数控机床上下料机械手设计.docx
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数控机床上下料机械手设计
数控机床上下料机械手设计摘 要:
通过对机械设计、制造及其自动化专业课程的学习，对工业机械手各局部机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的应用情况，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。
重点针对机械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各局部机械结构以及机械手控制系统〔传动系统、驱动系统〕进行了详细的设计。
同时对其控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。
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。
设计到达了预期目标。
关键词：
机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统
目 录
第1章前言.............................................................1
1.1 选题背景.1
1.2 设计目的.1
1.3 开展现状和趋势.1
第2章机械手各部件的设计.3
2.1机械手的总体设计.3
2.1.1 机械手总体结构的类型.3
2.1.2 具体设计方案.4
2.2机械手手爪结构的设计.4
2.2.1 设计要求.4
2.2.2 驱动方式.5
2.2.3 典型结构.5
2.2.4 具体设计方案.6
2.3机械手手腕结构的设计.7
2.3.1 手腕结构的设计要求.7
2.3.2 具体设计方案.7
2.4机械手手臂构的设计.8
2.4.1 手臂结构的设计要求.8
2.4.2 具体设计方案.8
2.5机械手腰座结构的设计.9
2.5.1 腰座结构的设计要求.9
2.5.2 具体设计方案.9
2.6机械手的机械传动机构的设计.10
2.6.1 传动机构设计应注意的问题.10
2.6.2 常用的传动机构形式.10
2.6.3 具体设计方案.11
2.7机械手驱动系统的设计.12
2.7.1 常用驱动系统及其特点.12
2.7.2 具体设计方案.12
2.8机械手手臂的平衡机构设计.12
2.8.1 平衡机构的形式.12
2.8.2 具体设计方案.13
第3章理论分析和设计计算.14
3.1电机选型有关参数计算.14
3.1.1 有关参数的计算.14
3.1.2 电机型号的选择.16
3.2液压传动系统设计计算.18
3.2.1 确定液压系统根本方案.18
3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路.19
3.2.3 液压源系统的设计.19
3.2.4 绘制液压系统图.20
3.2.5 确定液压系统的主要参数.21
3.2.6 计算和选择液压元件.26
第4章机械手控制系统的设计.28
4.1系统硬件设计.28
4.1.1 操作面板布置.28
4.1.2 工艺过程与控制要求.28
4.1.3 作业流程.29
4.1.4 控制器的选型.30
4.1.5 控制系统原理分析.31
4.1.6 PLC外部接线设计.31
4.1.7 I/O地址分配.32
4.2系统软件设计.33
4.2.1 控制主程序流程图.33
4.2.2 控制程序设计.34
结论.51
致谢................................................................52
参考文献..........................................................53
第一章前言
由于工业自动化的全面开展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。
单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。
其中机械手是其开展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。
在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。
目前，机械手已开展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成局部。
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，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。
但目前我国的工业机械手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机械行业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具有重要意义。
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的开展趋势。
为了提高工作效率,降低本钱,并使生产线开展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料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机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。
目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
一．机械结构向模块化、可重构化开展。
二．工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向开展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。
三．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，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向开展。
四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；
五．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：
其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的根底上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。
第二章机械手各部件的设计
工业机械手的结构形式主要有四种：
直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要到达较大运动空间，那么要求机械手的尺寸足够大。
直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。
直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。
其工作空间是一个圆柱状的空间。
这种机械手构造比拟简单，精度相对较高，常用于搬运作业。
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。
其工作空间是一个类球形的空间。
这种机械手结构简单、本钱较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。
相对机械手本体尺寸，其工作空间比拟大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。
此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。
关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。
如图2-2所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。
手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。
搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。
机械手手爪设计有如下要求：
１、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。
既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。
２、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。
万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。
３、机械手手爪的通用性。
通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口〔如法兰〕，使末端执行器实现标准化。
４、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。
一般工业机械手手爪，多为双指手爪。
按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
机械手夹持器〔手爪〕的驱动方式主要有三种：
这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。
由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。
另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
电动驱动手爪应用也较为广泛。
这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。
电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。
但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。
液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。
机械手手爪的典型结构有以下五种：
利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。
当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。
这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。
在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧〔放松〕运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。
通常与弹簧联合使用。
通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。
采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。
结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。
驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。
手指的最小开度由加工工件的直径来调定。
本设计按照工件的直径为50mm来设计。
手爪的具体结构形式如图2-3所示：
机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。
2.3.1手腕结构的设计要求
１、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。
２、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。
一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。
但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，本钱也会相应增加。
因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。
３、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。
４、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。
５、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。
６、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。
通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高平安和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。
具体的手腕〔手臂手爪联结梁〕结构见图2-4。
机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：
１、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。
２、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。
３、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。
４、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。
５、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。
由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大〔质量达30KG〕，以及机械手的动态性能及运动的稳定性，平安性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式。
通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。
由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。
因此手臂液压缸的设计原那么是液压缸的直径取得大一点〔在整体结构允许的情况下〕，再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，假设仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。
因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。
通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比拟好的解决了结构、稳定性的问题。
机械手的腰座，就是机械手的回转基座。
它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。
因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：
１、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。
２、腰部结构要便于安装、调整。
要有可靠的定位基准面和调整机构。
且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。
３、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。
驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
４、为了减轻机械手运动局部的惯量，提高控制精度，要求回转运动局部由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
腰座回转的驱动形式主要有两种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现。
考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。
因为电动方式控制的精度高，结构紧凑，不用额外设计液压系统及其辅助元件。
由于电机都不能直接驱动，并考虑到转速以及扭矩的具体要求，故采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。
由于齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故仅采用一级齿轮传动，采用大的传动比〔大于100〕，同时为了减小传动误差，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。
腰座具体结构如图2-5所示：
由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：
１、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。
并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动误差。
２、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。
３、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。
４、选用最正确传动比，以到达提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。
５、适当的阻尼比。
阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。
但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。
故应采取适宜的阻尼比。
常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。
它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。
有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。
在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。
齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最正确匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出那么为低转速，高转矩，且系统要有足够的刚度。
同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。
为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低本钱。
在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。
由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。
同步带传动是综合了普通带传动和链传动优点的一种新型传动。
为保证带和带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。
其特点是传动比准确、传动效率高〔可达98%〕、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动〔可达40m/s〕、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。
因为选用了液压缸作为机械手的手臂，它既是关节结构，又是动力单元，因此不需要中间传动机构，既简化了结构，又提高了精度。
而其腰座的回转采用步进电动机驱动，而电动机不能作为直接驱动元件，因此为取得较大的转矩，经分析比拟，选择圆柱齿轮传动。
为了保证比拟高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，以较大的降低电机转速，使机械手的运动平稳，动态性能好。
这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比〔大于100〕，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。
工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。
根据需要也可将这三种根本类型组合成复合式的驱动系统。
这三类根本驱动系统的主要特点如下。
具有动力大、力〔或力矩〕与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。
适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。
具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。
适用于中、小负荷的机械手中采用。
但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。
具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。
这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。
由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。
随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。
而手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在柱塞缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。
2.8机械手手臂的平衡机构设计
直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能到达平衡。
关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。
一般在机械手手臂的不平衡力矩比拟小的情况下采用这种平衡机构。
弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。
活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。
其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比拟大。
活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。
用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。
因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能到达平衡。
假设实际工作中平衡结果不满足，那么设置弹簧平衡机构进行平衡。
第3章理论分析和设计计算
1.假设传动负载作直线运动〔通过滚珠丝杠〕那么有
具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。
下面进行具体的计算。
因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，那么在回转轴上有；
根据以上计算结果，并综合考虑各方面因素，决定选择北京和利时电机技术〔原北京四通电机公司〕的步进电机，具体型号为：
110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301，该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好，各项参数如表3-2。
型号
相数
步距角
静态电流
向电阻
相电感
保持转矩
定位转矩
空载启动频率〔半步方式〕
重量
转动惯量
100BYG550B-SAK
RMA-0301
5
3
8
9700
100BYG550B-SAK
RMT-0301
5
3
8
9700
100BYG550B-BAK
RMT-0301
5
3
8
9700
表3—2所选电机相关参数
其中110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。
如图3-3所示
驱动方式为升频升压，步距角为0.36°。
同时因为腰部齿轮传动比为1：
120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步距角的1/120〔理论上〕，虽然实际上存在着间隙和齿轮传动非线性误差，实际回转轴的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相当高，完全满足机械手的定位精度要求。
液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，液压缸实现直线运动，液压马达实现回转运动。
二者的特点及适用场合见表3-1：
因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有3个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动自由度。
同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。
液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。
速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。
相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。
对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的
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