1、目 录第 1 章 绪论 .31.1 选题背景 .31.2 设计目的 .41.3 现状与发展前景 .41.4 设计任务 .51.5 设计原则 .6第 2 章 设计方案的论证 .62.1 机械手总体方案的选择 .62.2 机械手腰座结构的设计 .92.3 机械手的手臂结构设计 .112.4 机械手腕部的结构设计 .122.5 机械手的结构设计 .142.6 机械手整体驱动的设计 .172.7 机器人手臂的平衡机构设计 .173、机械手控制系统的设计 .183.1 机械手控制系统硬件设计 .183.2 机械手控制系统软件设计 .25结 论 .26第 4 章 控制系统的设计 .274.1 机械手控制系
2、统硬件设计 .274.2 机械手控制系统软件设计 .34参考文献 .36附录 .37致谢 .49第 1 章 绪论1.1 选题背景随着工业自动化程度的提高，工业现场中有很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。机械手是在机械自动化生产过程中发展起来的可以模仿人手的部分动作，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。机械手生产中应用中可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:能代替人类完成危
3、险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度、保证产品质量、提高劳动生产力、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
4、量生产，可以节省庞大的工件输送装置。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手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，因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 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、特殊要求的数控机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
5、多工厂的生产线上数控机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。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）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，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，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
6、产力。1.3 现状与发展前景目前，国外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：(1)工业机器人性价比性能不断提高，也就是性能(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)不断提高的同时，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
7、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
8、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。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。国外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：我国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
9、、搬运等机器人;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。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。 1.4 设计任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为数控机床上下料专用
10、机械手；(2)选取机械手的座标型式和自由度；(3)设计出机械手的各执行机构，包括:腰部、手腕、手臂等部件的设计；(4)液压传动系统的设计，并绘出液压原理图；(5)机械手的控制系统的设计，本次选取三菱公司 FX 系列 PLC 进行控制，并根据机械手的工作流程编制出 PLC 程序，并画出梯形图。1.5 设计原则在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计
11、原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如工程力学、工程制图、机械设计、机械原理、液压传动、检测技术、可编程控制器（PLC） 、电子技术、自动控制、机械系统设计等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第 2 章 设计方案的论证2.1 机械手总体方案的选择对机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。充分分析作业对象(工件)
12、的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件; 明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，并能实现柔性转换和编程控制。为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。本次设计的械手的工作布局如图 2-1 所示。图 2-1 机械手工作布局2.1.1 机械手总体结构的类型工业机械手的种类很多，关于分类的问题，在此暂按使用范围、驱动方式、控制方式和
13、结构形式等进行分类。(1)按使用范围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，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。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。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。(2)按驱动方式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:抓持力较大，可达几百公斤以
14、上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，且不宜在高温、低温下工作。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。适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、电力传动机械手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机械手，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
15、途。（3）按结构形式工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。1、直角坐标机器手直角坐标机器手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 2-1.a。直角坐标机器人能达到很高的位置精度（m 级） 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。2.圆柱坐标机器手结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。
16、这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。3. 球坐标机器手结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1.c。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。4. 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1.d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图 2-1 四
17、种机器人坐标形式综上所述，本设计采用机械手。2.1.2 设计采用方案具体到本次数控机床上下料机械手设计中，设计要求搬运的加工工件的质量达 30KG 以上，且直径达到 50mm，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要 3 种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为 3，即一个转动自由度两个移动自由度，采用液压传动、圆柱坐标式专用型机械手方案。2.2 机械手腰座结构的设计进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端
18、执行器等各个部分进行详细设计。2.2.1 机械手腰座结构设计原则圆柱坐标式腰座是机器手的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器手腰座结构时，要注意以下设计原则：1.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。2.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）
19、及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。 2.2.2 设计采用方案腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，本设计使用用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放
20、大。又因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（i=100 ） ，同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图 2-3 所示：图 2-3 腰座结构图2.3 机械手的手臂结构设计2.3.1 手臂设计原则机器手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；1.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。2.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应
21、在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。3.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。4.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。2.3.2 手臂采用
22、方案 机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达 30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。为满足机械手运动的稳定性和刚度，手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下） ，再进行强度的较核。但因为具
23、体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，因此，在设计时增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4 机械手腕部的结构设计机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。2.4.1 手腕结构的设计原则1.机器手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器人手腕自由度数目愈多，灵活性愈好，适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。2.机器手腕部安装在手臂的末端，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
