数控机床机械手上下料设计

数控机床上下料机械手设计

摘要:通过对机械设计、制造及其自动化专业课程的学习，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的应用情况，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。重点针对机械手的手爪、手腕、手臂、腰座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）进行了详细的设计。同时对其控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。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。设计达到了预期目标。

关键词：机械手；PLC；液压伺服定位；电液系统

目录

第1章前言 (1)

1.1选题背景. 1

1.2设计目的. 1

1.3发展现状和趋势. 1

第2章机械手各部件的设计. 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具体设计方案. 4

2.2机械手手爪结构的设计. 4

2.2.1设计要求. 4

2.2.2驱动方式. 5

2.2.3典型结构. 5

2.2.4具体设计方案. 6

2.3机械手手腕结构的设计. 7

2.3.1手腕结构的设计要求. 7

2.3.2具体设计方案. 7

2.4机械手手臂构的设计. 8

2.4.1手臂结构的设计要求. 8

2.4.2具体设计方案. 8

2.5机械手腰座结构的设计. 9

2.5.1腰座结构的设计要求. 9

2.5.2具体设计方案. 9

2.6机械手的机械传动机构的设计. 10

2.6.1传动机构设计应注意的问题. 10 2.6.2常用的传动机构形式. 10

2.6.3具体设计方案. 11

2.7机械手驱动系统的设计. 12

2.7.1常用驱动系统及其特点. 12

2.7.2具体设计方案. 12

2.8机械手手臂的平衡机构设计. 12

2.8.1平衡机构的形式. 12

2.8.2具体设计方案. 13

第3章理论分析和设计计算. 14

3.1电机选型有关参数计算. 14

3.1.1有关参数的计算. 14

3.1.2电机型号的选择. 16

3.2液压传动系统设计计算. 18

3.2.1 确定液压系统基本方案. 18

3.2.2 拟定液压执行元件运动控制回路. 19

3.2.3液压源系统的设计. 19

3.2.4绘制液压系统图. 20

3.2.5确定液压系统的主要参数. 21

3.2.6计算和选择液压元件. 26

第4章机械手控制系统的设计. 28

4.1系统硬件设计. 28

4.1.1 操作面板布置. 28

4.1.2 工艺过程与控制要求. 28

4.1.3 作业流程. 29

4.1.4 控制器的选型. 30

4.1.5 控制系统原理分析. 31

4.1.6 PLC外部接线设计. 31

4.1.7 I/O地址分配. 32

4.2系统软件设计. 33

4.2.1控制主程序流程图. 33

4.2.2控制程序设计. 34

结论. 51

致谢 (52)

参考文献 (53)

第一章前言

1.1选题背景

由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。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，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手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机械行业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具有重要意义。

1.2设计目的

目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械

行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技

术，设计用一台上下料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机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。

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：

一．机械结构向模块化、可重构化发展。

二．工业机械手控制系统向基于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，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

三．机械手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，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

四．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，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；

五．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。

总的来说，大体是两个方向：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，