1、1目录 1Abstract.1摘 要 .1第 一 章 前 言 .41.1 工业机器人 .41.1.1 工业机器人简介 .41.1.2 世界机器人的发展 .41.1.3 我国工业机器人的发展 .51.2 工业机械手 .61.2.1 简史 .61.2.2 应用简况 .71.2.3 国内外机械人发展趋势 .71.3 机械手的组成和分类 .91.3.1 机械手的组成 .91.3.2 机械手的分类 .111.4 本课题研究的主要内容及意义 .111.4.1 课题 七杆二自由度机械手设计内容及基本要求 .111.4.2 重点研究的问题： .111.4.3 本次设计的意义 .11第 二 章 机械手机械结构的
2、设计计算 .122.1 机械手机构的分析与设计 .- 12 -2.1.1 机械手的自由度 .- 12 -2.1.2 坐标形式 .- 13 -2.1.3 机械手的机构简图以及部件尺寸 .- 13 -2.1.4 机械手总体方案的比较 .15第 三 章 平衡臂机械手总体设计方案 .153.1 机械手总体系统的设计 .153.2 液压机械手液压系统的工作原理 .153.3 液压系统的组成原理 .163.4 液压传动机械手的特点 .163.5 机械手的动作顺序 .173.6 平衡臂机械手总体布局方案的确定 .18第 四 章 液压系统的设计 .184.1 液压系统控制回路的比较选择 .184.2 液压系统
3、工作原理图 .204.3 液压系统执行元件的比较选择 .214.4 液压系统动力装置的计算选择 .2224.4.1 大臂上双作用活塞式油缸的流量计算及驱动泵的要求 .224.4.2 带动手部夹紧油缸的流量计算及驱动泵的要求 .234.4.3 水平伸缩油缸的流量计算及驱动泵的要求 .244.2.4 驱动泵和驱动电机的选择 .264.5 液压系统控制装置的计算选择 .264.6 液压系统辅助装置的计算选择 .274.7 集中配置液压装置 .284.7.1 液压泵站的集成配置 .294.7.2 液压控制装置的集成配置 .29第 五 章 PLC 控制回路的设计 .315.1 电磁铁动作顺序 .315.
4、2 电气控制原理图 .325.3 现场器件与 PLC 内部等效继电器对照表 .355.4 PLC 与现场器件的实际连接图 .365.5 梯形图 .375.6 指令程序 .38结束语.42参考文献.43附录一 英文文献翻译 .44附录二 英文文献原文 .483平衡臂机械手的设计之 PLC 逻辑顺序控制和液压系统设计摘要：本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图、PLC 控制系统原理图。机械手的机械结构采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，手
5、腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；在 PLC 控制回路中，采用的 PLC 类型为 FX2N，当按下连续启动后，PLC 按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。本设计拟开发的上料机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词：机械手、液压、控制回路、PLCThe design of the hydraulic manipulator Abstract The design of hydrau
6、lic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical struc
7、ture using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC cont
8、rol circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action t
9、o stop after the hole campaign.The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .4Keywords Manipu
10、lator 、Hydraulic 、Control Loop 、PLC第 一 章 前 言1.1 工业机器人1.11 工业机器人简介几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话阿鲁哥探险船中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用
11、之广，影响之深，是我们始料未及的。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
12、备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.1.2 世界机器人的发展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 103 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
13、大提高了系统的5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，使智能机器人走出实验
14、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。1.1.3 我国工业机器人的发展有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关
15、开始起步，在国家的支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前已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，弧焊机器人已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，我国已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台
16、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，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发6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
17、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。1.2 工业机械手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已经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，逐渐成为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认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大得改善人工的
18、劳动条件，显著得提高劳动生产效率，加快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，应用得更为广泛。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。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外，还具备通用机械，记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，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顶的作业
19、，后来发展到用无线电寻好操作机械手来进行月球的探测等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要负数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，有主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.2.1 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。她的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，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又试制一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动） 。
20、同年，美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatrap 机械手，原意是灵活搬运。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工大学联合研制一种叫Unnimation-Viearm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。7到目前为止，日本是工业机械手发展最快，应用最多的国家。但是，目前的机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是减低成本和提高精度。第二代机械手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（机器人）则
21、能独立地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 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。1.2.2 应用简况就国内机械工业，铁路 部门应用机械手的简况，介绍如下：热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了实现高效率和工作安全，尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作冷加工方面冷加工方面机械手主要采用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安
22、装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联结和重要手段。拆修装方面拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。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里的传感装置和微型计算机联系在一起，能确定零件的方位，达到镶装的目的。1.2.3 国内外机械人发展趋势在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代
23、智能机器人也占有一定比重(占日本 1998 年安装台数的 10%，销售额的 36% )。 机械结构 以关节型为主流，80 年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的 1/3。应 3K 和汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD , CAM 等技术己普遍用于设计、仿真和制造中。控制技术 大多采用 32 位 CPU，控制轴数多达 27 轴，NC 技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于8PC 的开放结构的控制系统已成为一股潮流。驱动技术 80 年代发展起来的 AC 伺服驱动已成为主流驱动技术应用于工业机器人中。新
24、一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由 FANUC 等公司开发并用于工业机器人中;在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。应用智能化的传感器 装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上传感器，有些机器人留了多种机器人接口。通用机器人编程语言 在 ABB 公司的 20 多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。最近美国机器人空间技术公司开发了 Robot Script V.10 通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/95 环境下。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数 WINDOWS 软件产品兼容。网络通讯方式 大部分
25、机器人采用了 Ether 网络通讯方式，占总量的 41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485 等通讯接口。高速、高精度、多功能化 目前，最快的装配机器人最大合成速度为 16. 5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达 80m/ s;而另一种并联结构的 NC 机器人，其位置重复精度达 limo 90 年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。集成化与系统化 当今机器人技术的另一特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实现
26、了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造” ，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在 FMS, CIMS 系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。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
27、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，约占全球己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， “一位客户，一次重新设计” ，品种规格多、批量9小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而目质
28、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“86“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技术居世界领先水平，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
29、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。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。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教型机械手、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、俯仰等机构，以及适于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，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。更为主要的是将机械手和柔性制造系统和柔性制造
30、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。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 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。一、执 行 机 构（1）手部手部安装在手臂的前端，手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。（2）手臂手臂有无关节臂和有关节臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节臂。手臂的作用是引导手指准确得抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由读都需要精确的定位。（3
31、）躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。10二、驱 动 系 统驱动机构主要有四种：液压驱动、气体驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占 90%以上；电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。它的优点是压力高、体积小，出力大，动作平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需配备压力源，系统复杂，成本较高。气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。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。尤其空气的可压缩性大，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
32、，气压系统的装有速度控制机构或缓冲减震机构。电器驱动都采用三相感应电机作为动力，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。电气驱动的优点是动力源简单；维护、使用方便。一般只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可开，工作速度高，成本低；缺点是不易于调整。三、控 制 系 统机械手控制的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续诡计控制两种。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。程序的存储方式分为分离存储和集中存储两种。对于动作复杂的机械手（机械人） ，采用示教再现型控制系统。更复杂的机械手（机械人）则采用数字控制系统、小型计算器或微处理机控制的系统。1.3.2 机械手的分类一、按 用 途 分 类1. 专用机械手专用机械手
