数控机床自动上料机械手设计()

1、 数控机床自动上料机械手设计摘 要在当今时代，科学技术取得了较大的进步以及发展，并且为了早日促进工业4.0的到来，在目前的工业制造体系里，一些之前通过人工操作的具体任务慢慢地全部被机械装置替换，如此促进了机械手的广泛运用。本文涉及一款圆柱型机械手的设计，主要应用于普通数控车床，机械手在电液混合驱动方式的作用下完成车床的自动上料、下料动作。本文主要内容在于对机械手的相关机械结构及运动控制方案进行设计并阐述了其运动控制方式。设计完成该款机械手具有完整的机械动作功能，这包括机械手爪的抓放动作、小臂的伸缩功能、大臂能进行升降及腰部能进行转动。机械手中手臂伸缩的相关直线运动的控制由液压缸完成，而腰部的转

2、动动作是由步进电机与减速齿轮的组合来共同完成。机械手中相关运动方向的控制由液压电池阀来实现。同时机械手的控制单元使用PLC模块。而整个设计要构成一个完全的机电一体化系统，还需对PLC进行编程控制并完成外部连线。关键词：机械手、电液混合驱动、PLCDesign of automatic upper and lower material manipulator of CNC latheAbstractIn the current era, science and technology have made great progress and development, and in order to

3、 promote the arrival of Industry 4.0 at an early date, in the current industrial manufacturing system, some specific tasks that were previously manually operated are slowly replaced by mechanical devices. Promote the extensive use of robots. This paper relates to the design of a cylindrical robot, w

4、hich is mainly applied to ordinary CNC lathes. The robotic arm completes the automatic loading and discharging operations of the lathe under the action of the electro-hydraulic hybrid driving mode. The main content of this paper is to design the relevant mechanical structure and motion control schem

5、e of the manipulator and explain its motion control method. Designed to complete the robot has a complete mechanical action function, which includes gripping and release of the robotic gripper, the telescopic function of the arm, the boom can be raised and lowered, and the waist can be rotated. The

6、control of the relative linear movement of the arms of the robot is performed by hydraulic cylinders, and the rotation of the waist is accomplished by a combination of a stepping motor and a reduction gear. The control of the relevant movement direction in the robot is achieved by a hydraulic batter

7、y valve. At the same time, the control unit of the robot uses a PLC module. The entire design must constitute a complete mechatronic system. It is also necessary to program and control the PLC and complete the external connection.Key words: mechanical hand, electro hydraulic hybrid drive, PLC第一章 绪论&

8、#167;1.1 选题背景和意义科学技术的发展日新月异，这在相当大程度上改善了人们的生活，而人们获取资源的方式更趋于高效性，工业生产逐步进入现代化流程。在这样的背景下，机器替代人工劳动的场面将越来越多，特别是那些复杂恶劣的场景条件下。而为了满足现代工业进步实现的需要，机械手也就产生了。全世界第一台机械手于1960年出现，从那时候起，各个国家的科学家就一直热衷于对机械手进行研究。因为它出现的意义非常重大，极大程度的影响了现代工业的发展，因此研究工业机械手是非常有必要的。我很荣幸选择机电一体化作为我的大学专业，通过运用自己在大学期间所学的理论知识去设计一款新型的机电产品设备是非常有意义的事情，其中

9、机械手是一个不错的方向。数控加工的操作流程是怎样的呢？首先工人会在数控仪器中设置相关程序，然后还是会花费员工的时间以及劳动力来进行上料与下料等工作，虽然这个程序对于工作来说还是非常有必要的，但是在现代工业中仍然依靠如此大量的劳动力来完成这件事还是不应该的。因此，设计一个可能进行上料以及下料的机械手就显得尤为必要，这样就可以实现机器智能化，极大程度的减轻了工人们的劳动力。§1.2 机械手的发展状况机器人包括机械手以及数控车床，虽然它出现的时间比较早，但是却是最近几年才发展起来的。美国的科幻小说最先提出机器人这一概念，那时候的机器人并不是真实存在的，只是人们心中的一个幻想。目前，不仅仅是

10、中国，国外也有很多的国家都在大力研发机器人，其中比较出名的公司有ABB公司等，它在研发机器人这一项目上取得了不错的成绩，比如生产了各种功能和形状的机械手，机械手已经在一定程度上代替了人类工作。大量的机械手是用于数控车床进行上料和下料的工作，其中按照坐标方式来对其进行分类，一共可以分为五类，不同类型的机械手可以解决不同类型的任务。但是，由于当代的机械手智能性不够，一旦外部环境发生了变化，它不能够独立的去完成各项工作。在不久的以后，由于材料技术的不断发展、传感器技术的不断提高，工业机器人就会有很大的发展空间。机械手将会使用先进的虚拟现实技术，加深其智能化程度。由于大数据的出现，信息技术也得到了快速

11、发展，数控车床在进行上料以及下料的时候就可以运用这些数据来实现生产智能化。第二章 总体方案的设计§2.1 机械手参数的拟定 本篇文章所涉及到的机械手主要是为了运用在常见的数控车床中，目的是为了从事上料以及下料的工作。在对各种类型的车床资料进行分析以后，可以基本上确定本次机械手设定所采用的一些相关参数。 这款机械手所需要的主要材料是圆形的棒料，手爪所需要的夹取直径在2分米和6分米之间，工件长度的取值范围是大于等于2米，小于等于8米，它能够承受的最大重量是50斤。机械手的首部中心距离地面的距离至少要大于8米，它能够升降的高度为3米，工作的范围可以在距离地面的8米到11米之间。如果工作高度

12、提高了，这时候可以采用增加去底的方式。如果机械手在升降过程中，其运动的速度大于每秒2米，这时候的运动就不大稳定。机械手的手臂能够伸缩在4米的范围以内，速度不高于每秒2米，最常用的控制系统是通过PLC来进行控制的，它的优点是性能比较稳定。这款机械手虽然设计相对来说比较简单，但是它却能够符合大部分数控车床的要求。§2.2机械手总体结构的类型全球范围以内，存在着不同型号的工业机械手，他们的特点也各不相同。针对不同工作的要求，可以使用不同型号的机械手。通常我们有四种常用的机械手用于数控车床中：图2-1 几种不同类型的机械手通过分析以上不同类型的机械手的特点可以得知，每一种机械手都有自己的缺点

13、和优点，有可能他们在某一方面的应用特别有效，但是在另外一方面的应用就可能完全不满足要求。根据机械手的特点，再结合数控车床的要求，最后决定使用第四种类型的机械手。此类机械手既可以回转运动，也可以直线运动，且运动方式不单一，在上料以及下料的活动过程中，有比较灵活的优势，同时也达到了一定程度的刚度需求，也满足负载要求。§2.3驱动方案的选择驱动系统是数控车床的灵魂，它直接决定机械手的工作。不同的机械手拥有不同的驱动方式，一般有三种类型，他们有着自己的优缺点。表2.2 三种驱动方式的性能比较通过对上述驱动方式的相关特点进行分析，并结合设计需要，在尽可能保证驱动系统的可靠性及灵活性前提下，本设

14、计拟采用电液混合驱动作为机械手的驱动方式。该选用的驱动方式同时包含了液压驱动和电机驱动，并对两种驱动方式的优点进行了整合以达到最优效果。根据机械手中相关运动的特性及驱动方式的特点和可适用的应用场景，设计中采用电机驱动实现机械手的回转运动，该种驱动方式使得机械手动作快速灵敏，且能进行高精度驱动；另外本设计采用液压驱动进行直线运动控制，运动平稳，可靠性高。§2. 4 设计具体采用方案图2.2 机械手的工作布局图在进行本设计时，相关技术输入要求机械手可承载不超过25Kg的工件重量，且对工件长度限定在200800mm范围内，同时车床的摆放位置也会对工件的搬运产生影响，为了得到机械手的最优移动

15、路径量及最简的运动过程，本设计拟采用图2.2所示的机械手布局模型。基本工作流程：工件通过传送带移动到机械手工作位置，此时降下机械手并将工件抓取提升到一定空间位置，进行水平面内90度转向后，放置到机床工作台上进行加工，待工件完成加工后再由机械手抓取放回传送带上，随传送带运走，其余待加工工件重复上述动作流程。由上可知，此种工作模式对于完成工件加工任务是简洁有效地。本设计所采用的工作布局要完成既定的工件上、下料任务模式，就要求机械手存在三个自由度，其中腰部的旋转运动必须具备；其次的就是手臂可实现升降动作，以使得工件能被抓提到不同高度；再次就是手臂要具有直线伸缩运动动作，以使工件能够通过手臂抓取灵便地

16、摆放到车床工作台上。在以上3个机械手方向动作的配合下，可使车床的上、下料任务进行得方便快捷。第三章 机械手的结构设计计算§3.1 机械手手部的设计计算 从机械手的结构构造分类来看，其手爪作为末端执行机构，是与工件产生直接接触的部分，工件的夹取或吸附动作便由该部分来完成，详见表3.1。 表3.1 各种类型的手爪夹持机构在不同夹持器的机构特征及机构特性进行分析，并结合实际应用场景，其中的滑槽杠杆式结构更利于该机械手设计，该结构的特点在于：机构简单可靠，使用寿命长，且具有较好的控制准确度，能满足设计需要。1. 机械手的夹紧力的计算 夹紧力可用如下公式进行计算：F G式中：K 它的含义是安全

17、系数，大多数情况下大于1.2，但是小于2.0，此处明确的值是1.5K 它的含义是工况系数K2=1+， 重力加速度，；= 搬运工件的时候，竖直方向最快的速度。 机械手需要花费多久的时间才能够速度最大化；选择的参数最常见的是，这里的参考物取值为0.5秒。K 方位系数：2. 驱动力的计算 F= F=650N， F并不是真实的驱动力，由于机械效率的原因，要求计算当量驱动力的大小： F=738.6N 手部机构的机械效率，此处明确为0.88。 3. 液压缸内径的计算推动力为：F =由于F推=F，按照上述的计算可知： F=738.6N5000N通过翻阅相关资料表可以判断：P=1MP：D=mm=30.67mm

18、 表3.2 液压缸工作压力根据查询相关手册，我们可以得到D的值为4分米。4.活塞杆的计算判断活塞的直径是否符合相关要求，通常是采用强度定律来判断。具体计算公式：=d=选取为100MPd=2.52mm表3.3 工作压力和活塞杆直径的关系通过相应的公式可知：d=0.5D=0.5×40=20mm 表3.4 活塞杆的直径系列（GB/T 2348-93）注：大多数情况下不使用括号里的尺寸。5. 液压缸壁厚计算 通常情况下，液压缸的壁厚有两种方式可以得知，1、直接以公式计算获得，2、参照法：在知道强度等要求参数的基础上，通过和同类产品进行比较获得。就计算而言，其方法如下所示：（1）壁厚介于薄壁和

19、厚壁之间，即：163.2=+C式中： p1液压缸的油压（Pa）； 强度系数，取1C计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，；D液压缸的内径（m）；（2）当16时，属于薄壁的情况=（3）当3.2时，属于厚壁的情况=（）就本设计而言，由于设计的缸径小，但是又有较高的的强度和装配的需求，只能选用上述的第二种方法，参照法。从而获得壁厚10mm表3.5 手爪夹紧液压缸参数§3.2手臂水平伸缩液压缸的设计计算1驱动力的计算(N) （N） 2液压缸内径计算按照公式能够知道液压缸内径：D=mm通过查询规范，可知D=50mm。3活塞杆的计算大多数是时候，使用多大直径的活塞杆，都是按照强度定律来开展的。按照如下方

20、式计算：=d=d=mm表3.3 工作压力和活塞杆直径的关系 行程确认：400mm4 液压缸的壁厚 因为有特殊要求，缸径小，强度高、制定装配条件等需求，以3.1-5中所述的参照法，获得壁厚10mm表3.6 手臂水平伸缩液压缸参数图3.1 机械手水平伸缩手臂结构图 现在以水平液压缸这个实例，大致对本设计中设计出的机械手臂的构造进行说明。机械手臂的组成、元件选择和组装、及优势。组成组装：单杠活塞液压缸，其缸底和缸筒以焊接方式连接；缸盖和缸筒以螺纹方式连接，其优势在于结构简单而紧凑，易拆卸。液压杆：有一定长度，由此使用了部分导向套，并以密封圈（O型）进行杆和套的密封；杆的固定，于杆出活塞出以螺钉锚定，

21、如此完美的达到定位及固定效果。在缸盖和杆间，为了防尘，在二者间添加防尘圈（唇形）。出油口的选择，是据查阅液压设计手册，从而选择标准型号M22。系统排气阀的设定：1、缘由：系统安装或停车后，时常有气体进入并被油液吸收，由此会使元件发生非均匀的运动。2、解决方法：于液压缸上安装排气阀。以导向杆确保平直运动，缘由是：手臂可伸缩，伸缩行程400mm。 §3.3手臂垂直升降液压缸的设计计算1驱动力的计算 (N) 式中： （N）W 2液压缸的内径计算推动力为：F =式中：D d pD=mm取D=60mm。3活塞杆的计算通常情况下，活塞杆直径选择，以强度定律能够获知：= d=d=mm表3.3 工作

22、压力和活塞杆直径的关系 4 液压缸的壁厚 因为有特殊要求，缸径小，强度高、制定装配条件等需求，以3.1-5中所述的参照法，获得壁厚10mm表3.7垂直升降液压缸的参数§3.4机械手腰部的结构设计 腰部采用的是回转运动方式，此方式的实现通常有三种方法。1、以液压缸的转动实现，此为最直接的；2、以活塞油缸作用于齿轮来实现，3、步进电机+减速器。于被设计中选择的是方式3。在本设计中选择的齿轮传动比=1/9。实际设计图见下图：通过把腰部回转轴连到机械手的基座上，则能实现机械手的转动。另外，为承担或减弱腰部的径、轴向的载荷，可将两个圆锥滚子轴承装在回转轴上，以实现此目的。 图3.2 腰部示意图

23、步进电机的选择 根据同类产品的启发，同时对所需电机的功率进行的简单测算。结合二者，最终确定采用和利时公司的0301型，具体的代码是（SAKRMA）的五相步进电机。此电机的优势在于，有转矩、低振动，很大程度上降低噪声污染。根据产品的参数表（图3.8），可知其步距角为0.36/0.72°，静态相电流为3A，相电阻为0.7等一些列参数。因此，有传动比1/9，步距角0.36°，转动角度90°。 表3.8 步进电机的参数表图3.3步进电机的特性曲线第四章基于PLC的控制系统设计§4.1 PLC的选择当今市面上的PLC产品及品类也可谓是五花八门，但是常用的，品质值得

24、信赖的还是西门子、三菱、欧姆龙的。就起特性而言，其内部编程方式就决定其特性是不同的，然而就起机理而言却是一致的。本设计，采用了西门子的PLC，根据本设计的实际情况，选取的是其S7-200，CPU224。图4.1 西门子S7-200 PLC外形图此款PLC的优势在于，1、有24个I/O点，包含14个如端口，10个出端口；2、还可扩充7个功能性的控制模块；3、可扩充到的数字量I/O为168个，模拟量的到35个；4、储存空间可扩容到16K；5、包含6个高速计数器，独立型；6、2个高速脉冲输出，独立型，7、可同时进行多种控制。在本设计中，设计的机械手的事情情况是，有三个液压缸的运转要得到控制，同时液压

25、缸的运转还要直接的实现对液压电磁阀的运行进行控制。另外，在调试时也要对步进电机的运转进行控制，在对此进行控制的时候就要添加一个驱动器在PLC的输出端上了。 §4.2数控车床上下料机械手的作业流程如上所示，要应用机械手完成常规状态下的，数控床的上下料任务，通常要分为上料、加工、下料的三大阶段。具体是需求15个步骤，其分工为-上料，加工，-为下料。§4.3 PLC的外部接线及其I/O地址分配4.3.1机械手的控制器设计就机械手的具体控制（间图4.2），其控制模式有自动和手动两种模式。使用哪一种模式，就需要使用者据实情进行选择了。如若选择自动模式，下排的“上升、前伸、松开、逆转、

26、下降”等十个按钮都无需按动。下面具体对两种模式进行分别介绍：1、自动模式。此模式下可以实现物料上下的无人化、自动化操作。并且其是连续控制，即只要启动该模式，直到停止该模式机械手就会一直不断的循环工作。图4.2 机械手控制器示意图 2、 手动模式。为认为操作机械手臂工作的模式。比如说，需要让机械手臂前伸时，就需要认为按下“前伸”键，若此时机械手未前伸到极限，其就会一直前伸至极限；在前伸过程中如果放开按键则机械手就会停在该位置不再前伸。当然，如果机械手臂在前伸过程中达到极限也将停止前伸。同样的，其后退也是同样的原理。即在此模式下一切的控制都是出于人为的控制下的。放松后缩夹紧前伸下降上升自动手动PL

27、C 图4.3 数控车床转动上下料 的PLC控制流程图图4.3中我们可以看到，设计出来的控制器，其控制方式的简单明了的，其可实现的效果的一目了然的，并且其强大的功能还能最大限度的避免错误控制的出现。4.3.2 PLC的外部接线要想完全的将PLC的接线方法进行熟练的掌握。就必须对其构成做到了如指掌。由上图可知，PLC和一般的继电器式的控制系统的及其类似的。其输入、出端都是由相应的器件组成的，例如常用的一些开关、传感器、继电器等等。而在控制部分，PLC的具体功能是根据用户设置的程序来具体控制的。在本设计中，使用的PLC是西门子S7-200，设计了8个手动控制功能按钮，其自动、手动模式是通过SA1/2

28、间的转化实现的。在输出这侧，控制液压电池阀的结构液压缸都连接起来了的。并加装了步进电机的驱动器，其位于电机和PLC中间。另外，出于安全考虑同时设计了紧急停车键，（外部接线图见4.5） 图4.5 PLC的外部接线图4.3.3 PLC的I/O地址分配 第五章 总 结本文是对此次毕业设计的文字性展现。在本设计实现了将此四年中学习的各方面的理论知识和实际应用进行了结合。设计出一种适用于数控机床中可自动上下料的机械手臂，以期此手臂可以代替人工完成上下料工作。于本设计中，机械手臂的机械和控制两部分的硬件设计都是建立在精密计算的基础上的。设计出的机械手臂，也基本达到设计的预期。在此对本设计中获得的一些结论罗

29、列如下：1、 本设计设计出了一款基于数控车床中可以上下料的圆坐标机械手臂，其自身一共包含了腰部转动、手臂伸缩、手臂升降此三个自由度，并且其具有较大的运动范围，就目前市场上的数控车床而言，都可以满足去自动上下料的需求；2、 本设计中的机械手臂的驱动方式是电液混合式，其水平运动采用的是简单稳定的液压驱动，回转运动应用步进电机进行驱动，并达到了高精度控制的目标；3、 本设计根据设计的最终要求结合实际选择了合理的控制器（西门子S7-200系列PLC），能精准功效的实现对机械手的控制目标；4、 在控制系统方面，完成了其硬件以及控制系统的外部接线设计；5、 就控制程序而言，它通过模块化的设计思路，划分成了

30、两个不同的类型，一个是自动的，另一个是非自动的。在结构方面设计达到了清晰明了，使用方面检修都非常便捷。在控制软件方面，PLC程序的编写方式为“梯形图”并应用了SCR分布编程。就设计的总体来看，基本达到了设计之初的预期和毕业设计的要求。当然，因为所学知识、自身能力和时间关系，导致本设计中还有许多和完善和优化的地方。比如在高度智能化方面，就应该还要为机械手臂配备一些列的传感设施，让其更智能化。再如，在生态环境保护角度考虑不足，在水平运动中使用了有一定环境影响的液压驱动等。设计及论文撰写中的其他不足，还恳请各位老师批评指正。参考文献1李壮云 液压元件与系统M.第3版；机械工业出版社，2011.6.2

31、刘剑雄，韩建华。物流自动化搬运机械手机电系统研究J.2003.3孙斌，赵斌，施永康。基于PLC的机械手混合驱动控制J.2005.4孙斌，赵斌，施永康。物料搬运机械手的研制J.机电一体化，2015.5机械设计手册M.北京；机械工业出版社，2004.8.6刘文波 工业机器人M.东北大学出版社，2007.12，7孙同景，陈桂友。PLC原理及工程应用 机械工业出版社，2008.58李建勇 机电一体化技术，北京；科学出版社，2003.9胡学林 可编程控制器（基础篇）M.北京；电子出版社，2003.10胡学林 可编程控制器（实训篇）M.北京；电子工业出版社，2004.11李伦兴，辛丽。机械手在数控车床上的

32、应用J12袁川来，胡灿，杨建波。基于液压驱动的数控机床上下料机械手的设计与研究J13周忆，于今。流体传动与控制M.科学出版社，2014.5.14俞宁 西门子S7-200PLC应用教程M.机械工业出版社，2007.8.515俞宁 西门子S7-200PLC应用教程M.机械工业出版社，2007.8.516 G. Yedukondalu, A. Srinath, J. Suresh Kumar。 Mechanical chest compression with a medical parallel manipulator for cardiopulmonary resuscitationJ.Int J Med Robotics Comput Assist Surg, 2015.417 Wen-Hong Zhu, Joris De Schutter。VIRTUAL DECOMPOSITION BASED MOTION/FORCE CONTROL OF A KUKA361 INDUSTRI