机械毕业设计49工业机械手及控制设计

目录 序言 一、设计任务书 二、概述 1、机械手的分类 2、机械手的组成 3、应用机械手的意义 三、总体方案及系统的组成 1、系统组成 2、总体技术方案 四、机械手的液压设计 五、回转装置的总体组成及结构设计 六、行走装置的组成及结构设计 七、机械手的电气设计 八、机械手的 PLC设计 九、电气设计改进方案 十、心得体会 十一、参考文献 序言 机械工 业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的行业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备。机械工业所提供装备的性级、质量和成本，对国民经济各部门的技术进步和经济效益，有很大的直接影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之上。 作为一名机械制造专业的学生，在历经三年的大专学习过程中我认真的学完了学校规定的所有必修课，较充分地掌握了基础课和专业课的知识，并且有机会将自己所学之本领运用于实 践中 毕业设计。 毕业设计是对我二年来所学知识的一次汇总，是一次对我掌握知识的总的考验。同时也是对自身价值的一次实现。所以我把做好的毕业设计当作大学二年来的最大挑战。我要尽自己所能把它做好做完善。 一、毕业设计任务书 题目：工业机械手及控制设计 1、原始数据 负载重量： 5kg 重复定位精度： 1mm 自由度： 3（ Z的移动， R轴的平动， Q轴的转动） 各轴最大运动速度： Z轴上下： 200mm/s Q轴回转： 30 /s R轴伸缩： 200mm/s 各轴最大运动范围： Z轴上下： 500mm Q轴回转： 90 R轴伸缩： 400mm 2、工作要求： 机械手的工艺流程： 机械手原位 机械手前伸 机械手上升 机械手抓取并夹紧 机械手后退 机械手前进（小车） 小车停止 机械手左转 90 小车后退 退至原位 二、概述 工业机械手（以下简称机械手）是近代控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科 机械手工程。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵 循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，回忆实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 2-1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一 主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要工人操作的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数以外，工作程序一般是固定的， 因此是专用的。 在国外，目前主要是高第一类通用机械手，国外称为机械人。本课题所做的机械手是属于第三类专用机械手。 1、简史 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。它的结构是：机体上安装一回转长臂，顶部装有磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 1962年美国联合控制公司在上述方案的基础上有试制成一台数控再现示教型机械手。商名为 Unimate （即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动，控制系统用磁鼓作存储装置。不少球坐标通用机械手即使在 这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（ Unimation ），专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Versatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、伸降，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国 Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装备作业，定位误差可小于正负 1毫米。联邦德国机 械制造业是从 1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备上下料等作业。 联邦德国 KnKn公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结果和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969年美国引进两种机械手后，大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，到 1977年底，其中一半是国产，一半是进口。 目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制，改进的方向主要是降低和提高精度。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型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，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。 第三代机械手（机械人）则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制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System）和柔性制造单元 FMS(Flexible Manufacturing Cell）重要一环。 2、应用简况 现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、 搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。 有资料统计的得：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。 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。 国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人劳动强度。 国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零部件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。 采用机械手进行装配更是目前研制的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置 和微型计算机连接在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。 3、发展趋势 目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。 在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸锻、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及根据不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业 要求，选用不同类型的夹紧机构，即可组成各种不同用途的机械手。以便于设计制造，又便于更换工作，扩大应用的范围。同时提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好地发挥机械手的作用。 此外还应大力研究司服型，记忆再现型以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床，横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作。 此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种只能的机 械手。使它拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化作相应的变更。如位置发生稍微偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。 视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相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。 触觉功能即使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，通过手指内的压力感敏元件产生触感作用，然后伸向前方、抓住工件。手的 抓力大小通过装在手指内的压力敏感元件来控制，达到自动调整握力大小。总之，随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。 更重要的是将机械手和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。 2-2 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下： 1、执行机构 手部 手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、弯曲手腕，开闭手指。 本课题所做的机械手仅需开闭手指。 机械手手部的机构模仿人的 手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。 本课题所做的机械手采用二指形状。 手臂 手臂有无关节和关节手臂之分。 本课题所做的的机械手的手臂采用无关节手臂。 手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需、的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确定位。 本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保 证定位的精度。 总括机械手的运动，离不开直线移动和转动二种，因此它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。 躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 2、驱动机构 驱动机构主要由四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气压用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动用的较少。 液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。他利用油缸、油马达实现直线运动；摆动油缸、油马达与减速器等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大，可无级变速 ，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂，成本较高。 气压驱动所采用的元件为气压缸 ,气压马达、气阀等。一般采用 4-6个大气压，个别的达到 8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母 机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。 电气驱动的优点是动力源简单，维护使用方便。驱动机构和控制系统可以采用同意型式的动力，出力比较大 ；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杠机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高、成本低；缺点是不易调整。 本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上伸、下降等方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松等方面。 3、控制系统 机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位 置、动作时间和加速度等。 控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 2-3应用机械手的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、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例。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： 一、以提高生产过程的自动化程度 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 以及机器的装配等自动化程度，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、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，一机械手代替人手进行工作，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 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于运 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，目前几乎都运用机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行工作生产。 综上所述，有效地应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 三、总体技术方案及系统组成 3-1 系统组成 本机械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓取机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成；控制装置主要由自动控制和手动控制二部分组成。 3-2 总体技术方案 毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活应用。现在的发展趋势是机电一体化，因此我们的毕业设计是要我们将 “机 ”、 “电 ”、 “液 ”三者结合起来。 “机 ”是指机械。机械手的动作过程可分为五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后退、机械手的夹紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。在这五部分中，我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦 ，丝杠传动是带动滚珠沿螺纹滚道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其他直线运动副相比有以下特点： 1、传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 85%-98%，为滑动丝杠副的 3-4倍。 2、运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。 3、能够预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提高刚度和传动精度，同时增加的摩擦力矩相对不大。 4、工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的 4-10倍以上。 5、定位精度和重复定 位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的热膨胀，因此可达到较高的定位精度。 6、同步性好 用几套相同的滚珠死杠副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 7、可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 8、不自锁 用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。 9、经济性差，成本高 由于结构工艺复杂，故制造成本高。价格往往以 mm计算。 经过计算，选择如下： 电动机型号： Y802-2 功率： 1.1W 丝杠型号： TR40*7 3-2-1 动作分析 工业机械手的 机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分，腰转部分以及机座和行走机构。 3-2-1-1 手部 包括械杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理是：物体进入手指后，拉杆受油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧和松开动作。 3-2-1-2 手臂的前后伸缩部分 手臂的前后伸缩部分有直线和油缸带动实现。 当直线油缸工作时，通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。 3-2-1-3 手臂的上下升降部分 手臂的上下升降部分是由 电动机，丝杠传动副，立拄等部分组成。 当电动机工作时，通过连轴器转丝杆，由于丝杆螺母受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能做上下运动。 3-2-1-4 腰转部分 腰转部分主要由转盘和回转油缸组成 。 当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动。 3-2-1-5 行走机构 行走机构主要由电动机，齿轮，链条等组成。 当电动机工作时，通过齿轮，链条的传动，带动小车的轮子运动，从而实现行走。 四、机械手的液压部分 “机、电、液 ”中的 “液 ”即指 液压系统。 液压传动相对于机械传动来说 ,是一门新兴的技术 .人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史 ,但是液压技术在机械领域中得意应用并取得迅速发展则是本世纪 ,特别是第二次世界大战以来的事 .由于液压传动具有很多突出的优点 ,因而目前已被广泛地应用在农业机械、机床、交通运输、陆地行走设备、火炮控制、飞机、导弹等各方面。 （一）、液压系统的工作原理 所谓液压系统就是液压为介质，通过液体的压力来传递动力。液压系统的工作是，液压泵把电机传来的回转式机械能转变成油液的压力能；油液被输送到液压缸后，又由液压缸（或液压马 达）把油液的压力能转变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液是在受调节、控制的状态下进行工作的，因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其招待元件在里和速度方面的要求。 （二）、液压传动的工作特性 液压系统的工作特性是，外界负载大所需的压力也大，反之亦然，因此液压系统的油压力（简称系统压力）大小取决于外界负载，负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零时系统压力为零。另外，活塞和工作台的运动速度（简称系统速度）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量 。 流量越大，系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。 （三）、液压系统的组成 液压系统由以下部分组成： 1、动力元件 它是将电动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。 2、执行元件 它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动工作部件。液压缸和液压马达为执行元件。 3、控制调节元件 是指各类阀元件，他们的作用是控制液压系统中的油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。 4、辅助元 件 是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。 5、工作介质 在液压系统中使用液压油 （四）、液压系统的优点、缺点 液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点： 1、能方便的进行无级调速，调速范围大。 2、体积小重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压控制系统有重要意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力。 3、控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。 4、可实现无间隙传动，运动平稳。 5、 因传动物质为油液，对液压元件有润滑作用，使用寿命长。 6、液压元件实现了标准化，系列化，通用化，便于设计、制造和推广使用。 7、可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而少去了中间的减速装置，使传动简化。 液压传动的主要缺点是： 1、漏 由于作为传动戒指的液体是在一定的压力下，有时是在较高压力作用下工作的，因此在相对运动的表面间不可避免产生泄漏。同时，由于油液并不是绝对不可以压缩的，油管等也会产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。 2、振 液压传动中的 “液压冲击和空穴 现象 ”会产生很大的振动和噪声。 3、热 在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦，压力损失、泄露损失，因此易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离传动。 4、液压传动性能对温度比较敏感，都不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染较敏感，故要求有良好的过滤设施。 5、液压元件加工要求高，一般情况下又要求有独立的能源，这可能使成本提高。 6、液压系统出现故障时，不宜追查原因，不宜迅速排除。 综上所述，液压传动由于其优点比较突出，在工农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、 提高，正在逐步得到克服。 由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松这三部分动作用液压传动来实现。 五、 回转装置的总体组成及其结构设计 5-1-1 执行件 回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。 本设计选用的是回转台与传递件 链轮共用的一个长平键的心轴。 驱动传递件 链轮转动，链轮通过共用键将回转运动直接传递给与心轴键联接的回转台，并使之旋转。 5-1-2 传递件 本课题中机械手要求作间歇往复回转运动，因此考虑采 用回转曲线传动。 回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。 齿轮传动虽然效率高，工作可靠，寿命长机构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，低精度是噪声大。由于本课题中机械手回转精度要求不高，因此不予考虑。 带传动虽然结构简单，制作成本低，传动平衡，噪声小，能缓冲吸振，有过载保护，但由于是摩擦传动，传动比不恒定，传动效率较低，带的使用寿命较短。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4-6个大气压，个别的达到 8-10个大气压。它的优点是起源方便，维护 简单，成本低。缺点是出力小、体积大。由于空气的可压缩性大很难实现中间位置的停止只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为减少停机是产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用同一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杠机构实现规定的动作。它的优点是动作切实可靠，速度高成本低。缺 点是不易于调整。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂，成本较高。 本课题设计采用液压驱动。利用液压缸带动链轮实现回转运动。设计配用液压总站，与回转装置并排于小车上。 5-1-4 控制系统 机械手控制系统的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。 控制系统可根据动作 的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 六、装置的组成及机构设计 6-1 行走装置的组成 行走装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。 6-1-1 执行件 本设计采用驱动件驱动传递件 齿轮、链轮传动，通过齿轮传动降低转速，通过链轮传动带动小车运动，从而实现小车的行走。 6-1-2 传递件 本课题中要求小车做行走运动，因此考虑采用齿轮和链轮的传动来实现。 传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。 齿轮传动的传递功率和速度范 围很广，传动比精确、可靠，传动效率比较高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，低精度是噪声大。由于高速级转速较快，功率较高，由于齿轮具有上述优点，考虑通过齿轮的传动达到降速的目的。 带传动虽然结构简单，制作成本低，传动平稳，噪声小，能缓冲吸振，有过载保护，但由于是摩擦运动，传动比不恒定，传动效率较低，外廓尺寸较大，带的使用寿命较短。 与带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比 ，传动效率较高，在传递相同情况下，结构 较为紧凑，链条张紧力较小，作用于链轮的力也较小，能够在低速重载的条件下使用。与齿轮传动相比链传动制造和安装精度要求较低， 在远距离传动中，链传动的结构简单而轻便。链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。而在本课题要求中，载荷变化很小，且是小车慢速前进，并非急速反向运动。 因此 行走装置中的运动传递本设计选用齿轮传动和链传动。 按齿轮传动的工作条件，可以分为开式齿轮传动、半开式齿轮传动和闭齿轮传动。 开式齿轮传动，如在农业机械、建筑机械及其其他简单机械中，齿轮完全暴露，外界杂物容易侵入，不能保证良好的润滑，传 动的安装精度较低，只宜用于低速传动。 半开式齿轮传动装有简单的防护罩，也有油池，但仍不能严密防止外界杂物的侵入，润滑不良。 闭式齿轮传动，如汽车、现代机床上所采用的，齿轮封闭在严密的箱体内，保证良好的润滑，各轴的安装精度及系统的刚度都比较高，能保证良好的啮合精度。 所以本课题中的齿轮传动采用闭式齿轮传动。 链传动对各种恶劣工作条件的适应性较强，在机械制造业中应用很广，主要用于工作可靠，传动中心距较大的场合。 链传动按用途分为传动链、起重链和牵引链。 起重链和牵引链用于 起重运输机械。在一般机械传动中常 用的是传动链。 传动链的主要类型有滚子链和齿型链。滚子链结构简单，成本较低，应用广泛，因此本设计采用滚子链。 6-1-3 驱动件 驱动件主要有四种：气压驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动。其中液压、气压用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动的较少。 气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。 一般采用 4-6个大气压，个别的达到 8-10个大气压。 它的优点是气源方便，维护简单、成本低。缺点是出力小、体积大。由于空气的可压缩性大很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 为减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲减震机构。 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用同一的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。 机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杠机构实现规定的动作。它的优点是动作切实可靠，速度高成本低。缺点是不易于调整。 液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达加齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、油马达和减速器、油缸与齿条、齿轮与链条、链轮 等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂，成本较高。 本课题设计采用电机驱动。利用电动机带动蜗轮减速器传动，通过链轮和轴的功用键实现小车的行走运动。 设：小车重量为 300kg，小车最大速度为 10M/min=0.17M/S 设：小车小链轮的齿数为 Z1=15齿 选涡轮减速机的减速比为 i1=1:30 电动机转速为 1500转 /分 则：小链轮转速为 n1=1500/30=50转 /分 小车轮子直径为 225mm 则：小车轮 子的转速 n1=V/L=10/0.225 3.14=14.15转 /分 大链轮与小链轮的转速比 i2=50/14.15=3.53 则：大链轮的齿 Z2=i2 Z1=52.9齿 为达到同步磨损的目的和大链轮直径不超过小车轮子直径。选 Z2=51齿 取 Z1=15 i1=30 Z2=51 i2=3.4 查表得： K15=4.8097 K51=16.2441 ctg180/15=4.7046 ctg180/51=16.2133 选用链条 P=12.7 滚子直径 D=7.95mm 所以：小链轮的中径 d1=K15 P=61.08mm 大链轮中径 d2=206.3mm 小链轮顶圆 da1=p(0.54 ctg180/Z1)=66.6mm 大链轮顶圆 da2=212.77mm 小链轮根圆 dr1=da1 d1=53.13mm 大链轮根圆 dr2=204.82mm 链条的速度 V=Z1 n1P/60 1000=0.16m/s 链轮公差： 孔 dk H8 顶圆 da h11 宽 b1 h14 小链轮 z=15齿 p=1.27 轴承选型 406 查表得：钢轮在钢轨上的摩擦系数 f=0.242 则小车的推动力 F=300 9.8 0.242=711.5N 转矩 T=F L=711.5 61.08/2 1000=21.73N*M 选用 WB100-WD-29-0.55（ KW）的单级摆线针轮减速器 功率 P=0.55KW 输出许用扭矩 T100N*M 链条：链号 08A q=0.6kg/m p=12.7 采用摆线针临减速器传动效率高、运转平衡、噪声低、能正反转、高速轴承和低速轴在同一轴线上安装方便、使用可靠、寿命长。 七、机械手的电气设计 1、设计思路 根据课题要求 机械手必须完成前伸、后退、上升、下降、左转、右转、放松、夹紧、小车的前进和后退等十个动作。 其中前伸、后退、上升、下降、左转、右转、放松、夹紧这几个动作用液压缸带动机械手来实现。 上升和下降用电动机带动齿轮和链轮，再传到轮子来实现。 2、电气方案的选择 方案 1：机械手的前伸、后退、上升、下降、左转、右转、放松、夹紧由液压电动机带动液压泵通过三个三位四通电磁阀分别带动三个液压缸来实现以上动作。 KM1控制液压电动机的起停，为了不使控制电路过于复杂，因此不使用液压电动机的下反转达来控制油路。电磁继电 器 YA1控制机械手的前伸， YA2控制机械手的后退， YA3控制机械手的抓紧， YA4控制机械手的放松， YA5控制机械手 左转， YA6控制机械手右转， KM2控制电动机的正转以带动机械手的上升， KM3控制机械手的反转带动机械手的下降。各个动作与动作之间的关联由行程开关来控制。 行程开关 SQ1用来限制机械手的前伸， SQ2用来限制机械手的后退， SQ3用来限制机械手的左转， SQ4用来限制机械手的右转， SQ5用来限制机械手的上升， SQ6用来限制机械手的下降，SQ7用来限制机械手的放松， SQ9用来限制小车的前进， SQ10用来限制 小车的后退，由于考虑到行程开关长期使用后会产生一定的定位误差，会使夹紧动作不可靠 ，而使用压力继电器 KP来限制机械手的夹紧动作。 本方案的电气控制请参见原理图。 SA作为手动和自动控制之间的切换开关。 SBO作为总停按钮。当 SA打在自动控制处时，按下 SB2是 KW1得电，液压电动机工作，同时 KM3使整个控制线路处于准备状态。 按下 SB12使 YA1得电自锁，机械手开始工作，手臂前伸到位后碰到行程开关 SQ1使 YA1失电，前伸停止，同时 KM2得电，使机械手开始上升，到位后碰到行程开关 SQ5，使 KM2失电，上升停止，同时 YA5得电，机械手开始抓取物体并夹紧，当夹紧力达到 一定的数值时表示对物体的夹紧已经可靠，压力继电器工作使 YA5断电，机械手保持夹紧状态，同时使 YA2得电，机械手开始后退。后退到位后碰到行程开关 SQ2使 YA2断电，后退停止，同时使 KM4得电小车前进。前进到位后碰到行程开关 SQ9，使 KM4失电，前进停止，同时，使 YA3得电机械手开始左转。左转到位后碰到行程开关 SQ3使 YA3断电，左转停止，同时使 YA1得电，机械手开始下降，下降到位后碰到行程开关 SQ6是 KM3断电下降停止，同时 YA6得电，机械手开始松开放物。手指 松开到一定位置时碰到行程开关 SQ8使断电，松开停止 ，同时 使 YA2得电，机械手开始后退，后退到位后碰到行程开关 SQ2使 YA2断电，机械手停止后退，同时使 YA4得电，机械手开始右转，右转到位后，碰到行程开关 SQ4使 KM5得电，小车后退，当后退到位时碰到行程开关 SQ10是后退停止，同时使 KA15得电，整个控制电路断电，机械手的一个工作流程完成。 当要进行点动调整或进行故障处理时可以把 SA切换到点动状态，按下 SB4机械手则点动前伸。按下 SB6机械手则点动抓取物体， 按下 SB20机械手则点动后退，按下 SB22机械手则点 动右转，按下 SB7小车则点动前进，按下 SB11小车则点动后退。 本方案机械手的松开和夹紧 控制中使用了三位四通阀。当机械手处于夹紧物体并保持状态时，由于回路处于断开状态使油缸得不到供油，而油路中又有一定的损耗，这样会油缸得不到供油，这样会使夹紧状态不可靠。并且在控制线路中没有对初始动作的（机械手的前伸）限位保护，当以外停电后再次得电时 ，无论机械手处于何状态，按下 SB2按钮都会使机械手从初始状态工作，这样就使机械手在工作中存在种种安全隐患。此外控制线路中仅仅加入了单步调整按钮。当机械手在工作中遇到以外断电后再次 工作时只能从初始状态开始新的工作，无法从当前状态继续工作。 这些问题都会给使用者带来不便和危险，因此本人在方案 2中给予了改进。 方案 2：机械手上升和下降仍由一台电机的正反转来实现。 机械手的前伸、后退、左传、右转也仍由一台液压泵带动两个三位四通阀来实现。 机械手的夹紧和放松由液压泵带动一个二位四通阀来实现，如图示 当液压泵工作而 YA5失电时，夹紧回路始终有油供给，使机械手始终处于夹紧状态，这种失电夹紧状态使得机械手的夹紧动作更可靠。 方案 2的电气控制线路如电气原理图所示，整个电气控制线路采用顺序控制。 各按 触器功能如下： KM1液压泵起停 KM2电动机正转，机械手上升 KM3电动机反转，机械手下降 KM4电动机正转，小车前进 KM5电动机反转，小车后退 中间继电器功能如下： KA0控制 YA1 KA2控制 YA5 KA6控制 YA2 KA8控制 YA3 KA14控制 YA4 KA15总停控制 KA16机械手启动限位控制 KA4夹紧 KA1、 KA3、 KA5、 KA7、 KA10、 KA11、 KA20、 KA30均为机械手各步预动作控制。 各个继电器功能如下： YA1机械手前 伸 YA2机械手后退 YA3机械手左转 YA4机械手右转 YA5机械手放松 各开关按钮及行程开关功能如下： SA机械手自动、手动切换开关 SB0接触器控制线路失电 SB1液压泵停止工作 SB2液压泵启动，中间继电器控制线路得电 SB3电动机停止工作 SB8中间继电器失电 SB4、 SB6、 SB10、 SB13、 SB14、 SB15、 SB16、 SB17为点动控制按钮，其功能将在点动控制中详述。 SB5、 SB7、 SB9、 SB11、 SB18、 SB19、 SB20、 SB21、 SB22为同步启动按钮，其功能将在单步启动控制中祥述。 SQ1前伸限位 SQ2后退限位 SQ3左转限位 SQ4右转限位 SQ5上升限位 SQ6下降限位 SQ7松开限位 KP夹紧限位 SQ9小车前进限位 SQ10小车后退限位 机械手显示电路： KL1线路通电 KL2液压泵工作 KL3机械手上升 KL4机械手下降 KL5小车前进 KL6小车后退 KL7机械手前伸 KL8机械手后退 KL9机械手左转 KL11机械手放松 因为在机械手的工作流程 中，有两次前伸，两次松开，两次后退动作，并且动作前后执行的动作不相同，为了进行区分，在控制线路中串入互锁触点和采用顺序控制。 当机械手第一次前伸时 KA0得电，使 KA1得电，为机械手上升做准备。此时 KA10控制线路中的常开触点 KA0也闭合，由于常开触点 KA9未闭合，而使 KA10未得电，机械手未做下降准备。当机械手第二次前伸时，由于 KA9首先得电，是 KA10得电 ，为机械手下降作好准备。此时 KA1控制线路中由于常闭触点 KA10打开，使 KA1无法得电，机械手未做上升准备。当机械手第一次松开时， KA2得电，使中间继电 器 KA12控制线路处的常开触点 KA2闭合，但由于与其串联的常开触点 KA11未得电闭合，因此 KA12不得电。保证了松开到位后机械手不会后退。当机械手第二次松开时，由于 KA11已经得电，其常开触点已经闭合， KA12得电 ，使后退动作处于准备状态。 第一次后退时 KA6处于得电状态，常开触点均闭合。 KA7得电使左转处于准备状态。但中间继电器 KA13控制线路中由于常开触点 KA12还未得电闭合，使 KA13无法得电，以导致机械手未处于右转准备状态。以保证机械手后退到位后，不会发生左转和右转电磁阀同时得电的情况。当机械手第二 次后退时，由于 KA12已经得电闭合，使 KA13得电的同时也使 KA7不得电。确保了机械手的右转动作处于准备状态，而不是左转。 机械手自动控制状态工作流程： 首先将 SA打在 自动控制位置。当机械手处于初始位置时，限位开关 SQ2、 SQ4、SQ6闭合，按下 SB2、 KM1得电自锁，液压电动机启动，整个控制线路处于准备状态。KA16得电自锁， KA0处于得电准备状态，机械手准备前伸。 按下 SB9、 KA0得电自锁， YA1得电，机械手开始前伸。同时， KA1得电， KM1， KA2做好得电准备。 前伸到位后触碰行程开关 SQ1， KM2得电自锁，机械手上升。同时， KA2得电使 YA5得电，机械手开始松开，同时又导致 KA0失电，机械手停止前伸。此时， KA3也得电，使 KA4处于准备得电状态 ，机械手准备夹紧。 上升到位后，压下行程开关 SQ5，是 KA4得电，导致 KA1、 KA2、 KM2断电，使机械手停止上升并开始抓取和夹紧物体。同时 KA5得电，是 KA6处于得电准备状态，机械手准备后退。 当夹紧力达到一定程度后，压力继电器 KP动作，使 KA6得电，导致 YA2得电机械手开始后退， KA3、 KA4断电，同时 KA7得电，使 KM4处于得电准备状态，小车准备前进。 机械手后退到位，触碰行程开关 SQ2，使 KM4得电，导致 YA3、 KM5、 KA6失电，小车前进并使机械手停止后退。同时 KA20得电，使 KA0、 KA10处于得电准备状态，机械手准备左转。 小车前进到位触碰行程开关 SQ9，使 KA8得电，导致 YA3、 KA5、 KA6失电，机械手左转并使小车停止前进。同时， KA9得电，使 KA0、 KA10处于得电准备状态，机械手准备第二次前伸，为了和第一次前伸后的动作区分还加入了中间继电器 KA10来控制。 机械手左转到位后，触碰行程开关 SQ3，使 KA0再次得电，导致 KA7、 KA8断电，YA1得电，机械手左转停止并手臂前伸。同时 KA10得电，是 KM3处于得电准备状态，机械手准备下降。另外 KA10的动作还使 KA1保证不得电，也就保证了机械手在下一步不会产生上升的动作。 机械手前伸到位后，触碰行程开关 SQ1， KM3得电，机械手下降， KA0失电 ，机械手停止前伸。 KA11得电，使 KA2、 KA12做得电准备，机械手准备第二次松开。此时 KA1仍由 KA10切断。 机械手下降到位后，触碰行程开关 SQ6，使 KA2得电，导致 YA5得电，同时 KA12得电， KA6、 KA13做得电准备，机械手准备第二次后退。 机械 手松开到位后 ，触碰行程开关 SQ7，是 KA6再次得电，导致 YA2、 YA13得电，使机械手后退，且使机械手处于右转准备状态。值得注意的是此时 YA5仍得电，也就是说机械手仍保持松开状态，这是考虑到手指抓紧所用的时间比手指退出工件所用的时间要短。如果此时 YA5断电，机械手会再次抓住工件，产生误动作。 机械手后退到位后，触碰行程开关 SQ2，是 KA14得电，导致 YA4得电，机械手右转。 KA12、 KA11断电，机械手停止后退并且开始夹紧。同时 KA30、 KM5得电，小车开始后退，并且为 KA15得电做准备。 小车后退到位后， 触碰行程开关 SQ10，使 KA15得电，机械手各个控制线路断电，机械手完成一个工作流程恢复原位，并且准备下一次动作。 机械手点动控制： 机械手的上升和下降的点动控制无须进行控制切换。 SB13点动前伸 SB14点动放松 SB15点动后退 SB16点动左转 SB17点动右转 机械手的单步启动控制： 本方案中在电气控制线路中还增加了各单步启动按钮，目的是为了在遇到意外断电后又得电时，机械手能从当前步继续工作下去，而不必重新开始，这样会给工作带来很多方便。 SB5上升启动 SB9下降启动 SB7前进启动 （小车） SB11后退启动 （小车） SB18前伸启动 SB19松开启动 SB20后退启动 SB21左转启动 SB22右转启动 3、方案的选定 方案 2和方案 1比较起来有明显的优点，因此我决定把方案 2作为机械手电气控制的最终方向。 4、检验 为了检验此方案的正确性，我利用了华光的 PLC编程机进行调试，其输入点范围为： 0-14，输出点范围为： 17-27。（均为八进） 首先要确定输入点和输出点，由于所用的 PLC机输入 点和输出点有限，因此只能先把自动控制线路中的按钮和行程开 关作为输入点。将显示电路中的指示灯作为输出点。参见对照表 确定了输入、输出点后依照电气原理图画出相应的体形图。写出 PLC语句，输入PLC机进行调试。调试时一次按下与机械手工作流程相应的输入触点，观察其是否正确。如果发现错误，则进行改正。 5、电气元件的选择 按照电气原理图中所用的元件选择所需的元件尺寸和规格型号。 按照所选的电气元件对电气原理图进行最后的调整，这次调整主要是为了使用的元件经济实用且便于采购和维修。然后按照所用元件的实际尺寸画出电气安装图和 电器接线图。这样机械手的电气设计工作基本完成了。 八、机械手的 PLC设计 按照目前国外的发展形式，用接触器、中间继电器、时间继电器进行电气控制由于产品自身的种种问题：