1、摘 要通過對機械設計、制造及其自動化專業課程的學習, 總結 大學三年所學的知 識, 對 工業 機械手各部分機械結構和功能的論述和分析, 以及實際操作中的應用 情況, 設計了一種圓柱坐標形式的數控機床上下料機械手。 重點針對機械手的手 爪、手腕、手臂、腰座等各部分機械結構以及機械手控制系統(傳動系統、驅動 系統 進行了詳細的設計。 同時對其控制系統和液壓系統進行了理論分析和設計 計算 。 基于 PLC 對機械手的控制系統進行了深入細致的設計, 通過對機械手作業 的工藝過程和控制要求的分析, 設計了控制系統的硬件電路, 同時編制了機械手 的控制程序。設計達到了預期目標。關鍵詞:機械手; PLC ;

2、液壓伺服定位;電液系統目 錄第 1章 前言 . 1 1.1 選題背景 . 11.2 設計目的 . 11.3 發展 現狀和趨勢 . 1第 2章 機械手各部件的設計 . 32.1機械手的總體設計 . 32.2機械手手爪結構的設計 . 42.3機械手手腕結構的設計 . 72.4機械手手臂構的設計 . 82.5機械手腰座結構的設計 . 92.7機械手驅動系統的設計 . 122.8機械手手臂的平衡機構設計 . 12第 3章 理論分析和設計計算 . 143.1電機選型有關參數計算 . 143.2液壓傳動系統設計計算 . 18第 4章 機械手控制系統的設計 . 284.1系統硬件設計 . 284.2系統軟件

3、設計 . 33結論 . 51致謝 .52 參考文獻 . 53第一章 前言1.1選題背景由于工業自動化的全面發展和 科學 技術的不斷提高,對工作效率的提高迫在眉 睫。 單純的手工勞作以滿足不了工業自動化的要求, 因此, 必須利用先進設備生 產自動化機械以取代人的勞動, 滿足工業自動化的需求。 其中機械手是其發展過 程中的重要產物之一, 它不僅提高了勞動生產的效率, 還能代替人類完成高強度、 危險、 重復枯燥的工作, 減輕人類勞動強度, 可以說是一舉兩得。 在機械行業中, 機械手越來越廣泛的得到應用, 它可用于零部件的組裝, 加工工件的搬運、 裝卸, 特別是在自動化數控機床、 組合機床上使用更為普

4、遍。 目前, 機械手已發展成為 柔性制造系統 FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。 把機床設備和機械 手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元,可以節省龐大的工件輸送裝臵, 結構緊湊, 而且適應性很強。 但目前我國的工業機械手技術及其工程應用的水平 和國外比還有一定的距離, 應用規模和產業化水平低, 機械手的研究和開發直接 影響到我國機械行業自動化生產水平的提高, 從 經濟 上、 技術上考慮都是十分必 要的。因此,進行機械手的研究設計具有重要意義。1.2設計目的目前, 我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成, 其勞動強度 大、 生產效率低, 而且具有一定的危險性,

5、 已經滿足不了生產自動化的發展趨勢。 為了提高工作效率 , 降低成本 , 并使生產線發展成為柔性制造系統 , 適應 現代 機械 行業自動化生產的要求 , 針對具體生產工藝 , 結合機床的實際結構, 利用機械手技 術, 設計用一臺上下料機械手代替人工工作, 以提高勞動生產率。 本機械手主要 與數控機床組合最終形成生產線,實現加工過程的自動化和無人化。1.3發展現狀和趨勢目前,國內外各種機械手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:一.機械結構向模塊化、可重構化發展。二.工業機械手控制系統向基于 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,結構小巧,

6、且采用模塊化結構;大大提高了系統的可 靠性、易操作性,而且維修方便。三.機械手中的傳感器作用日益重要,除采用傳統的位臵、速度、加速度等傳感 器外,還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器,使其向智能化方向發展。四. 關節式、 側噴式、 頂噴式、 龍門式噴涂機械手產品標準化、 通用化、 模塊化、 系列化設計; 柔性仿形噴涂機械手開發, 柔性仿形復合機構開發, 仿形伺服軸軌 跡規劃研究,控制系統開發;五.焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、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:其一是機械手的智能化,多傳感器、多控制器, 先進的控制算法,復

7、雜的機電控制系統;其二是與生產加工相聯系,性價比高, 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。第二章機械手各部件的設計2.1機械手的總體設計工業機械手的結構形式主要有四種:直角坐標結構, 圓柱坐標結構, 球坐標結構 和關節型結構。各結構形式及其相應的特點,分別介紹如下:1. 直角坐標機械手結構特點直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的,如圖2-1.a 。由于直線運動易于實現全閉環的位臵控制,因此,其運動位臵精度高, 但此種類型機械手的運動空間相對較小, 如要達到較大運動空間, 則要求機械手 的尺寸足夠大。 直角

8、坐標機械手的工作空間為一空間長方體, 主要用于裝配作業 及搬運作業。直角坐標機械手有懸臂式,龍門式,天車式三種結構。2. 圓柱坐標機械手結構特點圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的,如圖 2-1.b 。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單,精度相對 較高,常用于搬運作業。3. 球坐標機械手結構特點球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的,如圖 2-1.c 。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低,但 精度不很高,主要應用于搬運作業。4. 關節型機械手結構特點 2.2機械手手爪結構設計手爪是用來進行操作及作業的裝臵

9、,其種類很多,根據操作及作業方式的不同, 分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝臵,用來抓取或吸 附被搬運的物體;加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機械 手附加裝臵, 用來進行相應的加工作業; 測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附 加裝臵,用來進行測量及檢驗作業。機械手手爪設計有如下要求:1、機械手手爪是根據機械手作業要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪, 在滿足作業要求的前提下,機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。2、 機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。 萬能手爪在結構上很復雜, 甚至很 難實現,從工業實際應用出發,應著重開發各種專用的、高效率的機械手

10、手爪, 加之以快速更換裝臵, 以實現機械手的多種作業功能, 而不主張用一個萬能的手 爪去完成多種作業,以考慮設計的經濟效益。3、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪,可適用于不同的機械手,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。4、機械手手爪要便于安裝和維修,易于實現計算機控制。一般工業機械手手爪, 多為雙指手爪。 按手指的運動方式, 可分為回轉型和移動 型;按夾持方式來分,有外夾式和內撐式兩種。機械手夾持器(手爪的驅動方式主要有三種:1. 氣動驅動方式這種驅動系統是用電磁閥來控制手爪的運動方向, 用氣流調節閥來調節其運動速 度。 由于氣動驅動系統價格較低,

11、 所以氣動夾持器在工業中應用較為普遍。 另外, 由于氣體的可壓縮性, 使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性, 這一點是抓取 動作十分需要的。2. 電動驅動方式電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪,一般采用直流伺服電機或步進電機, 并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。 電動驅動方式可實現手爪的力與位臵控制。 但是, 這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下, 因為電機有可能產 生火花和發熱。3. 液壓驅動方式機械手手爪的典型結構有以下五種:1. 楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開,來實現抓取工件。2. 滑槽式手爪當活塞向前運動時,滑槽通過銷子推動手爪合并,產生夾緊動作和夾緊力, 當

12、活塞向后運動時, 手爪松開。 這種手爪開合行程較大, 適應抓取大小不同的物 體。3. 連桿杠桿式手爪在活塞的推力下,連桿和杠桿使手爪產生夾緊(放松運動,由于杠桿的力放大 作用,這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。4. 齒輪齒條式手爪通過活塞推動齒條,齒條帶動齒輪旋轉,產生手爪的夾緊與松開動作。5. 平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構,因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動, 且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。結合具體的工作情況, 本設計采用連桿杠桿式的手爪。 驅動活塞往復移動, 通過 活塞桿端部齒條, 中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。 手指的最小開度由加

13、工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。手爪的具體結構 形式如圖 2-3所示:2.3機械手手腕結構的設計機械手手腕是機械手操作機的最末端, 與手爪相連接, 它與機械手手臂配合, 使 手爪在空間運動,完成所需要的作業動作。1、 由于手腕安裝在機械手末端, 因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈, 結構緊湊。2、根據作業需要,設計機械手手腕的自由度。一般情況下,自由度數目愈多, 腕部的靈活性愈高, 對對作業的適應能力也愈強。 但自由度的增加, 必然使腕部 結構更復雜,控制更困難,成本也會相應增加。因此,手腕的自由度數,應根據 實際作業要求來確定。3、 為實現腕部的通用性, 要求有標準

14、的連接法蘭, 以便于和不同的機械手手爪 進行連接。4、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫,腕部結構要有足夠的強度和剛度。5、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。通過對數控機床上下料作業的具體分析, 考慮數控機床加工的具體形式及對機械 手上下料作業時的具體要求,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, 3個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具 體的手腕(手臂手爪聯結梁結構見圖 2-4。 2.4機械手手臂結構的設計機械手的手臂在工作時, 要承受一定的載荷, 且其運

15、動本身具有一定的速度, 因 此,機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求:1、 工作空間的形狀和大小與機械手手臂的長度, 手臂關節的轉動范圍有密切的 關系,因此手臂尺寸設計應合理,一般滿足其工作空間即可。2、 為了提高機械手的運動速度與控制精度, 應在保證機械手手臂有足夠強度和 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。3、 應盡可能使機械手手臂各關節軸相互平行; 相互垂直的軸應盡可能相交于一 點,這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化,有利于機械手的控制。4、機械手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。5、 為提高機械手手臂運動的響應速度、 減小電機負載, 機械手

16、的手臂相對其關 節回轉軸應盡可能在重量上平衡。由于機械手手臂運動為直線運動, 且考慮到搬運工件的重量較大 (質量達 30KG , 以及機械手的動態性能及運動的穩定性, 安全性和較高的剛度要求, 因此選擇液 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, 因此不用再額外設計執行件; 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。由于液壓系統能提供很大的驅動力, 因此驅動力和結構的強度都較容易實現, 其 關鍵在于機械手運動的穩定性和剛度的設計。 因此手臂液壓缸的設計原則是液壓 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

17、體工作的要求, 機械手的手臂的結構不能太大, 若僅僅通過 增大液壓缸的直徑來增大剛度, 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 形式,盡量增加其剛度;大臂增設了四個導桿,成正四邊形布臵,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。2.5機械手腰座結構的設計機械手的腰座,就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節,承 受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時,有以下設計要求:1、 由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷

18、, 因此, 機械手腰座的結構要有足 夠大的強度和剛度, 以保證其承載能力, 且腰座是機械手的第一個回轉關節, 它 對機械手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。2、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要 安裝在足夠大的基面,以保證機械手在工作時整體安裝的穩定性。3、 腰部的回轉運動要有相應的驅動裝臵, 它包括驅動器及減速器。 驅動裝臵一 般都帶有速度與位臵傳感器,以及制動器。4、 為了減輕機械手運動部分的慣量, 提高控制精度, 要求回轉運動部分由比重 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。腰座回轉的

19、驅動形式主要有兩種, 一是電機通過減速機構來實現, 二是通過擺動 液壓缸或液壓馬達來實現。 考慮到腰座是機械手的第一個回轉關節, 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。 因為電動方式控制的 精度高, 結構緊湊, 不用額外設計液壓系統及其輔助元件。 由于電機都不能直接 驅動, 并考慮到轉速以及扭矩的具體要求, 故采用大傳動比的齒輪傳動系統進行 減速和扭矩的放大。 由于齒輪傳動存在著齒側間隙, 影響傳動精度, 故僅采用一 級齒輪傳動,采用大的傳動比(大于 100,同時為了減小傳動誤差,齒輪采用 高強度、高硬度的材料,高精度加工制造。腰座具體結構如圖 2-5所示: 2.6機

20、械手的機械傳動機構設計由于傳動部件直接影響著機械手的精度、 穩定性和快速響應能力, 因此, 在設計 機械手的傳動機構時要注意以下問題:1、機械手的傳動機構要力求結構緊湊,重量輕,體積小,以提高機械手的運動 速度及控制精度。 并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構, 以減小反向空回所 造成的運動誤差。2、 盡量減少系統運動部件的靜摩擦力, 而正摩擦力為盡可能小的正斜率, 以消 除爬行現象,增加系統壽命。3、盡量縮短傳動鏈,提高傳動與支承剛度。4、 選用最佳傳動比, 以達到提高系統分辨率、 減少等效到執行元件輸出軸上的 等效轉動慣量,盡可能提高加速能力。5、適當的阻尼比。阻尼比越大,零件產生振動時最

21、大振幅越小,衰減越快。但 大的阻尼會使系統誤差增大,精度降低。故應采取合適的阻尼比。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。 1. 螺旋傳動它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。 有傳遞 能量為主的,如螺旋壓力機、千斤頂等;有以傳遞運動為主的,如機床工作臺的 進給絲杠。2. 齒輪傳動在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪, 圓錐齒輪, 諧波齒輪, 擺線針輪及 蝸輪蝸桿傳動等。齒輪傳動部件是轉矩、 轉速和轉向的變換器, 用于伺服系統的齒輪減速器是一個 力矩變換器。 齒輪傳動時, 齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配, 應滿足驅 動部件與負載之間

22、的位移及轉矩、 轉速的匹配要求, 其輸入電動機為高轉速, 低 轉矩,而輸出則為低轉速,高轉矩,且系統要有足夠的剛度。同時,為保證在同 一驅動功率時,其加速度響應最大,還要求其轉動慣量盡量小。為使系統穩定, 不產生傳動死區, 要盡量采用齒側間隙小, 精度高的齒輪, 并采用調整齒側間隙 的方法來消除或減小嚙合間隙,從而提高傳動精度和系統的穩定性,降低成本。3. 鏈傳動在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上, 為了減輕機械手末端的重量, 一般都將腕關 節驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節處。由于電機距離被傳動的腕關節較遠, 故采用精密套筒滾子鏈來傳動。4. 同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優點的

23、一種新型傳動。 為保證帶和帶輪 作無滑動的同步傳動, 在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形 的高強力材料制成嚙合齒, 通過齒間嚙合進行傳動。 其特點是傳動比準確、 傳動 效率高(可達 98%、節能效果好;能吸振、噪聲低、不需要潤滑;傳動平穩, 能高速傳動(可達 40m/s、傳動比可達 10,結構緊湊、維護方便等優點,故在 機械手中使用很多。因為選用了液壓缸作為機械手的手臂, 它既是關節結構, 又是動力單元, 因此不 需要中間傳動機構, 既簡化了結構, 又提高了精度。 而其腰座的回轉采用步進電 動機驅動, 而電動機不能作為直接驅動元件, 因此為取得較大的轉矩, 經分析比 較, 選擇

24、圓柱齒輪傳動。 為了保證比較高的精度, 盡量減小因齒輪傳動造成的誤差;同時大大增大扭矩,以較大的降低電機轉速,使機械手的運動平穩,動態性 能好。這里只采用一級齒輪傳動,采用大的傳動比(大于 100,齒輪采用高強 度、高硬度的材料,高精度加工制造。2.7機械手驅動系統設計工業 常用驅動系統, 按動力源分為液壓、 氣動和電動三大類。 根據需要也可將這 三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的主要特點如下。1. 液壓驅動系統具有動力大、力(或力矩與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、精度 高等特點。 適合于在承載能力大, 慣量大以及在防火防爆的環境中工作的機械手。2. 氣動驅動系

25、統具有速度快,系統結構簡單,維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機 械手中采用。但是因難于實現伺服控制,多用于程序控制的機械手中。3. 電動驅動系統具有使用方便,噪聲較低,控制靈活等特點。這類驅動系統不需要能量轉換,但 大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。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, 因此采用步進電動機來實現。 由于手臂采用液壓缸, 故用液壓 驅動。隨著機床加工的工件的不同,手臂伸出長度不同,要求手臂具有伺服定位能力, 故采用電液伺服液壓缸進行驅動。 而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中 間齒輪和扇形齒輪配合來實現,即手

26、爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒 條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。2.8 機械手手臂的平衡機構設計直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局,優化設計結構, 使得手臂本身可能達到平衡。 關節機械手手臂一般都需要平衡裝臵, 以減小驅動 器的負荷,同時縮短啟動時間。1. 配重平衡機構這種平衡裝臵結構簡單,平衡效果好,易于調整,工作可靠,但增加了機械手手 臂的慣量與關節軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。2. 彈簧平衡機構彈簧平衡機構,機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修,因此應用 廣泛。3. 活塞推桿平衡機構活塞式平衡系統分為兩種

27、, 一是液壓平衡系統, 二是氣動平衡系統。 其中液壓平 衡系統平衡力大,體積小,有一定的阻尼作用;而氣動平衡系統,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門的液壓或氣動裝臵,系統復雜,因此造價高,設計、 安裝和調試都增加了難度, 但是平衡效果好。 用于配重平衡、 彈簧平衡滿足不了 工作要求的場合。因為本機械手采用圓柱坐標型的結構, 而且在手臂的結構設計以及整個機械手的 設計和布局中都重點考慮了機械手手臂的平衡問題, 通過合理布局, 優化設計結 構,使得手臂本身盡可能達到平衡。若實際工作中平衡結果不滿足,則設臵彈簧平衡機構進行平衡。第 3章 理論分析和設計 計算3.1電機選型有

28、關參數計算1. 若傳動負載作直線運動(通過滾珠絲杠則有 具體到本設計, 因為步進電機是驅動腰部的回轉, 傳遞運動形式屬于第二種。 下 面進行具體的計算。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;根據以上 計算 結果, 并綜合考慮各方面因素, 決定選擇北京和利時電機技術有限 公司(原北京四通電機公司的步進電機,具體型號為:110BYG550B-SAKRMA-0301或 110BYG550B-SAKRMT-0301或 110BYG550B-BAKR MT-0301,該步進電機高轉矩,低振動,綜合性能很好,各項參數如表 3-2。 其中 110BYG550B-

29、SAKRMA-0301型步進電機矩頻特性曲線和相關技術參數。 如圖 3-3所示驅動方式為升頻升壓 ,步距角為 0.36°。同時因為腰部齒輪傳動比為 1:120, 步進電機經過減速后傳遞到回轉軸, 回轉軸實際的步距角將為電機實際步距角的 1/120(理論上,雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差,實際回轉軸 的最小步距角也仍然是很小的, 故其精度相當高, 完全滿足機械手的定位精度要 求。 3.2液壓傳動系統設計計算液壓執行元件大體分為液壓缸和液壓馬達, 液壓缸實現直線運動, 液壓馬達實現 回轉運動。二者的特點及適用場合見表 3-1: 表 3 1因為機械手設計為圓柱坐標形式, 且具有

30、3個自由度, 一個為腰座的轉動, 兩個 為手臂的移動自由度。 同時考慮機械手的工作環境和載荷對其布局和定位精度的 要求, 以及計算機的控制的因素, 腰部的回轉用電機驅動實現, 機械手的水平手 臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸,來實現直線往復運動。液壓執行元件確定后,其運動速度和運動方向的控制是液壓回路的核心問題。速度控制通過改變液壓執行元件輸入或輸出的流量或者利用密封空間的容積變 化來實現。 相應的調速方式有節流調速、 容積調速以及二者結合的容積節流調速; 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現。對于一般中小流量的液壓系統,通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。 對高壓大流量的系統,多采用

31、插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現。本設計的速度的控制主要采用節流調速, 利用用比較簡單的節流閥來實現, 而方 向控制采用電磁換向閥來實現。液壓系統的工作介質完全由液壓源來提供, 液壓源的核心是液壓泵。 節流調速系 統一般用定量泵供油, 在無其他輔助油源的情況下, 液壓泵的供油量要大于系統 的需油量, 多余的油經溢流閥流回油箱, 溢流閥同時起到控制并穩定油源壓力的 作用。容積調速系統多用變量泵供油,用安全閥來限定系統的最高壓力。油液的凈化裝臵是液壓源中不可缺的元件。 一般泵的入口要裝粗濾油器, 進入系 統的油液根據要求,通過精濾油器再次過濾。為防止系統中雜質流回油箱, 可在回油路上設臵磁過濾器

32、。 根據液壓設備所處的 環境及對溫升的要求,還要考慮加熱、冷卻等措施。本設計的液壓系統采用定量泵供油,由溢流閥 V1來調定系統壓力。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濾器, 而在油 泵的出口安裝精過濾器對循環的液壓油進行凈化。它擁有垂直手臂的上升、下降,水平手臂的前伸、后縮,以及執行手爪的 夾緊、張開三個執行機構。其中,泵由三相交流異步電動機 M 拖動;系統壓力由溢流閥 V1調定; 1DT 的得失電決定了動力源的投入與摘除。考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開,系統采用了節流效果不等的兩 個單向節流閥。當 5DT 得電時,工作液體經由節流閥 V5進入柱塞

33、缸,實現手爪 的輕緩抓緊; 當 6DT 失電時, 工作液體進入柱塞缸中, 實現手爪迅速松開。 另外, 由于機械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致, 下降時有 使運動速度加快的趨勢,為使運動過程的平穩,同時盡量減小沖擊、振動,保證系統的安全性,采用V2構成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背壓, 以平衡重力負載。液壓系統的主要參數是壓力和流量,他們是設計液壓系統,選擇液壓元件的 主要依據。 壓力決定于外載荷, 流量取決于液壓執行元件的運動速度和結構尺寸。 1. 計算液壓缸的總機械載荷 3. 液壓缸主要參數的確定考慮到機械手的特點, 系統的剛度及其穩定性是很重要的。 因此,

34、先從剛度角度 進行液壓缸缸徑的選擇,以盡量優先保證機械手的結構和運動的穩定性和安全 性。 至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度, 放在液壓系統設計階段, 通過外部 的液壓回路、 采用合適的調速回路和元件來實現。 經過仔細分析, 綜合考慮各方 面的因素,初步確定各液壓缸的基本參數如下; 因為伸縮缸的作用主要是實現直線運動,在其軸向上并不承受顯性的工作載 荷(因為手爪夾持工件,受力方向為垂直方向,軸向主要是克服摩擦力矩,其 所受的載荷主要是徑向載荷, 載荷性質為彎矩, 使其產生彎曲變形。 而且因為機 械手要求具有一定的柔性, 水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。 同時 具有比較大的彎矩和比較長

35、的行程,這對液壓缸的穩定性和剛度有較高的要求。因此, 在水平伸縮缸的設計上, 一是增大其抗彎能力, 二是通過合理的結構布局 設計,使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的,設計中采用了兩個導向桿, 以滿足長行程活塞桿的穩定性和導向問題。 另一方面, 為增大結構的剛度和穩定 性, 將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式, 以增大抗彎截面模量, 也大大增加了液壓缸的工作剛度。 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的 軸向載荷,又存在著比較大的傾覆力矩(由加工工件的重力引起的。作為液壓 執行元件, 滿足此處的驅動力要求是輕而易舉的, 要解決的關鍵問題仍然是它的 結構設計能否有足夠的剛度來抗傾

36、覆。 這里同樣采用了導向桿機構, 圍繞垂直升 降缸設臵四根導桿,較好的解決了這一問題。4. 液壓缸強度的較核(1活塞桿直徑的較核1. 控制元件的選擇 根據系統最高工作壓力和通過該閥的最大流量,在標準元件的產品樣本中選取各 控制元件。2. 液壓泵的計算 機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。1. 手動操作:就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。 當選擇升/降 按鈕時,按下啟動按鈕,機械手上升;按下停止按鈕時,機械手上升。當選擇正 轉 /逆轉按鈕時,按下啟動按鈕,機械手順時針轉動,而按下停止按鈕時,機械 手逆時針轉動。同理,當選擇夾緊 /放松按鈕時,按下啟動按鈕,機械手爪夾緊, 而按

37、下停止按鈕時,手爪松開。2. 自動操作:機械手從原點開始,按下啟動按鈕,機械手的動作將自動的、連續 的周期性循環。在工作中若按下停止按鈕,機械手將繼續完成一個周期動作后, 回到原點位臵。機械手的動作有腰座的旋轉, 垂直手臂的升降, 水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與 松開。 手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動; 手爪的夾緊與放松, 通過柱塞 缸與齒輪來實現; 腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。 其中, 液壓缸由相應 的電磁閥控制, 升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制, 當下降電磁閥通電時, 機 械手下降;斷電時,機械手下降停止;當上升電磁閥通電時,機械手上升;斷電 時,機械手上升停止。而水平方向的

38、伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應 式位移傳感器構成的回路進行調節控制。 實現執行手爪夾緊與放松的柱塞缸, 由 單線圈的電磁閥(夾緊電磁閥來控制,當線圈不通電時,柱塞缸不工作,當線 圈通電時,柱塞缸工作沖程,手爪張開,柱塞缸工作回程,手爪閉合。當機械手 旋轉到機床上方, 并準備下降進行上下料工作時, 為了確保安全, 必須在機床停 止工作并發出上下料命令時, 才允許機械手下降進行作業。 同時, 從工件料架上 抓取工件時,也要先判斷料架上有無工件可取。機械手工作流程如圖 4-1所示: 從原點開始,按下啟動鍵,且有上下料命令,則水平液壓缸開始前伸并進行 伺服定位,前伸到位后,停止前伸; 下降電磁

39、閥通電,同時手爪柱塞缸電磁 閥也通電,機械手下降,同時張開手爪,下降到位后碰到下限行程開關,下降電 磁閥斷電,下降停止,同時手爪夾緊,抓住工件; 上升電磁閥通電,機械手 開始上升,上升到位后,碰到上限位開關,上升電磁閥斷電,上升停止; PLC開始輸出高速脈沖,驅動機械手逆時針轉動,當轉過 90度到位后, PLC 停止輸 出脈沖,機械手停止轉動; 接著下降電磁閥通電,機械手下降,下降到位后, 碰到下限行程開關,下降電磁閥斷電,下降停止,機械手到達卡盤中心高度; 機械手開始水平定位后縮,將工件裝入機床卡盤; 當工件裝入到位后,卡盤 收緊; 機械手松開手爪,準備離開; 接著上升電磁閥通電,機械手開始

40、上 升,上升到位后,碰到上限位開關,上升電磁閥斷電,上升停止; PLC啟動 高速脈沖驅動機械手作順時針轉動,當轉過 90度到位后, PLC 停止輸出脈沖, 機械手停止轉動,機械手回到原點待命; 機床進行加工。當數控機床加工完一個工件時, 發送下料命令給機械手, 機械手接到命令后, PLC 馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動,當轉過 90度到位后, PLC 停止輸出脈沖, 機械手停止轉動; 下降電磁閥通電,同時手爪柱塞缸電磁閥也通電,機械手 下降且張開手爪, 下降到位后碰到下限行程開關, 下降電磁閥斷電, 下降停止且 手爪夾緊,夾緊已加工好的工件;機床卡盤松開; 機械手開始前伸,將工 件從機床上取

41、出,準備運走; 上升電磁閥通電,機械手開始上升,上升到位 后,碰到上限位開關,上升電磁閥斷電,上升停止; PLC輸出高速脈沖,驅 動機械手順時針轉動,當轉過 90度到位后, PLC 停止輸出脈沖,機械手停止轉 動; 下降電磁閥通電,機械手下降,下降到位后碰到下限行程開關,下降電 磁閥斷電,下降停止; 接著手爪柱塞缸電磁閥通電,手爪張開,放下工件準 備離開; 接著上升電磁閥通電,機械手開始上升,上升到位后,碰到上限位 開關,上升電磁閥斷電,上升停止同時手爪也閉合復原; 接著機械手水平手 臂開始后縮,準備回原點,當后縮到位時,后縮停止,機械手回到原點,一個上 下料過程結束; 機械手在原點等待命令,

42、準備下一個工作循環。機械手的每 次循環都從原點位臵開始動作。機械手控制系統的硬件設計上考慮到機械手工作的穩定性、 可靠性以及各種控制 元件連接的靈活性和方便性, 控制器應選擇有極高可靠性、 專門面向惡劣的 工業 環境設計開發的工業控制器 -PLC ,故選擇在國內應用較多的西門子 S7-200型 PLC 。具體型號為 SIMATIC S7-200 CPU224。該 PLC 集成 14,輸入 /10,輸出共 24個數字量 I/O點,可連接 7個擴展模塊, 最大擴展至 168路數字量 I/O點或 35路模擬量 I/O點,具有 16K 字節程序和數 據存儲空間。 6個獨立的 30kHz 高速計數器, 2路獨立的 20KHz 高速脈沖輸出, 具有 PID 控制器。 1個 RS485通訊 /編程口, 具有 PPI 通訊協議、 MPI 通訊協議和 詳細參見表 4-1、 4-2: 圖 4 1 PLC輸入元件地址分配明細表圖 4 2 PLC輸出元件地址分配明細表 4.2軟件設計機械手控制主程序