目录
摘
绪
11机械手发展概况
12机械手途分类
13机械手组成
14机械手发展趋势
二 抓取机构设计
21手部设计计算
22腕部设计计算
23臂伸缩机构设计
三 液压系统原理设计草图
31手部抓取缸
32腕部摆动液压回路
33臂伸缩缸液压回路
34总体系统图
四 机身机座结构设计
41电机选择
42减速器选择
五 机械手定位稳性
52影响稳性定位精度素
53机械手运动缓装置
六 机械手控制
61控制系统组成
62机械手PLC控制设计
63 编程序控制器选择工作程
64编程序控制器步骤
65机械手编程序控制器控制方案
七 机械手结构
71机械手组成
72工业机械手分类
毕业设计感想
参考资料
柔性制造系统料机械手设计
摘
课题普通车床配套设计料机械手工业机械手工业生产必然产物种模仿体肢部分功预定求输送工件握持工具进行操作动化技术设备实现工业生产动化推动工业生产进步发展起着重作具强生命力受广泛重视欢迎实践证明工业机械手代手繁重劳动显著减轻工劳动强度改善劳动条件提高劳动生产率动化水工业生产中常出现笨重工件搬运长期频繁单调操作采机械手效外高温低温深水宇宙放射性毒污染环境条件进行操作更显示优越性着广阔发展前途
课题通应AutoCAD 技术机械手进行结构设计液压传动原理设计实行动料运动安装工件时工件送入卡盘中夹紧运动等料机械手运动速度着满足生产率求设定
关键字 机械手AutoCAD
绪
11机械手发展概况
专机械手十年发展已进入通机械手标志时代通机械手应发展进促进智机器研制智机器涉知识容仅包括般机械液压气动等基础知识应电子技术电视技术通讯技术计算技术线电控制仿生学假肢工艺等项综合性较强新技术目前国外发展新技术重视十年项技术研究发展直较活跃设计断修改品种断增加应领域断扩
早40年代着原子工业发展已出现模拟关节式第代机械手
50～60年代制成传送装卸工件通机械手数控示教现型机械手种机械手称第二代机械手尤尼曼特(Unimate)机械手属种类型
60～70年代相继通机械手汽车车身点焊压生产动线第二代机械手新技术进入应阶段
8090年代装配机械手处鼎盛时期尤日
90年代机械手特殊途较发展工业广泛应外农林矿业航天海洋文娱体育医疗服务业军事领域较应
90年代着计算机技术微电子技术网络技术等快速发展机械手技术飞速元化发展
总目前机械手历分三代：
第代机械手工进行控制控制方式开环式没识力改进方低成提高精度
第二代机械手设电子计算机控制系统具视觉触觉力甚听想力研究安装种传感器接收信息反馈机械手具感觉机
第三代机械手独立完成工作程中务电子计算机电视设备保持联系逐步发展成柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重环
12机械手途分类
机械手称动手auto hand
模仿手臂某动作功固定程序抓取搬运物件操作工具动操作装置代繁重劳动实现生产机械化动化害环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工原子等部门
机械手手部运动机构控制系统三部分组成手部抓持工件（工具）部件根抓持物件形状尺寸重量材料作业求种结构形式夹持型托持型吸附型等运动机构手部完成种转动（摆动）移动复合运动实现规定动作改变抓持物件位置姿势运动机构升降伸缩旋转等独立运动方式称机械手度 抓取空间中意位置方位物体需6度度机 械手设计关 键参数 度越机械手灵活性越通性越广结构越复杂般专机械手2～3度
机械手种类驱动方式分液压式气动式电动式机械式机械手适范围分专机械手通机械手两种运动轨迹控制方式分点位控制连续轨迹控制机械手等
机械手通常作机床机器附加装置动机床动生产线装卸传递工件加工中心中更换刀具等般没独立控制装置操作装置需直接操原子部门操持危险物品式操作手常称机械手机械手锻造工业中应进步发展锻造设备生产力改善热累等劳动条件
机械手首先美国开始研制1958年美国联合控制公司研制出第台机械手
机械手采手动例阀控制液压控制方式
机械手完成操作象参数：①钻柱高30 m②钻杆重量：40 Kgm总重1200 Kg③钻铤（七英寸直径）重量：180 Kg m总重5400 Kg
13机械手组成
机械手执行机构驱动机构控制机构三部分组成
1执行机构
（1）手部 直接工件接触部分般回转型动型（回转型结构简单）手部两指（指）根需分外抓式抓式两种负压式真空式空气吸盘（吸冷光滑表面零件薄板零件）电磁吸盘
传力机构形式教常：滑槽杠杆式连杆杠杆式斜槭杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母式弹簧式重力式
（2）腕部 连接手部臂部部件调节抓物体方位扩机械手动作范围机械手变更灵巧适应性更强手腕独立度回转运动摆动左右摆动般腕部设回转运动增加摆动满足工作求动作较简单专机械手简化结构设腕部直接臂部运动驱动手部搬运工件
目前应广泛手腕回转运动机构回转液压（气）缸结构紧凑灵巧回转角度（般 2700）求严格密封否难保证稳定输出扭距求较回转角情况采齿条传动链轮轮系结构
（3）臂部 手臂部件机械手重握持部件作支撑腕部手部（包括工作夹具）带动做空间运动
臂部运动目：手部送空间运动范围意点果改变手部姿态（方位）腕部度加实现般说臂部具三度满足基求手臂伸缩左右旋转升降（俯仰）运动
手臂种运动通常驱动机构（液压缸者气缸）种传动机构实现臂部受力情况分析工作中受腕部手部工件静动载荷身运动较受力复杂结构工作范围灵活性抓重定位精度直接影响机械手工作性
（4）行走机构 工业机械手带行走机构国正处仿真阶段
2 驱动机构
驱动机构工业机械手重组成部分根动力源 工业机械手驱动机构致分液压气动电动机械驱动等四类采液压机构驱动机械手结构简单尺寸紧凑重量轻控制方便
3控制系统分类
机械手控制点动控制连续控制两种方式数插销板进行点位控制采编程序控制器控制微型计算机控制采凸轮磁盘磁带穿孔卡等记录程序控制坐标位置注意加速度特性
14机械手发展趋势
1重复高精度
精度指机械手达指定点精确程度驱动器分辨率反馈装置关重复精度指果动作重复次数机械手达样位置精确程度重复精度精度更重果机械手定位够精确通常会显示固定误差误差预测通编程予校正重复精度限定机误差范围通定次数重复运行机械手测定着微电子技术现代控制技术发展机械手重复精度越越高应领域更广阔核工业军事工业等
2 模块化
公司带系列导驱动装置机械手称简单传输技术模块化拼装机械手称现代传输技术模块化拼装机械手组合导驱动装置更具灵活安装体系集成电接口带电缆油导系统装置机械手动作模块化机械手机械手应模块具功扩机械手应范围机械手重发展方
3 节化
适应食品医药生物工程电子纺织精密仪器等行业污染求加润滑脂供油润滑元件已问世着材料技术进步新型材料出现构造特殊润滑材料制造润滑元件仅节省润滑油污染环境系统简单摩擦性稳定成低寿命长
4 机电体化
编程控制器—传感器—液压元件组成典型控制系统然动化技术重方面发展电子技术相结合适应控制液压元件液压技术开关控制进入高精度反馈控制 节省配线复合集成系统仅减少配线配元件拆装简单提高系统性电磁阀线圈功率越越PLC输出功率增PLC直接控制线圈变越越
国外机械手发展趋势力研制具某种智机械手具定传感力反馈外界条件变化作相应变更位置发生稍许偏差时更正行检测重点研究视觉功触觉功目前已取定成绩视觉功机械手安装电视相机光学测距仪微型计算机工作电视相机物体形象变成视频信号然送计算机便分析物体种类颜色位置发出指令控制机械手进行工作触觉功机械手安装触觉反馈控制装置工作时机械手首先伸出手指寻找工作通安装手指压力敏感元件产生触觉作然伸前方抓住工件手抓力通装手指敏感元件控制达动调整握力总着传感技术发展机械手装配作业力进步提高更重机械手柔性制造系统柔性制造单元相结合根改变目前机械制造系统工操作状态
着科学技术发展机械手应领域断扩目前机械手仅应传统制造业采矿冶金石油化学船舶等领域时已开始扩核航空航天医药生化等高科技领域家庭清洁医疗康复等服务业领域中
第二章 抓取机构设计
21手部设计计算
手部设计求
1适夹紧力
手部工作时应具适夹紧力保证夹持稳定变形损坏工件已加工表面刚性差工件夹紧力应该设计调节笨重工件应考虑采锁安全装置
2足够开闭范围
夹持类手部手指张开闭合装置工作时手指开闭位置变化量称开闭范围回转型手部手指开闭范围开闭角手指夹紧端长度表示手指开闭范围求许素关工件形状尺寸手指形状尺寸般说工作环境许开闭范围较图21示
图21 机械手开闭示例简图
3力求结构简单重量轻体积
手部处腕部前端工作时运动状态变结构重量体积直接影响整机械手结构抓重定位精度运动速度等性设计手部时必须力求结构简单重量轻体积
4手指应定强度刚度
5求
送料夹紧机械手根工件形状采常外卡式两指钳爪夹紧方式常闭史弹簧夹紧松开时单作式液压缸种结构较简单制造方便
二拉紧装置原理
图22示4：油缸右腔停止进油时弹簧力夹紧工件油缸右腔进油时松开工件
图22 油缸示意图
1右腔推力
FP（π／4）D²P （21）
（π／4）05²2510³
49087N
2根钳爪夹持方位查出量夹紧力计算公式：
F1（2b／a）（cosα′）²N′ （22）
中 N′498N392N带入公式22：
F1（2b／a）（cosα′）²N′
(215050)（cos30º）²392
1764N
实际加紧力 F1实际PK1K2η （23）
176415110853424N
圆整F13500N
3计算手部活塞杆行程长L
L（D2）tgψ （24）
25×tg30º
231mm
圆整取l25mm
4确定V型钳爪Lβ
取LRcp3 （25）
式中： RcpP4200450 （26）
公式（25）（26）：L3×Rcp150
取V型钳口夹角2α120º偏转角β佳偏转角确定
查表：
β22º39′
5机械运动范围（速度）1
（1）伸缩运动 Vmax500mms
Vmin50mms
（2）升运动 Vmax500mms
Vmin40mms
（3）降Vmax800mms
Vmin80mms
（4）回转Wmax90ºs
Wmin30ºs
取手部驱动活塞速度V60mms
6手部右腔流量
Qsv （27）
60πr²
60×314×25²
11775mm³s
7手部工作压强
P F1S （28）
350019625178Mpa
22腕部设计计算
腕部联结手部臂部部件腕部运动改变夹物体方位动作灵活转动惯性课题腕部具回转度采具活动度回转缸驱动腕部结构
求：回转±90º
角速度W45ºs
负荷计算：
工件处水位置时摆动缸工件扭矩采估算法工件重10kg长度l650mm图23示
1计算扭矩M1〖4〗
设重力集中离手指中心200mm处扭矩M1：
M1F×S （29）
10×98×02196（N·M）
工件
F
S
F
图23 腕部受力简图
2油缸（伸缩）配件估算扭矩M2〖4〗
F5kg S10cm
带入公式29
M2F×S5×98×01 49（N·M）
3摆动缸摩擦力矩M摩〖4〗
F摩300（N）（估算值）
S20mm （估算值）
M摩F摩×S6（N·M）
4摆动缸总摩擦力矩M〖4〗
MM1+M2+M摩 （210）
305（N·M）
5公式
TP×b（ΦA1²Φmm²）×1068 （211）
中： b—叶片密度里取b3cm
ΦA1—摆动缸径 里取ΦA110cm
Φmm—转轴直径 里取Φmm3cm
代入（211）公式
P8Tb（ΦA1²Φmm²）×106
8×305003×（01²003²）×106
089Mpa
W8Q（ΦA1²Φmm²）b
QW（ΦA1²Φmm²）b8
（π4）（01²003²）×0038
027×104m³s
27mls
23臂伸缩机构设计
手臂机械手执行部件作支撑腕部手部带动空间运动
臂部运动目般手部送达空间运动范围意点臂部受力情况工作中直接承受着腕部手部工件动静载荷身运动较受力较复杂
机械手精度终集中反映手部位置精度选择合适导装置定位方式显尤重
手臂伸缩速度200ms
行程L500mm
1手臂右腔流量公式（27）：4
Qsv
200×π×40²
1004800mm³s
0110²m³s
1000mls
2手臂右腔工作压力公式（28） ：〖4〗
PFS （212）
式中：F——取工件重手臂活动部件总重估算 F10+2030kg F摩1000N
代入公式（212）：
P（F+ F摩）S
（30×98+1000）π×40²
026Mpa
3绘制机构工作参数表图24示：
图24机构工作参数表
4初步计算选液压泵〖4〗
需液压高压力
P178Mpa
需液压流量
Q1000mls
选取CBD型液压泵（齿轮泵）
泵工作压力10Mpa转速1800rmin工作流量Q32—70mlr间满足需
5验算腕部摆动缸：
TPD（ΦA1²Φmm²）ηm×1068 （213）
W8θηv（ΦA1²Φmm²）b （214）
式中：Ηm—机械效率取： 085～09
Ηv—容积效率取： 07～095
代入公式（213）：
T089×003×（01²003²）×085×1068
258（N·M）
T代入公式（214）：
W（8×27×106）×085（01²003²）×003
0673rads
W<π4≈0785rads
取腕部回转油缸工作压力 P1Mpa
流量 Q35mls
圆整缸数值：
手部抓取缸工作压力PⅠ2Mpa
流量QⅠ120mls
臂伸缩缸工作压力PⅠ025Mpa
流量QⅠ1000mls
第三章 液压系统原理设计草图
31手部抓取缸
图 31手部抓取缸液压原理图〖7〗
1手部抓取缸液压原理图图31示
2泵供油压力P取10Mpa流量Q取系统需流量Q1300mls
需装图31中示调速阀流量定72Lmin工作压力P2Mpa
采：
YFB10B溢流阀
2FRM520102调速阀
23E110B二位三通阀
32腕部摆动液压回路
图 32腕部摆动液压回路〖7〗
1腕部摆动缸液压原理图图32示
2工作压力 P1Mpa
流量 Q35mls
采：
2FRM520102调速阀
34E110B 换阀
YFB10B 溢流阀
33臂伸缩缸液压回路
图 33臂伸缩缸液压回路〖7〗
1臂伸缩缸液压原理图图33示
2工作压力 P025Mpa
流量 Q1000mls
采：
YFB10B 溢流阀
2FRM520102 调速阀
23E110B二位三通阀
34总体系统图
图 34总体系统图〖7〗
1总体系统图图34示
2工作程
臂伸长→手部抓紧→腕部回转→臂回转→臂收缩→手部放松
3电磁铁动作序表
元件
动作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
臂伸长
－
+
+
手部抓紧
－
+
腕部回转
－
+
+
臂收缩
－
手部放松
－
+
卸荷
＋
±
±
±
±
图 35总体系统图
4确电机规格：
液压泵选取CBD型液压泵额定压力P10Mpa工作流量32～70mlr间选取80Lmin额定流量泵
：传动功率 NP×Qη （31）
式中：η08 （验值）
代入公式（31）：
N10×80×103×10660×08
167KN
选取电动机JQZ612型电动机额定功率17KW
转速2940rmin
第四章 机身机座结构设计
机身直接支承传动手臂部件般实现臂部升降回转俯仰等运动驱动装置传动件安装机身者直接构成机身躯干底座相连臂部运动愈机身结构受力情况愈复杂机身固定式行走式图41示
图41机身机座结构图
臂部机身配置形式基反映机械手总体布局课题机械手机身设计成机座式样机械手独立成系统完整装置便意安放搬动具行走机构臂部配置机座立柱中间见回转型机械手臂部机座立柱作升降运动获较升降行程升降程电动机带动螺柱旋转螺柱配合导致手臂运动手臂回转电动机带动减速器轴齿轮旋转带动机身旋转达度求
41电机选择
机身部两电机带动臂部升降运动二带动机身回转运动带动臂部升降运动电机安装肋板带动机身回转电机安装混凝土基
1带动臂部升降电机：〖10〗
初选升速度 V100mms
P6KW
n（1006）×601000转分
选择Y90S4型电机属笼型异步电动机采B级绝缘外壳防护等级IP44冷方式I（014）全封闭扇冷额定电压380V额定功率50HZ
图41 Y90S4电动机技术数示：
型号
额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
转矩
电流A
转速rmin
效率
功率素
额定电流
额定转矩
额定转矩
Y90S4
11
27
1400
79
078
65
22
22
图41 Y90S4电动机技术数
2带动机身回转电机：〖10〗
初选转速 W60ºs
n16转秒
10转分
齿轮 i3
减速器 i30
n10×3×30900转分
选择Y90L6型笼型异步电动机
电动机采B级绝缘外壳防护等级IP44冷方式I（014）全封闭扇冷额定电压380V额定功率50HZ
图42 Y90S6电动机技术数示：
图42 Y90L6电动机技术
42减速器选择
减速器原动机工作机间独立闭式传动装置降低转速增
转矩满足工作需〖6〗
初选WD80型圆柱蜗杆减速器
WD蜗杆置式级传动阿基米德圆柱蜗杆减速器
蜗杆材料38siMnMo调质
蜗轮材料ZQA194
中心矩a80
Ms×q40×11 （41）
传动I30
传动惯量0265×10ˉ³kg·m²
43螺柱设计校核
螺杆机械手支承件传动手臂运动
螺杆材料选择：〖6〗
济角度讲满足求材料铸铁
螺距 P6mm 梯形螺纹
螺纹工作高度 h05P （42）
3mm
螺纹牙底宽度 b065P065×639mm （43）
螺杆强度 [σ] σs3～5 （44）
1503～5
30～50Mpa
螺纹牙剪切[τ]40
弯曲[σb]45～55
1量应力〖6〗
(45)
式中 T——传递转矩N·mm
[σ]——螺杆材料许应力
代入公式（45）：
σ （4×200×98πd1²）²+3（200×98×0602d1³）²
（2495 d1²）²+3（612 d1³）²≤30～50×106
（2495 d1²）²+3（612 d1³）²≤900～2500×1012
6225025d14+11236d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×00292+11236≤900×00296×1012
16471pa＜535340pa
合格
2剪切强度〖6〗
ZHP1606 （旋合圈数） （46）
τFπd1bz （47）
200×98π×0029×39×（1606）×103
2068×103pa
0206Mpa＜[τ]40Mpa
3弯曲强度〖6〗
σb3Fhπd1b2z
3×200×98×3π×29×392×（1606）
048Mpa＜[σ]45Mpa
合格
第五章 机械手定位稳性
51常定位方式
机械挡块定位行程终点设置机械挡块机械手减速运行终点时紧挡块定位
定位前已减速定位时驱动压力未撤种情况机械挡块定位达较高重复精度般高
±05mm定位时关闭驱动油路掉工作压力时机械手挡块碰回微距离定位精度变低
52影响稳性定位精度素
机械手否准确工作实际三维空间定位问题干线量角量定位组合许较简单情况单量值影响单线量角量定位误差素：
（1）定位方式
定位方式影响素机械挡块定位时定位精度挡块刚度碰接挡块时速度等素关
（2）定位速度
定位速度定位精度影响定位速度时必须耗散运动部件量通常减定位误差应合理控制定位速度提高缓装置缓性缓效率控制驱动系统运动部件适时减速
（3）精度
机械手制造精度安装调速精度定位精度直接影响
（4）刚度
机械手身结构刚度接触刚度低时易产生振动定位精度般较低
（5）运动件重量
运动件重量包括机械手身重量抓物重量
运动件重量变化定位精度影响较通常运动件重量增加时定位精度降低设计时仅减运动部件身重量考虑工作时抓重变化影响
（6 ）驱动源
（7 液压气压压力波动电压油温气温波动会影响机械手重复定位精度采必稳压调节油温措施蓄器稳定油压加热器冷器控制油温低速时温度压力补偿流量控制阀控制
（7）控制系统
开关控制电液例控制伺服控制位置控制精度相仅种控制元件精度灵敏度位置反馈装置关
课题采定位精度机械挡块定位
53机械手运动缓装置
缓装置分缓外缓两种形式缓形式油缸端部缓装置缓回路等外缓形式弹性机械元件液压缓器缓优点结构简单紧凑时安置位置限外缓优点安置位置灵活简便缓性调等结构较庞
课题采缓装置油缸端部缓装置
活塞运动距油缸端盖某距离时活塞端盖间形成缓室利节流原理缓室产生时背压阻力运动减速直停止避免硬性击装置称油缸端部缓装置
缓行程中节流口恒定称恒节流式油缸端部缓装置
设计油缸端部恒节流缓装置时amax（加速度）Pmax（缓腔击压力）Vr（残余速度）三参数受工作条件限制通常采办法先选定中参数然校验余两参数步骤：
① 选择加速度
通常amax值机械手类型结构特点选取时考虑速度载荷重载低速机械手 amax取5ms2轻载高速机械手amax取5～10 ms2
② 计算运动方作活塞外力F
水运动时： FPSAFf （51）
025×103×π×3627
138N
③ 计算残余速度Vr
VrVO 1amaxmF （52）
01064015ms
第六章 机械手控制
61控制系统组成
控制系统机械手重组成部分某种意义讲控制系统起着脑相似作机械手手部腕部臂部等动作相关机械协调动作通控制系统实现控制容动作序动作位置路径动作时间
机械手代完成某操作通常需具图61示机〖3〗
实现述种机控制方式种样机械手程序控制方式分两类固定程序控制方式变程序控制方式
课题固定程序控制类机械式控制
常凸轮杠杆机构控制机械手动作序时间速度般常驱动机构结构简单维修方便寿命较长工作较适控制程序步数少专机械手
装卸工件 状识
环境识
操作机
检测识机
控制机
示教机
动作控制机
动作序控制机
运动控制机
图61机械手控制机
62机械手PLC控制设计
考虑机械手通性时点位控制采编程序控制器
(PLC)机械手进行控制机械手动作流程改变时需改变PLC程序
实现非常方便快捷
63 编程序控制器选择工作程
编程序控制器选择
目前 国际生产编程序控制器厂家日三菱公司F系列PC德国西门子公司SIMATIC N5系列PC日OMRON(立石)公司C型P型
PC等考虑机械手输入输出点工作流程较简单时考虑制造
成次设计中选择OMRON公司C28P型编程序控制器
编程序控制器工作程
编程序控制器通执行户程序完成种控制务采
循环扫描工作方式具体工作程分4阶段
第阶段初始化处理
编程序控制器输入端子直接机相连CPU输入输出状态询
问针输入输出状态暂存器言输入输出状态暂存器称I0状态表
该表专门存放输入输出状态信息存储区中存放输入状态信息存储
器输入状态暂存器存放输出状态信息存储器输出状态暂存器开机时 CPU首先I0状态表清零然进行诊断确认硬件工作正常进入
阶段
第二阶段处理输入信号阶段
处理输入信号阶段CPU输入状态进行扫描获输入端子
状态信息送I0状态表中存放扫描周期输入点状态I0
状态表中直保持变会受输入端子信号变化影响造成
运算结果混乱保证周期户程序正确执行
第三阶段程序处理阶段
输入状态信息全部进入I0状态表CPU工作进入第三阶段
阶段中编程序控制器户程序进行次扫描根I0状态关
指令进行运算处理结果写入I0状态表输出状态暂存器中
第四阶段输出处理阶段
CPU户程序已扫描处理完毕运算结果写入I0状态表状态暂存器中时输入信号输出状态暂存器中取出送输出锁存电路驱动输出继电器线圈控制控设备进行种相应动作然CPU返回执行循环扫描周期
64编程序控制器步骤
编程序控制器控象(机器设备生产程)构成动控制系
统时通常七步骤进行
(1)系统设计
确定控象动作动作序
(2) I0分配
确定信号送编程序控制器分配相应输入端号信号编程序控制器送控象分配相应输出端号外编程序控制器部计数器定时器等进行分配编程序控制器通编号识信号
(3)画梯形图
继电器控制逻辑梯形图概念相表达系统中全部动作相互关系果图形编程器(LCDCRT)画出梯形图相编制出程序梯形图直接送入编程序控制器简易编程器步助记符程序转换程
(4)助记符机器程序
相微机助记符程序面机器(厂家编程序控制器助记符指令形式)简易编程器时应梯形图转化成助记符程序输入编程序控制器中
(5)编制程序
检查程序中条语法错误修改项工作编程器进行
(6)调试程序
检查程序否正确完成逻辑求合求编程器修改程序设计(包括画梯形图助记符程序编辑甚调试)工具进行IBMPC机机器配相应软件
(7)保存程序
调试通程序固化EPROM中保存磁盘备
65机械手编程序控制器控制方案
1系统简介
控制象圆柱座标气动机械手手臂具三度水方伸缩竖直方绕竖直轴时针方旋转逆时针方旋转外末端执行装置—机械手完成抓放功
动作均采气动方式驱动五二位五通电磁阀(阀两线圈应两相反动作)分控制五气缸机械手完成伸缩旋转机械手抓放动作中旋转运动组齿轮齿条气缸直线运动转化
旋转运动
样 PLC8输出端电磁阀8线圈相连通编程电磁阀线圈定序列激励机械手预先安排动作序列工作果欲改变机械手动作需改变接线需程序中动作代码序稍加修改
外 抓放外余六动作末端均放置限位开关检测动作否位果某动作没位出错指示灯亮
2工业机械手工作流程
机械手床料
机械手启动钮机械手动作
先右转右限位开关动作(1DT通电) →降限位开关(5DT通电) → 手腕逆时针转动90°(7DT通电) →手臂伸长限位开关(3DT通电) →检查物品物品手爪抓紧(9DT通电) →手臂收缩限位开关(4DT通电) →升限位开关(6DT通电) →左转左限位开关动作(2DT通电) →手腕时针转动90° (8DT通电) →手臂伸长长(3DT通电) →手爪松开(IODT通电) →延时T →手臂收缩短(4DT通电)工作循环完毕
3机械手工作时序图附图示
4 I0分配
根系统输入输出点数目选OMRONC 28P型PC16输入点
标号0000^0015 12输出点标号05000511
5梯形图设计(附图示)
根机械手逻辑时序图10分配画出控制梯形图附图示梯
形图出
(1)手臂左转条件左转位(0003OFF)收缩位(0006ON)升位(0007ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON)右转命令(0501OFF)
(2)手臂右转条件右转位(0004OFF)升位(0007ON)收缩位(0006ON)手腕转位(0010ON)手爪放松(0002OFF)左转命令(0500OFF)
(3)手臂伸长条件伸长位(0005OFF)收缩命令(0503OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)手爪放松(0002OFF) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)手爪抓紧(0002ON)
(4)手臂收缩条件收缩位(0006OFF)伸长命令(0502OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手爪抓紧(0002ON)手腕转位(0010ON)
(5)手臂升条件升位(0007OFF)降命令(0505OFF)收缩位(0006ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON)右转位(0004ON)
(6)手臂降条件降位(0008OFF)升命令(0504OFF)右转位(0004ON)收缩位(0006ON)手腕转位(0010ON)手爪放松(0002OFF)
(7)手腕逆转条件逆转位(0009OFF)转命令(0507OFF)右转位(0004ON)收缩位(0006ON)降位(0008ON)手爪放松(0002OFF)
(8)手腕转条件转位(0010OFF)逆转命令(0506OFF)左转位(0003ON)收缩位(0006ON)升位(0007ON)手爪抓紧(0002ON)
(9)手爪抓紧条件手爪未抓物品(0002OFF)放松命令(0509OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)伸长位(0005ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)检测物品(0011ON) 2)左转位(0003ON)伸长位(0005ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)
(9)手爪放松条件手爪抓紧(0002ON)抓紧命令(0508OFF)满足列条件1)左转位(0003ON)伸长位(0005ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)收缩位(0006ON)外停止钮时手臂停止动作手臂停止定位置
6机械手控制程序
机械手控制程序：
第七章 机械手结构
71机械手组成
机械手执行机构驱动系统控制系统组成〖9〗
（1）执行机构：包括手部手腕手臂立柱等部件增设行走机构71示
图71机构简图
① 手部：机械手工件接触部件物体接触形式分夹持式吸附式手部课题工件圆柱状棒料采夹持式手指传力机构构成手指工件接触传力机构通手指夹紧力完成夹放工件务
② 手腕：联接手部手臂部件起调整改变工件方位作
③ 手臂：支承手腕手部部件改变工件空间位置
④ 立柱：支承手臂部件手臂回转运动升降运动均立柱密切联系机械手立柱通常固定动
⑤ 机座：机械手基础部分机械手执行机构部件驱动系统均安装机座起支承联接作
（2）驱动系统：机械手驱动系统驱动执行运动传动装置常液压传动气压传动电力传动机械传动等四种形式
（3）控制系统：控制系统机械手指挥系统 控制驱动系统执行机构规定求进行工作检测正确否般常见电器电子回路控制计算机控制系统断增
72工业机械手分类
（1）根承担作业特点工业机械手分三类：
① 承担搬运工作机械手：种机械手工艺设备运行时完成辅助作业装卸毛坯工件工夹具
② 生产工业机械手：完成工艺程中作业装配焊接涂漆弯曲切断等
③ 通工业机械手：途广泛完成种工艺作业
（2）功分类
① 专机械手：附属机具固定程序独立控制系统机械装置专机械手具动作少工作象单结构简单实造价低等特点适批量动化生产动机床动线料机械手加工中心附属动换刀机械手
② 通机械手：称工业机器种具独立控制系统机械装置具程序变工作范围定位精度高通性强特点适断变换品种中批量动化生产
③ 示教现机械手：采示教法编程通机械手谓示教通手动控制拎着机械手做遍操作示范完成全部动作储存装置记忆机械手示范操作程序行程进行重复现工作
（3）驱动方式分
① 液压传动机械手
② 气压传动机械手
③ 机械传动机械手
（4）控制方式分
① 固定程序机械手：控制系统固定程序控制器程序简单程序数少固定行程调意点定位
② 编程序机械手：控制系统变程序控制器程序需编排行程方便改变
毕业设计感想
两月毕业设计转眼间扫尾阶段两月设计学程中取长足进步
毕业设计课题机械手设计前没接触说完全陌生者指导老师帮助参考资料拜读已机械手定解[2]
机械动化作工业发展方着广阔市场属实际需研制种项目机械手模仿体肢某动作需定灵敏度设计求较高通次设计提高分析解决问题力扩宽深化学知识掌握设计般程序规范方法培养正确机身材料国家标准图册等工具书力
毕业设计未工作种模拟
通次设计未事工作充满信心
参考资料
1机械设计手册3 机械工业出版社徐灏编
2机械设计手册4 机械工业出版社徐灏编
3机械设计手册5 机械工业出版社徐灏编
4工业机器 北京理工学出版社张建民著
5工业机械手机械结构 海科学技术出版社
工业机械手编写组
6机床设计手册3部件机构总体设计 机械工业出版
机床设计手册编写组
7液压传动 机械工业出版社丁树模编
8机械制图 连理工学工程画教教研室
高等教育出版社
9毕业设计指导书 青岛海洋出版社
李恒权朱明臣王德云编
10机械基础 中国劳动出版社王栋梁编
11solidworks设计应 电子工业出版社 隆生编
12机械制造技术 机械工业出版社黄鹤汀编
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摘
绪
11机械手发展概况
12机械手途分类
13机械手组成
14机械手发展趋势
二 抓取机构设计
21手部设计计算
22腕部设计计算
23臂伸缩机构设计
三 液压系统原理设计草图
31手部抓取缸
32腕部摆动液压回路
33臂伸缩缸液压回路
34总体系统图
四 机身机座结构设计
41电机选择
42减速器选择
五 机械手定位稳性
52影响稳性定位精度素
53机械手运动缓装置
六 机械手控制
61控制系统组成
62机械手PLC控制设计
63 编程序控制器选择工作程
64编程序控制器步骤
65机械手编程序控制器控制方案
七 机械手结构
71机械手组成
72工业机械手分类
毕业设计感想
参考资料
柔性制造系统料机械手设计
摘
课题普通车床配套设计料机械手工业机械手工业生产必然产物种模仿体肢部分功预定求输送工件握持工具进行操作动化技术设备实现工业生产动化推动工业生产进步发展起着重作具强生命力受广泛重视欢迎实践证明工业机械手代手繁重劳动显著减轻工劳动强度改善劳动条件提高劳动生产率动化水工业生产中常出现笨重工件搬运长期频繁单调操作采机械手效外高温低温深水宇宙放射性毒污染环境条件进行操作更显示优越性着广阔发展前途
课题通应AutoCAD 技术机械手进行结构设计液压传动原理设计实行动料运动安装工件时工件送入卡盘中夹紧运动等料机械手运动速度着满足生产率求设定
关键字 机械手AutoCAD
绪
11机械手发展概况
专机械手十年发展已进入通机械手标志时代通机械手应发展进促进智机器研制智机器涉知识容仅包括般机械液压气动等基础知识应电子技术电视技术通讯技术计算技术线电控制仿生学假肢工艺等项综合性较强新技术目前国外发展新技术重视十年项技术研究发展直较活跃设计断修改品种断增加应领域断扩
早40年代着原子工业发展已出现模拟关节式第代机械手
50～60年代制成传送装卸工件通机械手数控示教现型机械手种机械手称第二代机械手尤尼曼特(Unimate)机械手属种类型
60～70年代相继通机械手汽车车身点焊压生产动线第二代机械手新技术进入应阶段
8090年代装配机械手处鼎盛时期尤日
90年代机械手特殊途较发展工业广泛应外农林矿业航天海洋文娱体育医疗服务业军事领域较应
90年代着计算机技术微电子技术网络技术等快速发展机械手技术飞速元化发展
总目前机械手历分三代：
第代机械手工进行控制控制方式开环式没识力改进方低成提高精度
第二代机械手设电子计算机控制系统具视觉触觉力甚听想力研究安装种传感器接收信息反馈机械手具感觉机
第三代机械手独立完成工作程中务电子计算机电视设备保持联系逐步发展成柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重环
12机械手途分类
机械手称动手auto hand
模仿手臂某动作功固定程序抓取搬运物件操作工具动操作装置代繁重劳动实现生产机械化动化害环境操作保护身安全广泛应机械制造冶金电子轻工原子等部门
机械手手部运动机构控制系统三部分组成手部抓持工件（工具）部件根抓持物件形状尺寸重量材料作业求种结构形式夹持型托持型吸附型等运动机构手部完成种转动（摆动）移动复合运动实现规定动作改变抓持物件位置姿势运动机构升降伸缩旋转等独立运动方式称机械手度 抓取空间中意位置方位物体需6度度机 械手设计关 键参数 度越机械手灵活性越通性越广结构越复杂般专机械手2～3度
机械手种类驱动方式分液压式气动式电动式机械式机械手适范围分专机械手通机械手两种运动轨迹控制方式分点位控制连续轨迹控制机械手等
机械手通常作机床机器附加装置动机床动生产线装卸传递工件加工中心中更换刀具等般没独立控制装置操作装置需直接操原子部门操持危险物品式操作手常称机械手机械手锻造工业中应进步发展锻造设备生产力改善热累等劳动条件
机械手首先美国开始研制1958年美国联合控制公司研制出第台机械手
机械手采手动例阀控制液压控制方式
机械手完成操作象参数：①钻柱高30 m②钻杆重量：40 Kgm总重1200 Kg③钻铤（七英寸直径）重量：180 Kg m总重5400 Kg
13机械手组成
机械手执行机构驱动机构控制机构三部分组成
1执行机构
（1）手部 直接工件接触部分般回转型动型（回转型结构简单）手部两指（指）根需分外抓式抓式两种负压式真空式空气吸盘（吸冷光滑表面零件薄板零件）电磁吸盘
传力机构形式教常：滑槽杠杆式连杆杠杆式斜槭杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母式弹簧式重力式
（2）腕部 连接手部臂部部件调节抓物体方位扩机械手动作范围机械手变更灵巧适应性更强手腕独立度回转运动摆动左右摆动般腕部设回转运动增加摆动满足工作求动作较简单专机械手简化结构设腕部直接臂部运动驱动手部搬运工件
目前应广泛手腕回转运动机构回转液压（气）缸结构紧凑灵巧回转角度（般 2700）求严格密封否难保证稳定输出扭距求较回转角情况采齿条传动链轮轮系结构
（3）臂部 手臂部件机械手重握持部件作支撑腕部手部（包括工作夹具）带动做空间运动
臂部运动目：手部送空间运动范围意点果改变手部姿态（方位）腕部度加实现般说臂部具三度满足基求手臂伸缩左右旋转升降（俯仰）运动
手臂种运动通常驱动机构（液压缸者气缸）种传动机构实现臂部受力情况分析工作中受腕部手部工件静动载荷身运动较受力复杂结构工作范围灵活性抓重定位精度直接影响机械手工作性
（4）行走机构 工业机械手带行走机构国正处仿真阶段
2 驱动机构
驱动机构工业机械手重组成部分根动力源 工业机械手驱动机构致分液压气动电动机械驱动等四类采液压机构驱动机械手结构简单尺寸紧凑重量轻控制方便
3控制系统分类
机械手控制点动控制连续控制两种方式数插销板进行点位控制采编程序控制器控制微型计算机控制采凸轮磁盘磁带穿孔卡等记录程序控制坐标位置注意加速度特性
14机械手发展趋势
1重复高精度
精度指机械手达指定点精确程度驱动器分辨率反馈装置关重复精度指果动作重复次数机械手达样位置精确程度重复精度精度更重果机械手定位够精确通常会显示固定误差误差预测通编程予校正重复精度限定机误差范围通定次数重复运行机械手测定着微电子技术现代控制技术发展机械手重复精度越越高应领域更广阔核工业军事工业等
2 模块化
公司带系列导驱动装置机械手称简单传输技术模块化拼装机械手称现代传输技术模块化拼装机械手组合导驱动装置更具灵活安装体系集成电接口带电缆油导系统装置机械手动作模块化机械手机械手应模块具功扩机械手应范围机械手重发展方
3 节化
适应食品医药生物工程电子纺织精密仪器等行业污染求加润滑脂供油润滑元件已问世着材料技术进步新型材料出现构造特殊润滑材料制造润滑元件仅节省润滑油污染环境系统简单摩擦性稳定成低寿命长
4 机电体化
编程控制器—传感器—液压元件组成典型控制系统然动化技术重方面发展电子技术相结合适应控制液压元件液压技术开关控制进入高精度反馈控制 节省配线复合集成系统仅减少配线配元件拆装简单提高系统性电磁阀线圈功率越越PLC输出功率增PLC直接控制线圈变越越
国外机械手发展趋势力研制具某种智机械手具定传感力反馈外界条件变化作相应变更位置发生稍许偏差时更正行检测重点研究视觉功触觉功目前已取定成绩视觉功机械手安装电视相机光学测距仪微型计算机工作电视相机物体形象变成视频信号然送计算机便分析物体种类颜色位置发出指令控制机械手进行工作触觉功机械手安装触觉反馈控制装置工作时机械手首先伸出手指寻找工作通安装手指压力敏感元件产生触觉作然伸前方抓住工件手抓力通装手指敏感元件控制达动调整握力总着传感技术发展机械手装配作业力进步提高更重机械手柔性制造系统柔性制造单元相结合根改变目前机械制造系统工操作状态
着科学技术发展机械手应领域断扩目前机械手仅应传统制造业采矿冶金石油化学船舶等领域时已开始扩核航空航天医药生化等高科技领域家庭清洁医疗康复等服务业领域中
第二章 抓取机构设计
21手部设计计算
手部设计求
1适夹紧力
手部工作时应具适夹紧力保证夹持稳定变形损坏工件已加工表面刚性差工件夹紧力应该设计调节笨重工件应考虑采锁安全装置
2足够开闭范围
夹持类手部手指张开闭合装置工作时手指开闭位置变化量称开闭范围回转型手部手指开闭范围开闭角手指夹紧端长度表示手指开闭范围求许素关工件形状尺寸手指形状尺寸般说工作环境许开闭范围较图21示
图21 机械手开闭示例简图
3力求结构简单重量轻体积
手部处腕部前端工作时运动状态变结构重量体积直接影响整机械手结构抓重定位精度运动速度等性设计手部时必须力求结构简单重量轻体积
4手指应定强度刚度
5求
送料夹紧机械手根工件形状采常外卡式两指钳爪夹紧方式常闭史弹簧夹紧松开时单作式液压缸种结构较简单制造方便
二拉紧装置原理
图22示4：油缸右腔停止进油时弹簧力夹紧工件油缸右腔进油时松开工件
图22 油缸示意图
1右腔推力
FP（π／4）D²P （21）
（π／4）05²2510³
49087N
2根钳爪夹持方位查出量夹紧力计算公式：
F1（2b／a）（cosα′）²N′ （22）
中 N′498N392N带入公式22：
F1（2b／a）（cosα′）²N′
(215050)（cos30º）²392
1764N
实际加紧力 F1实际PK1K2η （23）
176415110853424N
圆整F13500N
3计算手部活塞杆行程长L
L（D2）tgψ （24）
25×tg30º
231mm
圆整取l25mm
4确定V型钳爪Lβ
取LRcp3 （25）
式中： RcpP4200450 （26）
公式（25）（26）：L3×Rcp150
取V型钳口夹角2α120º偏转角β佳偏转角确定
查表：
β22º39′
5机械运动范围（速度）1
（1）伸缩运动 Vmax500mms
Vmin50mms
（2）升运动 Vmax500mms
Vmin40mms
（3）降Vmax800mms
Vmin80mms
（4）回转Wmax90ºs
Wmin30ºs
取手部驱动活塞速度V60mms
6手部右腔流量
Qsv （27）
60πr²
60×314×25²
11775mm³s
7手部工作压强
P F1S （28）
350019625178Mpa
22腕部设计计算
腕部联结手部臂部部件腕部运动改变夹物体方位动作灵活转动惯性课题腕部具回转度采具活动度回转缸驱动腕部结构
求：回转±90º
角速度W45ºs
负荷计算：
工件处水位置时摆动缸工件扭矩采估算法工件重10kg长度l650mm图23示
1计算扭矩M1〖4〗
设重力集中离手指中心200mm处扭矩M1：
M1F×S （29）
10×98×02196（N·M）
工件
F
S
F
图23 腕部受力简图
2油缸（伸缩）配件估算扭矩M2〖4〗
F5kg S10cm
带入公式29
M2F×S5×98×01 49（N·M）
3摆动缸摩擦力矩M摩〖4〗
F摩300（N）（估算值）
S20mm （估算值）
M摩F摩×S6（N·M）
4摆动缸总摩擦力矩M〖4〗
MM1+M2+M摩 （210）
305（N·M）
5公式
TP×b（ΦA1²Φmm²）×1068 （211）
中： b—叶片密度里取b3cm
ΦA1—摆动缸径 里取ΦA110cm
Φmm—转轴直径 里取Φmm3cm
代入（211）公式
P8Tb（ΦA1²Φmm²）×106
8×305003×（01²003²）×106
089Mpa
W8Q（ΦA1²Φmm²）b
QW（ΦA1²Φmm²）b8
（π4）（01²003²）×0038
027×104m³s
27mls
23臂伸缩机构设计
手臂机械手执行部件作支撑腕部手部带动空间运动
臂部运动目般手部送达空间运动范围意点臂部受力情况工作中直接承受着腕部手部工件动静载荷身运动较受力较复杂
机械手精度终集中反映手部位置精度选择合适导装置定位方式显尤重
手臂伸缩速度200ms
行程L500mm
1手臂右腔流量公式（27）：4
Qsv
200×π×40²
1004800mm³s
0110²m³s
1000mls
2手臂右腔工作压力公式（28） ：〖4〗
PFS （212）
式中：F——取工件重手臂活动部件总重估算 F10+2030kg F摩1000N
代入公式（212）：
P（F+ F摩）S
（30×98+1000）π×40²
026Mpa
3绘制机构工作参数表图24示：
图24机构工作参数表
4初步计算选液压泵〖4〗
需液压高压力
P178Mpa
需液压流量
Q1000mls
选取CBD型液压泵（齿轮泵）
泵工作压力10Mpa转速1800rmin工作流量Q32—70mlr间满足需
5验算腕部摆动缸：
TPD（ΦA1²Φmm²）ηm×1068 （213）
W8θηv（ΦA1²Φmm²）b （214）
式中：Ηm—机械效率取： 085～09
Ηv—容积效率取： 07～095
代入公式（213）：
T089×003×（01²003²）×085×1068
258（N·M）
T
W（8×27×106）×085（01²003²）×003
0673rads
W<π4≈0785rads
取腕部回转油缸工作压力 P1Mpa
流量 Q35mls
圆整缸数值：
手部抓取缸工作压力PⅠ2Mpa
流量QⅠ120mls
臂伸缩缸工作压力PⅠ025Mpa
流量QⅠ1000mls
第三章 液压系统原理设计草图
31手部抓取缸
图 31手部抓取缸液压原理图〖7〗
1手部抓取缸液压原理图图31示
2泵供油压力P取10Mpa流量Q取系统需流量Q1300mls
需装图31中示调速阀流量定72Lmin工作压力P2Mpa
采：
YFB10B溢流阀
2FRM520102调速阀
23E110B二位三通阀
32腕部摆动液压回路
图 32腕部摆动液压回路〖7〗
1腕部摆动缸液压原理图图32示
2工作压力 P1Mpa
流量 Q35mls
采：
2FRM520102调速阀
34E110B 换阀
YFB10B 溢流阀
33臂伸缩缸液压回路
图 33臂伸缩缸液压回路〖7〗
1臂伸缩缸液压原理图图33示
2工作压力 P025Mpa
流量 Q1000mls
采：
YFB10B 溢流阀
2FRM520102 调速阀
23E110B二位三通阀
34总体系统图
图 34总体系统图〖7〗
1总体系统图图34示
2工作程
臂伸长→手部抓紧→腕部回转→臂回转→臂收缩→手部放松
3电磁铁动作序表
元件
动作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
臂伸长
－
+
+
手部抓紧
－
+
腕部回转
－
+
+
臂收缩
－
手部放松
－
+
卸荷
＋
±
±
±
±
图 35总体系统图
4确电机规格：
液压泵选取CBD型液压泵额定压力P10Mpa工作流量32～70mlr间选取80Lmin额定流量泵
：传动功率 NP×Qη （31）
式中：η08 （验值）
代入公式（31）：
N10×80×103×10660×08
167KN
选取电动机JQZ612型电动机额定功率17KW
转速2940rmin
第四章 机身机座结构设计
机身直接支承传动手臂部件般实现臂部升降回转俯仰等运动驱动装置传动件安装机身者直接构成机身躯干底座相连臂部运动愈机身结构受力情况愈复杂机身固定式行走式图41示
图41机身机座结构图
臂部机身配置形式基反映机械手总体布局课题机械手机身设计成机座式样机械手独立成系统完整装置便意安放搬动具行走机构臂部配置机座立柱中间见回转型机械手臂部机座立柱作升降运动获较升降行程升降程电动机带动螺柱旋转螺柱配合导致手臂运动手臂回转电动机带动减速器轴齿轮旋转带动机身旋转达度求
41电机选择
机身部两电机带动臂部升降运动二带动机身回转运动带动臂部升降运动电机安装肋板带动机身回转电机安装混凝土基
1带动臂部升降电机：〖10〗
初选升速度 V100mms
P6KW
n（1006）×601000转分
选择Y90S4型电机属笼型异步电动机采B级绝缘外壳防护等级IP44冷方式I（014）全封闭扇冷额定电压380V额定功率50HZ
图41 Y90S4电动机技术数示：
型号
额定功率KW
满载时
堵转电流
堵转转矩
转矩
电流A
转速rmin
效率
功率素
额定电流
额定转矩
额定转矩
Y90S4
11
27
1400
79
078
65
22
22
图41 Y90S4电动机技术数
2带动机身回转电机：〖10〗
初选转速 W60ºs
n16转秒
10转分
齿轮 i3
减速器 i30
n10×3×30900转分
选择Y90L6型笼型异步电动机
电动机采B级绝缘外壳防护等级IP44冷方式I（014）全封闭扇冷额定电压380V额定功率50HZ
图42 Y90S6电动机技术数示：
图42 Y90L6电动机技术
42减速器选择
减速器原动机工作机间独立闭式传动装置降低转速增
转矩满足工作需〖6〗
初选WD80型圆柱蜗杆减速器
WD蜗杆置式级传动阿基米德圆柱蜗杆减速器
蜗杆材料38siMnMo调质
蜗轮材料ZQA194
中心矩a80
Ms×q40×11 （41）
传动I30
传动惯量0265×10ˉ³kg·m²
43螺柱设计校核
螺杆机械手支承件传动手臂运动
螺杆材料选择：〖6〗
济角度讲满足求材料铸铁
螺距 P6mm 梯形螺纹
螺纹工作高度 h05P （42）
3mm
螺纹牙底宽度 b065P065×639mm （43）
螺杆强度 [σ] σs3～5 （44）
1503～5
30～50Mpa
螺纹牙剪切[τ]40
弯曲[σb]45～55
1量应力〖6〗
(45)
式中 T——传递转矩N·mm
[σ]——螺杆材料许应力
代入公式（45）：
σ （4×200×98πd1²）²+3（200×98×0602d1³）²
（2495 d1²）²+3（612 d1³）²≤30～50×106
（2495 d1²）²+3（612 d1³）²≤900～2500×1012
6225025d14+11236d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×00292+11236≤900×00296×1012
16471pa＜535340pa
合格
2剪切强度〖6〗
ZHP1606 （旋合圈数） （46）
τFπd1bz （47）
200×98π×0029×39×（1606）×103
2068×103pa
0206Mpa＜[τ]40Mpa
3弯曲强度〖6〗
σb3Fhπd1b2z
3×200×98×3π×29×392×（1606）
048Mpa＜[σ]45Mpa
合格
第五章 机械手定位稳性
51常定位方式
机械挡块定位行程终点设置机械挡块机械手减速运行终点时紧挡块定位
定位前已减速定位时驱动压力未撤种情况机械挡块定位达较高重复精度般高
±05mm定位时关闭驱动油路掉工作压力时机械手挡块碰回微距离定位精度变低
52影响稳性定位精度素
机械手否准确工作实际三维空间定位问题干线量角量定位组合许较简单情况单量值影响单线量角量定位误差素：
（1）定位方式
定位方式影响素机械挡块定位时定位精度挡块刚度碰接挡块时速度等素关
（2）定位速度
定位速度定位精度影响定位速度时必须耗散运动部件量通常减定位误差应合理控制定位速度提高缓装置缓性缓效率控制驱动系统运动部件适时减速
（3）精度
机械手制造精度安装调速精度定位精度直接影响
（4）刚度
机械手身结构刚度接触刚度低时易产生振动定位精度般较低
（5）运动件重量
运动件重量包括机械手身重量抓物重量
运动件重量变化定位精度影响较通常运动件重量增加时定位精度降低设计时仅减运动部件身重量考虑工作时抓重变化影响
（6 ）驱动源
（7 液压气压压力波动电压油温气温波动会影响机械手重复定位精度采必稳压调节油温措施蓄器稳定油压加热器冷器控制油温低速时温度压力补偿流量控制阀控制
（7）控制系统
开关控制电液例控制伺服控制位置控制精度相仅种控制元件精度灵敏度位置反馈装置关
课题采定位精度机械挡块定位
53机械手运动缓装置
缓装置分缓外缓两种形式缓形式油缸端部缓装置缓回路等外缓形式弹性机械元件液压缓器缓优点结构简单紧凑时安置位置限外缓优点安置位置灵活简便缓性调等结构较庞
课题采缓装置油缸端部缓装置
活塞运动距油缸端盖某距离时活塞端盖间形成缓室利节流原理缓室产生时背压阻力运动减速直停止避免硬性击装置称油缸端部缓装置
缓行程中节流口恒定称恒节流式油缸端部缓装置
设计油缸端部恒节流缓装置时amax（加速度）Pmax（缓腔击压力）Vr（残余速度）三参数受工作条件限制通常采办法先选定中参数然校验余两参数步骤：
① 选择加速度
通常amax值机械手类型结构特点选取时考虑速度载荷重载低速机械手 amax取5ms2轻载高速机械手amax取5～10 ms2
② 计算运动方作活塞外力F
水运动时： FPSAFf （51）
025×103×π×3627
138N
③ 计算残余速度Vr
VrVO 1amaxmF （52）
01064015ms
第六章 机械手控制
61控制系统组成
控制系统机械手重组成部分某种意义讲控制系统起着脑相似作机械手手部腕部臂部等动作相关机械协调动作通控制系统实现控制容动作序动作位置路径动作时间
机械手代完成某操作通常需具图61示机〖3〗
实现述种机控制方式种样机械手程序控制方式分两类固定程序控制方式变程序控制方式
课题固定程序控制类机械式控制
常凸轮杠杆机构控制机械手动作序时间速度般常驱动机构结构简单维修方便寿命较长工作较适控制程序步数少专机械手
装卸工件 状识
环境识
操作机
检测识机
控制机
示教机
动作控制机
动作序控制机
运动控制机
图61机械手控制机
62机械手PLC控制设计
考虑机械手通性时点位控制采编程序控制器
(PLC)机械手进行控制机械手动作流程改变时需改变PLC程序
实现非常方便快捷
63 编程序控制器选择工作程
编程序控制器选择
目前 国际生产编程序控制器厂家日三菱公司F系列PC德国西门子公司SIMATIC N5系列PC日OMRON(立石)公司C型P型
PC等考虑机械手输入输出点工作流程较简单时考虑制造
成次设计中选择OMRON公司C28P型编程序控制器
编程序控制器工作程
编程序控制器通执行户程序完成种控制务采
循环扫描工作方式具体工作程分4阶段
第阶段初始化处理
编程序控制器输入端子直接机相连CPU输入输出状态询
问针输入输出状态暂存器言输入输出状态暂存器称I0状态表
该表专门存放输入输出状态信息存储区中存放输入状态信息存储
器输入状态暂存器存放输出状态信息存储器输出状态暂存器开机时 CPU首先I0状态表清零然进行诊断确认硬件工作正常进入
阶段
第二阶段处理输入信号阶段
处理输入信号阶段CPU输入状态进行扫描获输入端子
状态信息送I0状态表中存放扫描周期输入点状态I0
状态表中直保持变会受输入端子信号变化影响造成
运算结果混乱保证周期户程序正确执行
第三阶段程序处理阶段
输入状态信息全部进入I0状态表CPU工作进入第三阶段
阶段中编程序控制器户程序进行次扫描根I0状态关
指令进行运算处理结果写入I0状态表输出状态暂存器中
第四阶段输出处理阶段
CPU户程序已扫描处理完毕运算结果写入I0状态表状态暂存器中时输入信号输出状态暂存器中取出送输出锁存电路驱动输出继电器线圈控制控设备进行种相应动作然CPU返回执行循环扫描周期
64编程序控制器步骤
编程序控制器控象(机器设备生产程)构成动控制系
统时通常七步骤进行
(1)系统设计
确定控象动作动作序
(2) I0分配
确定信号送编程序控制器分配相应输入端号信号编程序控制器送控象分配相应输出端号外编程序控制器部计数器定时器等进行分配编程序控制器通编号识信号
(3)画梯形图
继电器控制逻辑梯形图概念相表达系统中全部动作相互关系果图形编程器(LCDCRT)画出梯形图相编制出程序梯形图直接送入编程序控制器简易编程器步助记符程序转换程
(4)助记符机器程序
相微机助记符程序面机器(厂家编程序控制器助记符指令形式)简易编程器时应梯形图转化成助记符程序输入编程序控制器中
(5)编制程序
检查程序中条语法错误修改项工作编程器进行
(6)调试程序
检查程序否正确完成逻辑求合求编程器修改程序设计(包括画梯形图助记符程序编辑甚调试)工具进行IBMPC机机器配相应软件
(7)保存程序
调试通程序固化EPROM中保存磁盘备
65机械手编程序控制器控制方案
1系统简介
控制象圆柱座标气动机械手手臂具三度水方伸缩竖直方绕竖直轴时针方旋转逆时针方旋转外末端执行装置—机械手完成抓放功
动作均采气动方式驱动五二位五通电磁阀(阀两线圈应两相反动作)分控制五气缸机械手完成伸缩旋转机械手抓放动作中旋转运动组齿轮齿条气缸直线运动转化
旋转运动
样 PLC8输出端电磁阀8线圈相连通编程电磁阀线圈定序列激励机械手预先安排动作序列工作果欲改变机械手动作需改变接线需程序中动作代码序稍加修改
外 抓放外余六动作末端均放置限位开关检测动作否位果某动作没位出错指示灯亮
2工业机械手工作流程
机械手床料
机械手启动钮机械手动作
先右转右限位开关动作(1DT通电) →降限位开关(5DT通电) → 手腕逆时针转动90°(7DT通电) →手臂伸长限位开关(3DT通电) →检查物品物品手爪抓紧(9DT通电) →手臂收缩限位开关(4DT通电) →升限位开关(6DT通电) →左转左限位开关动作(2DT通电) →手腕时针转动90° (8DT通电) →手臂伸长长(3DT通电) →手爪松开(IODT通电) →延时T →手臂收缩短(4DT通电)工作循环完毕
3机械手工作时序图附图示
4 I0分配
根系统输入输出点数目选OMRONC 28P型PC16输入点
标号0000^0015 12输出点标号05000511
5梯形图设计(附图示)
根机械手逻辑时序图10分配画出控制梯形图附图示梯
形图出
(1)手臂左转条件左转位(0003OFF)收缩位(0006ON)升位(0007ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON)右转命令(0501OFF)
(2)手臂右转条件右转位(0004OFF)升位(0007ON)收缩位(0006ON)手腕转位(0010ON)手爪放松(0002OFF)左转命令(0500OFF)
(3)手臂伸长条件伸长位(0005OFF)收缩命令(0503OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)手爪放松(0002OFF) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)手爪抓紧(0002ON)
(4)手臂收缩条件收缩位(0006OFF)伸长命令(0502OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手爪抓紧(0002ON)手腕转位(0010ON)
(5)手臂升条件升位(0007OFF)降命令(0505OFF)收缩位(0006ON)手腕逆转位(0009ON)手爪抓紧(0002ON)右转位(0004ON)
(6)手臂降条件降位(0008OFF)升命令(0504OFF)右转位(0004ON)收缩位(0006ON)手腕转位(0010ON)手爪放松(0002OFF)
(7)手腕逆转条件逆转位(0009OFF)转命令(0507OFF)右转位(0004ON)收缩位(0006ON)降位(0008ON)手爪放松(0002OFF)
(8)手腕转条件转位(0010OFF)逆转命令(0506OFF)左转位(0003ON)收缩位(0006ON)升位(0007ON)手爪抓紧(0002ON)
(9)手爪抓紧条件手爪未抓物品(0002OFF)放松命令(0509OFF)满足列条件1)右转位(0004ON)伸长位(0005ON)降位(0008ON)手腕逆转位(0009ON)检测物品(0011ON) 2)左转位(0003ON)伸长位(0005ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)
(9)手爪放松条件手爪抓紧(0002ON)抓紧命令(0508OFF)满足列条件1)左转位(0003ON)伸长位(0005ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON) 2)左转位(0003ON)升位(0007ON)手腕转位(0010ON)收缩位(0006ON)外停止钮时手臂停止动作手臂停止定位置
6机械手控制程序
机械手控制程序：
第七章 机械手结构
71机械手组成
机械手执行机构驱动系统控制系统组成〖9〗
（1）执行机构：包括手部手腕手臂立柱等部件增设行走机构71示
图71机构简图
① 手部：机械手工件接触部件物体接触形式分夹持式吸附式手部课题工件圆柱状棒料采夹持式手指传力机构构成手指工件接触传力机构通手指夹紧力完成夹放工件务
② 手腕：联接手部手臂部件起调整改变工件方位作
③ 手臂：支承手腕手部部件改变工件空间位置
④ 立柱：支承手臂部件手臂回转运动升降运动均立柱密切联系机械手立柱通常固定动
⑤ 机座：机械手基础部分机械手执行机构部件驱动系统均安装机座起支承联接作
（2）驱动系统：机械手驱动系统驱动执行运动传动装置常液压传动气压传动电力传动机械传动等四种形式
（3）控制系统：控制系统机械手指挥系统 控制驱动系统执行机构规定求进行工作检测正确否般常见电器电子回路控制计算机控制系统断增
72工业机械手分类
（1）根承担作业特点工业机械手分三类：
① 承担搬运工作机械手：种机械手工艺设备运行时完成辅助作业装卸毛坯工件工夹具
② 生产工业机械手：完成工艺程中作业装配焊接涂漆弯曲切断等
③ 通工业机械手：途广泛完成种工艺作业
（2）功分类
① 专机械手：附属机具固定程序独立控制系统机械装置专机械手具动作少工作象单结构简单实造价低等特点适批量动化生产动机床动线料机械手加工中心附属动换刀机械手
② 通机械手：称工业机器种具独立控制系统机械装置具程序变工作范围定位精度高通性强特点适断变换品种中批量动化生产
③ 示教现机械手：采示教法编程通机械手谓示教通手动控制拎着机械手做遍操作示范完成全部动作储存装置记忆机械手示范操作程序行程进行重复现工作
（3）驱动方式分
① 液压传动机械手
② 气压传动机械手
③ 机械传动机械手
（4）控制方式分
① 固定程序机械手：控制系统固定程序控制器程序简单程序数少固定行程调意点定位
② 编程序机械手：控制系统变程序控制器程序需编排行程方便改变
毕业设计感想
两月毕业设计转眼间扫尾阶段两月设计学程中取长足进步
毕业设计课题机械手设计前没接触说完全陌生者指导老师帮助参考资料拜读已机械手定解[2]
机械动化作工业发展方着广阔市场属实际需研制种项目机械手模仿体肢某动作需定灵敏度设计求较高通次设计提高分析解决问题力扩宽深化学知识掌握设计般程序规范方法培养正确机身材料国家标准图册等工具书力
毕业设计未工作种模拟
通次设计未事工作充满信心
参考资料
1机械设计手册3 机械工业出版社徐灏编
2机械设计手册4 机械工业出版社徐灏编
3机械设计手册5 机械工业出版社徐灏编
4工业机器 北京理工学出版社张建民著
5工业机械手机械结构 海科学技术出版社
工业机械手编写组
6机床设计手册3部件机构总体设计 机械工业出版
机床设计手册编写组
7液压传动 机械工业出版社丁树模编
8机械制图 连理工学工程画教教研室
高等教育出版社
9毕业设计指导书 青岛海洋出版社
李恒权朱明臣王德云编
10机械基础 中国劳动出版社王栋梁编
11solidworks设计应 电子工业出版社 隆生编
12机械制造技术 机械工业出版社黄鹤汀编
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