（机械制造及其自动化专业论文）拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究.pdf

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a c t i n gh y d r a u l i cs t r e t c h e r ，ap l a c i n ga n d r e m o v i n gm a n i p u l a t o ro fs t r e t c h e rh a sb e e nd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，t h em a n i p u l a t o r c o u l dt a k et h ep l a c eo fm a n u a lw o r k ，i m p r o v et h ed e g r e eo fa c c u r a c yo fp l a c i n ga n d r e m o v i n ga n de n h a n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fs t r e t c h e r i nt h i sp a p e r ，f i r s tt h ew o r k i n gs t a t u so fs t r e t c h e rw a sa n a l y z e d ，t h e nc o m p l e t e dt h e o v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g na n ds p a t i a ll a y o u to ft h em a n i p u l a t o r ，a f t e rt h a tt h ew o r k f l o w a c t i o no fm a n i p u l a t o ri sa n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h a tt h es i z eo fw o r k p i e c ei su n s t a b l e ， a u t o m a t i cc e n t e r i n gc r o s sc o n n e c t i n gr o dt r a n s l a t i o ng r i p p e r si sd e s i g n e d t h eh y d r a u l i c s y s t e mo fm a n i p u l a t o ri sd e s i g n e d ，w h i c hp r o v i d et h ea c t i o ns e q u e n c et a b l eo ft h e h y d r a u l i cs y s t e m se l e c t r o m a g n e ta n dt h ea c t i o nc y c l ef i g u r eo fh y d r a u l i ca c t u a t o r ，t h e n a n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m a f t e rt h a tt h et y p es e l e c t i o no f h y d r a u l i cc y l i n d e r ，h y d r a u l i cm o t o r ，e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ev a l v ea n dh y d r a u l i cp u m p i sd o n e f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi sc h e c k e dt oe n s u r et h e s y s t e m ss t a b l eo p e r a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ek i n e m a t i c sm o d e lo fm a n i p u l a t o ri sf i n i s h e db yu s i n gt h ed h m e t h o d ，a n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n si ss o l v e d ，f m a l l yt h es i m u l a t i o no ft h e k i n e m a t i c sa n di n v e r s ek i n e m a t i c si sd o n eb yu s i n gt h er o b o t i c st o o l b o xo fm a t l a b ， t h e nt h es p a c et r a j e c t o r yo ft h em a n i p u l a t o re n de f f e c t o ra n dt h ec u r v e so fe a c hj o i n t s d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o ni sa c h i e v e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ep o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m o ft h em a n i p u l a t o rf o r e a r mi s e s t a b l i s h e d ，a n das i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db ys i m u l i n ki nm a t l a b ，f o rt h es y s t e m o p t i m i z a t i o no fl o c a ls t r u c t u r ea n da n a l y s i so fj e t t i n gp e r f o r m a n c e o f m a i n n o z 。z 1 e i n a n a i r j e t l o o m a b s t r a c t d a m p i n gi sr e l a t i v e l ys m a l l ，w h i c hl e a d st oa l lu n s t a b l es y s t e m ，t h ep r e s s u r ef e e d b a c k c o n t r o li sa d d e dt ot h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v op o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e st h es y s t e md a m p i n gr a t i oa n ds y s t e ms t a b i l i t y ，t h e r e b yi n c r e a s et h ea c c u r a c y o fm a n i p u l a t o rp l a c i n g t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fk i n e m a t i c so fm a n i p u l a t o rh e l p st ov e r i f yt h e r a t i o n a l i t yo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e s i g no f t h em a n i p u l a t o r ，a l s op r o v i d ear e l i a b l e b a s i sf o rt h e o r e t i c a la n a l y s i so nm a n i p u l a t o r sc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，d y n a m i c sr e s e a r c h a n dt r a j e c t o r yp l a n n i n g t h er e s e a r c ho nf o r e a r mp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mo fm a n i p u l a t o r s h o w st h a tp r e s s u r ef e e d b a c kc o n t r o lc a ni n c r e a s et h es t a b i l i t yo ft h ef o r e a r mp o s i t i o n c o n t r o ls y s t e ma n di m p r o v et h ea c c u r a c yo fm a n i p u l a t o rp l a c i n g k e yw o r d s ：m a n i p u l a t o r ，k i n e m a t i c ，m a t l a b e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l ，p r e s s u r e f e e d b a c k w r i t t e n b y ：z h a oj i n r o n g s u p e r v i s e db y ：s h e n gx i a o m i n g 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 机械手发展现状及其分类2 1 2 1 机械手概述及其发展现状2 1 2 2 机械手的组成及分类4 1 3 本文的主要研究内容6 第二章机械手总体结构设计8 2 1 总体设计8 2 1 1 拉伸机工作状态分析。8 2 1 2 机械手总体结构设计1 0 2 2 机械手手部夹持器的设计1 5 2 2 i 夹持器定位误差分析1 5 2 2 3 连杆交叉双活塞式平移夹持器1 7 2 3 本章小结1 8 第三章机械手液压系统设计1 9 3 1 机械手液压系统设计1 9 3 1 1 机械手液压系统1 9 3 1 2 机械手液压系统工作原理1 9 3 2 液压系统关键元件及主要参数确定2 4 3 2 1 液压执行元件主要参数的确定2 4 3 2 2 电液伺服阀的参数确定2 7 3 2 3 液压泵的计算选择2 7 3 3 液压系统的性能验算2 8 3 4 本章小结2 9 第四章机械手运动学分析及仿真3 0 4 1 机器人运动学概述3 0 4 2 机器人运动学方程的d h 表示法3 0 4 3 上下料机械手运动学方程3 3 4 3 1 机械手正运动学方程的d h 表示法3 3 4 3 2 机械手逆运动学方程求解3 5 4 4 上下料机械手运动学仿真3 7 4 4 1 机械手仿真模型的建立3 7 4 4 2 机械手正、逆运动学仿真3 9 4 4 3 机械手轨迹规划4 0 4 5 本章小结4 5 第五章机械手电液伺服位置控制系统研究4 6 5 1 机械手电液伺服位置控制系统的数学模型4 6 5 1 1 电液伺服位置控制系统原理4 6 5 1 2 电液伺服位置控制系统基本方程4 6 5 1 3 电液伺服位置控制系统的数学模型4 8 5 2 机械手电液伺服位置控制系统的仿真4 9 5 2 1 电液伺服位置控制系统仿真参数的计算4 9 5 2 2 电液伺服位置控制系统仿真模型的建立5 3 5 3 压力反馈控制及其仿真。5 4 5 3 1 压力反馈控制原理5 4 5 3 2 系统压力反馈控制仿真。5 5 5 4 本章小结5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 总结5 8 6 2 展望5 8 参考文献6 0 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文。6 5 蜀e谢6 6 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章首先介绍拉伸机上下料机械手的研究背景及其意义，详细阐述 了机械手研究现状及其发展，最后，介绍了本文的主要工作和成果。 1 1 课题研究背景及意义 经过近5 0 年的科技的进步与发展，液压技术已经成为一门影响现代机械装备 技术的重要基础学科和基础技术。液压机是一种利用液体压力来传递能量，以实 现各种压力加工工艺的机床。随着新工艺及新技术的应用，液压机在金属加工和 非金属成形方面的应用越来越广泛，在机床行业中所占的份额正在大幅攀升【l 2 】。 拉伸机作为液压机的一种，属于压延设备技术领域，它能够将金属薄板拉伸成型， 广泛应用于五金、家电、汽车等铝制品、不锈钢制品行业【3 】。目前，由于劳动力 成本和技术问题，国内拉伸机的上下料仍然采用人工上下料，不仅效率低、精度 低，而且工人的劳动强度大，存在操作者发生安全事故的隐患。有些拉伸机生产 厂商为了防止操作者发生安全事故，在拉伸机上加入了一些防护措施，如加入光 电保护器等；但这不能从根本上防止操作者的安全。因此，设计机械手以代替人 工进行上下料的操作就变得十分重要。 国内已有拉伸机自动化加工的相关研究，但相对比较少，如张谭才1 4 发明了 一种智能拉伸机，其中就设计了一个自动送料装置和自动出了装置，实现了拉伸 机的自动化加工；张英男等【5 】研究了钛电极预制挤压液压机的电极棒制品自动接 料装置，实现了自动接料，减轻了工人的劳动强度；黄锦坤1 6 等设计了圆筒形拉 深件自动生产线，为四柱液压机设计了自动上料装置，并且设计了机械手输送机 构，实现了圆筒形拉伸件的自动化n - i - _ ；王志明等【_ 7 】设计了压力机取件机械手的 液压系统。在国外，工业加工在上世纪六七十年代就已经形成了完整的自动化线， 工业机器人及工业机械手技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应 用。相继形成了具有影响力的、著名的工业机器人公司，如瑞典的a b br o b o t i c s ， 日本的f a n u c 、y a s k a w a ，德国的k u k ar o b o t e r ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、 a m e r i c a nr o b o t ，意大利的c o m a u ，英国的a u t o t e c hr o b o t i c s 公司等，这些公 司已经成为其所在地区的支柱性产业【8 】。 本文针对国内拉伸机加工效率低、上料精度低、工人劳动强度大、有发生安 全事故的隐患的缺点，设计了拉伸机专用的上下料机械手。针对工件在拉伸过程 第一章绪论拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 中直径会发生变化的特点，本文设计了能够自动对中的连杆交叉式平移夹持器； 建立了机械手运动学方程并对进行了运动学仿真；设计了机械手小臂电液伺服位 置控制系统，针对该系统阻尼比小，使系统不稳定的缺点，本文加入了压力反馈 控制，提高机械手上料的精度，使机械手能够准确的定位，并且稳定完成上下料 的任务。拉伸机专用上下料机械手的设计实现了拉伸机加工的自动化，提高了生 产效率、改善了车间环境、提高了上料的精度、降低工人的劳动强度。 1 2 机械手发展现状及其分类 1 2 1 机械手概述及其发展现状 工业机械手( 以下简称机械手) 是工业机器人的重要组成部分，是近代自动 控制领域出现的一项新技术，它是- - i - j 多学科交叉的边沿学科，是当今发展最快 的高技术领域之一，并且已经成为机械制造生产系统中的重要组成部分。机械手 是一种能够模仿人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬 运或操作的自动机械装置 8 1 1 】。 目前，世界上对于机械手还没有清晰和统一的定义。国际标准化组织( i s o ) 对工业机器人做了如下定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功 能，能够完成各种作业的可编程操作机 。美国机器人行业协会( u s r o b o t i c s i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 对工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、 零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作 任务的特种装置 。这里将工业机器人视为扩展了功能的机械手。我国国家标准 也对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程 的、多功能的、多自由度的操作机，它能够搬运材料、零件或操持工具，用于完 成各种任务作业”。其中，机械手作为工业机器人的重要组成部分被定义为：“具 有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置 1 2 1 5 o 机械手的应用可以提高工业生产的自动化水平和劳动效率；可以减轻操作者 的劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；特别是在高温、高压、低温、粉尘、 易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手可以代替人进行正常的工作， 意义重大。因此，现在机械手不仅局限于最早应用的汽车制造业，其应用领域在 扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、 福利事业、海洋和开发事业【1 6 】。 2 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 第一章绪论 机械手的历史可以追溯到1 9 5 4 年，美国科学家g e o r g ed e v o l 开发出第一台 可编程的工业机器人，并于1 9 6 1 年发表了该项机器人专利，该设备能执行从一点 到另一点的受控运动，这被认为是“机器人时代的开始。1 9 5 8 年美国联合控制 公司研制出第一台机械手，它的结构是在机体上安装一个回转长臂，长臂顶部装 有电磁块的工件抓放机构，控制系统为示教型。1 9 6 2 年，美国联合公司在上述基 础上又试制了一台数控示教再现型u n i m a m 机械手，其运动系统是仿照坦克炮塔 的运动系统，手臂可回转、俯仰和伸缩，采用液压驱动，控制系统以磁鼓作为存 储装置，以后的许多球坐标通用机械手就是在此基础上发展起来的；同年，美国 机械铸造公司试制成功v e r s a t r a n 机械手，该机械手的中央立柱可以回转、升降， 驱动系统采用液压驱动，控制系统为示教型。1 9 7 0 年，v i c t o rs c h e n m a n 在斯坦福 大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是著名的斯坦福机械手，目前对于此 机械手还有很多研究机构在研究它。7 0 年代以后，以机械手为核心的自动化设备 在发达国家得到了广泛应用，尤其是日本。8 0 年代，机器人技术及机械手技术的 应用向各个行业扩展，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、军事作战、 地下采矿、救灾抢险等领域的机器人。到了9 0 年代，随着计算技术、微电子技术、 网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展1 1 7 2 3 】 o 综上所述，随着机械手技术的发展，机械手的发展大体经历的三代1 2 刎： 第一代机械手主要靠人工进行控制，控制方式为开环，没有识别能力： 第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想 能力： 第三代机械手能独立完成工程中的任务，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系统( f m s ) 和柔性制造单元( f m c ) 中重要的组成部 分。 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合的制造装备， 因此机械手的发展和进步依赖与之相关的技术的发展。如今，机械手技术的发展 正在向智能化方向发展，其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化，伺服驱动 技术的数字化和分散化，控制技术的开放化、p c 化和网络化，多传感器融合技术 的实用化，工作环境实际的优化和作业的柔性化，以及系统网络化和智能化等 2 5 】。 第一章绪论拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 我国机械手及机器人的研究工作起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代后期开始工业 机器人的研究，当时主要是局限于理论探讨。经过2 0 多年的研制和应用，目前在 工业机械手的一些机种方面，如喷漆机械手、焊接机械手、搬运机械手、装配机 器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的本体设计制造技 术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，有了一支具有一定 水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础2 6 2 引。 但是，我国工业机械手在总体上与世界先进水平还有很大的差距，主要表现 在工业机械手的拥有量远远不能满足社会的需求，长期大量依靠国外进口，现在 的水平仅仅相当于国外9 0 年代中期的水平【2 9 1 。另外，机械手的应用也不够广泛， 特别是在拉伸机加工行业。因此，本文设计了拉伸机专用上下料机械手，为满足 机械手上料的精度要求，又对机械手小臂设计了电液伺服位置控制系统；对机械 手进行运动学分析和仿真，使机械手的设计满足要求。 虽然我国工业机械手的发展落后于其他发达国家，但是经过2 0 多年的发展， 也取得了一些成就。现在，国内从事机器人及机械手的研发单位有2 0 0 多家，专 业从事机器人及机械手产业开发的企业有5 0 家以上。一些科研院所和大学也在对 机器人进行研发工作。“九五 期间，国家“8 6 3 高技术计划已经确立了沈阳新 松机器人自动化过分有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团 涂装技术开发中心、国家机械局北京自动化研究所工业机器人与应用技术工程研 究中心等九家公司为以智能机器人为主题的产业化基地【1 2 】。 1 2 2 机械手的组成及分类 机械手主要由执行机构、驱动机构、控制系统以及位置检测装置等所组成。 图1 1 显示了各个组成部分的相互关系。控制系统根据位置检测装置提供的执行 机构位置发出控制信号，使得驱动机构工作，驱动执行机构运动到指定位置，然 后抓取工件，将工件移动到指定位置。 图1 - 1 机械手组成方框图 4 拉伸机专用上下料机械于的设计与控制系统研究第一章绪论 机械手的执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的也设有行走机 构。机械手常见的传动方式有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种 方式。机械手的控制主要有点位控制、连续轨迹控制、力控制和智能控制方式等。 位置检测装置是用于检测机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际 位置反馈给控制系统与设定的位置进行比较，通过控制系统进行调整修正，使机 械手执行机构能够得到一定的位置精度。 机械手的分类有多种方式，可以按照用途、规格( 所搬运的工件重量) 、驱 动方式以及机械手运动坐标型式分类。 1 按用途分类 ( 1 ) 专用机械手专属于某一主机，并具有固定程序无独立控制系统的机械装 置，其结构较简单、动作单一，适用于大批量的自动化生产，主要用于机床、自 动化线或加工中心等的自动上下料或自动换刀。 ( 2 ) 通用机械手是具有独立控制系统，可重复编程，动作灵活多样的一种机 械手，其工作范围大，定位精度高，通用性好，适用于不断变换生产品种的中小 批量的自动化生产。 2 按规格分类 ( 1 ) 微型机械手抓重小于l k g ； ( 2 ) 小型机械手抓重为1 1 0 k g ； ( 3 ) 中型机械手抓重为l o - 3 0 k g ； ( 4 ) 大型机械手抓重大于3 0 k g 。 3 按驱动方式分类 ( 1 ) 液压驱动机械手以压力油为传动介质，用来驱动执行机构的运动的机械 手； ( 2 ) 气压驱动机械手以压缩空气为传动介质，用来驱动执行机构运动的机械 手； ( 3 ) 机械传动机械手叫机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机 构等) 驱动执行机构运动的机械手； ( 4 ) 电力驱动机械手曲电机直接驱动执行机构的机械手。 4 按机械手运动坐标型式分类 5 第一章绪论 拉伸机专用k 下料机械手的设计与控制系统研究 ( 1 ) 直角坐标式机械手手臂可以沿坐标轴( x 、y 、z 坐标轴) 方向移动， 即沿x 轴的伸缩运动、沿z 轴的升降运动和沿y 轴的横移。此机械手结构简单， 定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。 ( 2 ) 圆柱坐标式机械手手臂的运动由两个直线运动和一个回转运动组成，即 沿x 轴的伸缩运动、沿z 轴的升降运动和绕z 轴的回转运动。圆柱坐标式机械手 占地面积小而活动面积大，结构简单，并可以达到较高的定位精度，因此应用比 较广泛。 ( 3 ) 球坐标式机械手手臂的运动由一个直线运动和两个转动运动组成，即沿 x 轴的伸缩运动、绕y 轴的俯仰运动和绕z 轴的回转运动。球坐标式机械手动作 灵活，占地面积小而工作范围大，适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。 ( 4 ) 关节式机械手手臂的运动类似人的手臂可做几个方向的转动，它是由大 小两臂和立柱等组成，大小臂之间的联接为肘关节，大臂和立柱之间的联接为肩 关节。手臂的运动由三个回转运动组成，即大臂的俯仰运动、小臂的俯仰运动和 大臂的回转运动。关节式机械手的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强。 1 3 本文的主要研究内容 本文针对目前拉伸机加工主要靠手动操作进行上下料，效率低、精度低及存 在安全隐患的缺点，设计了拉伸机专用的上下料机械手，该机械手采用圆柱坐标， 由液压驱动，其设计包括机械机构设计，手部夹持器设计，液压系统设计，运动 设计及控制系统设计，本文重点研究了机械手运动学，完成了正逆运动学方程的 建立，运动学仿真；研究了机械手小臂位置控制系统，建立了小臂电液伺服位置 控制系统，针对该系统阻尼比较小从而影响小臂上料精度的问题，设计了压力反 馈控制器，使系统的阻尼比大大提高，提高了系统的稳定性及机械手上料精度。 本文的主要完成以下的工作： 1 介绍拉伸机上下料机械手的研究背景，机械手的发展，国内外机械手的研究现 状； 2 完成了机械手的总体结构设计，对机械手的安装位置进行的设计，并分析机械 手手部传统夹持器的定位误差，根据拉伸机工件直径变化的特点，设计了能自动 对中的连杆交叉式双缸平移夹持器； 6 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 第一章绪论 3 完成机械手液压系统设计，根据机械手的工作条件，选择液压系统各液压元件， 并确定关键元件的参数，对液压系统的性能进行了验算，使得系统能够稳定的运 行； 4 完成了机械手运动学分析及仿真，通过d h 方法建立机械手的运动学方程，并 对机械手逆运动进行了求解，运用m a t l a b 软件中的r o b o t i c st o o lb o x 工具箱建 立了机械手三维仿真模型，对机械手的正逆运动进行仿真分析，验证机械手结构 设计的合理性，也为机械手的控制系统设计和动力学、轨迹规划等研究提供了理 论分析的依据； 5 对机械手小臂电液伺服位置控制系统进行了建模，并作了理论分析，针对系统 阻尼比较小从而影响小臂上料精度的缺点，提出了压力反馈的控制方法，运用 m a t l a b 软件中s i m u l i n k 工具箱进行仿真，使得位置控制达到了一定的精度，满足 了系统的工作要求。 7 第二章机械手总体结构设计拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 第二章机械手总体结构设计 【本章摘要】本章首先对拉伸机上下料的工作状态进行分析，进行了机械手的总 体结构设计，并介绍了本机械手的工作原理；针对拉伸件在加工过程中，工件尺 寸发生变化的特点和拉伸机拉伸条件，对机械手的夹持器部分进行了设计，以满 足机械手工作的需要。 2 1 总体设计 2 1 1 拉伸机工作状态分析 本文为数控双动拉伸机设计专用的上下料机械手。目前在国内拉仲机大部分 仍采用人工上下料，不仅效率低、精度低，而且还存在操作者发生工伤事故的隐 患，因此，本文设计了拉伸机专用的上下料机械手，替代人工上下料，提高了工 作效率，避免了事故的发生。 拉伸机在生产过程中，有些深拉伸无法一次拉伸成型，需要两次甚至多次拉 伸才能完成，并且每次拉伸使用的模具也不一样。为了提高生产效率，减少模具 更换次数，节约成本，布置拉伸机成自动化生产线进行生产。需多次拉伸成型的 零件可以用几台拉伸机布置成简单的自动化生产线，每台拉伸机安装不同的模具， 进行不同层次的拉伸，加工工艺流程如图2 1 所示( 这里假设工件经两次拉伸就 ( a ) 人工上下料 ( 易) 机械手自动上下料 图2 1 拉伸机自动化生产线加工工艺流程 8 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究第二章机械手总体结构设计 能成型，完成加工) 。 图2 - 1 中( 口) 图采用人工上下料，自动化程度低，需工人手动上下料； ( 易) 图采用机械手自动上下料，自动化程度高。由图2 1 可以看出，该拉伸机自动化 生产线的加工工艺主要包括四个部分：裁切、第一次拉伸、第二次拉伸和后处理。 为了提高拉伸机生产线的自动化程度，要求拉伸机采用机械手自动完成拉伸机的 上下料。对图2 - 1 中的拉伸机1 ，由于是将裁切好的板件进行拉伸加工，故设计 的上料机械手手部可以采用吸盘式结构，下料机械手手部则需采用夹持型结构； 拉伸机2 是完成拉伸机1 加工的半成品的继续加工，特别是加工圆柱形的工件时， 要求手部夹持器具有一定的变尺寸自动对中能力。本文设计拉伸机上下料专用机 械手，主要用于拉伸机加工的自动上下料。 图2 2 为数控双动拉伸机的结构示意图，主要由拉伸油缸、立柱、压边台板、 工作台板、数控操作柜、液压泵源、油箱以及冷却系统组成，其主要工作过程分 为四步，即压边、拉伸、回程和开模。本文设计的机械手主要是在两台拉伸机之 间进行工件的传递和上下料的。为了符合拉伸机的工作频率，要求机械手要能够 快速、准确地完成上下料，并且在上料的过程中，要求工件在模具上保持一定位 置，即要求上料时机械手有一定的上料的精度和自动对中的功能，因此，本文设 计了自动对中的夹持器。 本文研究的拉伸机为数控双动拉伸机，其型号为y l l 0 0 3 2 0 a w g ，具体参 数见表 图2 - 2 拉伸机结构示意图 9 拉伸油缸 数控操作柜 油箱 第二章机械手总体结构设计拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 表2 1 拉伸机参数表 参数数值参数 数值 拉伸力1 6 ( ) 0 l 瀚工作台面尺寸7 5 0 m m x 6 5 0 m m 工作压力 2 3 m 咿a 立柱中心距直径6 0 0 m m x 5 0 0 m r n l o o m m 拉伸深度 o , 3 2 0 m m 电动机功率转速 2 2 k 礴l14 6 0 r r a i n 工作周期3 6 次m i n总体尺寸( l x w x h ) 1 6 0 0 m m x1 0 7 0 m m x 3 5 3 0 m m 2 1 2 机械手总体结构设计 为了适应自动化生产的需要，要求设计的机械手能够代替人工完成拉伸机的 自动上下料。拉伸机需要机械手不断将传送带上的待加工工件放到模具上进行拉 伸，拉伸结束后需要将已加工的工件取出放到传送带上。其中，上料和下料是两 个完全相反的过程。 按照拉伸机的工作条件及要求，本文选用了圆柱坐标型机械手，它与直角坐 标型比较，占地面积小而活动范围大，结构较简单、紧凑并能达到较高的定位精 度。机械手的总体结构如图2 3 所示，由六个部分组成，分别是基座、腰部、大 臂、小臂、手腕和手指( 末端执行器) 。图2 4 为机械手的运动简图，有四个自由 度，分别为腰部的回转运动、大臂的升降运动、小臂的伸缩运动和手腕的回转运 动。 机械手利用拉伸机已有的液压动力源，采用液压驱动，安装在拉伸机工作台 面的油箱上方，图2 5 为机械手安装三维示意图。图2 - 6 为拉伸机自动化生产线 三维示意图( 以两台拉伸机加工为例) 。拉伸机上下料机械手安装位置具体尺寸 以及机械手工作的空间如图2 7 所示。 手指 手腕 小臂 大臂 艘部 基座 图2 - 3 机械手总体结构图 图2 4 机械手运动简图 1 0 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 第_ 二章机械手总体结构设计 图2 - 5 机械手安装三维示意图 图2 - 6 拉伸机自动生产线三维示意图 图2 - 6 中，两台拉伸机的上下料都由机械手来完成，工件的运输通过传送带 来进行，能够实现自动化生产。由图2 7 和2 8 ，可以看出，机械手基座中心位置 d 与工作台板前侧距离为1 0 9 m m ，与工作台板左侧的距离为1 2 7 m m 。小臂液压 缸行程主要跟立柱位置及工作台板的尺寸有关，立柱a 和立柱b 的距离为6 0 0 m m ， 第二章机械手总体结构设计拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究 工件移动方向 图中标注尺寸单位：m m 图2 - 7 机械手布置图及工作空间 c 2 图2 8 机械手运动位置图 图2 - 9 机械手上下料示意图 立柱b 和立柱c 的距离为5 0 0 m m ，立柱直径为l o o m m ，工作台板尺寸( l w ) 为 7 5 0 m m x 6 5 0 m m ，则图2 8 中立柱a 的中心至拉伸模具中心的距离： 1 2 拉伸机专用上下料机械手的设计与控制系统研究第二章机械手总体结构设计 l = 4 6 0 0 = + 5 0 0 = 。3 9 0 5 m m j 一- o o o o o _ o o o o o _ 一日1 j _ _ i i 2 同时考虑到实际机械手的安装及其运动特性，因此，设计机械手的基座中心d 至 工作台板拉伸模具中心距离为5 0 0 m m ，此时d 点到立柱b 的距离为5 7 9 m m ，因 此立柱b 不会影响机械手上下料，即机械手在进行上下料运行过程中，不会碰到 立柱。 设计机械手要求其小臂的最大行程可以使机械手末端执行器到达工作台板拉 伸模具中心。根据机械手手腕和夹持器尺寸，设计机械手小臂的行程为+ 2 0 0 m m 。 图2 - 9 为机械手上下料示意图，1 位置为机械手初始位置，同时也是机械手取料 位置。1 位置在传送带旁边，此时机械手小臂缩回，机械手小臂、手腕和手指的 总长度为3 0 0 r a m ；2 位置为机械手上料位置，靠机械手小臂的伸出和缩回以及夹 持器的夹紧和松弛上料和下料。机械手从1 位置启动小臂伸出开始取料，然后小 臂缩回，腰部回转且大臂上升至上料位置，小臂伸出将工件送到2 位置，即送到 拉伸模具上，手指松弛，然后机械手回到1 位置，这样机械手就完成了上料动作； 拉伸机加工完成后，机械手按照与上料轨迹相反的方向将工件取下放置到传动带 上。如图2 7 所示，在