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机械毕业设计全套
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JX03-191@热加工通用机械手设计,机械毕业设计全套
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沈阳理工大学应用技术学院毕业设计论文 II ABSTRACT At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dray information of the development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and 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, The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of the wrist , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm. The paper designs the system of hydraulic pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses to control . The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . KEY WORDS: manipulator , pump , hydraulic pressure drive . nts沈阳理工大学应用技术学院毕业设计论文 I 摘要 本文简要介绍了工业 机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，液压系统 技术的特点，继电器控制的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。 设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对液 压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。 利用 继电器程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的电磁继电器，根据机械手的工作流程制定了继电器程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了继电器程序控制器的控制程序。 关键词 ： 机械手，液压系统 ，继电器程序控制器 nts沈阳理工大学应用技术学院毕业设计论文 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 热加工通用机械手设计 系： 机械工程 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 071012 学号： 08 学生： 丁昌亮 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 1）、规格参数： 1、 抓重： 40kg; 2、 手臂伸缩行程： 500mm； 3、 手臂前伸速度： V1=200mm s； 4、 手臂缩回速度： V1 =250mm s； 5、 手臂升降行程： 650mm； 6、 手臂上升速度： V2=150mm s； 7、 手臂下降速度： V2 =200mm s； 8、 手臂回转速度： V3=30 s; 9、 手臂回转行程： 200； 10、 手腕回转行程： 180； 11、 手腕回转速度： V4=120 s； 12、 夹持工件范围： 60100mm； 13、 定位精度 ： 2mm； 14、 压力 ： 30N； 2）、 设计要求： （ 1）、全部设计图 纸 用 Caxa绘制； （ 2）、设计说明书 1份 （ 40页左右） 。 2指定查阅的主要参考文献及说明 （ 1） 机械零件设计手册 （ 2） 工业机械手图册 （ 3） 机械设计手册 （ 4） 其他相关参考资料 3进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 查阅相关参考资料，完成开题报告 2010.9.15 2010.10.15 2 结构设计 2010.10.16 2010.11.5 3 装配图 2010.11.6 2010.11.26 4 编写设计说明书 2010.11.27 2010.12.20 5 毕业设计（论文）的修改、答辩的准备 2010.12.21 2011.1.6 nts沈阳理工大学应用技术学院毕业设计论文 nts沈阳 理 工 大 学 应用技术 学院 毕业 设计论文 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !未定义书签。 任务书 .III 绪 论 . 1 1 工业机械手 . 1 1.1 工业机械手概述 . 1 1.1.1 选题背景 . 2 1.1.2 设计目的 . 2 1.2 机械手的组成和分类 . 3 1.2.1 机械手的组成 . 3 1.2.2 机械手的分类 . 6 1.3 国内发展状况 . 8 2 机械手运动和结构设计 . 10 2.1 总体方案论证 . 10 2.2 机械手结构介绍 . 11 3 手臂伸缩机构的设计与计算 . 14 3.1 手臂设计 . 14 3.2 手臂做水平伸缩时作用在活塞上的运动载荷 . 14 3.3 确定内径的计算 . 16 3.4 实际压力与流量 . 16 4 手臂回转油缸的设计与计算 . 17 4.1 回转油缸的选择 . 17 4.2 回转油缸的计算 . 18 4.3 对驱动力矩的验算 . 21 5 可控制编程 PLC . 22 5.1 PLC 简介 .22 5.2 PLC 内部原理 .24 5.3 PLC 工作原理 .27 nts沈阳 理 工 大 学 应用技术 学院 毕业 设计论文 nts沈阳 理 工 大 学 应用技术学院 毕业 设计说明书 nts沈阳理工大学应用技术学院毕业设计论文 5.4 PLC 机型的选择方法 .31 结论 33 致谢 34 参考文献 35 nts1 绪 论 1 工业机械手 1.1 工业机械手概述 工业机器人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动 化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 .机械手是模仿着人手的部分动作，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“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平 和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 .机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。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。 nts2 1.1.1 选题背景 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手 越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 FMS和柔性制造单元 FMC中一个重要组成部分。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，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前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，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是非常有意义的。 1.1.2 设计目的 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的多工位冲床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 目前，在国内很多工厂的生产线上多 工位冲床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生产线发展成为柔性制造系统 ,适应现代自动化大生产 ,针对具体生产工艺 ,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： nts3 一、以提高生产过程中的自动化 程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的 生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 本机械手主要与多工位冲床组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，从 而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.2 机械手的组成和分类 1.2.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 1.2.1-1所示。 nts4 图 1.2.1-1机械手组成方框图 (一 )执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指 (或手爪 )和传力机构所构成。 (图1.2.1-2)手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V 形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 nts5 图 1.2.1-2 机械手手抓结构 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置 .工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱 立柱是支承手臂的部 件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立 I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式nts6 行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 6、机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机 械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动， 并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (二 )控制系统 控制系统是支 配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四 )位置检测装置 控制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，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调 整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 1.2.2 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一 )按用途分 nts7 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种 : 1、专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的 自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 2、通用机械手 它是一种具有独立控制系统 的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制 :可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二 )按驱动方式分 1、液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其 主要特点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 2、气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般 在 30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 3、机械传动机械手 即由机械传动机构 (如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 )驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 4、电力传动机械手 nts8 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手 的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三 )按控制方式分 1、点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 2、连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 1.3 国内外 发展状况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 : (1)工业机器人性能不断提高 (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 65万美元。 (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)工业机器人控制系统向基于 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)机器人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，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)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥nts9 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，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 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应用方面则刚刚起步，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中。 nts10 2 机械手的运动和结构设计 2.1 总体方案的论证 本次设计是要求机械手将加热炉中用传送带送出的垂直放置的圆棒料夹起后旋转90 ，并送到辊锻机上，由两轧辊迅速辊压出符合要求的阶梯轴坯料，当其生产工艺改变时，也可以辊锻出 其它形状坯料。 由于加热中送出的棒料温度很高（ 1100 ），因此属于热加工通用机械手。 一、该类机械手设计的注意事项： 1、机械手的手部材料应选用耐高温材料，如 LCr18Ni9Ti。 2、驱动方式或采用液压或气压驱动时尤应注意隔热，以防止热量传导给驱动系统使油温升高，并影响传动性能，必要时将手部加散热片或采用风冷或水冷。 3、机械手在安装位置上应远离热源，并在油液密封上做到设计合理可靠，以防油液泄露放生事故。 4、需注意夹紧力的选择，在保证所夹棒料不发生脱落的情况下，又不至于因夹紧力过大而造成手指将棒料夹变 形产生废品。 本次设计的工作场地比较充裕，不需采用悬挂式或将机械手固定在工作主机机身上某一适当位置地方法。只要将其固定于加热炉出料传送带与辊锻机之间的地面即可，如机械手高度与传送带或主机高度不相配时，在装配过程中可将机械手陷于地面上适当的位置，此现象可根据现场设备、工艺要求等具体情况而定。机械手的实际工作环境，若存在大量粉尘等有碍机械手正常工作的情况，可自行设计机械手的防护罩或密封装置，以便机械手正常工作。 二、基本参数的确定； 1、抓重： 40 公斤； 2、自由度： 4 个； 3、工作节拍：是指机械手完成一个动作 循环所需的时间。所设计的机械手的工作节拍应等于或小于所需加工零件节拍。本机械手需完成手臂伸缩、回转、升降、手指夹持、手腕回转和插拔销动作，因而可知其工作节拍为： T=68s 同时考虑各阀电磁铁动作响应时间及压力继电器动作响应时间和液压油路的响应时间取： T=80s； nts11 而热辊锻的时间为 90s，因此热加工上料机械手完全可以满足生产工艺规程的要求。 4、定位精度： 2mm； 2.2 机械手结构介绍 一、设计的加工通用机械手的组成部分有：执行结构、驱动系统、控制系统和位置检测装置。 执行机构包括：手部、手腕、手臂、立 柱。 驱动系统包括：液压、气压、机械、电气四种。 本机械手采用液压驱动系统 控制系统包括：电气、射流。 本机械手采用电气控制，点位形式，设定点 2 个位置检测：采用机械挡块式。 二、本次设计的热加工通用机械手根据生产工艺规程的要求具体循环动作如下： 待料 (即起始位置，手指闭合，待夹料垂直放置 ) 插定位销 手指张开 手臂前伸 手指闭合 手臂上升 手臂收回 手腕回转 90 拔销 手臂回转 100 插销 手臂前伸 手臂中停大泵卸荷 手指松开 手指闭合 手臂缩回 手臂下降 手臂转回 拔销 手臂转回 待料（大小泵卸荷） 以上动作的控制形式可采用可编程序控制器（ pc）其具有结构简单，使用方便、性能优越、可靠性高、抗干扰性能非常好，灵活通用，体积小、重量轻、功耗时，动作顺序改变时，无虚电路改变，只需改变编写的程序。 三、坐标形式的确定 正确选择机械手坐标形式，主要在满足生产工艺要求的条件下并依据现场设备场地具体条件来选择机械手的坐标形式有：直角坐标、圆柱坐标、球坐标系。 节式圆柱坐标形式：由两个直线运动和一个回转运动组成。即 X 轴方向的伸缩、回转。Z 轴方向的伸缩回转。圆柱坐标形式具有占地面积小，活动范围大，结构简单，定位精度高， 通用性强的特点，完全可以满足热加工通用机械手的要求。 所以本机械手采用圆柱坐标形式。 四、驱动方式的确定 由于抓重为 40 公斤，生产节拍 80s，为了得到较大的输出力及夹紧力矩，使传动平稳、可靠。在工艺改变时方便调整，通用性好，故本机械手采用液压驱动。 液压驱动优点为： nts12 1、可以输出较大的力和扭矩，并能实现较大范围的无极调速与电气配合定位精度较高。 2、本身自行润滑，易于实现安全保护，从而延长使用寿命。 3、易于同电、气配合，启动快，工作平稳，换向容易。 4、液压件以标准化，系列化，成本化，便于安装，调试，易于 实现集体化。 其缺点为： 1、系统的泄露难以避免，不易于远距离传动。 2、油液的粘度对温度非常敏感，在温度变化较大时，必须采取措施控制油温。 五、机械手的结构介绍 热加工用液压驱动机械手由手腕、手臂伸缩和手臂回转、手臂升降机等组成，其中手臂的伸缩、回转油缸如下： 1、 手臂水平伸缩运动机构 图 2.2-1 考虑实际工作情况和该机械手具体结构，手臂水平伸缩运动机构采用双作用单杆活塞油缸，见 2.2-1 图，油缸具体安装在带燕尾形滑枕上，它们一起由手臂座支撑，活 塞杆通过支座固定在手臂座上，手臂座与支承轴的端部法兰用螺栓连接，支承轴用用两个圆锥滚子轴承装在支架上。当油缸分别从 a、 b 油孔进压力油时，推动滑枕往复运动，其伸缩行程为 500mm，滑枕与手臂座接触部分做成燕尾形，它除导向作用外，还增加手臂刚度，使工作时运动平稳。油缸的输入油管采用伸缩油管的形式，避免油管外漏。外观整齐，且安装较方便。在手臂伸出端安装有可调的定位螺钉，以确保送料精确。 nts13 2、 手臂水平回转运动机构 图 2.2-2 实现手臂回转运动的机构形式是多种多样 的，常用的有叶片式回转缸，其特点是机构简单，体积小，可获得无极变速的回转运动，但回转油缸需要严格密封，在设计手臂回转运动机构时，还考虑了以下问题： 尽量缩短手臂的悬伸长度，是手臂伸出时的总重力的重心偏于伸缩方向的反侧以减小回转半径； 在编制动作程序时，先使手臂缩回然后回转，这样可减小惯性力矩，可是在手臂回转时，依然按照手臂伸长最大状态来设计手臂转动，以防止手臂在最大伸出状态时，手臂不能转动。 nts14 该油缸分别从两机械手的水平回转运动机构采用叶片式回转油缸结构见 2.2-2图，当 侧油口进入压力油时，推动转轴回转， 使转轴的端部与手臂伸缩机构相连接从而带动手臂伸缩机构一起回转。 3 手臂伸缩机构的设计与计算 3.1 手臂设计 手臂是机械手执行机构中重要组成部分，其主要作用是将被抓取的工件传递到给定位置和方位上，因此，我在设计机械手臂时从以下几方面考虑和设计。 A、应使手臂伸缩机构的刚度大，重量轻； 有材料力学可知，假设在相同条件下，即截面尺寸 A 相同，其空心管的弯曲刚度为实心轴的 4 5 倍，如在刚度相同条件下，空心管的重量比实心管的重量要轻得多，所以我在设计手臂伸缩机构时，除了活塞杆为实心轴外，其他零件如导向装置均采用空 心结构。 B、应使手臂运动速度快，惯性小，动作灵活。防止发生卡死 自锁现象。为此，在手臂伸缩机构中尽可能地减小手臂伸缩部分的长度，为了满足机械手设计要求在不能缩短手臂悬伸长度的情况下，我采用了增大导向装置处的直径来提高手臂伸缩机构的整体刚度。 C、导向装置的设计： 液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，根据手臂的安装形式、具体结构和抓取重量因素，来设计导向装置，同时在结构和布局上，减少运动部件 的重量，以及减小手臂对回转中心的转动惯量，为了是手臂受力均衡采用双导向杆配置在手臂伸缩油缸的两侧，并兼做手部和手腕的油路管道，外形整齐。 3.2 手臂作水平伸缩时作用在活塞上的总机械载荷 作用在活塞上的机械载荷 P 为 nts15 P=Pg+Pd+Pf+Ph Pg：惯性力。机械手的手臂启动时，活塞杆所受的是平均惯性力，可以用下式： Pg=M 总 V t； V：速度变化量 V=250-200=50mm s； t：启动过程的时间一般 t=0.010.5s 这时 t=0.15s； M 总：参与运动的零部件的总质量（包括被抓刀 件）。 1、工件（棒料）的质量 m1： m1=40kg； 2、手部质量 m2： m2=100kg； 3、支架质量 m3： m3=P.V3=7800 3.3 10-3 ； m3=25kg； V3= 4 L(D3 d3)= 4 0.34 （ 0.16 0.115） =3.3 10-3m 4、夹紧缸的质量 m4： m4=P.V4=7800 0.7 10-3； m4=5.5kg； V4= 4 L(D4 d4)= 4 0.32 (0.08 0.06)=0.7 10-3m； 5、活塞杆的质量 m5： m5=P.V5=7800 0.46 10-3； m5=3.6kg； V5= Rh=3.14 0.014 0.75 =0.46 10-3； 6、钢架质量 m6： m6=P.V6=7800 0.003； m6=23.4kg； V6= 4 L（ D6 d6） = 4 0.32 0.024 0.012 =0.003m； 7、旋转缸的质量 m7： m7=P.V7=7800 0.032； m7=25kg； V7=a.b.c=0.12 0.19 0.14=0.0032m； 8、滑枕质量 m8： m8=P V8=7800 10.6 103； m8=82.5kg； V8= L D8 d8 =3.14 0.8 0.126 0.108 =10.6 10-3m9、手臂伸缩油缸的质量 m9： m9=P.V9=7800 0.67 10-3； m9=5.18kg； V9= 4 L D9 d9 =0.785 0.235 0.1 0.08 =0.67 10-3m m=m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9=40+100+25+5.5+3.6+23.4+25+82.5+5.18 =310.18kg G 总 =m.g=3039.76N P 惯 =G 总 0.05 0.15=4719N 考虑存在误差，取误差系数 K=1.5 则 P 惯 =K.P 惯 =1.5 4719=7079N P 回 ：回油腔阻力，由于回油腔直接接油箱，所以 P 回 为零； 对于初算总机械载荷 P，为简化计算，不计密封处和导向处的阻力，而以效率考虑，即P=P 惯 =7079 0.85=8328N nts16 这里 为油腔效率，一般取 0.850.9； 3.3 确定内径的计算 1、油缸工作时，进油腔压力油液作用在活塞上的合成液压力，即驱动力应与活塞杆所受机械载荷相平衡。即 P=P1=8328N； 油缸的有效面积 ： A=P p=8328 2 106=4.164 10-3 ； 油缸直径为： D= 4P/ P =0.073； D=8 10-2m； 油缸所能提供的最大驱动力： Pmax= D 4 p=10048N； 油缸的实际面积为： A=Pmax p=0.5024 10-2 ； 2、油缸壁厚的计算 油缸的内径 D 确定后，由强度条件计算所需的最小壁厚，再根据最小的结构确定适当的数值。缸体的材料选用高强铸铁，因工作压力较低。根据缸筒的实际结构以及工艺上的要求，取壁厚 =10mm，因缸筒的壁厚较厚，因此按厚壁筒进 行校核： D 2( 0.4Pr 1.3Pr -1)=0.13 10-2m； 0.1 10-2 0 满足要求； 3、 活塞杆的计算 按往复运动速度比 决定活塞杆直径 d，在双作用单杆油缸的两腔，若通入的油液量相等，则活塞杆往复运动速度 V1 和 V2 相等，而 V2 和 V1 之比称为速度比 。 即 =V2 V1=0.25 0.2=1.25； 式中： V1 活塞杆的伸出速度（有杆腔的速度 ） ； V1=0.2m s； V2 活塞杆的缩回速度（无杆腔的速度）； V2=0.25m s； 则 d=D 1 =D 1.25-1/1.25 =0.0357； 3.4 实际压力与流量 1、液压缸所需要的实际工作压力 P=P A=8475.7 50.24 10-2=1.68 106Pa； 2、液压缸所需的流量： D 缸 =80mm， d 杆 =40mm， V4=12m min， V4 =15m min； nts17 当压力油输入无杆腔 Q 伸 = 40 D V4=3.14 40 8 12=60.288L min； Q 缩 = 40 D d V4 =3.14 40 8 4 15=56.52L min； 3、油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上合成液压力即驱动力： P1= 4DP=3.14 4 8 10-2 1.68 106=8440.32N P 为进油压力： P=1.68 106Pa； 油缸有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力。 P2 为： P2= 4 D d P1=3.14 4 8 4 10-4 1.68 106=6330.24N； 式中： P 进油压力； P=1.68 106Pa； D 油缸直径； D=8 10-2m； d 活塞杆直径； d=4 10-2m 4 手臂回转油缸的设计与计算 4.1 回转油缸的选择 该液压传动机械手的手臂回转运动的实现采用的是单叶片回转油缸。这种油缸具有结构简单、体积小和可获得无极变速的特点。回转油缸的原理解图： nts18 图 4.1-1 1、 回转油缸体 2、 动片 3、 输出轴 4、 行星齿轮 5、 固定中心轴 回转油缸的动片 2与输出轴 3固定连接。输出轴 3通过键与行星齿轮 4连结，回转油缸 的壳体 1与手臂座固联，当回转油缸的动片 2回转时，带动输出轴 3和行星齿轮 4自转。由于行星轮与相对固定中心轮 5啮合，迫使行星轮 4又产生了一个公回转。即手臂水平回转运动。回转轴 油缸暴露在机体外部，因而安装维修都方便，并增加了支承手臂回转部分的刚性，当手指夹持工件而回转时，该回转油缸起部分平衡作用。 4.2 回转油缸的计算 1、 作用在动片上的外载荷力矩 M； nts19 a、计算配重的转动惯量 V= 4dl=3.14 40.050.48=0.9410 -3m； m=pv=78000.9410 -3=7.35kg； Jz=m 12 L 3R =7.35 12 0.48 30.017 =0.14kg Jz=mx=7.350.84=5.19kg ； J 配 =Jz Jz=0.14 5.19=5.33kg G=mg=7.359.8=72N ； M 配 =G0.84=60.48Nm ； b、工件对转轴的转动惯量 Jz=mx=600.9=48.6kg J 工 =Jz Jz=2.31 48.6=50.91kg ； m=G.x=601.79.8=1000N ； c、手臂转动惯量的计算 m=mz mG=87.6kg Jz=m 12 L 3R1 3R2 =87.68 12 0.8 30.0485 30.0225 =8.06kg ； Jz=mx=87.681.08=1.02kg J 手臂 =Jz Jz=8.06 1.02=9.08kg ； m=Gx=87.681.089.8=92.8Nm ； d、手部的转动惯量 Jz=m 12 L a =80.15 12 0.2 0.4 =0.39kg ； 最大的转动惯量： Jz=mx=80.151.46=170.85kg ； 则 J 手臂 =0.39 170.85=171kg. ； m=G.x=80.151.469.8=1147N.m ； e、手腕的转动惯量 Jz=m 12 t a =82.5 12 0.81 0.19 =4.76； m=m3 m4 m5 m6 m7=25 5.5 3.6 23.4 25=82.5kg； 回转时最大的转动惯量 Jz =mx=82.5 0.87=62.44kg ； J 手腕 =Jz Jz =4.76 62.44=67.2kg ； m=G.x=82.5 0.87 9.8=707.5N ； nts20 f、支承架的转动惯量 V=0.44 0.02 0.1 0.145 1.36=0.051m； m=Pv=7800 0.051=400kg； Jz =mx=400 0.18=13kg ； 则 J 支架 =Jz Jz =68 13=81kg ； m=Gx=400 9.8 0.18=705N m； 则 J 总 =J 配 J 工 J 手腕 J 手 J 手臂 J 支架 =5.33 50.31 67.2 171 9.08 81=390.5； m 惯 =J 总 . w t； 其中 w角速度变化量 w= 180 30=0.523rad s； t启动过程的时间 t=0.85s； 则 m惯 =J总 . w t=390.52 0.523 0.85=240.28N m； 对于初算 M驱动力，为了简化计算，不考虑密封处的摩擦力，而以效率计算： M 驱 =M 惯 =240.28 0.85=282.68N m； 式中为油缸效率 =0.85； 2、 回转油缸的内径计算 因回转油缸的动片上受的合成液压力矩（即驱动力）与其上作用的外载荷驱动力矩相平衡。 因此： D= 8M/6p+d 式中： M：作用在动片的外载荷驱动力矩 M=282.68N m； P：回转油缸的工作压力 P=2 106Pa； d：输出轴与动片连接处的直径，初算按 0.6D选取； b： 动片宽为减小动片与输出轴连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选 动片宽度按 b=0.37D； 则 D=3 8M/0.236p =3 8 282.68 236 10 =0.1686;D=170mm; 油缸所能提供最大的驱动力矩为： Mmax=Pb 8 D d =2 106 0.9 8 0.17 0.085 =498.53N m； 当压力油输入回转油缸的流量为： Q=3b D d w 400=3 9 17 8.5 0.524 400=7.666L min； 其中 D 缸 =170mm； d 杆 =85mm； nts21 b=90mm； V=30 s=0.524rad/s； 4.3 对驱动力矩的验算 M=M 工 +M 封 +M 惯 +M 回 式中： M 工 ：工作阻力矩，由于其值较小，故忽略不计 M 回 =b 8 D d P 回 上式 P 回 ：回油腔的油液压力一般为（ 35） 105Pa； 取 P 回 =3 105Pa； 则 M 回 =0.098 8（ 0.17 0.085 3 10=73.15N.m； M 惯 ：参与回转运动的 零部件在启动时产生的惯性力矩。 M 封 ：密封处的摩擦阻力矩； M 封 =2m 封 1+2m 封侧 +m 封径 ； 其中 M 封 1：输出轴与缸盖密封处的摩擦阻力矩。 M 封 1= 2d L p； 式中 d：输出轴与缸盖密封处的直径 d=0.11mm； L：密封的有效长度； d0： o形密封圈的截面积 d=0.0057mm； ：摩擦系数 =0.6； p：工作压力 p=2 106Pa； k：密封圈的压缩率； k=0.04； 而 L=d0 2k-k2 =0.0016； M 封 1= 2 d L p=3.14/2 0.11 0.0016 0.6 20 10=36.49N.m； M 封侧 ：动片侧面与缸盖密封处的摩擦阻力矩； M 封侧 =1/8L1(D2-d2)P； L：圆截面密封圈的密封宽度 L1=L=0.0016m； D：回转油缸内径； D=0.17m； D：输出轴与动片连接处的直径； d=0.085m； 则 M 封侧 =1/8L(D2-d2)P =1/8(0.172-0.08522) 0.0016 2 106 0.6=5.202N m； nts22 M 封径 ：动片外径与轴油缸密封装置处的摩擦阻力矩。 M 封径 =bL1D/2 P =0.092 0.0016 0.17 2 2 106 0.6=30.02N m； 则 M 封 =36.49+5.202+30.02=68.17N m M=M 封 +M 回 +M 工 +M 惯 =71.72+73.15+0+240.28=385.15N m； Mmax M； 满足要 5 可编程控制 PLC 5 1 PLC 简介 自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller， PLC）取代传统继电器控制装置以来， PLC得到了快速发 展，在世界各地得到了广泛应用。同时， PLC 的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高， PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的 PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品， PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的 PLC 年增长率保持为 20% 30%。随着工厂自动化程度的不断提高和 PLC市场容量基数的不断扩大，近年来 PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是 ，在中国等发展中国家 PLC的增长十分迅速。综合相关资料， 2004年全球 PLC 的销售收入为 100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC 是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC 只有开关量nts23 逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入 PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。 PLC 的 CPU 内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加 1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为 END 指令），然后再返回起始步循环运算。 PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1 微秒到几十微秒之间。 PLC 用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K 逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16 位（也有 32 位的）为一个模拟量。大型 PLC 使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结 果送给 PLC的控制器。 相同 I/O点数的系统，用 PLC比用 DCS，其成本要低一些（大约能省 40%左右）。 PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比 DCS 要低很多。一个PLC 的控制器，可以接收几千个 I/O 点（最多可达 8000 多个 I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用 PLC 较为合适。 PLC 由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近 10 年来，随着 PLC 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用 PLC 进行控制， PLC 在我国的应用增长 十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内 PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用 PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但 PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用 PLC或定制 PLC取代嵌入式控制器 nts24 5.2 PLC 内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一 的。 图 5.2-1 PLC 硬件的基本结构图 （ 1）中央处理单元（ CPU） 中央处理单元（ CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC系统程序赋予的功能，接受并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、 I/O 以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场编程器 中 央 处 理 单 元 （ CPU） 输入电路 输出电路 系 统 程 序 存 储 区 用 户 程 序 存 储 区 电源 nts25 各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O映象区 , 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以 后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。 （ 2）存储器 与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的 PLC。 PLC的软件分为两部分 : 系统软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 PLC存储空间的分配
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