装卸工件机械手设计【含6张CAD图纸+PDF图】
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第47页 辽宁科技大学本科生毕业设计1 绪论1.1 选题的背景、目的和意义现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。而在机械手的设计计算中包含了机械设计专业所学的大部分专业课程内容，对以往的学习起到了一个很好的巩固和获得新知识的作用，对以后的工作也会有很大的帮助。这也是选择这个题目的目的。此课题的研究在现实生活中具有重要的意义。有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作要求质量很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等；这些都是机器人大显身手的地方。服务机器人还可以为您治病保健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹1.2 机器人的发展概况1.2.1 机器人的定义什么是机器人呢?这个问题是一个非常有意思的一个问题。但人们一般的理解，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置或者叫自动化装置，它仍然是个机器。它有三个特点：一个是有类人的功能，比如说作业功能；感知功能；行走功能；还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象和工作的一些要求。它是人造的机器或机械电子装置，所以这个机器人仍然是个机器。但是目前还没有一个统一的有关机器人定义，一般来说我们认为机器人是计算机控制的可以编程的目前能够完成某种工作或可以移动的自动化机械，这是美国工程师协会定的一个定义，但日本和其他国家也对机器人有不同的看法，他们认为从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，那么比方说机器人在这里边可以代替人进行焊接，焊接的环境是非常复杂的，可以搬运，它在生产线中搬运玻璃和各种各样的一些零件的搬运的工作，还可以在生产线中码垛等等，这都是把人从繁重的体力劳动中解放出来的一个例子。1.2.2 机器人的发展过程1920年，有一个捷克斯洛伐克的一个作家叫卡佩克，他写了一本科幻小说，叫罗萨姆的机器人万能公司。这本小说中他构思了一个和幻想了一个机器人，它的名字叫罗伯特，也就是我们英文中的Robot，它可以不吃饭，它能够不知疲劳的，不知疲倦地进行工作。在1920年前后，大家也知道是在第一次世界大战以后，是各国工业发展比较迅速的时期，我们看到电影摩登时代，卓别林主演的人变成了机器人，在生产线中天天的进行劳动。人们在这种烦躁的体力劳动中就幻想有一种能代替人完成这样工作的想像、一种需要，这个小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧，所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来，当时人们还认为是一个科幻小说，还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起来。但通过这样一个小说，一个罗伯特这样一个名词，它体现了人类长期的一种愿望，这种愿望就是创造出一种机器，能够代替人进行各种工作。这种想法是机器人产生的一种客观的要求，那么真正机器人的发展是在1947年，美国橡树岭国家实验室在研究核燃料的时候，大家知道核燃料，它有X射线对人体是有伤害的，必须有一台机器来完成像搬运和核燃料的处理这样的工作。在1947年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，那么1947年以后大家知道，是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。那么在1962年美国研制成功PUMA通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在1947年产生，真正意义的机器人在1962年产生。那么相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了20世纪60年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器人。到20世纪70年代的时候，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像ABB，MOTOMAN，还有安川公司，还有很多机器人公司像OTC等等公司。它们都是已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式的走向应用。在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的FUNAC公司，都在工业机器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。1.2.3 国内机器人研究状况由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。我们国家在机器人的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。1.2.4 国外机器人的最新发展近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。（2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等（4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。（5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。（6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。1.2.5 机器人目前研究热点及发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：（1）工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。（2）机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。（3）多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。（4）机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。（5）机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。（6）虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。（7）多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。（8）微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。（9）软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。2手指部分的设计与计算机械手手爪是用来抓取工件的部件。手爪抓取工件时要满足迅速、灵活、准确和可靠的要求。所以机械手手爪是机械手的关键部件之一。设计制造加紧机构手爪时，首先要从机械手的坐标形式、运行速度和加速度的情况来考虑。其夹紧力的大小则是根据夹持物体的重量、惯性和冲击力的大小来计算。同时考虑有足够的开口尺寸，以适应被抓物体的尺寸变化。为扩大机械手的应用范围，还须备有多种抓取机构，以根据需要来更换手爪。为防止损害被夹持的物体，夹紧力要限制在一定的范围内，并镶有软质垫片、弹性衬垫或自动定心机构。为防止突然停电造成的被抓物体落下，又需要有自锁结构。夹紧机构本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活和工作可靠。2.1夹紧机构的类型夹紧机构形式多样，有机械式、吸盘式和电磁式等。机械式夹紧机构是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。此次设计中也是应用的机械式夹紧机构。机械式夹紧机构是由驱动元件、手爪支持部件、传动机构、手指及各种垫片、附件等组成：（1） 驱动元件，主要是油缸。（2） 手爪支持部件，一般固定在手腕或者手臂上，而驱动件、传动机构和手指则安装在手爪的支持部件上。（3） 传动机构，是把活塞杆的运动变成手指开闭运动的机构，设计中采用的是铰链连杆机构传动。传动机构不仅把活塞杆的运动传递给手指，而且有又将这个机构设计为力的倍增机构。2.2信息传感器工业机械手采用的传感器大致可分为两类：第一类用以检测、判断对象的情况，便于机械手进行操作，称为外部信息传感器；第二类在机械手驱动系统内检测控制动作，以便实现控制回路的功能，称为内部信息传感器。内部信息传感器种类较多，但外界信息传感器则处于发展阶段。其中主要要求有位置传感器、触觉传感器，即需要具备能检测对象（工件）的位置，或具有触觉，甚至具备视觉的判断功能，2.2.1内部信息传感器机械手手臂能移动到要求的位置，并能重复规定的动作，一般采用有反馈的伺服机构。伺服机构的主回路有检测部分、放大部分、驱动部分等组成，用以检测位置和角度等。内部信息传感器主要采用电阻电位计，自整角机、旋转变压器和其他模拟数字变换器等。也有采用开关控制如限位开关、接近开关和光电继电器等。对反馈元件的内部信息传感器的要求是：（1） 可靠性高，寿命长，无故障及少维修；（2） 小型简单，不带附属装置；（3） 抗干扰，在恶劣工作环境下，如电噪音、电压、频率变化较大的情况下，能够正常工作；（4） 不因温度、湿度、振动冲击等环境变动时发生误差与损坏；（5） 回路独立，输入输出回路相互独立；（6） 容易调整和微调；（7） 应用绝对值表示停止位置；（8） 价格低廉。2.2.2外部信息传感器外部信息传感器用得比较多的主要有距离传感器、力传感器、识别传感器和自适应诊断传感器。（1）距离传感器测量距离有两种方法，一种是接触物体的测距，另一种是不接触物体测距。接触物体时可采用微型开关、放大比例尺、齿条齿轮和编码器等。非接触传感器一般是利用激光和超声波。激光传感器是用旋转反光镜使激光在物体上进行扫描，用光电晶体管接收确定光轴上物体的反射光，根据接收到光的时间测出距离。（2）力传感器力传感器大多使用应变仪，也可使用压敏元件和导电橡胶。应变仪安装在悬壁上，当手指没有外力影响时，它的四个输出口处于平衡状态，如手指接触到物体，而又加上外力时，就会处于不平衡状态。当将手指轴放到应变仪孔内时，向外力大的方向就产生反作用力，使应变仪四个输出口出现不平衡状态，从而体现传感作用。（3）识别传感器识别形状传感器，一般使用由电视摄像机或光电二极管阵列构成的矩阵式摄像机。在使用这种传感器时，关键在于数据存取及其处理的速度，如速度过于迟缓，就不可能使机械手的作业与有关作业同步。（4）自适应诊断传感器自适应诊断传感器安装在手指上，用以对夹持力的大小进行自适应控制。只要不改变手指和被夹持物体的相对位置，就能准确地进行控制。利用电唱机拾音器心坐的原理，使针接触物体。2.3液压传动的设计计算油泵是液压系统的心脏，他把电动机输入的机械能转变成油压，同时向液压系统提供具有一定压力和流量的压力油。油泵种类较多，目前在机械手上多数是采用齿轮泵和叶片泵，而从流量的特性来看，多数是采用叶片泵。手爪夹紧设计中所选择的是叶片泵。机械手常用的叶片泵(YB)型额定工作压力一般为63 。而定量泵是根据液压系统所需的油泵工作压力和所需要的流量这两个参数来确定的。在机械手液压系统中任何油缸工作时，都要有一定的输出力（或力矩）、运动速度和方向。凡控制油缸输出力大小、运动速度和运动方向都需要有阀来控制。压力阀实现机械手所需输出力（或力矩），它包括溢流阀、减压阀、安全阀、顺序阀和压力继电器；流量阀控制流量大小，实现机械手执行机构所需的运动速度。如节流阀、调速阀；方向阀由减压阀与节流阀串联，保证节流阀进出口压力差趋于稳定，使流量不受外界负荷变化的影响。常用的有二位三通及三位四通电磁换向阀。2.3.1手爪夹紧液压传动的设计计算(1)确定油缸的工作压力 式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。(2)确定经油缸的流量经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：经油缸的液压油路中的流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸速度最大时所需要的总流量。(3)确定油泵所需电机功率 式中：油泵所需要的电动机功率；所需油泵工作压力；油泵额定流量；油泵总效率，一般叶片泵，柱塞泵。2.3.2手爪回转液压传动的设计计算(1)确定油缸的工作压力式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。(2)确定经油缸的流量经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：油缸所需流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸速度最大时所需要的总流量。(3)确定油泵所需电机功率式中：油泵所需要的电动机功率；所需油泵工作压力；油泵额定流量；油泵总效率，一般叶片泵，柱塞泵。(4)液压缸的扭矩计算当摆动式液压缸的两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复运动，当考虑到机械效率时，液压缸缸的摆动轴输出扭矩T为： 式中：叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率。根据能量守恒原理，结合上式得出角速度为：式中：液压缸叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；液压缸的流量；液压缸的容积效率。2.4夹紧力的计算2.4.1液压缸产生的推力及运动速度手爪夹紧所用的液压缸是单杆活塞式液压缸，活塞的伸缩使得手爪夹紧与放开。单杆活塞式液压缸的活塞杆只从液压缸的一端伸出，液压缸的活塞在两缸有效作用面积不相等，当向液压缸两腔分别供油，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和推力都是不相等的，即运动具有不对称性。(1)手爪夹紧的设计计算当无杆腔进油时，活塞的运动速度V为：式中：液压缸的流量；无杆腔部分液压缸的横截面积；液压缸的容积效率；液压缸缸体内孔直径。液压缸所产生的推力F为： 式中：无杆腔部分液压缸的横截面积；有杆腔部分液压缸的横截面积；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率；液压缸缸体内孔直径；活塞杆直径。(2)手爪放开的设计计算当有杆腔进油时，活塞的运动速度V为：式中：液压缸的流量；无杆腔部分液压缸的横截面积；液压缸的容积效率；液压缸缸体内孔直径。液压缸所产生的推力F为： 式中：无杆腔部分液压缸的横截面积；有杆腔部分液压缸的横截面积；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率；液压缸缸体内孔直径；活塞杆直径。2.4.2夹紧力的计算夹紧机构在抓取工件时必须要有一定的夹紧力（即握力），其握力的大小与夹紧机构的形式、夹紧方位和工件的形状都有关。因而研究夹紧机构处在什么方位时，夹紧工件所需要的驱动力为最小，这个最小的夹紧力称之为当量夹紧力。当量夹紧力就是使工件处于水平位置时的最小驱动力。(1)当量夹紧力的计算当卡爪平衡时，夹紧力与驱动力的平衡条件是：，即： 式中： 滑槽方向与两销轴的距离；夹紧力；工件重心距手指回转支点的距离；滑槽对销轴的反作用力；夹紧系数。其中： ， 式中：钳口与水平面的夹角；油缸产生的驱动力。(2)考虑工件重量时的最小驱动力当手爪夹紧时所需的驱动力P为：式中: 油缸产生的驱动力；滑槽方向与两销轴的距离；工件重心距手指回转支点的距离；钳口对工件的夹紧力；钳口对工件的夹紧力；手指部分的重量；钳口与水平面的夹角。当手爪尚未夹紧，油缸保持水平位置时其驱动力最小，其最小驱动力为：(3)手爪夹紧力的计算手指对工件的夹紧力可按下列计算：式中：手指对工件的夹紧力；安全系数，通常取；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可取；方位系数，查表得；被抓取工件的重量。综上所述，油缸产生的驱动力满足驱动的要求。3手腕部分的设计与计算3.1确定油缸的工作压力 式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。3.2确定经油缸的流量经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：油缸所需流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸速度最大时所需要的总流量。3.3确定油泵所需电机功率式中：油泵所需要的电动机功率；所需油泵工作压力；油泵额定流量；油泵总效率，一般叶片泵，柱塞泵。3.4液压缸的输出扭矩计算当摆动式液压缸的两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复运动，当考虑到机械效率时，叶片缸的摆动轴输出扭矩T为： 式中：叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率。根据能量守恒原理，结合上式得出角速度为： 式中：液压缸叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；液压缸的流量；液压缸的容积效率。4手臂部分的设计与计算手臂是机械手的主要部分，它是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。4.1手臂的作用和组成手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。实现旋转、升降运动是由横臂和立柱去完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂的自身的重量等。手臂由以下几部分组成：(1)动作元件，如油缸、气缸、齿条、齿轮等是驱动手臂运动的部件。(2)导向装置，是保证手臂的正确放心及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。(3)手臂，起着连接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、导向杆、控制刚等都安装在手臂上。此外，根据机械手动作和工作的要求，如管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测机构等，一般也都装在手臂上。所以手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都直接影响机械手的工作性能。4.2对设计手臂的要求(1)手臂应承载能力大、刚性好、自重轻。手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如果刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。(2)手臂的运动速度要适当，惯性要小。机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定，但不宜盲目地追求高速度。手臂的自重轻，其启动和停止的平稳性就好。(3)手臂动作要灵活手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。如在运动臂上加装滚动轴承或采用滚珠导轨也能使手臂运动轻快、平稳。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利。偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升级时还会发生一种沉头现象，也会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量的近，以减少偏重力矩。对于双臂同时操作的机械手，则应使两臂的布置尽量对称于中心，以达到平衡。(4)位置精度要高机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在结构上还要注意如下几个问题：机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精度；加设定位装置和行程检测机构。合理选择机械手的坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比较简单、误差也小；回转运动产生的误差，是放大式的尺寸误差，当转角位置一定时，手臂伸出越长，误差越大。(5)通用性强，能适应多种作业；工艺性好，便于维修调整。4.3手臂的结构手臂的伸缩和升降运动采用直线油缸驱动。手臂的回转运动，在回转转角小于360度的情况下，采用摆动油缸。手臂的俯仰运动，常用直线油缸带动铰链杠杆机构来实现。(1)手臂直线运动的结构手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。机械手中实现手臂往复运动用的的双作用双活塞杆油缸。因为行程比较大，因此将油缸做得很长，体积很大，则加工上有困难。而伸缩式双活塞杆油缸既能满足行程要求，油缸体积又小，其缺点是一次行程有两种速度。在结构上可以是油缸体固定、活塞刚运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。(2)手臂的摆动机构手臂的摆动机构采用叶片式摆动缸，叶片式摆动缸的回转角小于360度，缸的结构定片可以与缸体固联，有时也可以相反。只要选取适当的减速机构，便可得到需要的手臂摆动速度。（3）手臂的俯仰运动机构由于手臂悬伸后加持工件，其偏重力矩较大，故必须采用强有力的俯仰驱动机构。往复直线油缸可绕其支承销轴摆动。当油缸活塞杆作往复运动时，通过铰链带动支架上下摆动，而手臂安装在支架上。4.4手臂的设计计算4.4.1确定油缸工作压力式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：经油缸的液压油路中的流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸以最大速度运行所需要的总流量。4.4.2驱动力的设计计算根据手臂运动的不同，驱动力可以分为两种情况来计算。（1）手臂水平伸缩时驱动力的计算当手臂水平伸缩时，主要克服摩擦阻力和惯性力，所以驱动力的大小为： 其中摩擦力应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力、活塞与密封装置处的摩擦阻力。而活塞与密封装置处的摩擦阻力相对于导轨间的摩擦阻力可忽略不计，则摩擦阻力为： 式中： 摩擦阻力；手臂、手腕、手爪及工件的总重量；重力加速度。惯性力的大小可按照下列方式计算： 式中：手臂在启动过程中的惯性力； 手臂、手腕、手爪及工件的总重量； 重力加速度； 启动或制动前后的速度差； 启动或制动前后的时间差。（2）手臂水平回转时驱动力距的计算手臂启动水平回转时主要克服惯性力矩和摩擦力矩，由于摩擦力矩比较小，可以近似的取。因此驱动力矩为：式中：驱动力距；惯性力矩；摩擦力矩，包括各支承处摩擦力矩。其中惯性力矩的大小可按下式计算： 式中：手臂回转部件对其回转中心的转到惯量；手臂回转的角速度差；启动时所需的时间；零件对回转中心的转动惯量；零件作为其重心位置的质点对手臂回转中心的转动惯量。由于所夹持的工件为圆柱体，所以零件对回转中心的转动惯量的大小为： 式中：手臂回转半径，即工件重心到回转中心的距离；手臂运动件的重量。零件作为其重心位置的质点对手臂回转中心的转动惯量则可按下式计算：式中：所夹圆柱体的长度；所夹圆柱体的半径。4.4.3偏重力矩的设计计算偏重力矩就是手部悬伸部分的全部零件重量（作用在各自的重心上）对手臂回转中心的静力距。最大偏重力矩产生于手臂伸缩缸全部伸出，并夹持额定重量的零件时，各零件的重量可按其结构形状、材料比重进行粗略计算。重心位置，由于零件多数均采用对称结构，故重心应位于其几何截面的形心上，计算时可把手臂的偏重部分分解成几个单元，先分别计算，然后汇总。首先计算立柱支承的全部零件的重量： 式中：立柱支承的全部零件的总重量；工件重量；手爪部分重量；手腕部分重量；手臂部分重量。立柱支承的全部零件的总重量的重心位置距回转中心的距离为，则：式中：工件重量；手爪部分重量；手腕部分重量；手臂部分重量；工件重心距离回转中心的距离；手爪重心距离回转中心的距离；手腕重心距离回转中心的距离；手臂重心距离回转中心的距离。其偏重力矩为：如果求出的偏重力矩过大，可重新布置各部件在手臂上的位置，也可加平衡块来改善受力情况。但这样又会增大手臂重量及转动惯量。因此要多方考虑。5.机身的设计与计算5.1机身升降液压转动的设计计算5.1.1确定油缸的工作压力 式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。5.1.2确定经油缸的流量经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：经油缸的液压油路中的流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸以最大速度运行所需要的总流量。5.1.3确定油泵所需电机功率 式中：油泵所需要的电动机功率；所需油泵工作压力；油泵额定流量；油泵总效率，一般叶片泵，柱塞泵。5.1.4液压泵的校核当无杆腔进油时，活塞的运动速度V为：式中：液压缸的流量；无杆腔部分液压缸的横截面积；液压缸的容积效率；液压缸缸体内孔直径。液压缸所产生的推力F为： 式中：无杆腔部分液压缸的横截面积；有杆腔部分液压缸的横截面积；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率；液压缸缸体内孔直径；活塞杆直径。当有杆腔进油时，活塞的运动速度V为：式中：液压缸的流量；无杆腔部分液压缸的横截面积；液压缸的容积效率；液压缸缸体内孔直径。液压缸所产生的推力F为： 式中：无杆腔部分液压缸的横截面积；有杆腔部分液压缸的横截面积；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率；液压缸缸体内孔直径；活塞杆直径。5.1.5活塞杆强度和稳定性校核活塞杆的直径与计算长度之比10,属于短行程液压缸，主要校核其拉压强度，发生纵向弯曲破坏的几率很小，所以不用对活塞杆进行稳定性校核。活塞杆强度校核公式为：式中：活塞杆直径；液压缸负载；活塞杆的许用应力。活塞杆主要受轴向压力作用，因此只要校核抗压强度，即可得活塞杆受压强度公式：活塞杆的许用应力为，故活塞杆取完全可以满足要求。5.2机身回转液压转动的设计计算5.2.1确定油缸的工作压力 式中：油缸的工作压力；油缸的最大工作压力；经油泵到油缸的油路中，总的压力损失；管路损失系数，当机械手油路管路不长时，一般取。5.2.2确定经油缸的流量经油缸的液压油路中的流量应根据液压系统所需要的最大流量和总泄漏量来确定。即： 式中：经油缸的液压油路中的流量；泄漏系数取；系统同时动作时，油缸速度最大时所需要的总流量。5.2.3确定油泵所需电机功率 式中：油泵所需要的电动机功率；所需油泵工作压力；油泵额定流量；油泵总效率，一般叶片泵，柱塞泵。5.2.4液压缸的扭矩计算当摆动式液压缸的两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复运动，当考虑到机械效率时，液压缸缸的摆动轴输出扭矩T为： 式中：叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；供油压力；回油压力；液压缸的机械效率。根据能量守恒原理，结合上式得出角速度为：式中：液压缸叶片宽度；摆动轴直径；液压缸缸体内孔直径；液压缸的流量；液压缸的容积效率。6.PLC控制可编程序控制器PC又称为可编程逻辑控制器PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微机处理器为核心、用作数字控制的专用计算机。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格的形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，调试和差错都很容易。PLC在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术，现以成为现代工业控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一。它以其可靠性高、逻辑能力强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速技术与位控等高性能模块等优异性能，正在日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电器-接触控制器系统，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。PLC应用的深度和广度都已成为一个国家工业先进水平的重要标志之一。6.1PLC实现的功能机床操作面板上的自定义按键大部分带有指示灯，在使用一些需要特别提醒的功能时，其按键采用指示灯闪烁的方式，以示醒目，如机床故障复位键、等等。操作面板的自定义键必须经过PLC编程才能生效，而按键的功能则根据机床的需要来定义。根据要求，这台数控铣床的操作面板上设计了机床启动、手动控制、自动控制、主轴正反转启停、点动控制、润滑控制功能。按键QS1控制电源开关；按键SB18控制急停；按键QS2可选择手动工作方式、自动工作方式、点动工作方式、单段工作方式；按键SB1、SB2、SB3分别控制主轴的正转、反转、停止的功能；按键SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6分别控制X轴正方向限位、X轴负方向限位、Y轴正方向限位、Y轴负方向限位、Z轴正方向限位、Z轴负方向限位的功能；当铣床工作时出现超程问题时，按键SB12可解除因超程出现的限制；润滑液开关为SB13，当润滑液开关打开时，可实现定时润滑的功能；机床锁定功能的实现，当CNC发出机床锁定信号或按下机床锁定按扭SB17时，输入继电器X002常开触点闭合，继电器Y0接通，所有输出继电器（Y）将自动断开实现机床锁定功能。6.2PLC控制电路接线图6.3PLC输入（I/O）点数的分配PLC输入（I/O）点数的分配如表6.1：输入端元件用途X0SB启动按钮X1SB1急停按钮X2SB2自动运行按钮X3SB3机身升降点动按钮X4SB4机身回转点动按钮X5SB5手臂伸缩点动按钮X6SB6腕部摆动点动按钮X7SB7腕部回转点动按钮X8SB8夹持控制点动按钮X9SB9大泵卸荷点动按钮X10SB10小泵卸荷点动按钮X11SB11两泵卸荷点动按钮X12SQ1机身升降行程位置开关X13SQ2机身回转行程位置开关X14SQ3手臂伸缩行程位置开关X15SQ4腕部摆动行程位置开关X16SQ5腕部回转行程位置开关X17SQ6夹紧控制行程开关X18SQ7大泵油路压力表X19SQ8小泵油路压力表表 6.1 PLC输入（I/O）点数的分配6.4PLC输出（I/O）点数的分配PLC输出（I/O）点数的分配如表6.2：输出端元件名用途Y0M液压泵启动辅助继电器Y11DT电磁阀用电磁铁Y22DT电磁阀用电磁铁Y33DT电磁阀用电磁铁Y44DT电磁阀用电磁铁Y55DT电磁阀用电磁铁Y66DT电磁阀用电磁铁Y77DT电磁阀用电磁铁Y88DT电磁阀用电磁铁Y99DT电磁阀用电磁铁Y1010DT电磁阀用电磁铁Y1111DT电磁阀用电磁铁Y1212DT电磁阀用电磁铁Y1313DT电磁阀用电磁铁Y1414DT电磁阀用电磁铁Y1515DT电磁阀用电磁铁Y1616DT电磁阀用电磁铁Y17M1夹紧力感应辅助继电器Y18M2油压限定辅助继电器Y19M3油压限定辅助继电器Y20M4油压限定辅助继电器表 6.2PLC输出（I/O）点数的分配6.5PLC控制梯形图PLC控制的梯形图如图6.2图 6.26.5程序调试6.5.1主程序调试SB1:ON(总停按钮预设为OFF)液压泵启动/停止：SB:ON/SB:OFF/总停开关：SB1:OFF/SB1:ON/6.5.2手动操作子程序调试SB0:ON/SB0:OFF/SB1:OFF/SB2:OFF/机身升降：SB3:ON/SB3:OFF/SQ1:ON/SQ1:OFF机身回转：SQ4:ON/SB4:OFF/SQ2:ON/SQ2:OFF/手臂伸缩：SQ5:ON/SB5:OFF/SQ3:ON/SQ3:OFF/腕部摆动:SQ6:ON/SB6:OFF/SQ4:ON/SQ4:OFF/腕部回转:SQ7:ON/SB7:OFF/SQ5:ON/SQ5:OFF/夹持控制:SQ8:ON/SB8:OFF/SQ6:ON/SQ6:OFF/大泵卸荷:SQ9:ON/SB9:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/小泵卸荷:SQ10:ON/SB10:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/两泵卸荷:SQ11:ON/SB11:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/6.5.3自动运行子程序调试SB1:ON(总停按钮预设为OFF)液压泵启动/停止：SB:ON/SB:OFF/自动运行启动/停止：SB2:ON/OFF机身升降：SB3:OFF/SQ1:ON/SQ1:OFF机身回转：SB4:OFF/SQ2:ON/SQ2:OFF/手臂伸缩：SB5:OFF/SQ3:ON/SQ3:OFF/腕部摆动:SB6:OFF/SQ4:ON/SQ4:OFF/腕部回转:SB7:OFF/SQ5:ON/SQ5:OFF/夹持控制:SB8:OFF/SQ6:ON/SQ6:OFF/大泵卸荷:SB9:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/小泵卸荷:SB10:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/
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