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遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計
機械手的設計
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，氣動技術的特點，PLC控制的特點及國內外的發(fā)展狀況。
本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，分別設計了機械手的夾持式手部結構以及吸附式手部結構;設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩;設計了機械手的手臂結構，設計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉用液壓緩沖器。
設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國內外發(fā)展狀況 5
1.4設計的目的及意義 6
2．夾緊機構 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、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，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物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.
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)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產;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.
機械手的結構形式開始比較簡單，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)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，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，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。
1.2機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(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
包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
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)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。
手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多，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成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電磁力)吸附物件，相應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動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(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動，都需要有導向裝
置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件
受力狀態(tài)簡單。
導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。
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
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，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可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。
6、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機
座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(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)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制
系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構
以一定的精度達到設定位置。
1.3國內外發(fā)展狀況
國外機器人領域發(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)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。
(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)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構: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來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(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用的領域。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，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條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(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業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(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先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、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上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.4設計的目的及意義
在現(xiàn)代汽車生產中，生產過程的自動化已成為突出的主題。為適應生產的快節(jié)奏，提高生產效率，保證產品質量，減少人為的因素對產品精度的影響，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，這樣就與產量形成了矛盾，所以現(xiàn)代生產中，通過使用各種輔助的裝置與專用設備配合，以減少輔助工時，提高生產率。本次設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，提高勞動生產率，降低工時等作用。
2．夾緊機構
夾緊結構形式多樣，有機械式、吸盤式和電磁式等。機械式夾緊機構是最基本的一種，其應用廣泛，種類繁多，結構簡單?；谄湟陨咸攸c本次設計決定采用機械式夾緊機構。
機構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的形式、夾緊的方位和工件的形狀都有關。本次設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計成可調式。
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)力臂關系計算液壓缸驅動力
143×135=F計算×47.5 (2.4)
F計算 =400N
由于該手爪傳動機構簡單靈活,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構大大簡化并且
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為液壓缸內壓力,應與機床系統(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，缸內壓力較缸外（大氣壓）的壓力高的很多，缸內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構，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，軸套內圓應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)銷孔內徑=0.012m
材料允許壓應力（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)
——活塞桿的導向環(huán)承受的載荷（N）；
——活塞至導向環(huán)的間距，取活塞走至終點的值為準=60㎜
寬度
——導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計中只對機械手臂的拖動系統(tǒng)進行設計。
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，結構緊湊，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，所以設計中應盡量考慮減小污染的設計。
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%
最大額定轉距/額定轉距=2 重量：28Kg
該系統(tǒng)電動機是Y（IP44）系列電動機，是在普通電動機內附加一個電磁鐵制動器組成的派生產品，適用于要求快速停止，準確定位，往復運轉，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).轉速的計算
設與齒條嚙合的齒輪直徑為D，轉速為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構尺寸，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，調質處理，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（扭轉切應力按脈動循環(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行程中通過右單向閥吸入油，只要機器在工作（軸Ⅲ轉動），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，要定期向箱內加油。
3.3.2.軸承的潤滑方式
為了使結構緊湊減小箱體的體積，齒輪箱內的三個軸成三角形排列采用內置式軸承蓋的設計（見指引線51），內置式軸承蓋靠調節(jié)螺栓（見指引線49）來調節(jié)頂住軸承的預緊力，因此調節(jié)完畢后不要輕易將兩側的擋板拆下，所以雙側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。軸承雙內側采用整體式擋油板（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.導向鍵
在耐磨套上裝有一導向鍵，導向鍵伸入柱形齒條的側槽內，可以防止齒條在伸縮時沿軸線轉動，保證齒輪—齒條嚙合的準確性。
3.4.3.行程條
在齒條側槽底部裝有行程條，行程條的尺寸如下圖將行程條放入齒條側槽的底部，旋入沉頭螺栓，沉頭螺栓將行程條兩側向外漲開少許，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，通過調節(jié)行程條在齒條側槽底部的位置，即可調節(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，將第一行程開關觸頭頂起一次（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，齒條開始降低速度縮回——觸發(fā)第二行程開關，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，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槽內拉出。
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線上方至機床的上方，工作范圍要求較大。機械手一側執(zhí)行將生產線上方的未加工曲軸取來，機械手的另一側執(zhí)行將磨床上以加工后的曲軸取回的工作循環(huán)，機械手兩側都是由PLC統(tǒng)一協(xié)調控制。
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)控制領域中占有主導地位。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。如果生產任務或工藝發(fā)生變化，就必須重新設計，改變硬件結構，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。
隨著微處理器技術的發(fā)展，實現(xiàn)了其與繼電器控制的結合于是產生了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)境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作命令，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過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外部設備，都應按易于與工業(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)的設計時，不需要自己設計和制作硬件裝置，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計滿足控制對象的控制要求的應用程序。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。
采用模塊化結構，使系統(tǒng)組合靈活方便：PLC的各個部件，均采用模塊化設計，各模塊之間可由機架和電纜連接。系統(tǒng)的功能和規(guī)?？筛鶕?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，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人員。PLC的開發(fā)制造商為了便于工程技術人員方便學習和掌握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、易懂。
系統(tǒng)設計周期短：由于系統(tǒng)硬件的設計任務僅僅是根據(jù)對象的控制要求配置適當?shù)哪K，而不要去設計具體的接口電路，這樣大大縮短了整個設計所花費的時間，加快了整個工程的進度。
對生產工藝改變適應性強：PLC的核心部件是微處理器，它實質上是一種工業(yè)控制計算機，其控制功能是通過軟件編程來實現(xiàn)的。當生產工藝發(fā)生變化時，不必改變PLC硬件設備，只需改變PLC中的程序。這對現(xiàn)代化的小批量、多品種產品的生產尤其適合。
安裝簡單、調試方便、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)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連。PLC軟件設計和調試大多可在實驗室里進行，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應發(fā)光二極管，也可以另接輸出模擬實驗板。模擬調試好后，再將PLC控制系統(tǒng)安裝到現(xiàn)場，進行連機調試，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，保證了生產的正常進行。
4．1．3 PLC的應用和發(fā)展
PLC是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發(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、電力等領域中有著廣泛的應用，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。
為了適應市場的各方面的需求，各生產廠家對PLC不斷進行改進，推出功能更強、結構更完善的新產品。這些新產品總體來說，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)絡化方向發(fā)展，以適應現(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1ST、右極限位開關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線上各有一個無工件位置檢測開關，來控制生產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，生產線上的無工件位置檢測開關SL1閉合，機床上的無工件位置檢測開關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-齒條來驅動的，其自身的機械機構不能夠過載運行。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 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的復位作準備，待壓下位置開關SQ5時，能耗制動結束。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，電機驅動手臂上升，碰到位置開關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1SQ時，電磁制動電磁鐵YA3復位小車停止行走。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的復位作準備，待壓下位置開關SQ5時，能耗制動結束手臂停止下降。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，電機驅動手臂上升，碰到位置開關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)應處于原位，上極限位開關SQ3、SQ6和左極限位開關1SQ應閉合。當執(zhí)行自動程序中的單周期運動時，先調轉換開關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產生一個脈沖，使移位寄存器復位。因此，移位寄存器復位的動斷觸點M101～M116均為閉合狀態(tài)。程序使M100置1。
壓下啟動開關SB1，X410接通，產生移位信號，使100右移1位，則101為1。同時因生產線上無工件，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，產生移位信號，使103為1、102為0，于是Y434得電，驅動電機執(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，有極限位開關被壓下使X407閉合輸出繼電器Y435工作小車制動，同時產生移位信號使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Y403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。
同時產生移位信號106置1、105復0機械手2進行夾緊任務。
T451延時3秒后繼續(xù)移位使110為1，機械手1重復下降運動當下降到位時壓下極限位開關使111置1，輸出繼電器Y531和時間繼電器T452同時得電，機械