回转式上下料机械手的设计

摘要

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机械手。重点针对机械手的立柱、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，立柱结构的设计，机械手手臂结构的设计，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，达到了设计的预期目标。

关键词：机械手,可编程控制器PLC,液压伺服定位,电液系统

Abstract

Integratting the knowledge of the past four years of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction design, the wrist’s construction design, the end effector’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulator’s control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object.

Keyways: Manipulator, Programmable Logic Controller, Hydraulic servo control, Electrohydraulic system

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

1 绪论 (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 设计目的 (1)

1.3 国内外研究现状和趋势 (2)

1.4 设计原则 (4)

2 工业机械手的总体设计方案 (5)

2.1 工业机械手传动方案设计 (5)

2.2 工业机械手运动方案设计 (5)

3 机械手结构设计 (9)

3.1各执行部件（液压缸）的类型选择 (9)

3.2 各执行部件之间的联接和固定方式设计 (9)

3.3 手部的结构设计、计算及选型 (9)

3.4 小手臂的结构设计、计算及选型 (13)

3.5 大手臂的结构设计、计算及选型 (18)

3.6 回转缸的结构设计、计算及选型 (20)

4 液压系统设计 (25)

4.1 液压系统的组成 (25)

4.2 液压系统的特点 (26)

4.3 拟定液压系统 (26)

4.4 液压系统控制元件的选型 (27)

4.5 液压控制原理及过程说明 (29)

4.6 油缸泄露问题与密封装置 (30)

4.7 管路布置 (31)

5 PLC控制系统设计 (32)

结论 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

1 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

（一）工业机器人研究

1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司-----Unimation（Universal Automation）公司，并参与设计了第一台Unimate机器人。1984年，ISO（国际标准化组织）采纳了美国机器人协会（RIA）的建议，给机器人下了定义，即“机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具，为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统(A reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of materials, parts, tools or specialized systems, with varied and programmed movements, with the aim of carring out varied tasks)美国是机器人的诞生地，早在1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。我国于1972年开始研制自己的工业机器人，在起点上相对于美国已经晚了10年，由于生产技术上存在的差距，导致我国在工业机器人技术的发展方面落后于美国、日本等发达国家。进入80年代后，机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地。

（二）工业机器人的发展与运用

20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。

20世纪末，国际机器人联合会拥有一个有关世界机器人专家和机器人商人的信息网络，利用这一网络国际机器人联合会得出了一个季度发展趋势报告，指出了哪些地区在机器人和自动化贸易方面有增长的趋势。在欧洲、美国等经济发达国家，机器人产量在逐年增长，但主要不是在汽车工业，而是在其他工业领域。

工业机器人应用领域由制造业扩展到非制造业，同时在原制造业也不断深入渗透，开辟了不少新用途。原应用领域的扩展深化，如用多台弧焊机器人焊汽车、机械大部件、车身及大薄板，电机壳的多层焊，窄空间线圈盒的焊接；电子基板喷涂等，而新开辟的应用领域由木材家具、农林牧业、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。

我国国内在工业机器人运用方面主要以汽车制造业为主，在汽车生产中工业机器人是一种主要的自动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展，汽车制造业属于技术，资金密集型产业，也是工业机器人运用最广泛的行业。近几年，国内生产厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业的，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。据猜测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15%左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50%左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。

（三）工业机器人的发展趋势

随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统（FMS，CLMS）中的群体应用，工业机器人也不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”，满足多样化、个性化的需求，并适应多变化的非结构环境作业，向非制造领域进军。

除了对工业机器人进行优化设计，增强其对各行各业的适应性之外，现代工业机器人的揭开了能源领域新篇章，在全球对能源安全和气候安全的思考越来越深入的时候，开创了机器人太阳能产业。目前ABB机器人在全球太阳能产业上应用已超过300台。近几年，在国外使用工业机器人行业的分布次序，大概为电子、电器、汽车制造、塑料成形、通用机械、金属加工、运输及仓库、食品、轻工；按作业性质排序为装配、弧焊、点焊、机械加工、塑料压制、测量/检查/试验、冲压、喷漆、铸造。

目前国外机器人正向多种行业扩展，随着工业机器人向更加深度和广度发展以及机器人智能化的提高，使机器人应用范围不断扩大。考虑到21世纪社会生活的高龄化人口比率的增加，国外效仿“个人计算机”，提出“个人机器人”概念。个人机器人定义为协助人的生活，使个人生活更加舒适、安全和高效。这方面的发展可能与20世纪个人计算机相似，将会在21世纪普及和推广。

我国的工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人很少，目前我国工业机器人技术相当于发达

国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺和装备方面，不能生产高精度，高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与装备，隧道挖掘机器人相关技术，工程机械智能化机器人相关技术，装配自动化机器人相关技术。我国在未来这段时间里，将瞄准国际前沿高技术发展方向创新性的研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人；第二，医用机器人；第三，仿生机器人。其发展趋势是智能化，低成本、高可靠性和易于集成。在未来的发展中，工业机器人的发展趋势将继续朝着，高级智能化，机构一体化，应用广泛化，产品微型化，组建构建通用化、标准化和模块化，高精度高可靠性方向发展，随着机器人技术的不断发展和日臻完善，它必将促进我国各方面的技术发展。

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。

2 工业机械手的总体设计方案

2.1 工业机械手传动方案设计

驱动系统主要有四种：液压驱动，气压传动，电气传动和机械驱动。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。

本机械手为自动上下料机械手，抓取物重在25kg左右，将其传送带上搬运到机加工工作台上，考虑到圆柱坐标式的占地面积小，而动作范围大的特点，确定使用圆柱坐标式结构，驱动系统上，因抓取力不大，可考虑液压系统和气压系统。

液压驱动主要是通过油缸，阀，油泵和油箱等实现传动。它采用油缸，油马达加齿轮，齿条实现直线运动，利用摆动油缸，油马达与减速器，油缸与齿条或链条，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，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。

液压系统优点：

（1）压力高，可实现较大的驱动力，机构可做得较小，紧凑；

（2）可实现无级变速，定位精度高，可实现任意中间位置的停止；

（3）系统的固有震动频率高，压力、容量调节容易；

（4）重量小，惯性小，可做到经常快速且无冲击的变速和换向，容易控制，动作平稳，迟滞小等；

（5）用液压电磁阀易达到PLC控制，且成本低等。

气压系统优点：

（1）操纵力大小可调，视气体压力而定；

（2）安全性方面，不会发热，但要注意安全压力，过载安全性最好，能自动保护；

（3）气体采集容易，成本低；

（4）工作压力较低，损失小，仅为油路的千分之一；

（5）动作迅速，反应快等优点。

综合考虑自己所学知识和实际要求，本机械手选用液压系统驱动。

2.2 工业机械手运动方案设计

2.2.1 机械手的自由度

自由度是机械手设计的主要参数，每一个物体相对固定坐标系所具有的独立运动称为自由度，每一个物体相对固定坐标系最多可有6个自由度，即X，Y，Z三个方向独立的往复移动和饶X，Y，Z轴的三个独立回转运动，两个构件组成相对运动的连接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件，因为组成各运动副的各构件的运动是

受约束的，不能任意运动。必须按照人们预定的规律而运动，分析机械手的手臂，手腕，手指等部件的本身和它们的关系，不外乎是用一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可分为只有一个自由度的转动副和移动副或有三个自由度的球面副。

机械手要像人的手一样完成各种运动是比较困难的，因人的手指，手腕，手臂由十九个关节组成，并且有三个自由度，而生产线中机械手不需要这么多自由度，手臂和立柱的运动称为主运动，因为它们能改变被抓取工件在空间的位置，手腕和手指的运动称为辅助运动。因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位，而手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。

机械手的坐标形式可分为以下几种:

（1）直角坐标式机械手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。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X，Y，Z三个方向的直线进行运动，其工作范围可以是一个直线运动，二个直线运动或三个直线运动。如在X，Y，Z三个直线运动方向上各具有A，B，C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。它的优点是产量大，节拍短，能满足高速的要求，容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合，适于装箱类，多工序复杂的工作，定位容易变更，定位精度高，可达到±0。5毫米以下，载重发生变化时不会影响精度，易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点是这种机械手作业范围较小。

（2）圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型失，适用于搬运和测量工件，具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手有X，Y，Ф，三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手有五个基本动作：手臂水平回转，手臂伸缩，手臂上下，手臂回转动作和手爪夹紧动作。

（3）球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手，是由X，θ，Ф三个方面的运动组成。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动，二个旋转运动和二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：俯仰动作，回转动作，伸缩动作，手腕上下弯曲，手腕左右摆动，手腕旋转运动，手爪夹紧动作和机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，而动作范围大。如以行程为203毫米工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450毫米。若采用圆柱坐标式则高度就要达到2450毫米。球坐标式机械手作业范围可达到9立方米，较其他型式约大三至五倍。

（4）关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它象人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四