机械手设计说明书.doc

目录摘要一 绪论 1.1机械手的发展概况 1.2机械手的用途和分类 1.3机械手的组成 1.4机械手的发展趋势二 抓取机构设计2.1手部设计计算2.2腕部设计计算2.3臂伸缩机构设计三 液压系统原理设计及草图3.1手部抓取缸3.2腕部摆动液压回路3.3小臂伸缩缸液压回路3.4总体系统图四 机身机座的结构设计4.1电机的选择4.2减速器的选择五 机械手的定位与平稳性5.2影响平稳性和定位精度的因素5.3机械手运动的缓冲装置六 机械手的控制 6.1控制系统的主要组成 6.2机械手的PLC控制设计 6.3 可编程序控制器的选择及工作过程 6.4可编程序控制器的使用步骤 6.5机械手可编程序控制器控制方案七 机械手的结构7.1机械手主要组成7.2工业机械手的分类毕业设计感想参考资料柔性制造系统上下料机械手设计摘要本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。关键字 机械手，AutoCAD 。绪论1.1机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。5060年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。6070年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；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、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立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系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。1.2机械手的用途和分类机械手也被称为自动手，auto hand能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。 机械手可以完成的操作对象参数为：钻柱高30 m；钻杆重量为：40 Kg/m，总重1200 Kg；钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重5400 Kg。1.3机械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 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、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、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。 （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。 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。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。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。1.4机械手的发展趋势1重复高精度 精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。3 节能化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。4 机电一体化 由“可编程控制器传感器液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ；节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。 第2章 抓取机构设计2.1手部设计计算一、对手部设计的要求1、有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。2、有足够的开闭范围夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。图2.1 机械手开闭示例简图3、力求结构简单，重量轻，体积小手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。4、手指应有一定的强度和刚度5、其它要求因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。二、拉紧装置原理如图2.2所示【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2.2 油缸示意图1、右腔推力为FP=（4）DP （2.1）=（4）0.52510=4908.7N2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：F1=（2ba）（cos）N （2.2） 其中 N=498N=392N，带入公式2.2得：F1=（2ba）（cos）N =(2150/50)（cos30）392 =1764N则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/ （2.3）=17641.51.1/0.85=3424N经圆整F1=3500N3、计算手部活塞杆行程长L,即L=（D/2）tg （2.4） =25tg30 =23.1mm经圆整取l=25mm4、确定“V”型钳爪的L、。取L/Rcp=3 （2.5）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （2.6）由公式（2.5）（2.6）得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=22395、机械运动范围（速度）【1】（1）伸缩运动 Vmax=500mm/sVmin=50mm/s（2）上升运动 Vmax=500mm/sVmin=40mm/s（3）下降Vmax=800mm/sVmin=80mm/s（4）回转Wmax=90/sWmin=30/s所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量Q=sv （2.7）=60r=603.1425=1177.5mm/s7、手部工作压强P= F1/S （2.8） =3500/1962.5=1.78Mpa2.2腕部设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转90 角速度W=45/s以最大负荷计算：当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。1、计算扭矩M14设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：M1=FS （2.9）=109.80.2=19.6（NM） 工件 F S F 图2.3 腕部受力简图2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M24F=5kg S=10cm带入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =4.9（NM） 3、摆动缸的摩擦力矩M摩4F摩=300（N）（估算值）S=20mm （估算值）M摩=F摩S=6（NM）4、摆动缸的总摩擦力矩M4M=M1+M2+M摩 （2.10） =30.5（NM） 5.由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （2.11）其中： b叶片密度，这里取b=3cm；A1摆动缸内径, 这里取A1=10cm；mm转轴直径, 这里取mm=3cm。所以代入（2.11）公式P=8T/b（A1-mm）106=830.5/0.03（0.1-0.03）106=0.89Mpa又因为W=8Q/（A1-mm）b所以 Q=W（A1-mm）b/8 =（/4）（0.1-0.03）0.03/8 =0.2710-4m/s =27ml/s2.3臂伸缩机构设计手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。 机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：【4】Q=sv =20040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s2、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得：4 P=F/S （2.12）式中：F取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。所以代入公式（2.12）得： P=（F+ F摩）/S =（309.8+1000）/40 =0.26Mpa3、绘制机构工作参数表如图2.4所示：图2.4机构工作参数表4、由初步计算选液压泵4所需液压最高压力 P=1.78Mpa所需液压最大流量 Q=1000ml/s选取CB-D型液压泵（齿轮泵）此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在3270ml/r之间，可以满足需要。5、验算腕部摆动缸：T=PD（A1-mm）m106/8 （2.13）W=8v/（A1-mm）b （2.14）式中：m机械效率取： 0.850.9v容积效率取： 0.70.95所以代入公式（2.13）得：T=0.890.03（0.1-0.03）0.85106/8 =25.8（NM）TM=30.5（NM）代入公式（2.14）得：W=（82710-6）0.85/（0.1-0.03）0.03 =0.673rad/sW/40.785rad/s因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s圆整其他缸的数值：手部抓取缸工作压力P=2Mpa 流量Q=120ml/s小臂伸缩缸工作压力P=0.25Mpa 流量Q=1000ml/s 第三章 液压系统原理设计及草图3.1手部抓取缸 图 3.1手部抓取缸液压原理图71、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。采用： YF-B10B溢流阀 2FRM5-20/102调速阀 23E1-10B二位三通阀3.2腕部摆动液压回路 图 3.2腕部摆动液压回路71、腕部摆动缸液压原理图如图3.2所示2、工作压力 P=1Mpa流量 Q=35ml/s采用：2FRM5-20/102调速阀34E1-10B 换向阀YF-B10B 溢流阀3.3小臂伸缩缸液压回路 图 3.3小臂伸缩缸液压回路71、小臂伸缩缸液压原理图如图3.3所示2、工作压力 P=0.25Mpa流量 Q=1000ml/s采用： YF-B10B 溢流阀2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B二位三通阀3.4总体系统图 图 3.4总体系统图71、总体系统图如图3.4所示2、工作过程 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松3、电磁铁动作顺序表 元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长+-手部抓紧+-腕部回转+-+-小臂收缩-手部放松-+-卸荷图 3.5总体系统图 4、确电机规格：液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在3270ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率 N=PQ/ （3.1）式中：=0.8 （经验值）所以代入公式（3.1）得： N=1080103106/600.8=16.7KN选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW，转速为2940r/min。第四章 机身机座的结构设计机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,如图4.1所示。图4.1机身机座结构图臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。4.1电机的选择机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。1、带动臂部升降的电机：10初选上升速度 V=100mm/s P=6KW所以n=（100/6）60=1000转/分选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.1 Y90S-4电动机技术数据所示：型号额定功率KW满载时堵转电流堵转转矩最大转矩电流A转速r/min效率%功率因素额定电流额定转矩额定转矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2图4.1 Y90S-4电动机技术数据2、带动机身回转的电机：10初选转速 W=60/s n=1/6转/秒=10转/分由于齿轮 i=3减速器 i=30所以n=10330=900转/分选择Y90L-6型笼型异步电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。如图4.2 Y90S-6电动机技术数据所示：图4.2 Y90L-6电动机技术4.2减速器的选择减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增转矩，以满足工作需要。6初选WD80型圆柱蜗杆减速器。WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。蜗杆的材料为38siMnMo调质蜗轮的材料为ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011 （4.1）传动比I=30传动惯量0.26510kgm4.3螺柱的设计与校核螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：6从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P=6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h=0.5P （4.2）=3mm螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.656=3.9mm （4.3）螺杆强度 = s/35 （4.4）=150/35=3050Mpa螺纹牙剪切=40弯曲b=45551、当量应力6 (4.5)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（4.5）得：= （42009.8/d1）+3（2009.80.6/0.2d1） = （2495/ d1）+3（61.2/ d1）3050106=（2495/ d1）+3（61.2/ d1）90025001012 =6225025/d14+11236/d16900250010126225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格2、剪切强度6Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （4.6）=F/d1bz （4.7） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa3、弯曲强度6b=3Fh/d1b2z =32009.83/2.93.92（160/6） =0.48Mpa=45Mpa合格第五章 机械手的定位与平稳性5.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。5.2影响平稳性和定位精度的因素机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：（1、）定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。（2、）定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。（3、）精度机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。（4、）刚度机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。（5、）运动件的重量运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。（6、 ）驱动源（7、 液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。（7、）控制系统开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位5.3机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置。在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。设计油缸端部恒节流缓冲装置时，amax（最大加速度）、Pmax（缓冲腔最大冲击压力）和Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下： 选择最大加速度通常，amax值按机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速机械手，- amax取5m/s2以下，对于轻载高速机械手，-amax取510 m/s2 计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时： F=PSA-Ff （5.1） =0.251033.62-7=138N 计算残余速度VrVr=VO/ 1-amaxm/F （5.2） =0.1/0.64=0.15m/s第6章 机械手的控制6.1控制系统的主要组成控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图6.1所示的机能3。实现上述各种机能的控制方式有多种多样。机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制。常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。适用于控制程序步数少的专用机械手。 装卸工件 状别识别 环境识别操作机能检测、识别机能 控制机能示教机能 动作控制机能动作顺序控制机能运动控制机能图6.1机械手的控制机能6.2机械手的PLC控制设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6.3 可编程序控制器的选择及工作过程 可编程序控制器的选择目前 ，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.4可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2) I/0分配 即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。 (4)助记符机器程序 相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。6.5机械手可编程序控制器控制方案1、系统简介控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置机械手，还可完成抓、放功能。以上动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样 ，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外 ，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。2、工业机械手的工作流程此机械手用于冲床的上下料。当按下机械手启动按钮之后，机械手有如下动作:先右转至右限位开关动作(1DT通电) 下降至下限位开关(5DT通电) 手腕逆时针转动90(7DT通电) 手臂伸长至限位开关(3DT通电) 检查有无物品，若有物品，手爪抓紧(9DT通电) 手臂收缩至限位开关(4DT通电) 上升至上限位开关(6DT通电) 左转至左限位开关动作(2DT通电) 手腕顺时针转动90 (8DT通电) 手臂伸长至最长(3DT通电) 手爪松开(IODT通电) 延时T 手臂收缩最短(4DT通电)。至此，一个工作循环完毕。3、机械手工作时序图如附图所示。4, I/0分配根据系统输入输出点的数目，选用OMRONC 28P型PC，它有16个输入点，标号为00000015; 12个输出点，标号为0500-0511.5、梯形图设计(如附图所示)根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，画出控制梯形图，如附图所示。由梯形图可以看出:(1)手臂左转的条件:左转不到位(0003为OFF)，收缩到位(0006为ON),上升到位(0007为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON),无右转命令(0501为OFF).(2)手臂右转的条件:右转不到位(0004为OFF)，上升到位(0007为ON),收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF),无左转命令(0500为OFF).(3)手臂伸长的条件:伸长不到位(0005为OFF)，无收缩命令(0503为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪放松(0002为OFF); 2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪抓紧(0002为ON).(4)手臂收缩的条件:收缩不到位(0006为OFF)，无伸长命令(0502为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON); 2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，手腕顺转到位(0010为ON).(5)手臂上升的条件:上升不到位(0007为OFF)，无下降命令(0505为OFF)，收缩到位(0006为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，右转到位(0004为ON). (6)手臂下降的条件:下降不到位(0008为OFF)，无上升命令(0504为OFF)，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF).(7)手腕逆转的条件:逆转不到位(0009为OFF)，无顺转命令(0507为OFF)，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，下降到位(0008为ON),手爪放松(0002为OFF).(8)手腕顺转的条件:顺转不到位(0010为OFF)，无逆转命令(0506为OFF)，左转到位(0003为ON)，收缩到位(0006为ON)，上升到位(0007为ON),手爪抓紧(0002为ON).(9)手爪抓紧的条件:手爪未抓到物品(0002为OFF)，无放松命令(0509为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，伸长到位(0005为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，检测到有物品(0011为ON), 2)左转到位(0003为ON)，伸长到位(0005为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)(9)手爪放松的条件:手爪抓紧(0002为ON)，无