一種無(wú)料槽、滑道的供送料機(jī)構(gòu)，它在一個(gè)位置（料槽）抓取物品（工件），然后將其搬運(yùn)到另一個(gè)位置。其基本動(dòng)作是：上料時(shí)，先由料槽中取出工件，帶著工件到指定工位，將其放在工位上，返回；卸料時(shí)則從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時(shí)一般有位置及方位要求，而卸料時(shí)一般無(wú)嚴(yán)格要求，所以上料是關(guān)鍵。要完成上述動(dòng)作，上下料機(jī)械手的手爪必須到達(dá)兩點(diǎn)（取料點(diǎn)—料槽；放料點(diǎn)—加工工位），這可通過(guò)機(jī)械手的手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)。手爪必須做兩個(gè)動(dòng)作（抓取料和放下料），這可通過(guò)機(jī)械手的手爪閉合、張開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。方位要求一般通過(guò)機(jī)械手的手腕來(lái)滿足供送料要求的運(yùn)動(dòng)，軌跡應(yīng)該是：直線下降—直線升起—平面圓弧擺動(dòng)—直線下降。2.3機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.3.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)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)。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(lái)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(lèi)型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)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(zhǎng)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(mén)式，天車(chē)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(lái)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(jiǎn)單，精度相對(duì)較高，常用于搬運(yùn)作業(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(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。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(duì)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。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。2.3.2具體采用方案具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)榭紤]到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，一件小成本、提高可靠度。該機(jī)械手的工作中需要3種運(yùn)動(dòng)，其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)一棟棟自由度，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，手臂運(yùn)動(dòng)范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。2.4機(jī)械手主要部件的選用2.4.1手爪機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手爪是用來(lái)進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類(lèi)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(cè)量用等。搬運(yùn)用手爪是指各種夾持裝置，用來(lái)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(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測(cè)量用手爪是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)行測(cè)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(lái)設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)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)構(gòu)緊湊。（2）機(jī)械手手爪的萬(wàn)能性與專(zhuān)用性是矛盾的。萬(wàn)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(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用的、高效率的機(jī)械手手爪，加之以快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的手爪去完成多種作業(yè)，以考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。（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。設(shè)計(jì)具體采用方案手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類(lèi)。夾持類(lèi)最常見(jiàn)的主要有夾鉗式，本設(shè)計(jì)主要考慮夾鉗式手部設(shè)計(jì)。夾鉗式手部是由手指，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸，盤(pán)，套類(lèi)零件，一般情況下多采用兩個(gè)手指。手部示意圖如下：圖2-3手部示意圖2.4.2腕部腕部設(shè)計(jì)的基本要求手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿X軸左右擺動(dòng)兩個(gè)自由度。手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動(dòng)也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計(jì)要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。（1）腕部處于臂部的前端，它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動(dòng)性能。因此在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測(cè)和位置檢測(cè)、管線布置以及潤(rùn)滑、維修調(diào)整等問(wèn)題。（3）腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性等問(wèn)題）。設(shè)計(jì)具體采用方案通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)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，腕部的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，它可做與手臂垂直方向（例如Y軸方向）橫移，還可以繞Y軸或Z軸回轉(zhuǎn)。本次設(shè)計(jì)，手腕回轉(zhuǎn)角度±115°，手腕回轉(zhuǎn)速度，V腕回=40°/s。圖2-4腕部結(jié)構(gòu)2.4.3手臂手臂設(shè)計(jì)的基本要求手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手臂繞橫軸旋轉(zhuǎn)，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求：（1）機(jī)械手臂式機(jī)身的承載機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度。（2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動(dòng)，（v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的措施：①減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。②減少手臂運(yùn)動(dòng)件的尺寸輪廓。③減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。（3）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。（4）位置精度要高一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手冊(cè)上加設(shè)定位裝置和自檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。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)，這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。通過(guò)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，而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為N臂=1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。手臂伸長(zhǎng)量150mm，手臂回轉(zhuǎn)角度±120°。手臂升降行程180mm，手臂水平運(yùn)動(dòng)行程100mm。手臂伸縮速度，V臂伸=50mm/s手臂回轉(zhuǎn)速度，V臂回=40°/s，手臂升降速度，V臂升=50mm/s。2.4.4機(jī)身機(jī)身設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)體的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。此次設(shè)計(jì)機(jī)身為地面軌道運(yùn)動(dòng)式。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)，再電動(dòng)機(jī)后接了一個(gè)圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個(gè)制動(dòng)箱。其主要參數(shù)是由外部計(jì)算機(jī)調(diào)整和控制，在很大程度上是由運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡運(yùn)動(dòng)而去編制小車(chē)的運(yùn)行程序。2.5驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇2.5.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要類(lèi)型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同,可分為以下四類(lèi)：（1）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手氣壓機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、的穩(wěn)定性較差、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。（2）液壓傳動(dòng)機(jī)械手液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以油液壓縮的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其特點(diǎn)為：輸出力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏、抓取力大。但是這種機(jī)械手對(duì)密封性要求很高、不易于保養(yǎng)與維護(hù)、受到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工作、油的泄漏會(huì)導(dǎo)致對(duì)其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過(guò)濾要求非常嚴(yán)格，成本高。（3）機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手它是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，動(dòng)力是由工作機(jī)械提供的。其主要特點(diǎn)為：運(yùn)動(dòng)精確，動(dòng)作頻率大，定位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng)需求高。（4）電氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械手精度高，易于維護(hù)、使用方便、節(jié)能環(huán)保。但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分,工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。2.5.2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(lái)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(zhǎng)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)。2.6傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇2.6.1工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)十分相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別。（3）螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)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)。螺旋傳動(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(tái)的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%~98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。（4）同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，無(wú)彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能40m/s）10，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動(dòng)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變、傳動(dòng)效率高。（6)鏈傳動(dòng)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(lái)傳動(dòng)。（7)鋼絲繩輪傳動(dòng)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。2.6.2工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求機(jī)器人是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類(lèi)似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。2.6.3具體設(shè)計(jì)方案為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高精度。機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減速和增大扭矩。經(jīng)濟(jì)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，同時(shí)較大的降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(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(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比,齒輪采用高強(qiáng)大、高硬度的材料，高精度加工制動(dòng)。2.7機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過(guò)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)器人手臂一般都需要平衡裝置，一減小驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。2.7.1機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式通常，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1.配重平衡機(jī)構(gòu)這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)器人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)彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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)有液壓和氣動(dòng)兩種：液壓平衡小童平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用：氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專(zhuān)門(mén)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(chǎng)合。2.7.2設(shè)計(jì)具體采用的方案因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)機(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(wèn)題，通過(guò)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。3液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1液壓系統(tǒng)的概述機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來(lái)傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱(chēng)為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。3.2液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）油泵它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。（2）液動(dòng)機(jī)壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作部分。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱(chēng)擺動(dòng)油缸）。（3）控制調(diào)節(jié)裝置各種閥類(lèi)，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。3.3液壓系統(tǒng)的基本控制回路機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡(jiǎn)，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。3.3.1壓力控制回路壓力控制回路是通過(guò)控制液壓系統(tǒng)的壓力，以滿足執(zhí)行元件對(duì)力和力矩要求的回路。包括調(diào)壓、卸荷、減壓、平衡鎖緊等基本回路。本設(shè)計(jì)采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路和單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)過(guò)程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。3.3.2速度控制回路液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量Q。其控制方法有兩類(lèi)：一類(lèi)是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來(lái)改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類(lèi)是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵的運(yùn)動(dòng)速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠、調(diào)速范圍較大、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過(guò)節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)整和穩(wěn)定所通過(guò)的流量，使油缸的運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度的平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。3.3.3方向控制回路在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單，價(jià)廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。3.4液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)的上下料機(jī)械手是以PLC來(lái)控制整個(gè)液壓元件，通過(guò)控制液壓缸的電磁換向閥而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。至于機(jī)械手在空間的運(yùn)動(dòng)和定位則由外部的電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進(jìn)行機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析，軌跡規(guī)劃和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個(gè)機(jī)械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操作。3.4.1液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)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(wèn)題。速度控制通過(guò)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，通過(guò)換向閥的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)作。對(duì)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(lái)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(jiǎn)單的節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.4.2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(lái)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(wú)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(lái)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濾油器，進(jìn)入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過(guò)精濾油器再次過(guò)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(guò)濾器。根據(jù)液壓設(shè)備所處的環(huán)境及對(duì)溫升的要求，還要考慮加熱、冷卻等措施。本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，由溢流閥V1來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。為了保證液壓油的潔凈，避免液壓油帶入污染物，故在油泵的入口安裝粗過(guò)濾器，而在油泵的出口安裝精過(guò)濾器對(duì)循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化3.4.3繪制液壓系統(tǒng)圖本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3-1所示它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開(kāi)三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，泵由三相交流異步電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動(dòng)力源的投入與摘除?？紤]到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開(kāi)，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個(gè)單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT得電時(shí)，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時(shí)，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開(kāi)。另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，保證系統(tǒng)的安全性，采用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓，以平衡重力負(fù)載。3.5液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算計(jì)算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運(yùn)動(dòng)速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動(dòng)機(jī)的功率。確定各個(gè)控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。一般會(huì)用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），及無(wú)桿活塞油缸（亦稱(chēng)齒條活塞油缸）。3.5.1油缸的主要類(lèi)型與相關(guān)運(yùn)算雙作用單桿活塞油缸圖5-2雙作用單桿活塞桿油缸計(jì)算簡(jiǎn)圖⑴流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算當(dāng)壓力油輸入無(wú)桿腔，使活塞以速度V1運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸的流量Q1為Q1=DV1對(duì)于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s，對(duì)于手指夾緊油缸：Q1=1.02cm/s,對(duì)于手臂升降油缸：Q1=0.83cm/s油缸的無(wú)桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：P1=Dp對(duì)于手臂伸縮油缸：P1=196N，對(duì)于手指夾緊油缸：P1=126N，對(duì)于手臂升降油缸：P1=320N當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸的流量Q2為：Q2=（D-d）V2對(duì)于手臂伸縮油缸：Q2=0.87cm/s，對(duì)于手指夾緊油缸：Q2=0.96cm/s,對(duì)于手臂升降油缸：Q2=0.72cm/s油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：P2=（D-d）p對(duì)于手臂伸縮油缸：P2=172N，對(duì)于手指夾緊油缸：P2=108N，對(duì)于手臂升降油缸：P2=305N⑵計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷機(jī)械手手臂移動(dòng)時(shí)，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷P為P=P工+P導(dǎo)+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P導(dǎo)為裝置處的摩擦阻力P封為密封裝置處的摩擦阻力P慣為性阻力P回為回背壓阻力P=83+125+66+80+208=562(N)⑶確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸①油缸內(nèi)徑的計(jì)算油缸工作時(shí)，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡，即P=P1（無(wú)桿腔）=P2（有桿腔）油缸（即活塞）的直徑可由下式計(jì)算D==1.13厘米（無(wú)桿腔）對(duì)于手臂伸縮油缸：D=50mm，對(duì)于手指夾緊油缸：D=30mm，對(duì)于手臂升降油缸：D=80mm，對(duì)于立柱橫移油缸：D=40mm或D=厘米（有桿腔）②油缸壁厚的計(jì)算：依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計(jì)算：=厘米P計(jì)為計(jì)算壓力油缸材料的許用應(yīng)力。對(duì)于手臂伸縮油缸：=6mm，對(duì)于手指夾緊油缸：=17mm，對(duì)于手臂升降油缸：=16mm,對(duì)于立柱橫移油缸:=17mm③活塞桿的計(jì)算可按強(qiáng)度條件決定活塞直徑d。活塞桿工作時(shí)主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算可近似的視為直桿拉、壓強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題，即=≦即d≧厘米對(duì)于手臂伸縮油缸：d=30mm，對(duì)于手指夾緊油缸：d=15mm，對(duì)于手臂升降油缸：d=50mm,對(duì)于立柱橫移油缸:d=16mm無(wú)桿活塞油缸（亦稱(chēng)齒條活塞油缸）圖5-3齒條活塞缸計(jì)算簡(jiǎn)圖⑴流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算Q=當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s時(shí)Q=952N⑵作用在活塞上的總機(jī)械載荷PP=P工+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P封為密封裝置處的摩擦阻力P慣為慣性阻力P回為背壓阻力P=66+108+208=382（N）⑶油缸內(nèi)徑的計(jì)算根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與總機(jī)械載荷的平衡條件，求得D=（厘米）D=45mm單葉片回轉(zhuǎn)油缸在液壓機(jī)械手上實(shí)現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的另一種常用機(jī)構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡(jiǎn)稱(chēng)回轉(zhuǎn)油缸，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：圖5-4回轉(zhuǎn)油缸計(jì)算簡(jiǎn)圖⑴流量、驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動(dòng)片以角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為：Q=當(dāng)D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s時(shí)Q=0.02m/s回轉(zhuǎn)油缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩M：M=得M=0.8(N·m)⑵作用在動(dòng)片（即輸出軸）上的外載荷力矩MM=M工+M封+M慣+M回其中M工為工作阻力矩M封為密封裝置處的摩擦阻力矩M慣為參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，在啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩M回為回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N·m)⑶回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計(jì)算回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得：D=D=30mm（厘米)3.5.2油泵的選擇一般的機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力P泵和最大流量Q泵來(lái)確定。=1\*GB2⑴確定油泵的工作壓力P泵P泵≧p+△p式中p——油缸的最大工作油壓△p——壓力油路（進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。P泵=60*10帕=2\*GB2⑵確定油泵的Q泵油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個(gè)回路按設(shè)計(jì)的要求，在工作時(shí)實(shí)際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來(lái)確定Q泵=K，Q最大其中：K一般取1.10—1.25Q泵=53升/分3.5.3油泵電動(dòng)機(jī)功率的確定油泵的電動(dòng)功率為N=（千瓦）式中p——油泵的最大工作壓力Q——所選油泵的額定流量——油泵總效率N=7.5（千瓦）4機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)4.1.1可編程控制器的概念可編程控制器(ProgrammableLogicalController)簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對(duì)PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！爆F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。PLC具有如下特點(diǎn)：1、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。2、功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高。3、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。4、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。6、維修工作量小，維修方便。7、體積小，能耗低。4.1.2PLC的應(yīng)用領(lǐng)域PLC的初期由于其價(jià)格高于繼電器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來(lái)，PLC的應(yīng)用面越來(lái)越廣，其主要原因是：一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價(jià)格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計(jì)算和通信問(wèn)題。目前PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、石油、化工、電力、機(jī)械制造、汽車(chē)、裝卸、紡織、環(huán)保和娛樂(lè)等行業(yè)。PLC的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類(lèi)型：1、順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，也是最適合PLC使用的領(lǐng)域，它用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制。PLC應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。例如：注塑機(jī)械、印刷機(jī)械、訂書(shū)機(jī)械、包裝機(jī)械、切紙機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制。2、運(yùn)動(dòng)控制PLC制造商目前已提供了拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，在多數(shù)情況下，PLC把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，其輸出移動(dòng)一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置，每個(gè)軸移動(dòng)時(shí)，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，保持運(yùn)動(dòng)平滑。相對(duì)來(lái)說(shuō)，位置控制模塊比CNC裝置體積更小，價(jià)格更低，速度更快，操作更方便，3、過(guò)程控制PLC還能控制大量的過(guò)程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度等。PID模塊提供了使PLC具有了閉環(huán)控制的功能，即一個(gè)具有PID控制能力的PLC可用于過(guò)程控制。當(dāng)過(guò)程控制中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)，PID控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，把變量保持在設(shè)定值上。4、數(shù)據(jù)控制在機(jī)械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。5、通信控制PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I/O的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。4.1.3PLC的系統(tǒng)組成PLC種類(lèi)繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。PLC專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。PLC的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。圖4-1PLC的結(jié)構(gòu)框圖1、中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入/輸出接口電路連接。2、存儲(chǔ)器PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。系統(tǒng)存儲(chǔ)器包括用來(lái)存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序。第二部分為用戶指令解釋程序。第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序與系統(tǒng)調(diào)用。用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言編寫(xiě)的各種用戶程序。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用來(lái)存放（記憶）用戶程序中所使用器件ON/OFF狀態(tài)和數(shù)值、數(shù)據(jù)等。用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標(biāo)之一。PLC使用的存儲(chǔ)器類(lèi)型有三種。第一種是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）；第二種是只讀存儲(chǔ)器（ROM）；第三種是可電擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器（EEPROM或EPROM）。3、輸入/輸出模塊輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱(chēng)為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號(hào)類(lèi)型可以是開(kāi)關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。輸入模塊用于處理輸入信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、電平轉(zhuǎn)換等，把輸入信號(hào)的邏輯值安全可靠地傳遞到PLC內(nèi)部。輸出模塊用于把用戶程序的邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內(nèi)部電路和外部執(zhí)行元件的作用，還具有功率放大的作用。4、電源模塊PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、±12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。5、接口模塊接口模塊用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6、通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人–機(jī)”或“機(jī)–機(jī)”之間的對(duì)話，PLC配有多種通信接口。PLC通過(guò)接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC或計(jì)算機(jī)相連。7、編程器編程器的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡(jiǎn)易型和智能型兩類(lèi)。簡(jiǎn)易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將梯形圖轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言助記符（語(yǔ)句表）后，才能輸入。智能型的編程器又稱(chēng)圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過(guò)屏幕對(duì)話8、其他部分有些PLC還可配有EPROM寫(xiě)入器、存儲(chǔ)器等其他外部設(shè)備。4.1.4PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，故它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理之上，即通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是CPU是以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的全過(guò)程可用圖4-2所示的運(yùn)行框圖來(lái)表示。概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。掃描周期是控制過(guò)程中一個(gè)比較重要的技術(shù)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，掃描周期越大，表明掃描所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，要求輸入信號(hào)的寬度就越大，控制周期就越長(zhǎng)，控制速度就要降低。PLC的過(guò)程可分為三部分。第一部分為上電處理，第二部分是掃描過(guò)程，第三部分是出錯(cuò)處理。電源ON電源ON內(nèi)部處理輸入處理(輸入傳送\遠(yuǎn)程I/O)通信服務(wù)(外設(shè)、CPU、總線服務(wù))更新時(shí)鐘、特殊寄存器執(zhí)行程序執(zhí)行自診斷存放自診斷錯(cuò)誤結(jié)果CPU強(qiáng)制為STOPRUNSTOPYNNY輸出處理致命錯(cuò)誤PLC正常否CPU運(yùn)行方式圖4-2PLC運(yùn)行框圖

4.2本系統(tǒng)的控制方案右旋限位開(kāi)關(guān)停止按鈕啟動(dòng)按鈕右旋限位開(kāi)關(guān)停止按鈕啟動(dòng)按鈕物品檢測(cè)開(kāi)關(guān)下降限位開(kāi)關(guān)夾放檢測(cè)開(kāi)關(guān)上升限位開(kāi)關(guān)左旋限位開(kāi)關(guān)PLC上升電磁閥夾放電磁閥右旋電磁閥左旋電磁閥選擇按鈕下降電磁閥繼電器繼電器繼電器繼電器繼電器圖4-3系統(tǒng)框圖4.2.1輸入/輸出信號(hào)本控制系統(tǒng)有11個(gè)輸入開(kāi)關(guān)量，分別為：系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕1個(gè)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)；系統(tǒng)停止按鈕1個(gè)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的停止；選擇按鈕1個(gè)負(fù)責(zé)機(jī)械手自動(dòng)控制和檢測(cè)的切換；機(jī)械手的啟動(dòng)按鈕1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)時(shí)每個(gè)機(jī)械手的啟動(dòng)；機(jī)械手的停止按鈕1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)時(shí)每個(gè)機(jī)械手的停止；物品檢測(cè)開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)工作臺(tái)上是否有物品；下降限位開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)械手到達(dá)最低位置；夾放檢測(cè)開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)機(jī)械手夾放物品的檢測(cè)；上升限位開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)械手到達(dá)最高位置；右旋限位開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)械手是否右旋轉(zhuǎn)180°；左旋限位開(kāi)關(guān)1個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)機(jī)械手是否左旋轉(zhuǎn)180°；建立輸入信號(hào)名稱(chēng)與電氣符號(hào)表4.1。表4.1輸入信號(hào)名稱(chēng)與電氣符號(hào)表序號(hào)名稱(chēng)電氣符號(hào)1總啟動(dòng)按鈕SB12總停止按鈕SB23自動(dòng)/手動(dòng)選擇按鈕SB34機(jī)械手啟動(dòng)按鈕SB45機(jī)械手停止按鈕SB56工作臺(tái)物品檢測(cè)開(kāi)關(guān)SQ17機(jī)械手下降限位開(kāi)關(guān)SQ28機(jī)械手夾緊檢測(cè)開(kāi)關(guān)SQ39機(jī)械手上升限位開(kāi)關(guān)SQ410機(jī)械手左旋限位開(kāi)關(guān)SQ511機(jī)械手右旋限位開(kāi)關(guān)SQ6本控制系統(tǒng)由5個(gè)輸出電磁閥，分別為：機(jī)械手下降電磁閥1個(gè)負(fù)責(zé)啟動(dòng)機(jī)械手的下降；機(jī)械手夾放電磁閥1個(gè)負(fù)責(zé)啟動(dòng)機(jī)械手夾放物品；機(jī)械手上升電磁閥1個(gè)負(fù)責(zé)啟動(dòng)機(jī)械手的上升；機(jī)械手右旋電磁閥1個(gè)負(fù)責(zé)啟動(dòng)機(jī)械手的右旋；機(jī)械手左旋電磁閥1個(gè)負(fù)責(zé)啟動(dòng)機(jī)械手的左旋。建立輸出信號(hào)名稱(chēng)與電氣符號(hào)表4.2。表4.2輸出信號(hào)名稱(chēng)與電氣符號(hào)表序號(hào)名稱(chēng)電氣符號(hào)1機(jī)械手下降電磁閥YV12機(jī)械手夾放電磁閥YV23機(jī)械手上升電磁閥YV34機(jī)械手左旋電磁閥YV45機(jī)械手右旋電磁閥YV54.2.2PLC的選型目前，世界上有200多個(gè)廠家生產(chǎn)可編程控制器產(chǎn)品，比較著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)的AB、通用（GE）、日本的三菱（MITSBISHI）、歐姆龍（OMRON）、德國(guó)的西門(mén)子（SIMENS）、法國(guó)的TE、韓國(guó)的三星（SUMSUNG）、LG等。本文選擇的是德國(guó)的西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7–200PLC。S7–200系列PLC是西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣，因此它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。本次設(shè)計(jì)中共11個(gè)輸入量，共5個(gè)輸出量，共計(jì)16點(diǎn)，因此選用了S7–200系列CPU224，CPU224具有14點(diǎn)輸入/10點(diǎn)輸出，I/O點(diǎn)數(shù)共計(jì)24點(diǎn)，它可以有七個(gè)擴(kuò)展模塊，有內(nèi)置時(shí)鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計(jì)數(shù)的處理能力，是使用最多的S7–200產(chǎn)品。4.2.3I/O地址分配根據(jù)機(jī)械手的輸入信號(hào)為11個(gè)，輸出信號(hào)為5個(gè)，建立I/O地址分配表。建立輸入信號(hào)地址分配表如表4.3所示：表4.3輸入信號(hào)地址分配表序號(hào)名稱(chēng)地址1SB1I0.02SB2I0.13SB3I0.24SB4I0.35SB5I0.46SQ1I0.77SQ2I1.08SQ3I1.19SQ4I1.210SQ5I1.311SQ6I1.4建立輸出信號(hào)地址分配表如表4.4所示：表4.4輸出信號(hào)地址分配表序號(hào)名稱(chēng)地址1KA1Q0.02KA2Q0.13KA3Q0.24KA4Q0.35KA5Q0.4建立通用輔助繼電器地址分配表如表4.5所示：表4.5通用輔助繼電器地址分配表序號(hào)名稱(chēng)地址1自動(dòng)方式M0.02手動(dòng)方式M0.13機(jī)械手動(dòng)作中M0.24系統(tǒng)停止M機(jī)械手控制程序當(dāng)I1.2=1（上升限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)）：且Q0.3=0（左旋電磁閥斷開(kāi)），則Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；并且M0.2=1（輔助繼電器）。梯形圖如圖4-4所示。圖4-4梯形圖當(dāng)Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.0=0（下降電磁閥斷開(kāi)）并且Q0.1=1（夾放電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-5所示。圖4-5梯形圖當(dāng)Q0.1=1（夾放電磁閥閉合）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合）；Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)），則定時(shí)器T53啟動(dòng)定時(shí)。當(dāng)53=1（定時(shí)時(shí)間到）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合）；Q0.0=0（下降電磁閥斷開(kāi)），則Q0.2=1（上升電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-6所示。圖4-6梯形圖當(dāng)Q0.2=1（上升電磁閥閉合）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；I1.2=1（上升限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)），并且Q0.4=0（右旋電磁閥斷開(kāi)），則Q0.3=1（左旋電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-7所示。圖4-7梯形圖當(dāng)Q0.3=1（左旋電磁閥閉合）；且I1.2=1（上升限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.3=1（左旋限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.3=0（左旋電磁閥斷開(kāi)）并且Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)）則Q0.0=1（下降電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-8所示。圖4-8梯形圖當(dāng)Q0.0=1（下降電磁閥閉合）；且I1.3=1（左旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.0=0（下降電磁閥斷開(kāi)）并且Q0.1=0（夾放電磁閥斷開(kāi)）。梯形圖如圖4-9所示。圖4-9梯形圖當(dāng)Q0.1=0（夾放電磁閥斷開(kāi)）；且I1.3=1（左旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合）；Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)），則定時(shí)器T54啟動(dòng)定時(shí)。當(dāng)T54=1（定時(shí)時(shí)間到）；且I1.3=1（左旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.0=1（下降限位開(kāi)關(guān)閉合）；Q0.0=0（下降電磁閥斷開(kāi)），則Q0.2=1（上升電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-10所示。圖4-10梯形圖當(dāng)Q0.2=1（上升電磁閥閉合）；且I1.3=1（左旋限位開(kāi)關(guān)閉合）；I1.2=1（上升限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.2=0（上升電磁閥斷開(kāi)），并且Q0.3=0（左旋電磁閥斷開(kāi)），則Q0.4=1（右旋電磁閥閉合）。梯形圖如圖4-11所示。圖4-11梯形圖當(dāng)Q0.4=1（右旋電磁閥閉合）；且I1.2=1（上升限位開(kāi)關(guān)閉合）；且I1.4=1（右旋限位開(kāi)關(guān)閉合），則Q0.4=0（右旋電磁閥斷開(kāi)）并且M0.2=0（輔助繼電器）。梯形圖如圖4-12所示。圖4-12梯形圖4.2.5機(jī)械手主程序當(dāng)I0.0=1（總啟動(dòng)按鈕閉合）；且I0.2=1（手動(dòng)/自動(dòng)按鈕閉合）；且M0.5=0（系統(tǒng)停止輔助繼電器），M0.0=1（機(jī)械手自動(dòng)方式輔助繼電器）。梯形圖如圖4-13所示。圖4-13梯形圖結(jié)論本設(shè)計(jì)結(jié)合了大學(xué)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及課外實(shí)踐知識(shí)。主要講述了自動(dòng)上下料機(jī)器人的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等。分析了液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了利用液壓傳動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手部、腕部、臂部的運(yùn)動(dòng)。介紹了PLC的定義、特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展趨勢(shì)、基本組成、以及工作原理。用PLC作為控制器，優(yōu)化了機(jī)械手的控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC的控制，機(jī)械手能獨(dú)立完成所需動(dòng)作并且還可以選擇自動(dòng)運(yùn)行或手動(dòng)運(yùn)行。PLC有較高的靈活性，當(dāng)機(jī)械手工藝流程改變時(shí)，只要對(duì)I/O點(diǎn)的接線稍作修改，或?qū)/O重新分配，在控制程序中作簡(jiǎn)單修改，補(bǔ)充擴(kuò)展即可。經(jīng)過(guò)重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類(lèi)似的加工情況。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)資料的收集到方案的選擇比較和論證，再到相關(guān)方案的分析計(jì)算以及工程圖紙的繪制等環(huán)節(jié)的深入研究，我對(duì)所學(xué)的知識(shí)有了更深層次的理解，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。由于所掌握的知識(shí)有限，本次設(shè)計(jì)中肯定還有很多不足的地方和紕漏之處，懇請(qǐng)專(zhuān)家和老師指正并加以指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1]付永領(lǐng),王巖,裴忠才.基于CAN總線液壓噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)床與液壓.2003,(6):90~92[2]劉劍雄,韓建華.物流自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究.機(jī)床與液壓.2003,(1):126~128[3]王田苗,丑武勝.機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2003.[4]陳鐵鳴,王連明,王黎欽.機(jī)械設(shè)計(jì)(修訂版).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.[5]李建勇.機(jī)電一體化技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2004.[6]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010年.[7]韓建.工業(yè)機(jī)器人[M].華中科技大學(xué)出版社,2012年. 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