【正文】 ions of the order use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise prehensively to plete the designand drawing the necessary assembly,hydraulic system map PLC control system diagram Manipulator mechanical structure using tanks screw ,guide tubes and other mechanical device ponent 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 control circuit use the type of FX2N PLC When pressed for mencement 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 plete a cycle of action to stop after the hole campaign.Keywords：Manipulator, Hydraulic, Control Loop, PLC. 目 錄第一章 前言 12 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 12 12 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 13 我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手 14 臂力的確定 14 工作范圍的確定 14 確定運(yùn)動(dòng)速度 14 手臂的配置形式 15 位置檢測(cè)裝置的選擇 15 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇 15第二章 手部結(jié)構(gòu) 16 16 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 16 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 16 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 18第三章 腕部的結(jié)構(gòu) 20 概述 20 腕部的結(jié)構(gòu)形式 20 21第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 24 概述 24 24 24 導(dǎo)向裝置 25 手臂的升降運(yùn)動(dòng) 26 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 26 手臂的橫向移動(dòng) 27 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 27 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 28 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 28 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 28第五章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 30 30 30 壓力控制回路 30 速度控制回路 31 方向控制回路 32 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 32 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序 32 自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹 33 35 雙作用單桿活塞油缸 35 無(wú)桿活塞油缸(亦稱(chēng)齒條活塞油缸) 37 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 38 39 確定油泵電動(dòng)機(jī)功率N 40第六章 PLC控制回路的設(shè)計(jì) 41 41 根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序表，選定電磁閥、開(kāi)關(guān)等現(xiàn)場(chǎng)器件相對(duì)應(yīng)的PLC內(nèi)部等效繼電器的地址編號(hào)，其對(duì)照表如下： 41 PLC與現(xiàn)場(chǎng)器件的實(shí)際連接圖 42 梯形圖 43第七章 結(jié)束語(yǔ) 49第八章 參考文獻(xiàn) 50第九章 致 謝 51 第一章 前 言 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介幾千年前人類(lèi)就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類(lèi)從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 近幾年國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展有幾個(gè)趨勢(shì)：(1) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)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(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(4) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。(7) 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(xiàn)(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠(chǎng)的焊裝線(xiàn)上。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。本液壓機(jī)械手的臂力為L(zhǎng)臂 =1650(N)，~3，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。1mm。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。115176。115176。 確定運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。 機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長(zhǎng)的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： (1)給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； (2)伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。/s)；手臂伸縮速度(V臂伸 = 50 mm/s)。/s)。立柱水平運(yùn)動(dòng)速度(V柱移 = 50 mm/s)。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。 位置檢測(cè)裝置的選擇機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。利用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來(lái)選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。除一些專(zhuān)用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參考《工業(yè)機(jī)器人》表96和表97，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為固定程序的PLC控制。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、它沒(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。 （2）手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。 （5）應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。在拉桿3作用下銷(xiāo)軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為PP2，其力的方向垂直于滑槽中心線(xiàn)OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和P2的延長(zhǎng)線(xiàn)交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α?！艶y=0P=2P1cosαP1=P/2cosα銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為p1′。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=a/cosα 所以 P=2b(cosα)N/a式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)的距離(毫米)。由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿(即活塞)的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30176。這里取角α=30度。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表21可知，V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式N=，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為500毫米/秒，移動(dòng)加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120176。時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)算： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量：M= 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為M=49(N) 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2b(cosα)N/a 得 P=P計(jì)算=2*45/27(cos30176。 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計(jì)算得 最大定位誤差△=∣∣=＜ 故符合要求.第三章 腕部的結(jié)構(gòu) 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。115176。夾緊缸體也指座固連成一體。圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線(xiàn)不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。m) (3) 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣 ①當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算M慣 M慣 =(J+J工件) (Nm) J工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kgm) ②當(dāng)知道啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算M慣： M慣=(J+J工件) (N ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 (1/s)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大得多。 ②導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線(xiàn)移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。 這里實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞油缸。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)(并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長(zhǎng)的場(chǎng)合。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。 如圖5所示，對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)