数控机床上下料机械手设计

学科门类：单位代码：
毕业设计说明书（论文）
数控机床上下料机械手设计
学生姓名
所学专业
班级
学号
指导教师
XXXXXXXXX系
二○**年X X月
任务书
任务下达日期：20** 年 3 月13 日
设计（论文）开始日期：20** 年 3 月13 日
设计（论文）完成日期：20** 年 6 月20 日
一、设计（论文）题目：数控机床上下料机械手设计
二、专题题目：高速切削的数控加工工艺
三、设计的目的和意义：通过对机械设计制造及其自动化专业机制方向大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的检测、控制仪器的制作，能够充分、完整地体现电子信息工程专业类毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论到实践的有机结合。

本设计能够广泛应用于家庭、车站、码头、医疗机构等需要对人体温度进行实时检测的场所，满足用户对体温实时测试的要求，并能够对体温进行实时显示和对体温异常现象进行报警。

目前，本设计的国内外研究及应用主要体现在2003年全国抗击“非典”期间，清华大学深圳研究所研制的“红外数字体温计”以及同时期出现的国内其他生产厂家制作的“数字遥感体温计”。

四、设计（论文）主要内容：（1）机械手的整体结构设计及其总装图、液压
系统图和PLC接线图以及具体零件图的绘制（一张零号图，三张一号图，二
张二号图，合计三张零号图）（2）具体设计过程及其合理性的文字说明。

五、设计目标：完成对机械手的总体结构设计，主要是设计合理的液压传动
系统，以及PLC控制程序，能合理地控制机械手上下料。

六、进度计划：20**年3月13日至3月31日进行为期3周的生产实习；4
月1日至4月20日完成对设计题目的资料收集与查询；4月21日至5月31
日完成对设计图纸的绘制；6月1日至6月20日完成毕业设计说明书的编写；
6月21日至6月24日最后的审稿及说明书和图纸的打印。

七、参考文献资料：
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指导教师：
院（系）主管领导：
年月日
摘要
通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。

重点针对机械手的腰座、手臂、手爪等各部分机械结构以及机械手控制系统进行了详细的设计。

具体进行了机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动系统的设计。

同时对液压系统和控制系统进行了理论分析和计算。

基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。

设计达到了设计的预期目标。

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统
Abstract
Integrate the knowledge of the past four years’ of undergraduate course of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinderical coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end effector and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction design, the wrist’s construction design, the end effector’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. Deeply design the manipulator’s control system, which based on PLC. After analysis about the craft process and the requests of the manipulator, the hardware circuit and the control program of the manipulator then is designed. In a word, the design of the manipulator has come to the anticipant object.
Keyways: Manipulator；PLC；Hydraulic servo control；Electrohydraulic system
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
第1章绪论 (1)
1.1 选题背景 (1)
1.2 设计目的 (1)
1.3 国内外研究现状和趋势 (2)
1.4 设计原则 (3)
第2章设计方案的论证 (3)
2.1机械手的总体设计 (3)
2.1.1 机械手总体结构的类型 (3)
2.1.2 设计具体采用方案 (4)
2.2机械手腰座结构的设计 (5)
2.2.1 机械手腰座结构的设计要求 (5)
2.2.2 设计具体采用方案 (6)
2.3机械手手臂结构的设计 (7)
2.3.1 机械手手臂的设计要求 (7)
2.3.2 设计具体采用方案 (8)
2.4工业机器人腕部的结构 (9)
2.4.1机器人手腕结构的设计要求 (9)
2.4.2设计具体采用方案 (10)
2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计 (10)
2.5.1机械手末端执行器的设计要求 (11)
2.5.2 机器人夹持器的运动和驱动方式 (12)
2.5.3机器人夹持器的典型结构 (12)
2.5.4设计具体采用方案 (13)
2.6机械手的机械传动机构的设计 (13)
2.6.1工业机器人传动机构设计应注意的问题 (14)
2.6.2工业机器人常用的传动机构形式 (15)
2.6.3 设计具体采用方案 (18)
2.7机械手驱动系统的设计 (18)
2.7.1机器人各类驱动系统的特点 (18)
2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则 (19)
2.7.3机器人液压驱动系统 (20)
2.7.4机器人气动驱动系统 (21)
2.7.5 机器人电动驱动系统 (23)
2.7.6 设计具体采用方案 (25)
2.8机器人手臂的平衡机构设计 (26)
2.8.1 机器人平衡机构的形式 (26)
2.8.2 设计具体采用的方案 (26)
第3章理论分析和设计计算 (27)
3.1液压传动系统设计计算 (27)
3.1.1 确定液压系统基本方案 (27)
3.1.2 拟定液压执行元件运动控制回路 (28)
3.1.3 液压源系统的设计 (28)
3.1.4 绘制液压系统图 (29)
3.1.5确定液压系统的主要参数 (30)
3.1.6 计算和选择液压元件 (35)
3.1.7 液压系统性能的验算 (37)
3.2电机选型有关参数计算 (37)
3.2.1 有关参数的计算 (37)
3.2.2 电机型号的选择 (40)
第4章机械手控制系统的设计 (41)
4.1机械手控制系统硬件设计 (41)
4.1.1 机械手工艺过程与控制要求 (41)
4.1.2 机械手的作业流程 (42)
4.1.3 机械手操作面板布置 (43)
4.1.4 控制器的选型 (45)
4.1.5 控制系统原理分析 (45)
4.1.6 PLC外部接线设计 (46)
4.1.7 I/O地址分配 (47)
4.2机械手控制系统软件设计 (49)
4.2.1机械手控制主程序流程图 (49)
4.2.2机械手控制程序设计 (49)
技术经济分析 (51)
结论 (52)
参考文献 (61)
致谢 (63)
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第1章绪论
1.1 选题背景
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加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。

机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。

机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。

目前，机械手已发展成为柔性制造系统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，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。

当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。

而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2 设计目的
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工
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完成，劳动强度大、生产效率低。

为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。

本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。

目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。

本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。

1.3 国内外研究现状和趋势
目前，在国内外各种机器人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：
A．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。

B．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，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

C．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来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

D．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；
E．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、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。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，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
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生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，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。

1.4 设计原则
在设计之前，必须要有一个指导原则。

这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。

在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。

本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

第2章设计方案的论证
2.1机械手的总体设计
2.1.1 机械手总体结构的类型
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。

各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。

1.直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a2-1.。

由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。

但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。

因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。

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直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。

直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人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。

这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。

其工作空间是一个圆柱状的空间。

3. 球坐标机器人结构
球坐标机器人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。

这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。

主要应用于搬运作业。

其工作空间是一个类球形的空间。

4. 关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。

关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。

相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。

此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

图2-1 四种机器人坐标形式
2.1.2 设计具体采用方案
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图2-2
具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时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，以减小成本、提高可靠度。

该机械手在工作中需要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移动自由度，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。

2.2 机械手腰座结构的设计
进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求
工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节型机器人的回转基座。

它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。

在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：
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1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。

2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。

4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。

驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

5.腰部结构要便于安装、调整。

腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。

要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。

6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.2.2 设计具体采用方案
腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。

因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。

考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。

一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。

因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。

腰座具体结构如图2-3所示：
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图2-3 腰座结构图
2.3 机械手手臂的结构设计
2.3.1 机械手手臂的设计要求
机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。

在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；
1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。

2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。

工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。

但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。

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3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。

目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。

碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。

目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。

在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。

4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。

5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。

在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。

6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

2.3.2 设计具体采用方案
机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。

直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。

考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。

综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，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，不用再设计另外的执行件了；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。

因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。

因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允
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许的情况下），再进行强度的较核。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。

因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。

通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

2.4 机械手腕部的结构设计
机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。

机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

2.4.1 机器人手腕结构的设计要求
1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。

机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。

但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。

因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。

在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。

一般的机器人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。

因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。

2.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。

为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。

腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法。