【正文】 2 第 1章 緒論 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為 ? ?1機(jī) 械 手 。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng) 用的機(jī)械手被稱為 ? ?2工 業(yè) 機(jī) 械 手 。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī) 技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展 ,并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的 ??3重 視 。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。他的 結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。商名為 Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng) )。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1毫米。如 Unimate 公司建立了 8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。它 給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由 400小時(shí)提高到 1500小時(shí)，精度可提高到177。 德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 瑞士 RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。據(jù)報(bào)道， 1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、 研究單位多達(dá) 50 多個(gè)。 1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺(tái)。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67億日元，比1978年增長(zhǎng) 50%。截止 1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤 類、環(huán)類）自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。 加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手 。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多 ，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。如沈陽(yáng)低壓開關(guān)廠200t 環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的 120t和 40t多工位沖床機(jī)械手等。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、楔塊杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲杠螺母式、彈簧式和重力式。手腕有獨(dú)立的自由度。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。它 的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。 （ 4）行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。國(guó)外已有模塊化裝 配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。從 94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。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 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .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)械等的開發(fā)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 ? ? ? ?7 10中 。在此基礎(chǔ)上，確定了 組合機(jī)床自動(dòng)上料 液壓 機(jī)械手 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì) 組合機(jī)床自動(dòng)上料 液壓 機(jī)械手 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了自動(dòng)上下料機(jī)械手的控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制部分三個(gè)方面說(shuō)明。 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2章 機(jī)械手的 總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài) ,按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4種 : (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手 。 ( 3)球坐標(biāo) (極坐標(biāo) )型機(jī)械手 。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo) ? ?11型 。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶 B上的物品搬運(yùn)到傳送帶 A。其周期運(yùn)動(dòng)可以表現(xiàn)為（按動(dòng)作順序）：大臂下降 — 夾緊 工件 — 手腕上翻 — 大臂 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 上升 — 大臂回轉(zhuǎn) — 手臂 延伸 — 放松工件 — 手臂 收回 — 手腕 下翻 — 大臂回轉(zhuǎn) — 大臂 下降。而對(duì)于組合機(jī)床自動(dòng)上下料的機(jī)械手，其工件的運(yùn)動(dòng)需要多個(gè)自由度才能完成，故不宜采用機(jī)械傳動(dòng)方案。電氣傳動(dòng)必須有減速裝置和將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。綜 上所述，我們選擇液壓傳動(dòng)方式。 ③執(zhí)行系統(tǒng)分析本機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機(jī)構(gòu)。根據(jù)本組合機(jī)床加工工件的特征（導(dǎo)衛(wèi)輪、精密鑄鋼件），選擇鉗爪式手部結(jié)構(gòu)。(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 。 (4)多關(guān)節(jié)型機(jī) 機(jī)械手。因此方案確定機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)方式， PLC控制，鉗爪式手部結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)形式。 — 大臂上升 300mm— 大臂回轉(zhuǎn) 90176。 — 大臂回轉(zhuǎn) 90176。 本機(jī)械手的工作頻率是 5次 /min，即 12s/ 次，也就是說(shuō)，要在 10s時(shí)間內(nèi)完成上述工作循環(huán)圖中的一次循環(huán)。因此，我們?cè)谡麄€(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都將采用協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這樣可緩減每個(gè)動(dòng)作的緊迫性。用時(shí) ；與此同時(shí)大臂開始以 150 mm/s做上升運(yùn)動(dòng)，用 時(shí) 2s。用時(shí) ；在 t=6s時(shí)，手臂開始做向外延伸 500mm的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為 250mm/s，用時(shí) 2s；在 t=8s時(shí)，機(jī)械手手指開始做放松工件運(yùn)動(dòng)，用時(shí) ；在 t=，手腕開始做下翻 90176?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用時(shí) 。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖 。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以次進(jìn)行。并為了達(dá)到緩沖的目的，在滿足工作要求的前提下，設(shè)計(jì)盡量輕的零部件。采取 PLC程序控制，控制系統(tǒng)選擇三菱公司的 FX1S系列的 PLC控制器。 /s；大臂回轉(zhuǎn)角度范圍 ?90~0 ，大臂回轉(zhuǎn)速度為 135176。 機(jī)械手電氣控制程序 附表 1 機(jī)械手 自動(dòng) 控制程序 步序號(hào) 指令 數(shù)據(jù) 步序號(hào) 指令 數(shù)據(jù) 步序號(hào) 指令 數(shù)據(jù) 1 LD X400 17 AND T453 2 ANI X401 18 ANI T454 31 OUT Y439 3 ANI T450 19 OUT Y435 32 OUT T550 4 OUT Y430 20 OUT T454 K2 5 OUT T450 33 AND T550 K2 21 AND T454 34 ANI T551 6 AND T450 22 ANI T455 35 OUT Y530 7 ANI T451 23 OUT Y436 36 OUT T551 8 OUT Y432 24 OUT T455 9 OUT T451 K2 37 AND X500 25 AND T455 38 ANI T552 10 AND T451 26 ANI T456 39 OUT Y531 11 ANI T452 27 OUT Y437 40 OUT Y532 13 OUT Y433 28 OUT T456 41 OUT T552 14 OUT T452 K3 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 27 AND T456 15 OUT Y434 28 ANI T457 16 OUT T453 29 OUT Y438 K2 30 OUT T457 機(jī)械手 電氣 控制系統(tǒng)圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)圖 圖 機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)圖 上圖為機(jī)械手自控控制系統(tǒng)圖，他的指令采用 FX1S的專用 PLC控制器控制，他的工作順序是按照上圖中大臂下降開始直至最后一次大臂回轉(zhuǎn)為完成一個(gè)完整的工作周期，每個(gè)工作段所用的時(shí)間在上圖均已標(biāo)明，從系統(tǒng)啟動(dòng)到結(jié)束程序，除非系統(tǒng)受到 X500停車指令，否則系統(tǒng)均通過(guò)各個(gè)時(shí)間控制器來(lái)完成精確的控制。 機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖 機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖如圖 ，其中 S2是自動(dòng)方式的初始狀態(tài)。 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 機(jī)械手自動(dòng)方式狀態(tài)圖 XXXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 機(jī)械手獨(dú)立控制面板設(shè)計(jì)圖 機(jī)械手控制獨(dú)立控制面板 如圖 圖 機(jī)械手控制面板 面板中的啟動(dòng)和急停按鈕與 PLC的運(yùn)行程序無(wú)關(guān)，這兩個(gè)按鈕是用來(lái)接通或斷開 PLC外 部負(fù)載的電源。 本章小結(jié) 在本章中主要討論了本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)的概述及機(jī)械手的自動(dòng)控制程序，自動(dòng)控制系統(tǒng)圖，手動(dòng) 控制系統(tǒng)圖，自動(dòng)方式狀態(tài)圖和機(jī)械手控制面板等。按其工作介質(zhì)是油還是水（乳化液），液壓機(jī)可分為油壓機(jī)和水壓機(jī)兩種，以油為介質(zhì)的 液壓機(jī)械手 。 — 大臂上升 300mm— 大臂回轉(zhuǎn) 90176。 — 大臂回轉(zhuǎn)