数控机床上下料机械手毕业论文:数控车床上料机械手

毕业设计（论文）

题目 数控机床上下料机械手

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2015 年 9 月 5 日

目 录

1 绪论 . ....................................................... 1

1.1 选题背景 . ..................................................... 1

1.2 设计目的 . ..................................................... 1

1.3 发展现状与趋势 . ............................................... 2

2 液压上下料机械手的设计方案 . ................................. 3

2.1机械手的概念 ................................................... 3

2.2 机械手的组成及工作原理 . ........................................ 3

2.3 机械手的总体设计 . .............................................. 4

2.3.1 机械手的总体机构的类型 . ...................................... 4

2.3.2 具体采用方案 . ................................................ 5

2.4 机械手主要部件的选用 . .......................................... 5

2.4.1 机械手手爪的选用 . ............................................ 5

2.4.2 机械手手腕的选用 . ............................................ 6

2.4.3 机械手手臂的选用 . ............................................ 7

2.4.4 机械手机身的选用 . ............................................ 8

2.5 驱动机构的选择 . ................................................ 8

2.6 传动结构的选择 . ................................................ 9

2.7 机器人手臂的平衡机构设计 . ..................................... 10

3 液压系统的设计 . ............................................. 11

3.1 液压系统的概述 . ............................................... 11

3.2 液压系统的组成 . ............................................... 11

3.3 液压系统的基本控制回路 . ....................................... 11

3.4 液压系统的总体设计 . ........................................... 12

3.4.1 控制回路的设计 . ............................................. 12

3.4.2 液压源系统的设计 . ........................................... 12

3.4.3 绘制的液压系统图 . ........................................... 13

3.5 液压系统的简单计算 . ........................................... 13

3.5.1油缸的主要类型与相关运算 ................................... 14

3.5.2油泵的选择 ................................................. 18

3.5.3 油泵电动机功率的确定 . ...................................... 18

4 机械手控制系统的设计 . ...................................... 19

4.1 系统硬件电路的设计 . ........................................... 19

4.1.1 可编程控制器的概念 . ......................................... 19

4.1.2 PLC的应用领域 ............................................. 19

4.1.3 PLC系统的组成 ............................................. 20

4.1.4 PLC的工作原理 ............................................. 21

结 论 . ........................................................... 30

致 谢 . ........................................................... 31

参考文献 . ......................................................... 32

摘要

通过对机械设计基础、工业用微型计算机及其自动化等专业课程的学习，以及课外实践所学的知识，对数控机床上下料机械手各部分机械结构和功能进行了论述和分析，设计了一种液压式圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。此设计主要针对机械手的手爪、手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了的设计。同时对PLC 控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。PLC 控制系统的分析重点放在PLC 各硬件部分的设计和介绍、PLC 梯形图的编写上。此次设计的自动上下料机械手采用液压驱动，传动平稳，且易于控制，控制系统用PLC 作为控制器，优化了机械手群的控制系统。该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。

关键词：机械手；液压系统；PLC 控制系统；

1 绪论

1.1 选题背景

近年来，随着科学技术的不断提高以及工业自动化的快速发展，高效、高质量、低成本、低污染无疑成为了工业自动化所追求的目标。其中机器人就代表了工业自动化的最高水平。机器人的研发与应用，体现了一个企业先进的加工制造能力和科研能力。同时它也促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。由于机械手能代替人类完成高危险、高强度，重复枯燥的工作，同时可以连续长时间生产，从而大大的提高了生产效率，降低了人工生产成本，减轻了人类的劳动强度。因此机械手已经越来越广泛的得到了应用。一般机械手在机械行业中可用于零部件组装 、加工工件自动抓取、上料、下料、工件翻转、工件转序等工作，特别是在自动化数控机床以及组合机床上使用比较普遍。目前，机械手已经发展成为一种非常成熟的机械加工辅助手段，同时也发展成为了柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC 中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元。可以节省庞大的工件输送装置及人工，结构简单，适应性强。机械手的应用改变了传统的搬运方式，有效地改善了作业环境，提倡零件加工数字化，信息化，少人化直至无人化管理，极大程度的保证了产品的质量，使现代加工制造技术迈上了新的台阶。然而，目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与国外相比还有一定的差距，机械手应用工程起步相对比较晚。因此，为了加快我国工业自动化的步伐，进行机械手的研究设计是非常必要，也是十分具有意义的事。

1.2 设计目的

众所周知，一个国家经济实力很大程度上取决于制造业的发展水平。上世纪，美国制造业占世界制造业40%，2010年中国制造业第一次赶超美国（中国占19.8%，美国占19.4%）。近几年，美国、日本、韩国等国家纷纷将自己的制造产业搬回本国，准备大力发展制造业，一场无硝烟的工业大战即将开始。然而，我国大部分的工厂和企业仍然还是使用人工装卸、搬运、包装、打码等。这些人工操作具有一定的危险性，在高强度的作业环境下人容易犯错，工作效率会大打折扣。这些已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了加快工业自动化的步伐，使其真正的走进人们的生活，结合自己所学的专业理论知识及课外实践知识，设计了一台自动上下料机械手，其兼备人和机器的优点，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

1.3 发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

1. 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。

2. 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，采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和维修性。

3. 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进行决策控制；传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技

术。

4. 关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

5. 焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

综上所述可以概括为两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在各行各业中还在不断开辟着新用途。随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。

2 液压上下料机械手的设计方案

2.1机械手的概念

我国国家标准(GB/T12643–90) 对机械手的定义：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置。”

机械手可分为专用机械手和通用机械手两大类。专用机械手：它作为整机的附属部分，动作简单，工作对象单一，具有固定(有时可调) 程序，使用大批量的自动生产。如自动生产线上的上料机械手，自动换刀机械手，装配焊接机械手等装置。通用机械手：它是一种具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。它适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产。它的工作范围大，定位精度高，通用性强，广泛应用于柔性自动线。

2.2 工业机械手的组成及工作原理

2.2.1工业机械手的组成

工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图2.1：

图2.1 工业机械手各部分关系图

执行机构：包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。 驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。

控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。

机身：它是整个工业机械手的基础。

机械手功能：

（1）它能部分的代替人工操作；

（2）它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；

（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。

2.2.2上下料机械手的工作原理

上下料机械手是一种专用的工业机械手，其执行程序一般是设计好的，一般只能进行简单编程，所以机械手的动作是固定的，一种机械手只能供送一种或有限的几种物品，程序控制系统相对比较简单。

供送料机械手可看做是一种无料槽、滑道的供送料机构，它在一个位置（料槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时，先由料槽中取出工

件，带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回；卸料时则从工位上取下工件，带走，

放到料箱中。上料时一般有位置及方位要求，而卸料时一般无严格要求，所以上料是关键。

要完成上述动作，上下料机械手的手爪必须到达两点（取料点—料槽；放料点—加工工位），这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作（抓取料和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、张开来实现。方位要求一般通过机械手的手腕来满足供送料要求的运动，轨迹应该是：直线下降—直线升起—平面圆弧摆动—直线下降。 2.3机械手的总体设计

2.3.1机械手总体结构的类型

工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：

1. 直角坐标机械手结构特点

直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图2-1.a 。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2. 圆柱坐标机械手结构特点

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b 。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

3. 球坐标机械手结构特点

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c 。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

4. 关节型机械手结构特点 关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d

。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。

2.3.2 具体采用方案

具体到本设计，因为考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，一件小成本、提高可靠度。该机械手的工作中需要3种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动，另一个为手臂的回转运动，综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个一栋栋自由度，其特点是：结构比较简单，手臂运动范围大，且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。

2.4机械手主要部件的选用

2.4.1手爪

2.4.1.1机械手手爪的结构设计要求

手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。

机械手手爪设计有如下要求：

（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。

（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。

（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。

（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。

2.4.1.2设计具体采用方案

手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。

夹钳式手部是由手指，传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴，盘，套类零件，一般情况下多采用两个手指。手部示意图如下：

图2-3 手部示意图

2.4.2 腕部

2.4.2.1 腕部设计的基本要求

手腕部件置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，适应性更强。手腕具有独立的自由度，此设计手腕有绕X 轴转动和沿X 轴左右摆动两个自由度。手腕回转运动机构为回转油缸，摆动也采用回转油缸。他的结构紧凑，灵活，自由度符合设计要求，它要求严格密封才能保证稳定的输出转矩。

（1）腕部处于臂部的前端，它连同手部的动静载荷均由臂部承受。腕部的结构、重量和动力载荷直接影响着臂部的结构、重量和运动性能。因此在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支承作用，除了保证力和运动的要求以及具有足够的强度和刚度外还应综合考虑合理布局腕部和手部的连接、腕部自由度的检测和位置检测、管线布置以及润滑、维修调整等问题。

（3）腕部设计应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀，压力油的粘度和燃点，有关材料及电控电测元件的耐热性等问题）。

2.4.2.2设计具体采用方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，腕部的结构如图2-4所示，它可做与手臂垂直方向（例如Y 轴方向）横移，还可以绕Y 轴或Z 轴回转。本次设计，手腕回转角度±115°，手腕回转速度，V 腕回 = 40°/s。

图2-4 腕部结构

2.4.3 手臂

2.4.3.1手臂设计的基本要求

手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。

臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有三个自由度才能满足基本要求：即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。

机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：

（1）机械手臂式机身的承载

机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。为可提高刚度，尽量缩短臂杆的悬伸长度。

（2）臂部运动速度要高，惯性要小

机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般是根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（v 和w 为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。

为减少转动惯量的措施：

①减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。

②减少手臂运动件的尺寸轮廓。

③减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸），

尽可能在前伸位置下进行回转动作，并且驱动系统中设有缓冲装置。

（3）手臂动作应灵活

为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。

（4）位置精度要高

一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；关节式机械手的位置最难控制，精度差；在手册上加设定位装置和自检测机构，能较好的控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。

2.4.3.2具体设计方案

由于机械手手臂运动为直线运动，这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械手的臂力最小为0.15N ，最大为8000N 。本液压机械手的臂力为N 臂 =1650（N ），安全系数K 一般可在

1.5~3，本机械手取安全系数K=2。定位精度为±1mm 。手臂伸长量150mm ，手臂回转角度±120°。手臂升降行程180mm ，手臂水平运动行程100mm 。手臂伸缩速度 ，V 臂伸 = 50 mm/s手臂回转速度， V臂回 = 40°/s，手臂升降速度， V臂升 = 50 mm/s。

2.4.4机身

2.4.4.1机身设计的基本要求

机身是直接支撑和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降，回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机体的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动。

此次设计机身为地面轨道运动式。它的驱动系统是步进电机，再电动机后接了一个圆锥圆柱齿轮减速器其输出速度为1.2m/s。在后是一个制动箱。其主要参数是由外部计算机调整和控制，在很大程度上是由运动学和轨迹运动而去编制小车的运行程序。

2.5驱动机构的选择 2.5.1驱动机构的主要类型

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 可分为以下四类：

（1）气压传动机械手

气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。

（2）液压传动机械手

液压传动机械手是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。

（3）机械驱动机械手

它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。

（4）电气驱动机械手

它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。

2.5.2具体设计方案 在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用步进电动机来实现。由于手臂采用液压缸，故用液压驱动。随着机床加工的工件的不同，手臂伸出长度不同，要求手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。

2.6 传动结构的选择

2.6.1工业机器人常用的传动机构形式

（1）齿轮传动机构

在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

（2）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

（3）螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。后 者 虽 然 结 构 复 杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%），其运动平稳，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。

（4）同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。

（5）钢带传动

钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。

（6) 链传动

在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

（7) 钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

2.6.2工业机器人传动机构设计的要求

机器人是由多级联杆和关节组成的多自由度的空间运动机构。除直接驱动型机器人以外，机器人各联杆及关节的运动都是由驱动器经过各种机械传动机构进行驱动的。机器人所采用的传动机构与一般机械的传动机构相类似。常用的机械传动机构主要有螺旋转动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动等。由于传动部件直接影响机器人的精度、稳定性和快速响应能力，因此应设计和选择满足传动间隙小精度高，低摩擦、体积小、重量轻、运动平稳、响应速度快、传递转矩大大、谐振频率高以及与伺服电动机等其它环节的动态性能相匹配等要求的传动部件。

2.6.3 具体设计方案

为了简化结构，同时提高精度。机械手腰部回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经济分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电动机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比, 齿轮采用高强大、高硬度的材料，高精度加工制动。

2.7 机器人手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，一减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.7.1 机器人平衡机构的形式

通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种：

1. 配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2. 弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3. 活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡小童平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用：气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.7.2 设计具体采用的方案

因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

3 液压系统的设计

3.1液压系统的概述

机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。

3.2液压系统的组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成：

（1） 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。

（2） 液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。

（3） 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。

3.3液压系统的基本控制回路

机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。

3.3.1 压力控制回路

压力控制回路是通过控制液压系统的压力，以满足执行元件对力和力矩要求的回路。包括调压、卸荷、减压、平衡锁紧等基本回路。本设计采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路和单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路

为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。

3.3.2 速度控制回路

液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q 。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。

根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI 型单向节流阀、LCI 型单向节流阀或QI 型单向调速阀等进行调节。

节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流

量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。

采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。

调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。

3.3.3 方向控制回路

在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。

目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D 型）和直流电磁阀（E 型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V （也有380V 或36V ），直流电磁阀的使用电压一般为24V （或110V ）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。

3.4液压系统总体设计

此次设计的上下料机械手是以PLC 来控制整个液压元件，通过控制液压缸的电磁换向阀而实现机械手各个关节的运动。至于机械手在空间的运动和定位则由外部的电脑操作系统完成，它主要先进行机器手的运动学分析，动力学分析，轨迹规划和编程。从而由上述系统完成整个机械手在空间的行走，定位和重复定位等操作。

3.4.1液压执行元件运动控制回路的设计

液压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是液压回路的核心问题。

速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

本设计的速度的控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

3.4.2 液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。

本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V 1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过

滤器对循环的液压油进行净化

3.4.3 绘制液压系统图 本机械手的液压系统图如图

3-1所示

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M 拖动；系统压力由溢流阀V 1调定；1DT 的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT 得电时，工作液体经由节流阀V 5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT 失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V 2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

3.5液压系统的简单计算

计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。

一般会用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动），及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。

3.5.1 油缸的主要类型与相关运算

3.5.1.1 双作用单杆活塞油缸

图5-2 双作用单杆活塞杆油缸计算简图

⑴ 流量、驱动力的计算

当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V 1运动时所需输入油缸的流量Q 1为

π

2 Q1 = 40D V 1

对于手臂伸缩油缸：Q 1=0.98cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q 1=1.02 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q 1=0.83 cm/s

油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P 1即油缸的驱动力为： 333

π

2 P1 =4 Dp

对于手臂伸缩油缸：P 1=196N， 对于手指夹紧油缸：P 1=126N ，对于手臂升降油缸：P 1=320N

当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V 2运动时所需输入油缸的流量 Q2 为：

π

22 Q2 = 40（D -d ）V 2

对于手臂伸缩油缸：Q 2=0.87cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q 2=0.96 cm/s ,对于手臂升降油缸：Q 2=0.72 cm/s

油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P 2即油缸的驱动力为： 333

π

22 P2 =4 （D -d ）p

对于手臂伸缩油缸：P 2=172N， 对于手指夹紧油缸：P 2=108N ，对于手臂升降油缸：P 2=305N

⑵ 计算作用在活塞上的总机械载荷

机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P 为

P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回

其中P 工 为工作阻力

P导 为装置处的摩擦阻力

P封 为密封装置处的摩擦阻力

P惯 为性阻力

P回 为回背压阻力

P = 83+125+66+80+208=562(N)

⑶ 确定油缸的结构尺寸

① 油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即 P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔）

油缸（即活塞）的直径可由下式计算 4P

D = πP 1 = 1.13p P 1 厘米 （无杆腔）

对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm或D =

② 油缸壁厚的计算： 4P +πP 1d 2πP 1 厘米（有杆腔）

依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚ξ可用下式计算：

p 计D

ξ = 2σ 厘米

P计 为计算压力

[σ] 油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸：ξ =6mm， 对于手指夹紧油缸：ξ =17mm ，对于手臂升降油缸：ξ =16mm , 对于立柱横移油缸: ξ=17mm

③ 活塞杆的计算

可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即

P

σ = d 2π

4≦ [σ]

4P

即 d ≧πσ 厘米

对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：d=50mm ,

对于立柱横移油缸:d=16mm

3.5.1.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）

图5-3 齿条活塞缸计算简图

⑴流量、驱动力的计算

πD 2d ϖ

Q = 133

当D=103mm,d=40mm,ϖ=0.95 rad/s时

Q = 952N

⑵ 作用在活塞上的总机械载荷P

P = P工 + P封 + P惯 + P回

其中P 工为工作阻力

P封 为密封装置处的摩擦阻力

P惯 为惯性阻力

P回 为背压阻力

P = 66+108+208=382（N ）

⑶ 油缸内径的计算

根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得

D =

D = 45mm

3.5.1.3单叶片回转油缸

4P

πp （厘米）

在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：

图5-4回转油缸计算简图

⑴ 流量、驱动力矩的计算

当压力油输入回转油缸，使动片以角速度ϖ运动时，需要输入回转油缸的流量Q 为：

3b (D 2-d 2) ϖ

400 Q =

当D=100mm,d=35mm,b=35mm, ϖ=0.95 rad/s时 Q=0.02m/s

回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M ：

pb (D 2-d 2) 8 M =

3

得 M = 0.8 (N²m)

⑵ 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工为工作阻力矩

M封 为密封装置处的摩擦阻力矩

M惯 为参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 为回转油缸回油腔的背反力矩

M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N²m) ⑶ 回转油缸内径的计算

回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：

8M

+d 2

D = bp

D = 30mm（厘米)

3.5.2油泵的选择

一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力P 泵 和最大流量Q 泵 来确定。 ⑴ 确定油泵的工作压力P 泵 P泵 ≧ p + ∑△p

式中 p ——油缸的最大工作油压

∑△p ——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。

P泵 = 60*10帕

⑵ 确定油泵的 Q泵 油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q 最大，并考虑系统的总泄漏来确定

Q泵 = K ，Q 最大

其中：K 一般取1.10—1.25 Q泵=53升/分

5

3.5.3 油泵电动机功率的确定

油泵的电动功率为

pQ

N = 612η （千瓦）

式中 p——油泵的最大工作压力 Q——所选油泵的额定流量 η——油泵总效率 N=7.5（千瓦）

4 机械手控制系统的设计

4.1 系统硬件电路的设计

4.1.1可编程控制器的概念

可编程控制器(Programmable Logical Controller) 简称PLC 。国际电工委员会（IEC ）在1985年的PLC 标准草案第3稿中，对PLC 作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC 一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC 具有如下特点： 1、编程方法简单易学。 2、功能强，性能价格比高。

3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 4、可靠性高，抗干扰能力强。

5、系统的设计、安装、调试工作量少。 6、维修工作量小，维修方便。 7、体积小，能耗低。

4.1.2 PLC的应用领域

PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC 的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC 的成本下降；另一方面PLC 的功能大大增加，能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC 的应用范围通常分成以下5种类型： 1、顺序控制

这是PLC 应用最广泛的领域，也是最适合PLC 使用的领域，它用来取代传统的继电器顺序控制。PLC 应用于单机控制、多机控制、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制。 2、运动控制

PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC 把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置，每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，保持运动平滑。

相对来说，位置控制模块比CNC 装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便， 3、过程控制

PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度等。PID 模块提供了使PLC 具有了闭环控制的功能，即一个具有PID 控制能力的PLC 可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID 控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。 4、数据控制

在机械加工中，PLC 作为主要的控制和管理系统用于CNC 和NC 系统中，可以完成大量

的数据控制。 5、通信控制

PLC的通信包括主机与远程I/O的通信、多台PLC 之间的通信、PLC 和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

4.1.3 PLC的系统组成

PLC 种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用PLC 实施控制，其实质是按一定算法进行输入/输出变换，并将这个变换给以物理实现，应用于工业现场。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU 、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。PLC 的结构框图如图4-1所示。

图4-1 PLC的结构框图

1、中央处理单元（CPU ）

中央处理单元（CPU ）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路连接。 2、存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。

系统存储器包括用来存放由PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM 内，用户不能直接更改。它使PLC 具有基本的功能，能够完成PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC 的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序。第二部分为用户指令解释程序。第三部分为标准程序与系统调用。

用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。用户程

序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC 编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放（记忆）用户程序中所使用器件ON/OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC 性能的重要指标之一。 PLC 使用的存储器类型有三种。第一种是随机存取存储器（RAM ）；第二种是只读存储器（ROM ）；第三种是可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM 或EPROM ）。 3、输入/输出模块

输入（Input ）模块和输出（Output ）模块简称为I/O模块。PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。

输入模块用于处理输入信号，对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC 内部。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC 外部，输出模块具有隔离PLC 内部电路和外部执行元件的作用，还具有功率放大的作用。 4、电源模块

PLC一般使用220V 的交流电源，内部的开关电源为PLC 的中央处理器、存储器等电路提供5V 、±12V 、24V 等直流电源，使PLC 能正常工作。 5、接口模块

接口模块用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC 的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。 6、通信接口

为了实现“人–机”或“机–机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过接口可以与监视器、打印机和其他的PLC 或计算机相连。 7、编程器

编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转换为机器语言助记符（语句表）后，才能输入。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD 或CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话

8、其他部分

有些PLC 还可配有EPROM 写入器、存储器等其他外部设备。

4.1.4 PLC的工作原理

PLC 是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。PLC 工作的全过程可用图4-2所示的运行框图来表示。 概括而言，PLC 是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。扫描周期是控制过程中一个比较重要的技术指标。一般来说，扫描周期越大，表明扫描所需要的时间就越长，要求输入信号的宽度就越大，控制周期就越长，控制速度就要降低。

PLC 的过程可分为三部分。第一部分为上电处理，第二部分是扫描过程，第三部分是出错处理。

图4-2 PLC运行框图

4.2本系统的控制方案

为了实现自动上下料机械手的自动控制，本系统采用PLC 做控制器。本系统的输入开关量为数字信号，直接连接PLC ，PLC 通过中间继电器对电磁阀加以控制。系统框图如图下所示。

4.2.1输入/输出信号

本控制系统有11个输入开关量，分别为：

系统启动按钮1个 负责整个系统的启动； 系统停止按钮1个 负责整个系统的停止；

选择按钮1个 负责机械手自动控制和检测的切换； 机械手的启动按钮1个 负责检测时每个机械手的启动； 机械手的停止按钮1个 负责检测时每个机械手的停止； 物品检测开关1个 负责检测工作台上是否有物品； 下降限位开关1个 负责检测机械手到达最低位置； 夹放检测开关1个 负责机械手夹放物品的检测； 上升限位开关1个 负责检测机械手到达最高位置； 右旋限位开关1个 负责检测机械手是否右旋转180°； 左旋限位开关1个 负责检测机械手是否左旋转180°； 建立输入信号名称与电气符号表4.1。

本控制系统由5个输出电磁阀，分别为：

机械手下降电磁阀1个 负责启动机械手的下降； 机械手夹放电磁阀1个 负责启动机械手夹放物品； 机械手上升电磁阀1个 负责启动机械手的上升； 机械手右旋电磁阀1个 负责启动机械手的右旋； 机械手左旋电磁阀1个 负责启动机械手的左旋。 建立输出信号名称与电气符号表4.2。

4.2.2 PLC的选型

目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的PLC 生产厂家主要有美国的AB 、通用（GE ）、日本的三菱（MITSBISHI ）、欧姆龙（OMRON ）、德国的西门子（SIMENS ）、法国的TE 、韩国的三星（SUMSUNG ）、LG 等。

本文选择的是德国的西门子公司生产的S7–200PLC 。S7–200系列PLC 是西门子公司生产的一种小型PLC ，其许多功能达到大、中型PLC 的水平，而价格却和小型PLC 的一样，因此它一经推出，即受到了广泛的关注。

本次设计中共11个输入量，共5个输出量，共计16点，因此选用了S7–200系列CPU224，CPU224具有14点输入/10点输出，I/O点数共计24点，它可以有七个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用最多的S7–200产品。

4.2.3 I/O地址分配

根据机械手的输入信号为11个，输出信号为5个，建立I/O地址分配表。 建立输入信号地址分配表如表4.3所示：

建立输出信号地址分配表如表4.4所示：

表4.4 输出信号地址分配表

建立通用辅助继电器地址分配表如表4.5所示：

表4.5 通用辅助继电器地址分配表

4.2.4机械手控制程序

当I1.2=1（上升限位开关闭合）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合）；且Q0.2=0（上升电磁阀断开）：且Q0.3=0（左旋电磁阀断开），则Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；并且M0.2=1（辅助继电器）。梯形图如图4-4所示。

图4-4 梯形图

当Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合），则Q0.0=0（下降电磁阀断开）并且Q0.1=1（夹放电磁阀闭合）。梯形图如图4-5所示。

图4-5 梯形图

当Q0.1=1（夹放电磁阀闭合）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.2=0（上升电磁阀断开），则定时器T53启动定时。

当53=1（定时时间到）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.0=0（下降电磁阀断开），则Q0.2=1（上升电磁阀闭合）。梯形图如图4-6所示。

图4-6 梯形图

当Q0.2=1（上升电磁阀闭合）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合）；I1.2=1（上升限位开关闭合），则Q0.2=0（上升电磁阀断开），并且Q0.4=0（右旋电磁阀断开），则Q0.3=1（左旋电磁阀闭合）。梯形图如图4-7所示。

图4-7 梯形图

当Q0.3=1（左旋电磁阀闭合）；且I1.2=1（上升限位开关闭合）；且I1.3=1（左旋限位开关闭合），则Q0.3=0（左旋电磁阀断开）并且Q0.2=0（上升电磁阀断开）则Q0.0=1（下降电磁阀闭合）。梯形图如图4-8所示。

图4-8 梯形图

当Q0.0=1（下降电磁阀闭合）；且I1.3=1（左旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合），则Q0.0=0（下降电磁阀断开）并且Q0.1=0（夹放电磁阀断开）。梯形图如图4-9所示。

图4-9 梯形图

当Q0.1=0（夹放电磁阀断开）；且I1.3=1（左旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.2=0（上升电磁阀断开），则定时器T54启动定时。 当T54=1（定时时间到）；且I1.3=1（左旋限位开关闭合）；且I1.0=1（下降限位开关闭合）；Q0.0=0（下降电磁阀断开），则Q0.2=1（上升电磁阀闭合）。梯形图如图4-10所示。

图4-10 梯形图

当Q0.2=1（上升电磁阀闭合）；且I1.3=1（左旋限位开关闭合）；I1.2=1（上升限位开关闭合），则Q0.2=0（上升电磁阀断开），并且Q0.3=0（左旋电磁阀断开），则Q0.4=1（右旋电磁阀闭合）。梯形图如图4-11所示。

图4-11 梯形图

当Q0.4=1（右旋电磁阀闭合）；且I1.2=1（上升限位开关闭合）；且I1.4=1（右旋限位开关闭合），则Q0.4=0（右旋电磁阀断开）并且M0.2=0（辅助继电器）。梯形图如图4-12所示。

图4-12 梯形图

4.2.5机械手主程序

当I0.0=1（总启动按钮闭合）；且I0.2=1（手动/自动按钮闭合）；且M0.5=0（系统停止辅助继电器），M0.0=1（机械手自动方式辅助继电器）。梯形图如图4-13所示。

图4-13梯形图

结 论

本设计结合了大学所学的专业知识以及课外实践知识。主要讲述了自动上下料机器人的结构以及控制系统等。分析了液压驱动和机械控制系统的特点，提出了利用液压传动将机械能转化为压力能实现机器人手部、腕部、臂部的运动。

介绍了PLC 的定义、特点、应用领域，发展趋势、基本组成、以及工作原理。用PLC 作为控制器，优化了机械手的控制系统，通过PLC 的控制，机械手能独立完成所需动作并且还可以选择自动运行或手动运行。PLC 有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I/O点的接线稍作修改，或对I/O重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

经过对相关资料的收集到方案的选择比较和论证，再到相关方案的分析计算以及工程图纸的绘制等环节的深入研究，我对所学的知识有了更深层次 的理解，同时也实现了理论和实践的有机结合。

由于所掌握的知识有限，本次设计中肯定还有很多不足的地方和纰漏之处，恳请专家和老师指正并加以指导。

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