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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文翻譯
機械手的機械和控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機器人系統(tǒng)。設(shè)計這些機器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。
上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機器人技術(shù)研究院）和c（計算機應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。
圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手
2. 機器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3. 機械系統(tǒng)
機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)構(gòu)設(shè)計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設(shè)計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅(qū)動器（如電機）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運動必須由驅(qū)動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因為每根手指的不同關(guān)節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器：
1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。
2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機器人上的KDHⅡ
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。
2. 需具備對外部事件快速實時反應(yīng)的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應(yīng)的措施。
3. 需具備較高的計算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機器人手的控制軟件是相當復(fù)雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計算機
一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）。現(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實驗結(jié)果
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。
圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜
圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體
額外的不期望傾斜情況 傾斜情況
物體狀態(tài)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當突然且相當快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。
圖14.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關(guān)于Z軸的實際
位置 物體方向
5.2 重抓
雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當一個接觸點到達了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動繼續(xù)進行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進行進一步的操作（沒有顯示）。
圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱
6.結(jié)論
為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機械手所用。
10
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 平面連桿機構(gòu)的運動仿真
專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 078105107
學(xué) 生 姓 名 季壯壯
指 導(dǎo) 教 師 許瑛
填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日
46
遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計
機械手的設(shè)計
摘要
本文簡要地介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，機械手的自由度和座標型式，氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。
本文對機械手進行了總體方案設(shè)計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，分別設(shè)計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu);設(shè)計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩;設(shè)計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。
設(shè)計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編 程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人，機械手，可編程序控制器(PLC)
Design on the Currency Pneumatic Loading
and Unloading Manipulator
ABSTRACT
At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. What's more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.
The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.
This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.
The paper designs the structure of the wrist,computes the needed
moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.
The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes,ascend,descend and wheels .
The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair.
The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.What’s more,the paper work out the control program of the PLC.
KEY WORDS industrial robot, manipulator, pump, PLC
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
1 緒 論 1
1.1機械手概述 1
1.2機械手的組成 2
1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 5
1.4設(shè)計的目的及意義 6
2．夾緊機構(gòu) 7
2．1夾鉗 7
2．2扇形齒輪 8
2．3液壓缸 9
2．3．1缸徑 9
2．3．2活塞 10
2．3．3后端蓋 12
2、3、4前端蓋 13
3．拖動系統(tǒng) 16
3．1電機的選取 16
3．2齒輪箱部分 17
3．3.潤滑方式 26
3.3.1.齒輪的潤滑方式 26
3.3.2.軸承的潤滑方式 28
3.4齒條套筒部分 28
3.4.1.耐磨套 28
3.4.2.導(dǎo)向鍵 28
3.4.3.行程條 28
4．控制系統(tǒng) 29
4．1概述 29
4．1．1 PLC的概述及定義 30
4．1．2 PLC的特點 30
4．1．3 PLC的應(yīng)用和發(fā)展 31
4．2原理 31
4.2.1搬運機械手的動作順序 32
4.2.2電機的可編程控制 34
4.3.指令語句 38
結(jié)論 41
致謝 42
參考文獻 43
1 緒 論
1.1機械手概述
工業(yè) 機 器 人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，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。
1.2機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。
圖1-1機械手的組成方框圖
Fig.l-1 Pane Chart of Composition of Manipulator
(一)執(zhí)行機構(gòu)
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。
1、手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。
對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。
對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。
用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式.
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.
工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。
手臂可能實現(xiàn)的運動如下:
手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝
置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件
受力狀態(tài)簡單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、行走機構(gòu)
當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安
裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機
座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。
(三)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制
系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)
以一定的精度達到設(shè)定位置。
1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:
(1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。
(2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。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;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
(3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化;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。
(4)機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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(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。
(5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
(6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.4設(shè)計的目的及意義
在現(xiàn)代汽車生產(chǎn)中，生產(chǎn)過程的自動化已成為突出的主題。為適應(yīng)生產(chǎn)的快節(jié)奏，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少人為的因素對產(chǎn)品精度的影響，大量使用自動化程度較高的各種裝置，曲軸本身為一剛度低、精度高的特殊軸類零件。其主要加工表面為不連續(xù)且不同軸的外圓柱表面。而且精度要求高，加工量大。為了達到加工要求，安排了較多的加工工序，這樣就與產(chǎn)量形成了矛盾，所以現(xiàn)代生產(chǎn)中，通過使用各種輔助的裝置與專用設(shè)備配合，以減少輔助工時，提高生產(chǎn)率。本次設(shè)計的機械手既是在磨削加工中起到自動完成對工件的搬運，以減少工人的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，降低工時等作用。
2．夾緊機構(gòu)
夾緊結(jié)構(gòu)形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。機械式夾緊機構(gòu)是最基本的一種，其應(yīng)用廣泛，種類繁多，結(jié)構(gòu)簡單?；谄湟陨咸攸c本次設(shè)計決定采用機械式夾緊機構(gòu)。
機構(gòu)主要有以下部分組成（見主裝配圖，手部）
動力部分：液壓缸
傳動部分：扇形齒輪
執(zhí)行部分：夾鉗
支架
設(shè)計過程如下：
2．1夾鉗
曲軸重40Kg×9.8N
圖2.1夾鉗的形狀如圖:
鉗口角度為，如圖所示，夾緊機構(gòu)在抓取工件時必須有一定的夾緊力，其夾緊力的大小與夾緊機構(gòu)的形式、夾緊的方位和工件的形狀都有關(guān)。本次設(shè)計中手爪垂直放置加水平放置工件、工件的截面形狀為圓形。已知機械手從零加速到0.4m的響應(yīng)時間為0.5s,夾緊力的計算引用參考文獻[1],夾緊力系數(shù)按文獻[1]60頁表4－3得下列計算:
Fn≥K1×K2×K3×G (2.1)
其中 ：
K1——安全系數(shù),通常取1.2～2;
K2——工作情況系數(shù),主要考慮慣性力的影響,可按K2=1＋a/g估算;
K3——方位系數(shù);
G ——被夾取工件的重量(即重力,kgf)。
取K1=1.5
K2=1＋a/g=1＋(0.4/0.5)/9.8=1.08
K3=0.5×tgθ/(1＋f×tgθ)=0.22
則Fn=1.5×1.08×0.22×40×9.8=140N
由于該機械手要求能夾持系列工件,所以兩夾鉗之間的橫向和縱向距離均設(shè)計成可調(diào)式。
2．2扇形齒輪
根據(jù)文獻[2]對傳遞動力的傳動摸數(shù)m的初取應(yīng)不小于2，齒數(shù)Z～30。
初取m =2,r =25㎜
則齒頂圓mm (2.2)
齒根圓 mm (2.3)
初取鉗口中心至扇形齒輪圓心垂直距離135㎜（即Fn的力臂），液壓缸活塞桿柱銷中心至扇形齒輪圓心垂直距離47.5㎜(即液壓缸的力臂)。
再根據(jù)力臂關(guān)系計算液壓缸驅(qū)動力
143×135=F計算×47.5 (2.4)
F計算 =400N
由于該手爪傳動機構(gòu)簡單靈活,效率高一些,取
實際=400/0.9=445N
需要說明的是采用扇形齒輪作為機械手手部的傳動件可以使結(jié)構(gòu)大大簡化并且
運行平穩(wěn),工作可靠.
2．3液壓缸
液壓缸的設(shè)計計算主要包括缸的直徑、缸筒厚度和活塞桿直徑。
2．3．1缸徑
D= (2.5)
=21㎜ 圓整到25㎜
其中為液壓缸機械效率,取=0.9；
p為液壓缸內(nèi)壓力,應(yīng)與機床系統(tǒng)壓強相等,取p =1.5pa；
缸筒臂厚
(2.6)
=0.3㎜
Pmax——缸筒試驗壓力。Pmax=1.5Pn=1.5×1.5=2.25 MPa；
—缸筒材料許用應(yīng)力。==500/5=100 MPa ；
—為材料抗拉強度，這里缸筒采用無縫鋼管，=500MPa；
n —為安全系數(shù)，當 時取n=5；
為了盡量減小液壓缸的體積,所以前端蓋與缸筒的連接采用螺紋式,不能太小,實際需5㎜。
2．3．2活塞
(1).活塞桿直徑的選取
根據(jù)文獻[3] P1388表23.1-6選取速度比，的活塞參數(shù)
由 得d=10㎜(活塞桿直徑)
A1=491㎜2（無桿缸面積）
A2=412㎜2（有桿缸面積）
(2).活塞上密封裝置的選取
液壓缸在工作中，缸內(nèi)壓力較缸外（大氣壓）的壓力高的很多，缸內(nèi)的進油腔壓力較回油腔壓力也高的多。這樣油液油液就可能通過固定件的聯(lián)接處和相對運動部件的配合間隙而泄露。這種泄露既有內(nèi)漏也有外漏。外漏不但使油液損失影響環(huán)境，而且有著火的可能。內(nèi)漏則將使油液發(fā)熱、液壓缸的容積效率降低，從而使液壓缸的工作性能變壞。因此應(yīng)最大限度的減少泄露。
因O形密封圈的形狀簡單、安裝尺寸小、摩擦力不大、密封性好等優(yōu)點故本次設(shè)計采用O形密封圈。O形密封圈一般用耐油橡膠制成，具有較強的抗腐蝕性。由于該活塞直徑為25㎜，所以選取的0型圈的直徑為23.6㎜,0型圈橫截面直徑為2.65,活塞上溝槽寬度為3.8㎜,深為1.97㎜。
(3).活塞長度計算
圖2.2活塞長度
(4).活塞桿行程
取鉗口張開交度為25°，能夠滿足夾持系列工件的要求，如圖：此時，活塞行程活塞桿端頭的行程為20，由于活塞工作時不必走至終端，前端蓋端預(yù)留，所以取活塞行程為25㎜。
圖2.3
(5).活塞工進速度
取0.07m/s,因為取太大容易造成對工件的沖擊此時計算出進油口的流量為
Q=VA=0.07×=/s (2.7)
2．3．3后端蓋
(1).進出油口尺寸
由文獻[3]查表取M8×1的進口螺紋，細頸處直徑5。
(2).耳環(huán)的計算
液壓缸與機架有多種定位的結(jié)構(gòu)，其中支座式、法蘭式適用于缸筒與基架間沒有相對運動的場合，軸銷式、耳環(huán)式、球頭式適用于缸筒與機架間有相對運動的場合。本次設(shè)計采用耳環(huán)式定位。
①.耳環(huán)用柱銷
由文獻[3]查P1420表23.3—15選10號，額定作用力8000N
圖2.4耳環(huán)示意圖
②.耳環(huán)的軸套
用青銅套以過度配合壓入耳環(huán)軸孔內(nèi)，軸套內(nèi)圓應(yīng)在精度加工前壓成各個菱形凹穴，錯開排列，以保存潤滑劑。
③.耳環(huán)的尺寸計算
根據(jù)文獻[3]P1418查得,寬度b
當壓力為6.3～16MPa時，b=1.2d
當壓力為6.3～32MPa時，b=1.4d
該系統(tǒng)壓力為16MPa，取b=1.2d
由于上面已經(jīng)確定 d= b=12
半徑R：
帶軸套取R=1.2d=12
材料：缸后蓋選用鑄鋼，選ZG270～500,滿足至少250MPa斷裂伸長率，滿足至少12%的要求。
校核：耳環(huán)銷孔支撐壓力計算 由文獻[3]P1418得 (2.8)
F為耳環(huán)承受最大推拉力=445N
D耳環(huán)銷孔內(nèi)徑=0.012m
材料允許壓應(yīng)力（MPa），一般取
=（0.2～0.25）
為材料抗拉強度（MPa）=500MPa
=3.7MPa
所以滿足要求
圖2.5單雙耳環(huán)尺寸示意圖
2、3、4前端蓋
(1).密封圈
前端蓋密封圈的選用同上，選用內(nèi)徑為23.6，直徑為2.65的密封圈，頭端溝深1.97，寬3.8。
(2).活塞桿導(dǎo)向環(huán)（支撐環(huán)）的選取
外力作用于活塞桿的偏心載荷，暫取5×9.8=49N
L為偏心載荷偏心距，取之為活塞桿長度130㎜
則
； (2.9)
——活塞桿的導(dǎo)向環(huán)承受的載荷（N）；
——活塞至導(dǎo)向環(huán)的間距，取活塞走至終點的值為準=60㎜
寬度
——導(dǎo)向軸材料允許的支撐壓力，青銅為8 MPa；
d ——活塞桿的直徑10㎜
則 ㎜ 取3㎜，采用2個。
(3).活塞桿密封圈的選取
活塞桿直徑為10，選取直徑為9.6,半徑為2.65的密封圈，槽深為1.87,槽寬3.8。
(4).活塞桿用耳環(huán)的尺寸
由文獻[3]P1422查表23.3—23得
型號10 缸徑25 公稱力8000N
KK M10×1.25 CK(H9)10 CM(A6)12
ER(max)13 CL(max)26
(5).活塞桿螺紋尺寸
文獻[3]查P1403表23.3—6得
M10×1.25 螺紋長12
圖2.6
圖2.7
需要說明的是，由于該液壓缸行程短，速度慢，摩擦和其他因素的阻力很小，加之對液壓缸活塞桿伸出的速度的平穩(wěn)性無太大要求，因此該液壓系統(tǒng)不采用背壓。
3．拖動系統(tǒng)
拖動系統(tǒng)既要拖動機械手手臂部分的伸縮以實現(xiàn)將工件提起的動作，也要拖動整個機身的橫向移動，以實現(xiàn)將工件運走的目的，由于其原理基本相同所以在本次設(shè)計中只對機械手臂的拖動系統(tǒng)進行設(shè)計。
在考慮采用何種拖動方式的時候供選擇的常用方式主要有：齒輪—齒條式和液壓式拖動，而最終決定采用齒輪—齒條式是因為齒輪傳動是機械傳動中最廣泛的一種方式，其主要的優(yōu)點是效率高，傳動比準確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。最主要的一點，它使整個系統(tǒng)的控制工作變的簡單，動作很有條理。
但不可否認的是齒條暴露在空氣中，齒輪有齒輪箱中伸出，由閉式潤滑到開齒傳動，有污染工作場所的缺點，所以設(shè)計中應(yīng)盡量考慮減小污染的設(shè)計。
機械手臂拖動系統(tǒng)組成：
Ⅰ、動力部分：電動機；
Ⅱ、執(zhí)行部分：齒輪箱、柱形齒條；
Ⅲ、支架： 套筒；
在設(shè)計之前，先要看一下系統(tǒng)對拖動速度的要求，將工件提起的速度初取0.4m/s，取之過大則會對齒輪等部件產(chǎn)生較大的沖擊，對壽命不利。
3．1電機的選取
已知曲軸和機械手臂自身總重約95千克，由P=FV=根據(jù)文獻[5]選取YEJ90L—6型電磁制動三相異步電動機
額定功率：1.1kw
滿載轉(zhuǎn)速：910r/min
額定電壓：380V,50HZ
額定電流：3.2A
滿載效率：72.5%
最大額定轉(zhuǎn)距/額定轉(zhuǎn)距=2 重量：28Kg
該系統(tǒng)電動機是Y（IP44）系列電動機，是在普通電動機內(nèi)附加一個電磁鐵制動器組成的派生產(chǎn)品，適用于要求快速停止，準確定位，往復(fù)運轉(zhuǎn)，頻繁啟動，防止滑行等各種機械。
3．2齒輪箱部分
3.2.1部分參數(shù)的確定
該齒輪箱定為二級減速，在滿足要求的前提下，比三級減速減小了體積，已知該處將工件提起的速度為0.4m/s,即齒條的速度為0.4m/s。
(1).轉(zhuǎn)速的計算
設(shè)與齒條嚙合的齒輪直徑為D，轉(zhuǎn)速為n(單位r/s）
因為
則
D暫取120㎜
則n=1.061667r/s=63.7r/min
(2).傳動比的計算
總傳動比： (3.1)
由文獻[6]P14傳動比分配參考數(shù)據(jù)原則取
一級傳動比：，，得
二級傳動比：
(3).計算各軸運動及動力參數(shù)
Ⅰ軸：減速器高速軸
KW (3.2)
(3.3)
Ⅱ軸：減速器中間軸
(3.4)
(3.5)
(3.6)
Ⅲ軸：減速器低速軸
(3.7)
=1.04×0.95×0.99=1.0KW
(3.8)
(4).齒輪的計算
二級傳動組齒輪的計算:
初選 m=2
則 =120/2=60個 (3.9)
則 取18個
則
取32 (3.10)
～10)=37 (3.11)
所以
一級傳動齒輪的計算：
初取 m=2,,則 個
取12個 (3.12)
為減小齒輪傳動的結(jié)構(gòu)尺寸，減輕重量對1、2齒輪采用變位
高度變位時，
總變位系數(shù)，
變位系數(shù)可按齒數(shù)比的大小由文獻[7]P2-12圖2.2-9查得
則
則
取25
～10）=30
驗算疲勞強度：
齒輪軸45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為217-255HB，取220-250HB
大齒輪ZG310-570，正火，硬度156-217HB，取150-210HB
按電機驅(qū)動平穩(wěn)，取
按8級精度和<3m/s (3.13)
由文獻[8]P192圖10—8得，寬度
按低速級軸剛度大，二級傳動中齒輪相對軸承為非對稱布置，得，
計算載荷系數(shù)
計算端面重合度;
齒頂壓力角：
度 (3.14)
度
(3.15)
=
=1.663
計算齒面接觸應(yīng)力
(3.16)
=
=526.75 =540.5
所以安全
教核齒根彎曲強度:
按,
得 , , , ,
,
(3.17)
所以安全
(3.18)
所以安全
(5).軸及軸承的計算
由文獻[8]P362查得
高速軸:
㎜ (3.19)
取20選取6204型號的軸承
中間軸:
㎜ (3.20)
取25,選取6205型號的軸承
低速軸:
㎜ (3.21)
取30,選取6206型號的軸承
3.2.2.部分零件的校核
(1).軸的校核
現(xiàn)考慮二級圓柱齒輪減數(shù)器中的輸出軸Ⅲ，已知該軸傳遞功率，轉(zhuǎn)速n=63.7r/min,輪4為直齒圓柱齒輪，其分度圓直徑為㎜，輪寬㎜。
按彎扭合成強度條件校核軸：
輸出軸轉(zhuǎn)矩 (3.22)
=
=
輪圓周力: (3.23)
=
=798.56N
= (3.24)
=798.56×tan20°
=290.65N
將分解成與、,分解成與、兩組分量分別相互垂直
在V面上：
(3.25)
N
在H面上：
(3.26)
N
(3.27)
校核軸的強度（扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力按脈動循環(huán)變化）：
(3.28)
=，所以安全。
(2).軸承的校核
軸承壽命的計算（在中等沖擊載荷下）預(yù)計壽命小時：
選取深溝球軸承6206：
(3.29)
=
=2424968 小時>25000 小時所以安全。
3．3.潤滑方式
3.3.1.齒輪的潤滑方式
由于該齒輪箱為開式齒輪箱，所以不能采用傳統(tǒng)的稀油潤滑，那樣齒輪攪起的潤滑油將很快從外伸齒輪與箱體之間的間隙泄露掉。所以采用機械強制潤滑方式，見下圖（結(jié)合裝配圖）該裝置能夠均勻地發(fā)送油利用一個裝在傳動軸Ⅲ上的偏心輪 （見裝配圖），當轉(zhuǎn)動時偏心輪推動活塞，壓住彈簧，使活塞通過左單向閥將油壓出去送到摩擦副上，彈簧再壓回活塞并在此反復(fù)行程中通過右單向閥吸入油，只要機器在工作（軸Ⅲ轉(zhuǎn)動），就循環(huán)不斷的送油。
圖3.2油泵
泵平均流量的計算
軸Ⅲ的速度 n=63.7r/min
活塞每轉(zhuǎn)的行程 a=[22.5+2.5-(22.5-2.5)]=5㎜
活塞直徑 D=8㎜
則 (3.30)
=0.25×3.14××0.005×63.7
=2.66×
需要說明的是,由于齒輪與齒條嚙合每次滴在嚙合處的油總有少許由齒輪“粘”到齒條上，這對于齒條與套筒的潤滑是非常有益而且是必要的，但同時也使齒輪箱內(nèi)的油遭受“損失”，時間長久必然會造成不斷減少，所以在齒輪箱外壁上開加油孔，要定期向箱內(nèi)加油。
3.3.2.軸承的潤滑方式
為了使結(jié)構(gòu)緊湊減小箱體的體積，齒輪箱內(nèi)的三個軸成三角形排列采用內(nèi)置式軸承蓋的設(shè)計（見指引線51），內(nèi)置式軸承蓋靠調(diào)節(jié)螺栓（見指引線49）來調(diào)節(jié)頂住軸承的預(yù)緊力，因此調(diào)節(jié)完畢后不要輕易將兩側(cè)的擋板拆下，所以雙側(cè)的軸承均采用注油脂的潤滑方式，而且要注意填入軸承室的潤滑脂的量不要超過軸承室的2/3。軸承雙內(nèi)側(cè)采用整體式擋油板（見指引線53），以免嚙合處飛濺起的少許油長期稀釋軸承內(nèi)的油脂。整體式擋油板與普通檔油盤的區(qū)別在于它是固定在殼體上而不是安裝在軸上。該整體式擋油板采用0.5mm厚的鐵板沖壓而成,注意組裝時變速箱殼體底部一側(cè)的擋油板是靠螺栓固定在殼體上的。
3.4齒條套筒部分
3.4.1.耐磨套
為了減小齒條與套筒的摩擦，特將套筒的直徑鑄的比圓柱形齒條的直徑大，而在套筒兩端分別裝上一個與齒條相適應(yīng)的耐磨套，這樣避免了加工對精度與粗糙度要求很高的套筒內(nèi)表面的磨損，又大大減小了齒條在伸縮時與套筒的摩擦,并且在技術(shù)上更易于實現(xiàn)。耐磨套與套筒的配合采用的是過盈配合，三個啟箱螺栓負責在耐磨套報廢時將之啟出更換。
3.4.2.導(dǎo)向鍵
在耐磨套上裝有一導(dǎo)向鍵，導(dǎo)向鍵伸入柱形齒條的側(cè)槽內(nèi)，可以防止齒條在伸縮時沿軸線轉(zhuǎn)動，保證齒輪—齒條嚙合的準確性。
3.4.3.行程條
在齒條側(cè)槽底部裝有行程條，行程條的尺寸如下圖將行程條放入齒條側(cè)槽的底部，旋入沉頭螺栓，沉頭螺栓將行程條兩側(cè)向外漲開少許，通過摩擦力作用將行程條緊緊地擠壓在槽的底部，在齒條兩端分別裝上行程條，這樣，通過調(diào)節(jié)行程條在齒條側(cè)槽底部的位置，即可調(diào)節(jié)手臂伸縮的行程，原理如下：
(1).手臂伸出
手臂伸出——齒條尾端行程條隨齒條下移——行程條前端觸點首先接觸第一行程開關(guān)，將第一行程開關(guān)觸頭頂起一次（觸發(fā)），齒條開始降低速度伸出——行程條前端將第二行程開關(guān)觸頭頂起一次，齒條停止伸出。
(2).手臂縮回
手臂縮回——齒條手端行程條隨齒條上移——行程條首先觸發(fā)第三行程開關(guān)，齒條開始降低速度縮回——觸發(fā)第二行程開關(guān)，停止縮回。
圖3.3行程條
在齒條伸出或縮回的過程中，凡是行程觸發(fā)第二行程開關(guān)，齒條便停止運動，此時電動機制動器自動將手臂部分制動鎖緊，以免發(fā)生工件下墜的事故。
需要說明的是，行程條前端處（如上圖）作成缺口形，在拆裝行程條時，只要用鉤具鉤住此處，就會很方便地將行程條從齒條側(cè)槽內(nèi)拉出。
4．控制系統(tǒng)
4．1概述
為提高工作效率,此方案采用雙機械手雙機械手雙向搬運的方式。搬運機械手的工作范圍是生產(chǎn)線上方至機床的上方，工作范圍要求較大。機械手一側(cè)執(zhí)行將生產(chǎn)線上方的未加工曲軸取來，機械手的另一側(cè)執(zhí)行將磨床上以加工后的曲軸取回的工作循環(huán)，機械手兩側(cè)都是由PLC統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。
4．1．1 PLC的概述及定義
在可編程序控制器問世之前，繼電器接觸器控制在工業(yè)控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。繼電器接觸器控制系統(tǒng)是采用固定接線的硬件實現(xiàn)控制邏輯。如果生產(chǎn)任務(wù)或工藝發(fā)生變化，就必須重新設(shè)計，改變硬件結(jié)構(gòu)，這樣造成時間和資金的浪費。另外，大型控制系統(tǒng)用繼電器接觸器控制，使用的繼電器數(shù)量多，控制系統(tǒng)的體積大，耗電多，且繼電器觸點為機械觸點，工作頻率較低，在頻繁動作的情況下壽命較短，造成系統(tǒng)故障，系統(tǒng)的可靠性差。
隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了其與繼電器控制的結(jié)合于是產(chǎn)生了PLC。概括說：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則而設(shè)計。
4．1．2 PLC的特點
PLC是綜合繼電器接觸器的優(yōu)點及計算機靈活、方便的優(yōu)點而設(shè)計制造的，這就使PLC具有許多其他控制器無法比擬的特點：
可靠性強，抗干擾能力強：PLC從硬件和軟件上都采用了抗干擾的措施，提高了其可靠性。
通用性強，使用方便：PLC產(chǎn)品已系列化和模塊化，PLC的開發(fā)商為用戶提供了品種齊全的I/O模塊和配套部件。用戶在進行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，不需要自己設(shè)計和制作硬件裝置，只需根據(jù)控制要求進行模塊的配置。用戶所做的工作只是設(shè)計滿足控制對象的控制要求的應(yīng)用程序。對于一個控制系統(tǒng)，當控制要求改變時，只需修改程序，就能變更控制功能。
采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便：PLC的各個部件，均采用模塊化設(shè)計，各模塊之間可由機架和電纜連接。系統(tǒng)的功能和規(guī)模可根據(jù)用戶的實際需要自行組合，使系統(tǒng)的性能價格比更容易趨于合理。
編程語言簡單、易學(xué)，便于掌握：PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置。其主要的使用對象是廣大的電氣技術(shù)人員。PLC的開發(fā)制造商為了便于工程技術(shù)人員方便學(xué)習(xí)和掌握PLC編程，采用了與繼電器接觸器控制原理相似的梯形圖語言，易學(xué)、易懂。
系統(tǒng)設(shè)計周期短：由于系統(tǒng)硬件的設(shè)計任務(wù)僅僅是根據(jù)對象的控制要求配置適當?shù)哪K，而不要去設(shè)計具體的接口電路，這樣大大縮短了整個設(shè)計所花費的時間，加快了整個工程的進度。
對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強：PLC的核心部件是微處理器，它實質(zhì)上是一種工業(yè)控制計算機，其控制功能是通過軟件編程來實現(xiàn)的。當生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，不必改變PLC硬件設(shè)備，只需改變PLC中的程序。這對現(xiàn)代化的小批量、多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)尤其適合。
安裝簡單、調(diào)試方便、維護工作量小：PLC控制系統(tǒng)的安裝接線工作量比繼電器接觸器控制系統(tǒng)少的多，只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連。PLC軟件設(shè)計和調(diào)試大多可在實驗室里進行，用模擬實驗開關(guān)代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應(yīng)發(fā)光二極管，也可以另接輸出模擬實驗板。模擬調(diào)試好后，再將PLC控制系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場，進行連機調(diào)試，這樣既省時間又方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自診斷能力，一旦發(fā)生故障，可以根據(jù)報警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，則可用更換模塊的方法排除故障。這樣提高了維護的工作效率，保證了生產(chǎn)的正常進行。
4．1．3 PLC的應(yīng)用和發(fā)展
PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動化控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強、編程設(shè)計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代化工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。
為了適應(yīng)市場的各方面的需求，各生產(chǎn)廠家對PLC不斷進行改進，推出功能更強、結(jié)構(gòu)更完善的新產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品總體來說，朝兩個方向發(fā)展：一個是向超小型化、專用化和低價格的方向發(fā)展，以進行單機控制；另一個是向大型、高速、多功能和分布式全自動網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代化的大型工廠、企業(yè)自動化的需要。
4．2原理
每個機械手的動作控制是由位置傳感器、壓力傳感器、行程條、PLC來綜合控制的。每個機械手有三個位置傳感器安裝在齒條的套筒上，行程條安裝在齒條槽的底部，它的位置決定機械手的空間行程。橫梁上有左極限位開關(guān)1ST、右極限位開關(guān)2ST來控制機械手小車的搬運行程。壓力傳感器與壓力缸用軟管相連接，每個機械手有兩個壓力傳感器。并且機床頂處與生產(chǎn)線上各有一個無工件位置檢測開關(guān)，來控制生產(chǎn)線傳送帶的行進和機械手的工作順序。
機械手手部液壓原理圖：
圖4.1液壓原理圖
4.2.1搬運機械手的動作順序
(1).機械手搬運工件時，機械手的工作原點是機械手1、機械手2上均沒有抓取工件，生產(chǎn)線上的無工件位置檢測開關(guān)SL1閉合，機床上的無工件位置檢測開關(guān)SL2閉合。
(2).按下啟動按鈕SB1時，機械手1由自身的重力作用，開始加速下落。由于手臂是由齒輪-齒條來驅(qū)動的，其自身的機械機構(gòu)不能夠過載運行。電機開始能耗制動，1KMB開始工作，將手臂升降的速度限制到到一個較低的程度，當碰到下限位開關(guān) SQ1，電機能耗制動K1開始閉合，將能耗制動電阻短接，能耗制動強烈，將手臂升降的速度再一次降低到一穩(wěn)定的位置，為手臂的停止作準備。當碰到下極限位置開關(guān)ST2時，電磁制動電磁鐵YA1失電鎖緊手臂。同時，手臂液壓缸的電磁換向閥KV1通電，將工件夾緊；當工件完全被夾緊的時候，壓力繼電器KT1開始工作，機械手1開始執(zhí)行上升，當碰到上限位開關(guān)SQ3時，其常閉觸點斷開電機停止工作鎖緊手臂。
(3).機械手在工作原點的工序完成，小車開始行走；待壓下橫梁的位置繼電器2SQ時，電磁鐵YA3失電，小車停止移動。在機床無工件位置檢測開關(guān)SL2壓合的前提下，機械手2開始工作，手臂自行下落，并一同開始能耗制動2KMB，手臂勻速下落，待壓下位置開關(guān)SQ4時，K2閉合，能耗制動電阻被短接，開始強烈能耗制動，為電磁制動電磁鐵YA2的復(fù)位作準備，待壓下位置開關(guān)SQ5時，能耗制動結(jié)束。電磁換向閥KV2得電，機械手2將加工后的曲軸夾緊，待壓力繼電器KT3發(fā)信號時停止夾緊，電機驅(qū)動手臂上升，碰到位置開關(guān)SQ3時，其常閉觸點斷開電機停止工作鎖緊手臂。
(4).機械手1（夾持工件）開始下降，能耗制動1KMB開始工作，當碰到下限位開關(guān)SQ1，電機能耗制動K1開始閉合，將能耗制動電阻短接，能耗制動強烈，當碰到下極限位置開關(guān)ST2時，電磁制動電磁鐵YA1失電鎖緊手臂。電磁換向閥KP1失電，機械手1松開工件，當工件完全被放開的時候，壓力繼電器KT2開始工作，機械手1開始執(zhí)行上升，，當碰到上限位開關(guān)SQ3時，電機停止工作鎖緊手臂。機械手1、2在機床上方工序停止。
(5).小車在機械手1、2完成工序后，向工作原點行進，當壓下橫梁位置開關(guān)1SQ時，電磁制動電磁鐵YA3復(fù)位小車停止行走。機械手2開始工作，手臂自行下落，耗制動2KMB開始工作，待壓下位置開關(guān)SQ4時，能耗制動電阻被短接，開始強烈能耗制動，為電磁制動電磁鐵YA2的復(fù)位作準備，待壓下位置開關(guān)SQ5時，能耗制動結(jié)束手臂停止下降。電磁換向閥KV2失電，機械手2松開加工后的曲軸，待壓力繼電器KT3發(fā)信號時停止放松，電機驅(qū)動手臂上升，碰到位置開關(guān)SQ3時，其常閉觸點斷開電機停止工作鎖緊手臂。
(6).機械手1、2滿足上述起始條件時，機械手1、2可循環(huán)工作。既機械手1抓取工件，小車右移，機械手2抓取已加工好的工件，機械手1放下工件，小車左移，機械手2放下加工好的工件，機械手1再抓取，上述過程由一組移位寄存器控制，每移一位，控制機械手完成一步操作，移位寄存器每位的輸出，作為下一步操作的條件。按順序進行，完成了上一步，才能執(zhí)行下一步。
圖4.2主回路中的電機能耗制動部分線路圖:
4.2.2電機的可編程控制
(1).程序描述
①.自動部分的手動程序,在工作開始時機械手系統(tǒng)應(yīng)處于原位，上極限位開關(guān)SQ3、SQ6和左極限位開關(guān)1SQ應(yīng)閉合。當執(zhí)行自動程序中的單周期運動時，先調(diào)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，輸入繼電器的動合觸點X502閉合，單脈沖指令使輔助繼電器M201產(chǎn)生一個脈沖，使移位寄存器復(fù)位。因此，移位寄存器復(fù)位的動斷觸點M101～M116均為閉合狀態(tài)。程序使M100置1。
壓下啟動開關(guān)SB1，X410接通，產(chǎn)生移位信號，使100右移1位，則101為1。同時因生產(chǎn)線上無工件，使X416閉合機械手1下降電機開始能耗制動，當X400被壓下時電機開始強能耗制動。
下降到位時X401閉合機械手1制動停止，同時產(chǎn)生移位信號101的1態(tài)移到102，使204得電并保持通過204的保持觸點使530、定時器T450同時得電，將工件夾緊并延時，當夾力過大時壓力繼電器工作使530斷電，手停止加緊并保持夾緊狀態(tài)。
延時繼電器T450延時3后，其動合觸點接通，產(chǎn)生移位信號，使103為1、102為0，于是Y434得電，驅(qū)動電機執(zhí)行上升動作。由于204的保持作用，530不會失電工件繼續(xù)保持夾緊狀態(tài)。
上升到位后，上限位開關(guān)壓下，Y434失點同時制動電磁鐵433使機械手停止上升、M104得電使小車右移。
右移到位，有極限位開關(guān)被壓下使X407閉合輸出繼電器Y435工作小車制動，同時產(chǎn)生移位信號使M105置1、M104為0從而使Y432得電機攜手2下降并且電機進行能耗制動下降到Y(jié)403閉合時Y535工作強能耗制動開始，下降到位時403閉合下降停止。
同時產(chǎn)生移位信號106置1、105復(fù)0機械手2進行夾緊任務(wù)。
T451延時3秒后繼續(xù)移位使110為1，機械手1重復(fù)下降運動當下降到位時壓下極限位開關(guān)使111置1，輸出繼電器Y531和時間繼電器T452同時得電，機械