1、畢業論文（設計）任務書一、題目：一、題目：搬運機械手的結構和控制系統設計搬運機械手的結構和控制系統設計二、研究內容與目標：二、研究內容與目標：本設計主要的研究內容是1. 用 proe 繪制搬運機械手三維立體圖2. 用 proe 轉配搬運機械手及制作仿真動畫并生成仿真視頻制作3. 利用 PLC 實現控制系統設計4. 設計說明書（1 份）目標： 讓搬運機械手能搬運物品，掌握機械手的設計原理和控制過程三、研究方法：三、研究方法：通過不斷地查找資料，研究工業機械手的作用，并不斷分析最后制作出工業上需要的機械手。四、主要參考文獻：四、主要參考文獻：(5(5 篇以上篇以上) )1 劉明保，呂春紅等主編.機

2、械手的組成機構及技術指標的確定.河南高等專科學校學報，2004.120-1342 李超主編.氣動通用上下料機械手的研究與開發.陜西科技大學，2003.103-1213 陸祥生，楊繡蓮主編.機械手.中國鐵道出版社,1985.56-584 張建民主編.工業機械人.北京：北京理工大學出版社,1992.76-795 李允文主編.工業機械手設計.機械工業出版社,1996.6 蔡自興主編.機械人學的發展趨勢和發展戰略.機械人技術,2001.12-157 金茂青，曲忠萍，張桂華等主編.國外工業機械人發展的態勢分析.機械人技術與應用,2001.23-248 王雄耀主編.近代氣動機械人（機械手）的發展及應用.液

3、壓氣動與密封,1999.31-329 李明主編.單臂回轉機械手設計.制造技術與機床，2004. 64-6610張軍，封志輝主編.多工步搬運機械手的設計.機械設計,2004.27-28目錄第一章 緒論.21.1 工業機器人的簡介.21.2 機械手概述.31.3 工業機械手的發展趨勢.41.4 國內外研究現狀和趨勢 .51.6 液壓系統傳動原理 .7第二章 電機驅動和液壓驅動混合式搬運機械手方案設計.82.1 電動驅動和液壓驅動式搬運機械手的組成及各部分關系概述.82.2 液壓式搬運機械手方案設計.82.3 機械手的系統工作原理及組成.92.4 機械手手臂的結構設計.13第三章 尺寸設計與校核.1

4、83.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設計與校核.183.2 手臂升降液壓缸的尺寸設計與校核.193.3 腰部傳動負載作回轉運動的設計與校核 .20第四章 機械手的 PLC 控制系統設計.224.1 PLC 的工作原理.224.2 可編程序控制器的選擇及工作過程 .234.3 可編程序控制器的使用步驟 .244.4 機械手可編程序控制器控制方案 .25第五章 四自由度機械手運動仿真.275.1 運動學仿真過程及定義分析 .27結 論.30致 謝.301搬運機械手的結構和控制系統設計搬運機械手的結構和控制系統設計 摘要摘要 用于再現人手功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、

5、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為工業機械手。共業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分，這種新技術發展很快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機

6、械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。本課題要設計一套 4 自由度電機和液壓混合搬運機械手（主要用來搬運圓柱狀的物體如車輪）主要的設計有以下幾個方面：根據裝配生產線搬運機械手的特點，確定液壓搬運機械手的總體方案，保證機械手在空間有限位置的定位。然后根據考慮的總體方案確定機械手的總體結構，可采用模塊化的設計，將機械手分為若干個模塊，對各個模塊進行設計，最后把這些模塊拼裝起來組成機械手。以機械手代替人工來提高工作效力，減輕勞動力提高生產力。本課題設計的目的就是采用低成本、抓取力量大和易于控制的液壓來組成液壓搬

7、運機械手，最終實現裝配生產線上工件的自動搬運。2第一章第一章 緒論緒論1.1 工業機器人的簡介工業機器人的簡介工業機器人是機械技術、電子技術與計算機技術有機結合在一起形成的一種機電一體化的產品，從其誕生起就受到人們的關心與重視。經過幾十年的發展，目前工業機器人技術已經很成熟。工業機器人已從最初在解決勞動密集型工業中單調、重復的體力勞動發展到滿足制造業自動化規模生產需要的工作。其應用領域不斷擴 大，從最初主要應用于汽車工業發展到現在涉及制造業的各個行業。目前我國國民經濟的快速發展，先進制造業已進入一個新的發展階段1。隨著經濟全球化和我國加入 WTO，中國制造業面臨著與國際接軌、參與國際競爭的局面

8、。如何適應快速變化的國內外市場需求，如何以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發展，已是我國企業不容回避的問題，這些問題為工業機器人的應用提供了大的市場需求，促使中國工業機器人的應用市場日趨成熟。近幾年來，國外著名的工業機器人制造廠商紛紛加大了在我國的投資和應用技術的投入，對我國的國產工業機器人產業的發展帶來了嚴峻的挑戰。我國政府非常重視機器人技術的發展，從“七五”科技攻關及實施 863 計劃開始，就有計劃地組織和發展工業機器人事業，經過 20 多年的研制和應用，目前在工業機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了

9、工業機器人的設計制造技術和機器人應用中單元和生產線的設計、制造技術，有了一支具有一定水平的技術隊伍，奠定了我國獨立自主發展機器人產業的基礎。但是，我國工業機器人在總體技術上與國外先進水平相比還有很大差距，僅相當于國外九十年代中期的水平。目前工業機器人的生產規模仍然不大，多數是單件小批生產，關鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態，工業機器人的性價比較低。我國整體裝備制造水平不高，制約了我國工業機器人產業的形成和實現規模化的發展。盡管中國工業機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質價廉的工業機器人商品，目前在我國尚有較長的路程。首先為了促進中國工業機器人產業的發展，必須在以市場需求為主的前提

10、下，國家在政策上鼓勵企業在技術投入和技術改造方面應用國產工業機器人。同時轉變現有的機制，建立以適應市場經濟所需的工業機器人的產業基地。其次，在國家的科技發展規劃中，應繼續對工業機3器人的研究開發和應用關鍵、基礎部件的研究和產品化給予支持，形成產品和自動化制造裝備同步協調發展的新局面。第三，結合我國的國情，加強我國工業機器人應用工程的開發，使之與國民經濟的發展密切相結合。經過近十年的努力，我國在工業機器人應用工程的開發方面已具有相當的實力，已有一支了解企業的需求，能開發出符合實際使用條件應用工程，成本低，服務及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強工業機器人應用工程的開發，并圍繞應用工程的需要進

11、行工業機器人新產品的開發，使之具有一定的規模化生產能力，這樣可以促進我國企業的技術進步和提高競爭力，同時工業機器人的應用也可形成具有一定規模的產業。如果說 20 世紀 90 年代機床創新的最大成就是發明并聯機床的話，那么當今工業機器人在機床上的應用已成為發展的一大趨向。機器人與機床相結合，以往主要是解決工件自動上下料搬運問題，致使機床得以無人化 24 小時連續運轉。如擅長專機制作的意大利 COMAU 公司，他們比較成熟地將缸體及缸蓋生產線中的零件搬運，設計成由機器人完成。當然，對工件的拋光打磨、清洗及其它臟、累活也是機器人表現的舞臺。去年 9 月在漢諾威 EMO2005 展覽會上，工業機器人的

12、應用非常搶眼，而且它應用的領域也在擴大。然而在這次CCMT2006 展覽會上，值得一機器人應用是當今機床發展的一大趨向提的是 1 號館 W 1 - 9 1 6 意大利意沃樂 EVOLUT 公司，這個歐洲最大的機器人應用與集成公司，他們的一臺 DC-5 機器人修邊、倒角裝置特別引人注目。該機器人可以裝夾工具對主軸上零件修邊去毛刺，甚至機器人可以加裝動力源用刀具對零件進行加工，因此它已將機械人傳統的搬運、噴漆、焊接工作范圍擴展到了金屬切削及拋光領域。工作單元還可以配備各種上料方式：如帶視頻裝置可抓取隨機擺放的工件，或以旋轉臺擺放，或以傳送帶擺放等等。DC-5 工作單元可以處理的最大負荷為120/1

13、50kg。適宜加工的金屬材料為鋁鎂合金、銅、鉛、鑄鐵等。可以代替至少四個工人的工作量。3 D 編程軟件將以往 8 小時編程時間縮減為 15 分鐘，為小批量多品種的工件提供最好的解決方案。意沃樂公司除此以外最常涉足的領域還有用于壓鑄單元、車、銑中心單元、復合機床單元、零件拋光單元上的各種機械人應用等等。隨著社會的不斷發展和進步，勢必勞動力的成本將越來越高，對環保及安全的要求將越來越嚴，所以工業機器人的應用必將與時俱進。而且，由機器人干出的工件，譬如說打磨，其零件的一致性肯定比人工來得好，因此歐洲有些名牌汽車制造商甚至對某些零件的某些工步，規定必須由機器人來操作。由此看來，工業機器人在機床上的應用

14、會將越來越廣。41.2 機械手概述機械手概述機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：（1）機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。（2）在裝配作業中應用廣泛，在電子行業中它可以用來裝配印制電

15、路板，在機械行業中它可以用來組裝零部件。（3）可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動。（4）可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。（5）宇宙及海洋的開發。（6）軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗。由于以上諸多原因，因此在裝配生產線上我們用液壓自動搬運機械手來完成目的。1.3 工業機械手的發展趨勢工業機械手的發展趨勢(1)工業機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三

16、位一體化:由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。(3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則5采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制如使遙控機器人

17、操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技

18、術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用

19、化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點

20、地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成6系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 國內外研究現狀和趨勢國內外研究現狀和趨勢目前，在國內外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：A機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化；由關節模塊

21、、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。B工業機器人控制系統向基于 PC 機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。C機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。D關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研

22、究，控制系統開發； E焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機器人產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，滿足相對具體的任務的工業機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業控制器，市場化、模塊化的元件目前國內機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業生產發展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，

23、改善作業條件，在應用專用機械手的同時，相應的發展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。 7國外機械手在機械制造行業中應用較多，發展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按照事先指定的作業程序來完成規定的操作。國外機械手的發展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發生稍許

24、偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。目前世界高端工業機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到 3M/S，量新產品達到 6 軸，負載 2KG 的產品系統總重已突破 100KG。更重要的是將機械 手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業發展。1.6 液壓系統液壓系統傳動原理傳動原理液壓傳動中所需要的元件主要有動力元件、執行元件、控

25、制元件、輔助元件等。其中液壓動力元件是為液壓系統產生動力的部件，主要包括各種液壓泵。液壓泵依靠容積變化原理來工作，所以一般也稱為容積液壓泵。齒輪泵是最常見的一種液壓泵，它通過兩個嚙合的齒輪的轉動使得液體進行運動。其他的液壓泵還有葉片泵、柱塞泵，在選擇液壓泵的時候主要需要注意的問題包括消耗的能量、效率、降低噪音。液壓執行元件是用來執行將液壓泵提供的液壓能轉變成機械能的裝置，主要包括液壓缸和液壓馬達。液壓馬達是與液壓泵做相反的工作的裝置，也就是把液壓的能量轉換稱為機械能，從而對外做功。液壓控制元件用來控制液體流動的方向、壓力的高低以及對流量的大小進行預期的控制，以滿足特定的工作要求。正是因為液壓控

26、制元器件的靈活性，使得液壓控制系統能夠完成不同的活動。液壓控制元件按照用途可以分成壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥。8第二章第二章 電機驅動和液壓驅動混合式搬運機械手方案設計電機驅動和液壓驅動混合式搬運機械手方案設計2.1 電動驅動和液壓驅動式搬運機械手的組成及各部分關系概述電動驅動和液壓驅動式搬運機械手的組成及各部分關系概述機械手主要由執行系統、驅動系統、控制檢測系統及智能系統幾部分組成：(1) 執行系統：執行系統是機械手完成鋅錠堆碼，實現各種運動所必需的機械部件，它包括手部、機身、機架等。 手部：機械手為了進行作業而配置的操作機構，又稱手爪或抓取機構，它直接抓取鋅錠。機身：機械手的基礎部

27、分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、位移。機架：機身的支撐部件，其作用是使機身按其預定軌道實現 Y 方向的位移。(2) 驅動系統：為執行系統各部件提供動力，并驅動其運動的裝置。用的有液壓傳動和電傳動。(3) 控制系統：通過對驅動系統的控制，使執行系統按照規定的要求進行工作，當發生錯誤或故障時發出報警信號。(4) 檢測系統：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統，與設定進行比較，以保證運動符合要求。2.2 液壓式搬運機械手方案設計液壓式搬運機械手方案設計2.2.12.2.1 設計要求設計要求通過設計機械手，培養綜合運用所學過的基本理論、

28、基本知識和基本方法分析能力和解決問題的能力。9該機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動的操作空間，手臂在水平方向的移動行程為，手臂回轉運動行程范圍為 360，腰部機構升降行mm130程為。抓取工件為圓柱形軸，外形尺寸為直徑，長度mm150mmd25。該機械手在 PLC 控制下可實現單步、連續動作兩種工作方式。mmh102.2.22.2.2 總體方案擬定總體方案擬定 根據設計要求確定總體方案：機械手采用圓柱坐標型，具有 4 個自由度的液壓搬運機械手驅動系統：液壓傳動伺服驅動控制系統：PLC 控制與其他類型的機械手相比，液壓和電機驅動混合式機械手具有反應迅速、抓取力量大、易于控制、定位精度高等

29、特點，它綜合了單獨液壓驅動和電機驅動的不足，把兩者的有點融合在一起。本課題擬設計一套 4 自由度液壓搬運機械手，該機械手是應用于某企業的裝配生產線的搬運機械手。本設計中的四由度圓柱坐標型工業機器人的有關技術參數見表 2-1表表 2-12-1 技術參數表機械手類型四由度圓柱坐標型抓取重量30Kg自由度4（1 回轉 3 個移動）機座內部回轉運動，回轉角 0-360，伺服電機驅動腰部機構伸縮運動，升降范圍 150mm，液壓缸驅動圖 2-1 機械手整體構造圖10手臂機構伸縮運動，手臂 1 伸縮范圍 120mm，手臂 2 伸縮范圍 70mm 液壓缸驅動具體運動可見仿真視頻。2.3 機械手的系統工作原理及

30、組成機械手的系統工作原理及組成機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示。 圖1-1機械手的系統工作原理框圖機械手的工作原理：機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現執行機構的相應部位發生規定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。位置檢測裝置隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.控制系統控制系統（PLCPL

31、C）驅動系統驅動系統（伺服驅動和液壓傳動）（伺服驅動和液壓傳動）執行機構執行機構位置檢測裝置位置檢測裝置手部手部手腕手腕手臂手臂立柱立柱11(一)執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件

32、。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、液壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。4、立柱立

33、柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的。它由動力裝置、調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 液壓傳動、機械傳動。(三)控制系統控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統，它支配著機械手

34、按規定的程序運動，并記憶人12們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.2.3.12.3.1 機械手腰座結構的設計要求機械手腰座結構的設計要求 工業機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節型機器人的回轉基座。它是機器人的第一個回轉關節，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承

35、受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則：1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩定性。2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。4.腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。5.腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯結要有可靠的定位基準面，以保證各關

36、節的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。2.3.22.3.2 設計具體采用方案設計具體采用方案腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統及其輔助元件。考慮到腰座是13機器人的第一個回轉關節，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉

37、速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100） ，同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖 2-3 所示：圖圖 2-3 腰座結構圖腰座結構圖2.4 機械手手臂的結構設計機械手手臂的結構設計2.4.12.4.1 機械手手臂的設計要求機械手手臂的設計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現在機器人所要求的工作空間內的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則；1.1.應盡可能使機器人手

38、臂各關節軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。2.2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態要求，如果對機器人手腕的姿態提出具體的要求，則其手臂末端可實現的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態的工作空間。3.3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外

39、，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗14振性好，比重小（其比重相當于鋼的 1/4，相當于鋁合金的 2/3） ，但是，其價格昂貴，且在性能穩定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。4.4.機器人各關節的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。5.5.機器人的手臂相對其關節回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利

40、的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。6.6.機器人手臂在結構上要考慮各關節的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。2.4.22.4.2 設計具體采用方案設計具體采用方案 機械手的垂直手臂升降和水平手臂的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現。考慮到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達 30KG，屬中型重量，同時考慮到機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。

41、綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，不用再設計另外的執行件了；而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。因為液壓系統能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現的，關鍵是機械手運動的穩定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下） ，再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形

42、式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。圖形如下:152.5.12.5.1 機器人手腕結構的設計要求機器人手腕結構的設計要求1.機器人手腕的自由度數，應根據作業需要來設計。機器人手腕自由度數目愈多，各關節的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業要求來確定。在滿足作業要求的前提下，應使自由度數盡可能的少。一般的機器

43、人手腕的自由度數為 2 至 3 個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現作業要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。3.機器人手腕要與末端執行器相聯，因此，要有標準的聯接法蘭，結構上要便于裝卸末端執行器。4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.

44、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。6.手腕各關節軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。2.5.22.5.2 設計具體采用方案設計具體采用方案16 通過對機械手工作場合和工作需求的具體分析，在滿足系統工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業要求的，4 個自由度來實現材料的搬運完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯結梁）結構見圖 2-4。圖圖 2-4 手爪聯結結構手爪聯結結構2.6.12.6.1 機械手末端執行器的設計要求機械手末端執行器的設計要求機器人末端執行器是安裝在機

45、器人手腕上用來進行某種操作或作業的附加裝置。機器人末端執行器的種類很多，以適應機器人的不同作業及操作要求。末端執行器可分為搬運用、加工用和測量用等。搬運用末端執行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。加工用末端執行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業。測量用末端執行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業。在設計機器人末端執行器時，應注意以下問題；1.1.機器人末端執行器是根據機器人作業要求來設計的。一個新的末端執行器的出現，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據作業的需要和人們的想象力而創造的新的機器人末端執行器，將

46、不斷的擴大機器人的應用領域。2.2.機器人末端執行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執行器體積小、重量輕、結構緊湊。3.3.機器人末端執行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執行器在結構上很復雜，甚至很難實現，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執行器。從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機器人末端執行器，加之以末端執行器的快速更換裝置，以實現機器人多種作業功能，而不主張用一17個萬能的末端執行器去完成多種作業。因為這種萬能的執行器的結構復雜且造價昂貴。4.4.通用性

47、和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭） ，使末端執行器實現標準化和積木化。5.5.機器人末端執行器要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執行機構。因此，工業機器人執行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環節） 。2.6.22.6.2 設計具體采用方案設計具體采用方案結合具體的工作情況，本設計采用 3 爪式定位抓起的手爪。通過液壓驅動張開或縮收手爪。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為 25mm 來設計

48、。手爪的具體結構形式如圖-5 所示： 圖圖 2-5機械手末端執行手爪結構圖機械手末端執行手爪結構圖2.7.12.7.1 機器人電動驅動系統伺服驅動器機器人電動驅動系統伺服驅動器（1）步進電機驅動器步進電機的控制裝置主要包括脈沖發生器，環行分配器和功率放大器等幾部分組成。 脈沖發生器可以按照起、制動及調速要求改變頻率、以控制步進電機。環行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環節。它的作用是把脈沖發生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環規律依次分配給各繞組，以使步進電機按著一定的規律運動。功率放大器的作用是將環行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅動步進電機。目前功率放大器多采用高低

49、壓驅動電路。這種電路有高、低壓二18組電源。當繞組剛通電瞬間讓繞組接通高電壓，從而使各相電流迅速建立。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現。2.7.22.7.2 設計具體采用方案設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅動來實現；因為采用液壓執行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅動；同時考慮隨著機床加工的工件的不同，水平手臂伸出長度是不同的。因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活

50、塞來實現。第三章第三章 尺寸設計與校核尺寸設計與校核3.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設計與校核手臂伸縮液壓缸的尺寸設計與校核3.1.13.1.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設計手臂伸縮液壓缸的尺寸設計 1. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內徑=60mm,半徑R=32mm的液壓缸的尺寸1D滿足使用要求即可,設計使用壓強,MPaP4 . 0 則驅動力： 2RPF )(1286032. 014. 3104 . 026N2測定手腕質量為50kg,設計加速度，則慣性力：)/(10sma maF 1 )(5001050N3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數,2 . 0k1.FkFm )(1005002 . 0N19

51、總受力mFFF10 )(600100500N FF 0 所以標準CTA液壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。3.1.23.1.2 導向裝置導向裝置液壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。3.1.33.1.3 平衡裝置平衡裝置在本設

52、計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮液壓缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和液壓缸的運行參數視具體情況加以調節，務求使兩端盡量接近平衡。3.2 手臂升降液壓缸的尺寸設計與校核手臂升降液壓缸的尺寸設計與校核3.2.13.2.1 尺寸設計尺寸設計液壓缸運行長度設計為 =150mm,液壓缸內徑為=80mm,半徑R=50mm,液壓l1D缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力：t20. RpG 2605. 014. 3104 . 0 )(3140 N3.2.2 尺寸校核1測定手腕質量為10

53、0kg,則重力：mgG 20 )(100010100N2設計加速度，則慣性力：)/(10sma maG 1 )(100010100N3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數，1 . 0k1.GkGm )(10010001 . 0N 總受力mqGGGG1 )(220010010001000N 0GGq 所以設計尺寸符合實際使用要求。3.33.3 腰部傳動負載作回轉運動的設計與校核腰部傳動負載作回轉運動的設計與校核3.3.13.3.1 腰部電機傳動的設計和校核腰部電機傳動的設計和校核負載額定功率： （3-1）955010LNTP負載加速功率： （3-2）aLLatNGDP322103577負載力矩（

54、折算到電機軸）： （3-3）lMLLTNNT負載 GD（折算到電機軸）： （3-4）222)(lMLLGDNNGD 起動時間： 21 （3-5）)(375)(22LPMLMaTTNGDGDt制動時間： （3-6）)(375)(22LPMLMdTTNGDGDt 式中，-為額定功率，KW；0P-為加速功率，KW；aP-為負載軸回轉速度，r/min；lN-為電機軸回轉速度，r/min；MN-為負載的速度，m/min；lV-為減速機效率；-為摩擦系數；-為負載轉矩（負載軸） ，；lTmN -為電機啟動最大轉矩，；pTmN -為負載轉矩（折算到電機軸上） ，；LTmN -為負載的，；2lGD2GD2mN

55、 -為負載（折算到電機軸上） ，；2LGD2GD2mN -為電機的，；2MGD2GD2mN 因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有； （3-7）RfGRFTfl式中，-為滾動軸承摩擦系數，取 0.005；f-為機械手本身與負載的重量之和，取 100；GKG-為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240；Rmm帶入數據，計算得 =0.12；lTmN 同時，腰部回轉速度定為=5r/min；傳動比定為 1/120；lN22且， 帶入數據得： =10.45667。2mgDGDllGD2mN 將其帶入上（3-24）（3-30）式，得： ；WP3227. 10；WP

56、a0068. 0啟動時間 ； mssta3002962. 0制動時間 ；mstd3折算到電機軸上的負載轉矩為：。0010523. 0LTmN 第四章第四章 機械手的機械手的 PLC 控制系統設計控制系統設計4.1 PLC 的工作原理的工作原理PLC有兩種基本的工作狀態，即運行狀態（RUN）與停止狀態（STOP）狀態。PLC在運行(RUN)工作模式時，反復不停地重復執行圖所示的5個階段的任務；在停止(STOP)工作模式時，只執行上面兩個階段任務。PLC這種周而復始的循環工作方式稱為掃描工作方式，或稱為掃描循環(Scan CYc1e)。 在內部處理階段，PLC完成硬件自檢測和將監控定時器復位等內部

57、工作。在通信服務階段，PLC處理與計算機、編程器和別的智能裝置的通信。響應通信命令，更新編程器的顯示內容。在PLC的存儲器中設置了一片區域，用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器(見圖2)。 PLC梯形圖中其他的編程元件也有對應的映像存儲區，它們統稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，PLC將外部輸入電路的接通斷開狀態讀入并輸入映像寄存器。外部輸入電路接通時，對應的輸入映像寄存器為1狀態，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開，反之亦反。在程序執行階段，即使外部輸入電路的狀態發生了變化，輸入映像寄存器的狀態也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態只

58、能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。 PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序地執行用戶程序，直到用戶程序結束。執行指令時，從元件映像寄存器中將有關編程元件的01狀態讀出來，并根據指令的要求執行相應的邏輯運算，最后的運算結果寫入到線圈或輸出類指令對23應的元件映像寄存器中(見圖6-1)。因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內容隨著程序的執行而變化。 在輸出處理階段，CPU將所有輸出映像寄存器的值送到輸出模塊。梯形圖中某一輸出繼電器的線圈 “通電”時，對應的輸出映像寄存器為1狀態，繼電器型輸出模塊中對應的硬件

59、繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作，反之亦反。PLC的梯形圖程序就是這樣通過輸入、輸出映象寄存器與外部輸入電路和外部負載聯系起來的。掃描過程 PLC 的外部接線圖與梯形圖 圖 4-1執行程序時，讀寫的是輸入輸出映象寄存器的值，而不是直接對實際的IO點進行操作，這樣做有以下好處： 1、程序執行階段的輸入值是固定的，程序執行完后再用輸出映象寄存器的值更新輸出點，使系統的運行穩定。 2、用戶程序讀寫IO映象寄存 器比讀寫IO點快得多，這樣可以提高程序的執行速度。 3、掃描工作方式具有較好的抗干擾能力，在一個掃描周期中， 輸入處理僅占極少部分時間，在大部分時間內，干擾信號不會被采集進

60、PLC。可編程控制器是專為工業控制而開發的裝置。PLC多采用下列適合其領域的編程語言表達式。各個廠家的編程語言(包括梯形圖、命令語句等)的表達形式雖不一致，但其原理大同小異。4.2 可編程序控制器的選擇及工作過程可編程序控制器的選擇及工作過程4.2.14.2.1 可編程序控制器的選擇可編程序控制器的選擇24目前，國際上生產可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器