【正文】 械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；——→機床卡盤松開；——→ 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準(zhǔn)備運走；——→ 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；——→ PLC輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動；——→ 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止；——→ 接著手爪柱塞缸電磁閥通電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開；——→ 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止同時手爪也閉合復(fù)原；——→ 接著機械手水平手臂開始后縮，準(zhǔn)備回原點，當(dāng)后縮到位時，后縮停止，機械手回到原點，一個上下料過程結(jié)束；——→ 機械手在原點等待命令，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。圖42 機械手操作面板示意圖(2) 自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。1 個RS485 通訊/編程口，具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。圖44 水平手臂伺服定位控制原理圖 PLC外部接線設(shè)計為適應(yīng)水平手臂液壓缸的伺服定位的控制要求，利用西門子SIMATIC S7200 （CPU224）PLC，考慮到位移傳感器和伺服放大器工作采用的都為模擬量，故增加一個模擬量輸出模塊EM232，鑒于伺服放大器和位移傳感器的輸入要求，PLC的模擬量采用10V~ +10V輸入輸出，各輸入輸出點及其接線如圖45所示[31]。在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機械手系統(tǒng)中相對獨立的環(huán)節(jié)采用高性價比且相對簡潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟性。經(jīng)過重新編制相應(yīng)的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。此外，非常感謝許多其他同學(xué)，他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。在設(shè)計前期的準(zhǔn)備時，X老師就非常關(guān)注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項；在進行方案選擇時，為我指出所需要重點掌握的知識范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識難點的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計能順利進行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，設(shè)計周期短且造價較低。首先根據(jù)數(shù)控機床的總體結(jié)構(gòu)，確定合適的機械手的運動空間，然后根據(jù)機械手的運動空間要求確定機械手的總體結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)、夾持方法等，設(shè)計液壓系統(tǒng)原理圖。PLC將上位機輸入的給定信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出至伺服放大器，由伺服放大器作為閉環(huán)比較點，組成模擬控制系統(tǒng)，如圖44所示。16K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。當(dāng)選擇逆轉(zhuǎn)/順轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉(zhuǎn)動。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓實現(xiàn)驅(qū)動。帶入數(shù)據(jù)，計算得 =；同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；且， 帶入數(shù)據(jù)得： =。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進行詳細(xì)，這里暫從略。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。因此，在水平伸縮缸的設(shè)計上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，使其具有盡量大的剛度[26]。帶入數(shù)據(jù)，計算得： 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有 （39）式中 為柱塞缸工作油壓；為柱塞截面積。 啟動時： 565N運動時： =283N(c) 的計算機械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為 （34）式中 為機械手和所操作工件的總重量，取為100KG；為摩擦系數(shù)，取f=。其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。容積調(diào)速系統(tǒng)多用變量泵供油，用安全閥來限定系統(tǒng)的最高壓力。方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結(jié)合，實現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅(qū)動單元。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種開關(guān)的反映時間小于20ms，在機器人中應(yīng)用比較理想。無接觸感應(yīng)式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應(yīng)用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應(yīng)，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關(guān)動作發(fā)訊，進行位置檢測。(3) 氣動閥 氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅(qū)動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調(diào)速閥、減壓閥等。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置[21]。它可安裝在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。(d) 液壓源應(yīng)該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲備。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。(2) 用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%～98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。對于相當(dāng)大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、...、）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （22）由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動比的大小。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)向支承等。除直接驅(qū)動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機械傳動機構(gòu)進行驅(qū)動的。(3) 連桿杠桿式手爪這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。(2) 電動驅(qū)動方式 電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構(gòu)。因此，要求機器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。(3) 機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進行強度的較核。(5) 機器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機負(fù)載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度是非常有利的[7]。(3) 為了提高機器人的運動速度與控制精度，應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。考慮到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動[5]。(4) 腰部的回轉(zhuǎn)運動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器（電動、液壓及氣動）及減速器。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮，機械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度，其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標(biāo)機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復(fù)雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。本著科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。(2) 圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖21(b)。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。 機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求 工業(yè)機器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機器人，球坐標(biāo)機器人及關(guān)節(jié)型機器人的回轉(zhuǎn)基座。腰部與機器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖23所示：圖23 腰座結(jié)構(gòu)圖 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手手臂的設(shè)計要求 機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動[6]。碳纖維復(fù)合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實際中推廣應(yīng)用。 設(shè)計具體采用方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。(6) 手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機械損壞。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 設(shè)計具體采用方案結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計采用連桿杠桿式的手爪。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。(6) 縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)（失動量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用該原則設(shè)計的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置[17]。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。而機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，必須采用傳動機構(gòu)來減速和增大扭矩。但是，液壓系統(tǒng)需要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。重負(fù)荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電液伺服馬達(dá)，電液伺服液壓缸，電液步進馬達(dá)，電液步進液壓缸，液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器（RSARotary Serve Actuator）等各種電液伺服動力機構(gòu)。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環(huán)境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環(huán)境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業(yè)，機床上、下料，儀表及輕工行業(yè)中、小型零件的輸送和自動裝配等作業(yè)，食品包裝及運輸，電子產(chǎn)品輸送、自動插接，彈藥生產(chǎn)自動化等方面獲得大量應(yīng)用。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調(diào)壓器，過濾器等。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。再啟動時，事先打開鎖緊機構(gòu)。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉(zhuǎn)速、負(fù)載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號[22]。(b) 步進電機驅(qū)動器步進電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。而當(dāng)達(dá)到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。 機器人平衡機構(gòu)