液压机械手毕业设计说明书---组合机床自动上下料液压.pdf

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1、 （XXXX 届）届）本科毕业设计（论文）资料本科毕业设计（论文）资料 题 目 名 称：组合机床自动上下料液压机械 题 目 名 称：组合机床自动上下料液压机械 手设计 手设计 学 院（部）：机械工程学院 学 院（部）：机械工程学院 专 业：机械设计制造及自动化 专 业：机械设计制造及自动化 学 生 姓 名：XXX 学 生 姓 名：XXX 班 级：机设 XXX 班 级：机设 XXX 学号 XXXXXXXXXXX 学号 XXXXXXXXXXX 指导教师姓名：XXX 指导教师姓名：XXX 职称 教授 职称 教授 职称 职称 最终评定成绩：最终评定成绩：XXXX 大学教务处大学教务处 Xxxx 届届

2、本科毕业设计（论文）资料本科毕业设计（论文）资料 第一部分 设计说明书第一部分 设计说明书（或毕业论文）（或毕业论文）（XXXX 届）届）本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）组合机床自动上下料液压机械手 学 院（部）：学 院（部）：机械工程学院 专 业：专 业：机械设计制造及自动化 学 生 姓 名：学 生 姓 名：XXX 班 级：班 级：机设 XXX 学号学号 XXXXXXXXXXX 指导教师姓名：XXX 指导教师姓名：XXX 职称 教授 职称 教授 职称 职称 最终评定成绩 最终评定成绩 20XX 年 X 月 XXXX 大学本科毕业设计（论文）I组合机床自动上料液压机械手设计 摘要 组合

3、机床自动上料液压机械手设计 摘要 随着工业的发展，各种自动化技术的应用也更加广泛，机械手是自动化生产中不可或缺的设备，他在工业中的应用越来越多。在自动化生产线上自动上下料机械手就是其中不能缺少的设备。为自动生产线上的组合机床设计了一台能够自动上下料的机械手。采用液压控制系统以及圆柱形式的坐标机构，并通过PLC控制其整个动作过程。它的工作周期只有12s，属于高频工作机械手，在手臂伸缩和立柱升降的机构中均采用了导向杆导向和花键轴导向，以此来保证机械手的运动精度；用定位块来保证机械手的定位精度。本文主要叙述了机械手的设计计算过程。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整

4、体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了自动上下料液压机械手的设计理论与方法。简略的讨论了自动上下料机械手的自动控制系统、液压系统、手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词：机械手；自动控制；PLC；液压传动；液压缸 XXXX 大学本科毕业设计（论文）II COMBNATION MACHINE TOOLS AUTOMICS FEEDING HYDRAULIC DESIGN THE ROBOT ABSTRACT ABSTRACT With the development of industry,the application of automation

5、 technology and more widely,manipulator is an indispensable equipment in the production of automation,he has more and more application in industry.In automatic production line autotransmitting manipulator is one of the indispensable equipment.Automatic production line for the combination machine too

6、ls designed an automatic up-down material to the manipulator.Adopts hydraulic control system and the form of cylindrical coordinate institution,and through the whole process of PLC control movement.Its working cycle,belong to high frequency 12s only work in the arm manipulator,the organization and e

7、xpansion and the pillar of the guide stem guide by spline and orientation,so as to ensure the accuracy;sports manipulator Use orientation block to ensure accuracy of manipulator.This paper describes the design and calculation of the manipulator.The first，The paper introduces the function,composing a

8、nd classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.Article introduces autotransmitting hydraulic design theory and method of the manipulator.Briefly discussed autotrans

9、mitting manipulator automatic control systems,hydraulic system,hand and wrist,arm and the fuselage of the main parts of structure design,etc.Keywords:manipulator;automatic control；PLC;hydraulic power transmission；hydraulic cylinder XXXX 大学本科毕业设计（论文）III目录 第1章 绪论2 1.1 前言2 1.2 工业机械手简史2 1.3 工业机械手在生产中的应用

10、4 1.4 机械手的组成5 1.5 工业机械手发展趋势6 1.6 本文主要研究内容7 1.7 本章小结8 第2章 机械手总体方案设计9 2.1 机械手基本形式的选择9 2.2 方案设计9 2.3 机械手运动分析11 2.4 本章小结12 第3章 机械手的控制系统设计13 3.1 机械手电气控制系统的概述13 3.2 机械手电气控制程序13 3.3 机械手电气控制系统图14 3.4 本章小结17 第4章 机械手液压系统设计18 3.1 机械手工作原理分析18 3.2 液压系统工作原理图设计18 XXXX 大学本科毕业设计（论文）IV4.3 各液压缸载荷力分析20 4.4 本章小结21 第 5 章

11、 机械手手部的设计计算22 5.1 手部设计基本要求22 5.2 典型的手部结构22 5.3 机械手手爪的设计计算22 5.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置22 5.3.2 手爪的力学分析23 5.3.3 夹紧力及驱动力的计算24 5.3.4 手爪夹持范围计算25 5.4 机械手手爪夹持精度的分析计算26 5.5 机械手手爪夹紧液压缸的尺寸参数确定27 5.6 本章小结28 第 6 章 腕部的设计计算29 6.1 腕部设计基本要求29 6.2 腕部的结构及选择29 6.3 腕部的设计计算30 6.3.1 腕部设计考虑的参数30 6.3.2 腕部的驱动力矩计算30 6.3.3 腕部驱动力的计算3

12、1 6.3.4 液压缸盖螺钉选用计算32 6.3.5 东片和输出轴间的连接螺钉33 6.4 本章小结34 第 7 章 臂部的设计及有关计算35 XXXX 大学本科毕业设计（论文）V7.1 臂部设计的基本要求35 7.2 手臂的典型机构及结构的选择36 7.3 手臂直线运动的驱动力计算36 7.4 液压缸工作压力和结构的确定38 7.5 液压缸尺寸参数的确定40 7.6 本章小结41 第 8 章 机身的设计计算42 8.1 机身的整体设计42 8.2 计身回转机构的设计计算43 8.3 机身升降机构的设计计算47 8.3.1 手臂偏重力矩的计算47 8.3.2 升降不自锁条件的分析计算48 8.

13、3.3 升降液压缸驱动力的计算48 8.4 液压缸工作压力和结构的确定49 8.5 轴承的选择分析51 8.6 本章小结51 结论 52 致谢 53 参考文献54 XXXX 大学本科毕业设计(论文)1 主要符号表主要符号表 NF 手指夹紧力 N M 转动缸的回转力矩 N m 偏重力臂 mm M偏 偏重力矩 N m t 螺钉间距 mm 0QF 螺钉承受的拉力 N QF 工作载荷 N sQF 预紧力 N 启 转动缸起动角 度 转动缸转动角速度 rads XXXX 大学本科毕业设计（论文）2 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 前言 用于再现人手的的功能的技术装置称为 1机械手。机械手是模仿

14、着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应 用的机械手被称为 2工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手

15、作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果，受到机械工业的 3重视。机械手是一种能自动控制并可从新编

16、程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通 用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 4产品。XXXX 大学本科毕业设计（论文）3 机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公

17、司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也

18、是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于1 毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500 小时，精度可提高到0.1 毫米。德国机器制造业是从1970 年开始应用

19、机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KuKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB 公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50 多个。1976 年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用 42%。1979年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 19

20、78 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比1978 年增长50%。智能机械手约为17 亿日元，为1978 年的6 倍。截止1979 年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感 XXXX 大学本科毕业设计（论文）4 觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（

21、机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3 工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛 5广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来

22、越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面

23、具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2 实现单机自动化方面 各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的

24、曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自 XXXX 大学本科毕业设计（论文）5 动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的 Y38 滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机

25、械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t 和40t 多工位冲床机械手等。1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 模锻方面，国内大批量生产的 3t、5t、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.4 机械手的组成 工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 6组成。1.4.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需

26、要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为

27、回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。XXXX 大学本科毕业设计（论文）6 （3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂

28、部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.4.2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、可获得较大的输出功率、液体不可压缩，压力、流量易于控制，反应灵敏、控位精确等优秀特点。1.4.3 控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。

29、大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5 工业机械手的发展趋势(1)工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)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;国外已有模块化装 配机器人产品问市。(3)工业机械手控制系统向基于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

30、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。(4)机械手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，XXXX 大学本科毕业设计（论文）7 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环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，

31、即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近

32、30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，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，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设

33、计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之 710?中

34、。1.6 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了组合机床自动上料液压机械手的运动机理。在此基础上，确定了组合机床自动上料液压机械手 XXXX 大学本科毕业设计（论文）8 的基本系统结构，对组合机床自动上料液压机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了自动上下料机械手的控制系统、液压系统和机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。1.7 本章小结 本章简要的介绍了机械手的基本概念、发展历程及应用领域。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文

35、研究的内容。XXXX 大学本科毕业设计（论文）9 第 2 章 机械手的总体方案设计 第 2 章 机械手的总体方案设计 2.1 机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标 11型。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带B上的物品搬运到传送带A。图2.1 机械手基本形式示意 2.2、方案设计（1）、黑箱结构如图2.1 所示 图2.2 设计方案（2

36、）、机械手动作分析及运动分析如图2.3所示，工件首先被机械手夹持，然后再随之一起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）：大臂下降夹紧工件手腕上翻大臂 XXXX 大学本科毕业设计（论文）10 上升大臂回转手臂延伸放松工件手臂收回手腕下翻大臂回转大臂下降。图2.3 机械手运动图（3）、功能原理如图2.3所示 图2.4 机械手功能原理图（4）、方案设计 传动系统如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对于组合机床自动上下料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机械传动方案。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多,且由于空气的可压缩性，工作时容

37、易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂。综上所述，我们选择液压传动方式。控制系统本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。执行系统分析本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征（导卫轮、精密铸钢件），选择钳爪式手部结构。XXXX 大学本科毕业设计（论文）11 常见的工业机械手根据手臂的动作

38、形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:(1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标(极坐标)型机械手;(4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确定机械手采用液压传动方式，PLC控制，钳爪式手部结构，圆柱坐标形式。2.3、机械手的运动分析 机械手的动作循环（工件平放）：大臂下降300mm夹紧工件手腕回转90大臂上升300mm大臂回转90手臂延伸500mm放松工件手臂收缩500mm手腕反转90大臂回转90大臂下降300mm。本机械手的工作频率是5次/

39、min，即12s/次，也就是说，要在10s时间内完成上述工作循环图中的一次循环。若采用分步运动的话，那么上述平均每一个动作必须在1.25s 内完成，这样必定增加动作的难度和结构的复杂性。因此，我们在整个运动过程中都将采用协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。图2.5 机械手运动流程图 如图2.5所示，从t=0s时开始，机械手大臂下降，用时2s，大臂下降速度：150 mm/s；t=2s时，机械手做夹紧工件运动；在t=2.5s时开始的还有手腕回转90，用时1.5s；与此同时大臂开始以150 mm/s做上升运动，用时2s。在t=4.5s时，大臂开始做回转运动，回转90，用时1.5s；在t=6s时，手

40、臂开始做向外延伸500mm的运动，运动速度为250mm/s，用时2s；在t=8s时，机械手手指开始做放松工件运动，用时0.5s；在t=8.5s时，手腕开始做下翻90的运动，用时1.5s；与此同时手臂开始收缩，收缩距离500mm，平均速度250mm/s，用时2s；在t=10.5s时，手臂做90回转运动，用时1.5s。上诉运动为一个整周期运动，XXXX 大学本科毕业设计（论文）12 完成上述运动共用时12s。运动简图见图2.6所示。图2.6 机械手运动简图 2.4、本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技

41、术参数。下面的设计计算将以次进行。XXXX 大学本科毕业设计（论文）13 第 3 章 机械手的电气控制系统设计 第 3 章 机械手的电气控制系统设计 3.1 机械手电气控制系统的概述 机械手的定位系统采取定位块定位，在设定位置装置定位块。并为了达到缓冲的目的，在满足工作要求的前提下，设计尽量轻的零部件。比如将某些铸钢件改用铝合金制造，或者将一些实心的零件做成空心的，以此来减轻总质量。采取PLC程序控制，控制系统选择三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外机械手还可进行但不运行及回零等，其有手动控制方式和全自动控制 自动生产线机械手的主要参数:臂力5N；自由度数为4；运动形式为圆柱坐标；长度（

42、未伸缩）943mm；高度（未升起）为532mm，手臂伸缩行程范围0500mm，手臂伸缩速度为250mm/s，手臂升降行程范围0300mm；手臂升降速度为150mm/s；手腕回转行程范围o900，手腕回转速度为135/s；大臂回转角度范围o900，大臂回转速度为135/s；定位方式为定位块；定位精度为mm1.0；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为液压系统。3.2 机械手电气控制程序 附表1 机械手自动控制程序 步序号 指令 数据 步序号 指令 数据 步序号 指令 数据 1 LD X400 17 AND T453 K1.5 2 ANI X401 18 ANI T454 31 OUT Y439

43、 3 ANI T450 19 OUT Y435 32 OUT T550 4 OUT Y430 20 OUT T454 K2 5 OUT T450 K1.5 33 AND T550 K2 21 AND T454 34 ANI T551 6 AND T450 22 ANI T455 35 OUT Y530 7 ANI T451 23 OUT Y436 36 OUT T551 8 OUT Y432 24 OUT T455 K1.5 9 OUT T451 K2 37 AND X500 K0.5 25 AND T455 38 ANI T552 10 AND T451 26 ANI T456 39 OUT

44、 Y531 11 ANI T452 27 OUT Y437 40 OUT Y532 13 OUT Y433 28 OUT T456 41 OUT T552 14 OUT T452 K0.5 K3 XXXX 大学本科毕业设计（论文）14 K1.5 27 AND T456 15 OUT Y434 28 ANI T457 16 OUT T453 29 OUT Y438 K2 30 OUT T457 3.3 机械手电气控制系统图 3.3.1 自动控制系统图 图3.1 机械手自动控制系统图 上图为机械手自控控制系统图，他的指令采用FX1S的专用PLC控制器控制，他的工作顺序是按照上图中大臂下降开始直至最

45、后一次大臂回转为完成一个完整的工作周期，每个工作段所用的时间在上图均已标明，从系统启动到结束程序，除非系统受到X500停车指令，否则系统均通过各个时间控制器来完成精确的控制。XXXX 大学本科毕业设计（论文）15 3.3.2 手动控制系统图 图3.2 机械手手动控制系统图 上图为本机械手在进行试运行和系统检查以及手动控制完成所需动作而设计的手动控制系统，工作流程在上图已经清晰标明。3.3.3 机械手自动方式状态图 机械手自动方式状态图如图3.3所示，其中S2是自动方式的初始状态。状态转移开始辅助继电器M8041，原点位置条件辅助继电器M8044的状态都是在初始化程序中设定的，在自动系统程序运行

46、中不再改变。XXXX 大学本科毕业设计（论文）16 图3.3 机械手自动方式状态图 XXXX 大学本科毕业设计（论文）17 3.3.4 机械手独立控制面板设计图 机械手控制独立控制面板如图3.1所示 图3.4 机械手控制面板 面板中的启动和急停按钮与PLC的运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外 部负载的电源。本机械手食用油手动和自动两种运行状态的控制系统，所以应能根据所设置的运行方式自动进入，这就要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态，其相应的输入设定按钮在图3.4已经标定。3.4 本章小结 在本章中主要讨论了本文所设计的机械手的电气控制系统的概述及机械手的自动控制程序，

47、自动控制系统图，手动控制系统图，自动方式状态图和机械手控制面板等。XXXX 大学本科毕业设计（论文）18 第 4 章 机械手液压系统设计 第 4 章 机械手液压系统设计 4.1 机械手的工作原理分析 液压自动上下料机械手是自动化流水生产线中广泛应用的工件搬运机械设备，它是流水线作业中不可或缺的运输单元。按其工作介质是油还是水（乳化液），液压机可分为油压机和水压机两种，以油为介质的液压机械手。液压机械手要求液压系统完成的主要动作是（工件平放）：大臂下降300mm夹紧工件手腕上翻90大臂上升300mm大臂回转 90手臂延伸 500mm放松工件手臂收缩 500mm手腕下翻 90大臂回转90大臂下降3

48、00mm。整个周期要完成所有动作必须由五个液压缸协调动作才能做到 ，其中两个回转液压缸和3 各活塞式液压缸。4.2 液压系统控制原理图设计 液压机械手液压系统原理原理如图4.1 所示 图4.1 机械手液压系统原理图 1-液压系统油箱 2-过滤器 3、4-双联齿轮液压泵 5-单向阀 6、21-两位二通电磁阀 7-先导型溢流阀 8-三位四通电磁阀 9-二位四通电磁阀 10-节流阀 11-调速阀（带阻尼孔）其余元件已在上图说明。XXXX 大学本科毕业设计（论文）19 4.2.1 各缸运动过程分析 4.2.1 各缸运动过程分析 1、机械手大臂下降 按下启动按钮。PLC 指令控制电磁铁5DT 通电吸合。

49、泵3 供油经单向阀 5，流经图 4.1 所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂升降液压缸的上腔，从而推动机械手做下降运动。2、夹紧工件 在整机启动的情况下，泵4 供油流经单向阀，然后PLC 控制程序指令控制电磁铁 3DT 通电吸合，此时此二位四通电磁阀处于右位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的右腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构夹紧工件。此时电磁换向阀通电不变，直到接到放松工件指令才断电，此时因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然能够保持夹紧需要。3、手腕上翻 PLC 指令控制电磁铁

50、 8DT 通电吸合。泵 3 供油经单向阀 5，流经图4.1 所示从左到右第四个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做上下摆动运动。4、大臂上升 PLC 指令控制电磁铁4DT 通电吸合。泵3 供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，接着流向减压阀和单向阀构成的复合阀，然后直接流向大臂升降液压缸的下腔，从而推动机械手做上升运动。5、大臂回转 PLC 指令控制电磁铁6DT 通电吸合。泵3 供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向