动料机械手设计
摘
着社会断进步科技水断发展时间需求越越规模制造业中通力进行产品生产已足支撑企业运转提高工作效率时保证产品质量必须快实现机械动化样生产程动化已成前需关注首问题着力劳动减少工业机器代站动化生产线已受企业认采出进行工业机器制造时技术水机器成功应频率国家工业动化水高低呈正相关趋势高温高压等类法工作特殊环境工业机器发挥作保证产品质量情况类克服特殊环境法完成困难时解放类双手进步提高劳动生产率现阶段工业机器负责工作喷绘焊接搬运样重复性强工作难度高工作进行工作前需操作员进行示教
次文设计机器类型三度工业机器功运输物料总设计四部分构成：总体设计二工业机械手样组成应三机械手液压系统进行设计四机械手控制系统进行设计中驱动系统中机械手驱动保证定位精准时保证操作简单整体流程复杂便控制选液压缸进行操作笔者控制系统液压系统进行分析计算机械手装置控制系统进行深化设计次采PLC核心控制系统通PLC进行控制现工业控制系统设计方谋合硬件电路机械手控制程序设计必须工艺流程总体设计求已分析完成基点进行
关键词：工业机器控制系统计算机辅助专设备
Abstract
With the continuous progress of the society and the continuous development of science and technology level people demand more and more time so in largescale manufacturing the production of products by manpower has been insufficient to support the operation of the enterprise in order to improve work efficiency and ensure the quality of the product the enterprise must realize mechanical automation as soon as possible and it has become the primary problem that needs to be focused at the moment With the decrease of human labor industrial robots have replaced them on the automatic production lines and have been recognized and adopted by many enterprises We can see that the national industrial automation level has a direct impact on manufacturing technology level and applied degree of the industrial robot In some special environments such as high temperature and high pressure which people cannot work industrial robots have played a role in the case of ensuring the quality of products it can help human beings overcome the difficulties that cannot be accomplished under special circumstances and at the same time free their hands to further improve labor productivity At the present stage industrial robots are mainly responsible for tasks such as painting welding and handling which are either highly repetitive or difficult to work and work in the way of demonstration and teaching reproduction
In this paper a threedegreeoffreedom industrial robot is designed Its main function is to transport materials Its overall design is made up of the following four parts the first is the overall design the second is the composition and application of industrial manipulator the third is to design the manipulator hydraulic system and the last one is to design the control system We drive of the manipulator in the drive system in order to guarantee the precision of positioning at the same time to ensure the operation is simple the overall process is not complicated and easy to control so selecting for the hydraulic cylinder to operate The author also analyzed and calculated the control system and the hydraulic system in order to further design the control system of the manipulator PLC is the core The control system is controlled by PLC which coincides with the general direction of designing industrial control system Moreover the design of hardware circuit and manipulator control program is carried out on the basis of process flow and design requirements of the manipulator
Key wordsindustrial machinery hydraulic system computerassisted dedicated device
目录
摘 1
Abstract 2
引言 3
1工业机械手组成应 7
11工业机械手分类 7
12工业机械手组成 8
13工业机械手生产中应 9
14国外发展状况 10
2设计方案总体设计 12
21设计目务 12
22机械手设计参数 13
23机械手整体结构形式选择 13
231机械手组成 13
232机械手度坐标形式 14
233机械手动作序 15
24手部形式设计 16
241概述 16
242手部结构 16
25机械手臂设计 19
251概述 19
252伸缩夹紧缸选取 19
253升降缸选取 20
254回转缸选 20
255精度 20
3机械手液压系统设计 21
31概述 21
32 元器件种性选择 25
321流量计算 25
322工作压力计算 26
4 控制系统设计 28
41 概述 28
42 梯形图程序编制 29
421动作序控制 29
422梯形图编制 30
423 P LC程序编制 33
结 35
致谢 36
参考文献 37
引言
进行工业生产程中搬运材料料料仅项需量力工程更项操作起非常危险工作实现机械动化决定着环节解放类双手样实现动化程仅减少生产成提高工作效率时减少事发生实现环节动化设计员设计工业机械手
国机器专家应环境机器分特种机器工业机器两类分两类机器进行解读：工业机器工业生产领域中面关节机械手度机器二特种机器较先进特定功包括：农业机器娱乐机器军机器等特种机器中分支发展快独立行成体系趋势水机器服务机器等前国际研究机器相关专家应环境机器分两类：制造类工业机器非制造类服务仿型机器国分类致
根社会科技水断进步高科技高智成工业制造业发展方部门积极动化技术进行试推广工业部门眼里动化应种生产制造程计算机动化装置基础通程变量调（例温度浓度等变量）保证结果符合求整生产程进行合理协调进行动化生产种生产技术
列出进行实现锻压程动化时候会面问题：样进行产品质量提高产品稳定性保证二进行动化生产目达济优化样提高锻压机等设备效率迫眉睫三样工业机器进行类法进入工作环境没技术员旁边监控情况独立完成作业四样进步解放类双手时降低生产成提高工作效率现着国科学实力断加强进行工业劳动时候采机械设备越越机械手逐步代类双手锻压程动化明显成果动料机械手技术兴起二十世纪六十年代着国科学技术断提高通断研究计算机动控制国锻压技术新层次突破
锻压程进行动化处理摆脱繁琐复杂耗费量力气体力劳动更重利机器精密性保证产品质量时满足生产技术高速发展需果锻压动化实现工业生产点处：锻压程序快速变化节奏二便确保数精密减误差三提高锻件尺寸精度四范围改变尺寸五生产效率幅度提高
次设计机械手锻造机床相组合起构成完整生产线达成没进行操控情况动化料目标现阶段着国工业制造业断发展生产线动化越越受关注制造业形成完整资金链条越越厂商进行加盟赞助次设计直接应锻造加工工厂车间锻造机床卸载加工工件求进行满足降低工劳动强度节约加工时间提高生产力生产效率
谓机械手做手臂做动作代双手通编写程序机器设定运动轨迹工作指令进行搬运行类双手解放出生产变机械化动化提高生产效率害环境进行操作避免受害环境威胁广泛应冶金机械制造轻工电子原子等部门
通定装置散乱没成型毛坯零件通特动作功进行排列然进行机床料操作系列动作完成进行零件取回流程机械手装置进行动化料装置操作难度动定困难形状复杂工件先进性工定位通料装置送工作点
现着工业制造业断发展生产产品越越进行批量产品生产时候生产效率非常重果机动工时间短通机械手料够满足求时候需机械手料装置基础研发更加智更加动化机械装置开始通机械装置完成料搬运样体力活着生产线越越动化机械手需求升需完成简单工作程序慢慢代工完善工工作条件程度提高生产效率
目前止国研究制造已工业进行机械手专机械手占市场部分领域通机械手进行应范围少通机械手进行工作程序改变者操作指令调整时非常方便受品种批量生产线欢迎
机械手装置通特定数输入指令进行连续动作便完成物件动夹取运送机械手作业范围限例锻压机动料机械手应锻压生产进行设计时候满足基工业手求顾锻压生产特殊性
机械手作代工进行较简单耗费体力繁琐复杂工作点优点：
（1）连续持久进行工作休息确保流水线正常工作
（2）环境进行工作会环境问题耽误生产
（3）计算机进行操控总程序出问题精准完成工作运动灵活机械精度高
（4）完成工作工作程序通指令改变进行焊接喷绘等高难度工作
（5）快速完成工作减免力劳动提高工作效率降低生产成
次设计生产线料机械装置设备配套精锻机研究设计精锻机动化料机械手进行专配套液压控制点位控制液压驱动料机械手进行应圆柱坐标式操作机械手三度（升降收缩回转）执行装置
1工业机械手组成应
11工业机械手分类
国机械手根具体功分两种类型：专机械手二通机械手统称工业机械手
动作程序固定通特定指令做特定事般情况进行变更途动抓取工业操作机械手专机械手
通机械手专机械手应范围广点通机械手功成变通改编程序进行操作项目重新设定进行动化抓取操作时独立进行
现阶段机械手分类国家未出相明确标准进行分类时候两方法：
（1）根搬运工件重量进行分类
注现阶段国数机械手搬运1~30公斤重量
（2）通机进行分类
1）简易型通机械手
简易型机械手固定程序变式程序两种程序形式挡块进行固定程序控制插销板定变式程序
简易通型机械手结构简单操作方便需成低进行工作程序改变工作指令调整时方便气动液压驱动适程序较简单点位控制进行太复杂操作种重复性操作单机服务完全胜现阶段类机械手数量
2）示教现性通机械手
示教工率先进行遍工作流程操作机械磁带进行操作记录然机械手会通记忆功设置刚录进行动读取筛选出动作点进行记忆然开始动作循环
电液伺服控制种机械手独特性实现连续轨迹控制度较够完成难度较普通机械手法完成工作通修改程序进行作业
3）具视觉触觉通机械手
类机械手通电子计算机系统操作控制视觉触感等功安装电视摄传感器等
12工业机械手组成
工业机械手作服务生产线基工业仪器然功进行高难度工作操作进行简单搬运总体构造差执行驱动机构进行工件位置检测装置控制系统四部分
（1）执行机构：
（执行机构构造组分）
1）手部（手抓加紧装置构成）——构建夹持工件
2）腕部——联结构建手部臂部支撑手部
3）臂部——手部腕部起支撑作
4）立柱——手臂等构件进行支撑
5）行走机构——机械手进行操作距离远作业时通增加行走机构完成
（2）驱动系统
臂部腕部等方驱动动力源驱动系统驱动系统四种形式：气动二液压三电力四机械式接头直线缸回转缸种阀构成组成部分
（3）控制系统
机械手重组成部分控制系统程序支配运动装置运行控制系统操作求必须记忆功指令信息进行保存便次机械手进行次作业时候着指令完成加入监控系统便机械手出现障者操作失误时候进行报警
（4）行程位置检测装置
机械手行程位置检测装置运动装置进行操控运动系统位置测定装置行程位置检测装置收集信息反馈控制系统控制系统运动系统调节确保机械手运动位置精度产品求否满足确保生产效率产品质量
（5）辅助装置
1）基体：机械手执行部件驱动系统安装基体支撑机械手基础组成部分
2）油箱：存油供油油散热沉淀杂志
3）汽缸：空气进行压缩然储存
13生产中工业机械手应
现阶段基国工业机械生产线处机械手影子进行工作领域具体方面：
（1）建造旋转零件体动线方面
通机械手进行机床间工件传送建造旋转零件体动线
（2）实现单机动化方面
1）类半动车床功非常例：行加紧切削松开等工进行料料基础进行果想实现机械全动化生产需加入机械手
2）加机械手实现注塑机动工作循环全动生存
3）机械手料程结合床动压循环系统实现压生产动化
（3）铸造锻造焊接热处理等方面
综述解工业机械手作新时代发展产物紧科技发展潮流满足社会生产需通提高工业生产效率产品质量带动国整体济效益增长方面特点：
1）恶劣环境中进行生产操作代进行高危工作身体损害工作
2）机械手进行工作时候长久单重复动作节约工休息时间提高生产效率
3）机械手动作准确进行工件操作时精准完成操作避免工误差保证产品质量
4）通性尤通机械手通工作指令修改迅速投入工作环境满足柔性生产理念
5）机械手解放类双手代力劳动样仅提高产品生产效率减生产成实现效益化
14国外发展状况
工业机械手说工业机器组成部分重分支动化设备着年科技断生长发展起说高科技产物代表通计算机进行程序编订达想工作动作便完成预期工作目标工业机械手结合机器优点尤具智性工业机械手环境作业操作精准优点国外工业领域着广阔发展前景
工业机械手先德国启德国1970年开始进行焊接运输等简单重复性工业作业1985年美国联合控制公司研制出第台机械手然日起步较晚1969年美国引进两种工业机械手开始进行力研究现日已通精湛制造研制技术领域中占领头羊位置日行业成带动日整体济龙头行业
现阶段工业机器控制系统点发展方：PC机基础进行开放型控制器研究二控制柜日渐巧器件集成度提高三结构模块化标准化网络化便提高系统性系统操作简单期维修方便
相国外国机械手发展历史短关机械手技术解够国机械手正式进行启已20世纪90年代时机械手电视等家电器生产线进行作业国通国外进行交流讨科技技术层次进行阶段提高国机械手年进军电子产品生产线
2设计方案总体设计
21设计目务
前工业机械生产重中重力投入科研提高国工业机械科技技术早日实现机械化动化工业机械生产实现动化提高产品生产效率设备利率时充分保证产品质量减少工劳动力改善工工作条件降低生产成说国工业机械生产发展方机械化动化
笔者基水分模锻机完成次机械手设计水分模锻机作种新型结构垂直分模锻机基础发展起水分模锻机生产率高结构简单紧凑操作容易占面积机械化动化属性较强加工长棒料棒料剪成定长坯料具广工艺途锻造生产中忽视重机械设备广泛应进行车辆制造工业部门
次设计动料机械锻造动化基础通应代力劳动降低生产成保证产品质量消工操作误差提高济效益
通液压缸进行机械手驱动工件定位更加精准机械设备进行工作时候产生噪音低耗寿命周期长仅符合现代生产需求迎合保护环境理念
22机械手设计参数
基求图二：
（图二）
笔者锻压机动料机械手设计九步骤料流程：1伸长2夹紧3升高4旋转5松手6回缩7降低8回转9等循环
行程选：
夹紧距离
50mm
04s
08s
伸缩距离
300mm
2s
4s
升降距离
300mm
2s
4s
摆动角度
100°
1s
4s
注：段时间 < 规定时间 < 20s
23机械手整体结构形式选择
231机械手组成
执行机构：
（机械手执行机构）
手爪夹持工件组成部分仿造类双手进行制造手样夹紧松开功
通手腕进行手爪手臂连接手腕通手抓控制然工件进行空间位置挪动手腕三运动：俯仰二左右摆动三绕身轴线旋转
夹持工件手爪手腕手臂进行支撑固定手臂定运动轨迹进行工件搬运手臂进行种运动：进行前伸缩运动二臂部抬放三臂部关节左右回转四进行旋转摆动
手臂通立柱支撑般情况立柱动时候工作需采移动式立柱
行走机构机械手进行远距离操作时果机臂够长动作法完成通增加行走机构进行辅助完成
文进行锻压机动料机械手设计时选夹持手爪立柱固定进行手臂运动没手腕行走机构
232机械手度坐标形式
谓机械手度指机械手整机体手腕手臂定领域范围进行独立运动执行机构优良工件位置精准定位机械手整机体已手臂手腕运动非常灵活控制系统相严格应范围广泛更形成正相关次笔者设计锻压机动料机械手伸缩夹紧升降手臂回转三度
根手臂具运动度组合形状进行机械手结构运动什关系研究探讨机械手划分四种坐标形式：直角坐标型二圆柱坐标型三球坐标型四关节型
（1）直角坐标式
手臂围绕直角坐标系做前伸缩升降左右移动三种直线移动（图1示）
（2）圆柱坐标式
手臂做水摆动动作：前伸缩升降（图2示）
（3）极坐标式
手臂做三动作：进行前伸缩运动二进行抬放三够左右摆动（结构图3）
（4）关节式
图1直角坐标式 图2圆柱坐标式 图3极坐标式 图4关节式
手臂臂臂两部分组成肘关节进行连接臂立柱组成肩关节果手腕臂构成腕关节关节式机械手手臂非常相似动作基仿成（图4示）
选圆柱坐标式手臂作次设计锻压机动料机械手手臂手臂占面积工作范围广优点符合次设计设计理念
233机械手动作序
九步骤锻压机动料机械手动作循环分步骤：1伸长2夹紧3升高4旋转5松手6回缩7降低8回转9等循环
（图5示）
图5机械手工作简图
24手部形式设计
241概述
手指机械手关键部件机械手性全手指灵活准确快速牢固抓住工件决定
手爪安装手臂前端进行工件抓取时候手臂仅承受工件重量承受手爪重量手札定满足体积重量轻便保证机械手进行工作时减少振动精准定位
242手部结构
根机械手手指抓取工件方式分夹钳式吸盘式
中常见两指式夹钳式手指特殊工作时会需三指式手指夹持工件方式分外卡式卡式两种形式夹钳式手指适具定形状高度工件般抓取板件
板状工件吸盘式手指抓取必情况采电磁吸盘吸取磁性材料
次设计进行夹取工件棒料两指夹钳式手指类工件进行夹取擅长进行机械手选时选两指夹钳式手指包括滑槽杠杆式连杆杠杆式等种类次设计需选择结构简单抓力强滑槽杠杆式手指
次设计没手腕回转运动采伸缩缸完成伸缩夹紧样仅掉夹紧缸重量缩机械整体体积简化结构便操作满足设计需求（结构图6示）
图6机械手指
部分设计运工作原理：加导杆夹紧缸利挡铁制定300㎜行程加两弹簧手部方面导杆摩擦力2kgf弹簧具力必须摩擦力弹簧预紧力调整10kgf手部连接件连导杆端手部连杆连活塞杆头连接件连杆弹簧连接样活塞杆伸长时候带动连杆前行夹紧回程工作活塞杆挡铁进行
243手部夹紧力计算
图6示 NP公式（21）：
图 （21）
公式字母代表见图三
（图三）
注：
式中：
G
工件重量
安全系数
工作情况系数
方位系数
注（图四）：
（图四）
时根公式(21)演算出公式(22)：
（22）
25机械手臂设计
251概述
手臂仅通运动进行工件传运支撑手爪手腕重部件说手臂机械手重组成部分手臂运动形式决定手爪够取远距离工件机械手工作性手臂结构否坚定承载力否优良位置精度否准确呈正相关
手臂部件部分组成：
（1）动作元件
启动手臂运动动作元件动作元件包括回转缸液压马达直线油缸等次设计选直线油缸回转缸
（2）导装置
进行作业时候手爪容易晃动保证手爪减少晃动准确定位动作元件减少弯曲力手部需设置导装置次设计导装置安装伸缩夹紧缸
（3）手臂
导装置装置需起支撑连接机械承受外力作安装手臂
252伸缩夹紧缸选取
通面描述已知道夹紧缸需9408N夹紧力通查表力量缸达工件重量基数非常避免缸承受弯曲力量选点油缸（参数见图a）时受力方加导杆缸底加48kg配重件配重件作机械手质量中心稳定缸头附便利完成作业
（图a）
253升降缸选取
通数分析处理出缸手部加部件进行机械稳定知道杆承受质量170㎏次设计油缸参数图：
（图b）
注：基础笔者进行增加两导杆设计
254回转缸选
回转摆角角度100°选BM型双叶片型回转油缸（缸径—45㎜轴径—20㎜）
255精度
次设计机械手水分模锻机进行工作时锻压机进行作业工件直接模具取保证产品精准性时候需液压缸液压缸代定位装置
3机械手液压系统设计
31概述
机械手进行驱动方式种样例：机械驱动液压驱动电动机驱动气压驱动根工作需选择种者种方式驱动
驱动方式选择种样机械手抓重少度少运动快慢成驱动方式实现优利注意点：
（1）果运动速度高运动度少采机械驱动方便维修机步
（2）气压驱动适运动速度快运动度情况快速启动低耗
（3）液压驱动适负载种运动度情况
（4）气压驱动环境里工作气压驱动机械手恶劣环境然正常工作
（5）果定位点运动轨迹复杂采液压伺服电器伺服系统驱动
次液压系统进行机械手驱动满足机械压力流量控制实现运动轨迹控制占面积反应灵敏耐振动方面期维修
液压驱动系统计算机械部分设计进行计算前必须解整液压系统
图7液压系统图示：
（图7）
注：电磁铁带电循环序：1Y－3Y－5Y－2Y－4Y－6Y
控制系统中压力继电器控制缸伸长夹紧动作升起动作行程开关控制
油泵采双联泵供油模式样做原避免直线缸会转缸两缸间流量产生较流量差升降速度慢回转速度快影响产品质量
机械手工作进行序参考图7：
回转缸
升降缸
伸缩夹紧缸
图7液压系统图
32 元器件种性选择
321流量计算
笔者设计双联油泵系统机器供油系统需缸需流量进行计算
伸缩夹紧缸流量公式
（31）
升降缸流量公式（32）
（32）
慢快原需进行选首先设定两缸供油油泵流量
根公式（33）计算出回转缸流量：
（33）
机械原快慢需选首先设定第回转缸供油泵流量根公式181010
综述10分两泵流量
322工作压力计算
工作压力作伸缩夹紧缸想知道溢流阀调定压力必须先工作压力进行计算然基础进行基数增加
（34）计算出工作压力：
（34）
液压缸额定压力——
预设溢流阀调定压力——
4 控制系统设计
41 概述
控制系统说机械手半生命占着重位调控机械手运动工作协调动作中动作轨迹时间间隔动作循环序等构成控制系统控制容
机械手控制方法式样致列出四种：
（1）继电器－接触器控制系统
钮开关行程开关继电器接触器四部分组成继电器－接触器控制系统继电器－接触器控制系统工作原理结构简单容易操作方便期维修处理成低缺点十分明显例：系统功限法进行连续轮廓控制工作程序变更困难外服务工作程序动化求高设备般情况动化程度高通机床进行
（2）计算机控制系统
通计算机进行控制机械手仅解决运动轨迹复杂操作问题更进行精准定位计算机控制成远远高控制系统前技术足完善计算机控制系统会导致功法进行运行计算机控制系统恶劣环境进行工作相利起没方便
（3）单片机控制系统
说单片机实控制功继电器－接触器控制功基础增加高难度动作控制性价较高
单片机作种众化控制系统确实优系统通性强操作起较麻烦太适合工厂进行
（4）编程控制器（PLC）控制系统
然编程控制器普率应范围赶单片机工业领域控制作致相
编程控制器代继电器－接触器控制系统进行工作时候需进行数运算操作原理代继电器－接触器控制系统操作原理相差容易手
机械手需控制参数参考图五：
（图五）
次设计笔者采液压电气联合控制模式中部位动作力速度液压控制电气负责控制部位动作序
42 梯形图程序编制
421动作序控制
通液压系统图解压力继电器控制升起动作动作行程开关进行控制动作序第二章笔者进行详细介绍笔者电控原理图基点X400～X407输入压力继电器行程开关Y430～Y435输出电磁铁完成梯形图编制
422梯形图编制
着重分析系统特殊点（进行编制前）
首先启动问题次启动时候必须结束次动作程否机械手容易次动作结束点终点回初始位置引发机器障杜绝类事件笔者进行Y430～Y435输出控制时采M300～M305六保持继电器样次启动果次动作未完成机械手会首先完成次动作进行轮动作运行
次应该注意时间继电器问题通常机器开始运行进行计时果次动作未完成情况会出现计时准情况消灭样误差情况计时器添加动作长闭开关锁功
受机械手动作特殊性限制机械手进行运动时候两动作时进行容易引发事机械手作业时候允许两动作时进行运行保证机器独立性机器增加互锁装置
图8程序梯形图：
点动停止
计时
伸长夹紧
升起
旋转
松开收回
降落
回转
图8梯形图
根电控原理图进行图8分析
动作
开始
结束
——
没动作开始
——
伸长夹紧动作
循环初始
SQX403带电
升起动作
SQX403带电
ST2X404带电
旋转动作
ST2X404带电
ST3X405带电
松开收回动作
ST3X405带电
ST4X406带电
降落动作
ST4X406带电
ST5X407带电
回转动作
ST5X407带电
ST1X402带电
注：计时器信号输出间隔20s需锁功动作没开始循环
423 P LC程序编制
程序编制梯形图编制
指令语程序（表1）根梯形图（图8）进行编写
表1 1PLC程序
续表
通输入程序PLC中进行液压系统机械手控制时更换程序应进行工作时出现操作错误
结
综述出：
（1）采液压系统进行传动点优点：进行科研进行灵活反应作业时动作迅速二结构简单易懂稳定性强三载保护装置便动控制四环境工作
（2）次设计机械手选普通两指式夹钳手指然机械更广应进行手指形式更换
（3）采PLC进行机械手动控制控制方式点优点：性价高二性强三实性强四容易操作五程序进行灵活改变提高机械手通性
（4）根情况需次设计机械手添加行走机构
参考文献
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[13] 罗玉福王少岩编机械设计基础 第三版 连理工学出版社2009
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摘
着社会断进步科技水断发展时间需求越越规模制造业中通力进行产品生产已足支撑企业运转提高工作效率时保证产品质量必须快实现机械动化样生产程动化已成前需关注首问题着力劳动减少工业机器代站动化生产线已受企业认采出进行工业机器制造时技术水机器成功应频率国家工业动化水高低呈正相关趋势高温高压等类法工作特殊环境工业机器发挥作保证产品质量情况类克服特殊环境法完成困难时解放类双手进步提高劳动生产率现阶段工业机器负责工作喷绘焊接搬运样重复性强工作难度高工作进行工作前需操作员进行示教
次文设计机器类型三度工业机器功运输物料总设计四部分构成：总体设计二工业机械手样组成应三机械手液压系统进行设计四机械手控制系统进行设计中驱动系统中机械手驱动保证定位精准时保证操作简单整体流程复杂便控制选液压缸进行操作笔者控制系统液压系统进行分析计算机械手装置控制系统进行深化设计次采PLC核心控制系统通PLC进行控制现工业控制系统设计方谋合硬件电路机械手控制程序设计必须工艺流程总体设计求已分析完成基点进行
关键词：工业机器控制系统计算机辅助专设备
Abstract
With the continuous progress of the society and the continuous development of science and technology level people demand more and more time so in largescale manufacturing the production of products by manpower has been insufficient to support the operation of the enterprise in order to improve work efficiency and ensure the quality of the product the enterprise must realize mechanical automation as soon as possible and it has become the primary problem that needs to be focused at the moment With the decrease of human labor industrial robots have replaced them on the automatic production lines and have been recognized and adopted by many enterprises We can see that the national industrial automation level has a direct impact on manufacturing technology level and applied degree of the industrial robot In some special environments such as high temperature and high pressure which people cannot work industrial robots have played a role in the case of ensuring the quality of products it can help human beings overcome the difficulties that cannot be accomplished under special circumstances and at the same time free their hands to further improve labor productivity At the present stage industrial robots are mainly responsible for tasks such as painting welding and handling which are either highly repetitive or difficult to work and work in the way of demonstration and teaching reproduction
In this paper a threedegreeoffreedom industrial robot is designed Its main function is to transport materials Its overall design is made up of the following four parts the first is the overall design the second is the composition and application of industrial manipulator the third is to design the manipulator hydraulic system and the last one is to design the control system We drive of the manipulator in the drive system in order to guarantee the precision of positioning at the same time to ensure the operation is simple the overall process is not complicated and easy to control so selecting for the hydraulic cylinder to operate The author also analyzed and calculated the control system and the hydraulic system in order to further design the control system of the manipulator PLC is the core The control system is controlled by PLC which coincides with the general direction of designing industrial control system Moreover the design of hardware circuit and manipulator control program is carried out on the basis of process flow and design requirements of the manipulator
Key wordsindustrial machinery hydraulic system computerassisted dedicated device
目录
摘 1
Abstract 2
引言 3
1工业机械手组成应 7
11工业机械手分类 7
12工业机械手组成 8
13工业机械手生产中应 9
14国外发展状况 10
2设计方案总体设计 12
21设计目务 12
22机械手设计参数 13
23机械手整体结构形式选择 13
231机械手组成 13
232机械手度坐标形式 14
233机械手动作序 15
24手部形式设计 16
241概述 16
242手部结构 16
25机械手臂设计 19
251概述 19
252伸缩夹紧缸选取 19
253升降缸选取 20
254回转缸选 20
255精度 20
3机械手液压系统设计 21
31概述 21
32 元器件种性选择 25
321流量计算 25
322工作压力计算 26
4 控制系统设计 28
41 概述 28
42 梯形图程序编制 29
421动作序控制 29
422梯形图编制 30
423 P LC程序编制 33
结 35
致谢 36
参考文献 37
引言
进行工业生产程中搬运材料料料仅项需量力工程更项操作起非常危险工作实现机械动化决定着环节解放类双手样实现动化程仅减少生产成提高工作效率时减少事发生实现环节动化设计员设计工业机械手
国机器专家应环境机器分特种机器工业机器两类分两类机器进行解读：工业机器工业生产领域中面关节机械手度机器二特种机器较先进特定功包括：农业机器娱乐机器军机器等特种机器中分支发展快独立行成体系趋势水机器服务机器等前国际研究机器相关专家应环境机器分两类：制造类工业机器非制造类服务仿型机器国分类致
根社会科技水断进步高科技高智成工业制造业发展方部门积极动化技术进行试推广工业部门眼里动化应种生产制造程计算机动化装置基础通程变量调（例温度浓度等变量）保证结果符合求整生产程进行合理协调进行动化生产种生产技术
列出进行实现锻压程动化时候会面问题：样进行产品质量提高产品稳定性保证二进行动化生产目达济优化样提高锻压机等设备效率迫眉睫三样工业机器进行类法进入工作环境没技术员旁边监控情况独立完成作业四样进步解放类双手时降低生产成提高工作效率现着国科学实力断加强进行工业劳动时候采机械设备越越机械手逐步代类双手锻压程动化明显成果动料机械手技术兴起二十世纪六十年代着国科学技术断提高通断研究计算机动控制国锻压技术新层次突破
锻压程进行动化处理摆脱繁琐复杂耗费量力气体力劳动更重利机器精密性保证产品质量时满足生产技术高速发展需果锻压动化实现工业生产点处：锻压程序快速变化节奏二便确保数精密减误差三提高锻件尺寸精度四范围改变尺寸五生产效率幅度提高
次设计机械手锻造机床相组合起构成完整生产线达成没进行操控情况动化料目标现阶段着国工业制造业断发展生产线动化越越受关注制造业形成完整资金链条越越厂商进行加盟赞助次设计直接应锻造加工工厂车间锻造机床卸载加工工件求进行满足降低工劳动强度节约加工时间提高生产力生产效率
谓机械手做手臂做动作代双手通编写程序机器设定运动轨迹工作指令进行搬运行类双手解放出生产变机械化动化提高生产效率害环境进行操作避免受害环境威胁广泛应冶金机械制造轻工电子原子等部门
通定装置散乱没成型毛坯零件通特动作功进行排列然进行机床料操作系列动作完成进行零件取回流程机械手装置进行动化料装置操作难度动定困难形状复杂工件先进性工定位通料装置送工作点
现着工业制造业断发展生产产品越越进行批量产品生产时候生产效率非常重果机动工时间短通机械手料够满足求时候需机械手料装置基础研发更加智更加动化机械装置开始通机械装置完成料搬运样体力活着生产线越越动化机械手需求升需完成简单工作程序慢慢代工完善工工作条件程度提高生产效率
目前止国研究制造已工业进行机械手专机械手占市场部分领域通机械手进行应范围少通机械手进行工作程序改变者操作指令调整时非常方便受品种批量生产线欢迎
机械手装置通特定数输入指令进行连续动作便完成物件动夹取运送机械手作业范围限例锻压机动料机械手应锻压生产进行设计时候满足基工业手求顾锻压生产特殊性
机械手作代工进行较简单耗费体力繁琐复杂工作点优点：
（1）连续持久进行工作休息确保流水线正常工作
（2）环境进行工作会环境问题耽误生产
（3）计算机进行操控总程序出问题精准完成工作运动灵活机械精度高
（4）完成工作工作程序通指令改变进行焊接喷绘等高难度工作
（5）快速完成工作减免力劳动提高工作效率降低生产成
次设计生产线料机械装置设备配套精锻机研究设计精锻机动化料机械手进行专配套液压控制点位控制液压驱动料机械手进行应圆柱坐标式操作机械手三度（升降收缩回转）执行装置
1工业机械手组成应
11工业机械手分类
国机械手根具体功分两种类型：专机械手二通机械手统称工业机械手
动作程序固定通特定指令做特定事般情况进行变更途动抓取工业操作机械手专机械手
通机械手专机械手应范围广点通机械手功成变通改编程序进行操作项目重新设定进行动化抓取操作时独立进行
现阶段机械手分类国家未出相明确标准进行分类时候两方法：
（1）根搬运工件重量进行分类
注现阶段国数机械手搬运1~30公斤重量
（2）通机进行分类
1）简易型通机械手
简易型机械手固定程序变式程序两种程序形式挡块进行固定程序控制插销板定变式程序
简易通型机械手结构简单操作方便需成低进行工作程序改变工作指令调整时方便气动液压驱动适程序较简单点位控制进行太复杂操作种重复性操作单机服务完全胜现阶段类机械手数量
2）示教现性通机械手
示教工率先进行遍工作流程操作机械磁带进行操作记录然机械手会通记忆功设置刚录进行动读取筛选出动作点进行记忆然开始动作循环
电液伺服控制种机械手独特性实现连续轨迹控制度较够完成难度较普通机械手法完成工作通修改程序进行作业
3）具视觉触觉通机械手
类机械手通电子计算机系统操作控制视觉触感等功安装电视摄传感器等
12工业机械手组成
工业机械手作服务生产线基工业仪器然功进行高难度工作操作进行简单搬运总体构造差执行驱动机构进行工件位置检测装置控制系统四部分
（1）执行机构：
（执行机构构造组分）
1）手部（手抓加紧装置构成）——构建夹持工件
2）腕部——联结构建手部臂部支撑手部
3）臂部——手部腕部起支撑作
4）立柱——手臂等构件进行支撑
5）行走机构——机械手进行操作距离远作业时通增加行走机构完成
（2）驱动系统
臂部腕部等方驱动动力源驱动系统驱动系统四种形式：气动二液压三电力四机械式接头直线缸回转缸种阀构成组成部分
（3）控制系统
机械手重组成部分控制系统程序支配运动装置运行控制系统操作求必须记忆功指令信息进行保存便次机械手进行次作业时候着指令完成加入监控系统便机械手出现障者操作失误时候进行报警
（4）行程位置检测装置
机械手行程位置检测装置运动装置进行操控运动系统位置测定装置行程位置检测装置收集信息反馈控制系统控制系统运动系统调节确保机械手运动位置精度产品求否满足确保生产效率产品质量
（5）辅助装置
1）基体：机械手执行部件驱动系统安装基体支撑机械手基础组成部分
2）油箱：存油供油油散热沉淀杂志
3）汽缸：空气进行压缩然储存
13生产中工业机械手应
现阶段基国工业机械生产线处机械手影子进行工作领域具体方面：
（1）建造旋转零件体动线方面
通机械手进行机床间工件传送建造旋转零件体动线
（2）实现单机动化方面
1）类半动车床功非常例：行加紧切削松开等工进行料料基础进行果想实现机械全动化生产需加入机械手
2）加机械手实现注塑机动工作循环全动生存
3）机械手料程结合床动压循环系统实现压生产动化
（3）铸造锻造焊接热处理等方面
综述解工业机械手作新时代发展产物紧科技发展潮流满足社会生产需通提高工业生产效率产品质量带动国整体济效益增长方面特点：
1）恶劣环境中进行生产操作代进行高危工作身体损害工作
2）机械手进行工作时候长久单重复动作节约工休息时间提高生产效率
3）机械手动作准确进行工件操作时精准完成操作避免工误差保证产品质量
4）通性尤通机械手通工作指令修改迅速投入工作环境满足柔性生产理念
5）机械手解放类双手代力劳动样仅提高产品生产效率减生产成实现效益化
14国外发展状况
工业机械手说工业机器组成部分重分支动化设备着年科技断生长发展起说高科技产物代表通计算机进行程序编订达想工作动作便完成预期工作目标工业机械手结合机器优点尤具智性工业机械手环境作业操作精准优点国外工业领域着广阔发展前景
工业机械手先德国启德国1970年开始进行焊接运输等简单重复性工业作业1985年美国联合控制公司研制出第台机械手然日起步较晚1969年美国引进两种工业机械手开始进行力研究现日已通精湛制造研制技术领域中占领头羊位置日行业成带动日整体济龙头行业
现阶段工业机器控制系统点发展方：PC机基础进行开放型控制器研究二控制柜日渐巧器件集成度提高三结构模块化标准化网络化便提高系统性系统操作简单期维修方便
相国外国机械手发展历史短关机械手技术解够国机械手正式进行启已20世纪90年代时机械手电视等家电器生产线进行作业国通国外进行交流讨科技技术层次进行阶段提高国机械手年进军电子产品生产线
2设计方案总体设计
21设计目务
前工业机械生产重中重力投入科研提高国工业机械科技技术早日实现机械化动化工业机械生产实现动化提高产品生产效率设备利率时充分保证产品质量减少工劳动力改善工工作条件降低生产成说国工业机械生产发展方机械化动化
笔者基水分模锻机完成次机械手设计水分模锻机作种新型结构垂直分模锻机基础发展起水分模锻机生产率高结构简单紧凑操作容易占面积机械化动化属性较强加工长棒料棒料剪成定长坯料具广工艺途锻造生产中忽视重机械设备广泛应进行车辆制造工业部门
次设计动料机械锻造动化基础通应代力劳动降低生产成保证产品质量消工操作误差提高济效益
通液压缸进行机械手驱动工件定位更加精准机械设备进行工作时候产生噪音低耗寿命周期长仅符合现代生产需求迎合保护环境理念
22机械手设计参数
基求图二：
（图二）
笔者锻压机动料机械手设计九步骤料流程：1伸长2夹紧3升高4旋转5松手6回缩7降低8回转9等循环
行程选：
夹紧距离
50mm
04s
08s
伸缩距离
300mm
2s
4s
升降距离
300mm
2s
4s
摆动角度
100°
1s
4s
注：段时间 < 规定时间 < 20s
23机械手整体结构形式选择
231机械手组成
执行机构：
（机械手执行机构）
手爪夹持工件组成部分仿造类双手进行制造手样夹紧松开功
通手腕进行手爪手臂连接手腕通手抓控制然工件进行空间位置挪动手腕三运动：俯仰二左右摆动三绕身轴线旋转
夹持工件手爪手腕手臂进行支撑固定手臂定运动轨迹进行工件搬运手臂进行种运动：进行前伸缩运动二臂部抬放三臂部关节左右回转四进行旋转摆动
手臂通立柱支撑般情况立柱动时候工作需采移动式立柱
行走机构机械手进行远距离操作时果机臂够长动作法完成通增加行走机构进行辅助完成
文进行锻压机动料机械手设计时选夹持手爪立柱固定进行手臂运动没手腕行走机构
232机械手度坐标形式
谓机械手度指机械手整机体手腕手臂定领域范围进行独立运动执行机构优良工件位置精准定位机械手整机体已手臂手腕运动非常灵活控制系统相严格应范围广泛更形成正相关次笔者设计锻压机动料机械手伸缩夹紧升降手臂回转三度
根手臂具运动度组合形状进行机械手结构运动什关系研究探讨机械手划分四种坐标形式：直角坐标型二圆柱坐标型三球坐标型四关节型
（1）直角坐标式
手臂围绕直角坐标系做前伸缩升降左右移动三种直线移动（图1示）
（2）圆柱坐标式
手臂做水摆动动作：前伸缩升降（图2示）
（3）极坐标式
手臂做三动作：进行前伸缩运动二进行抬放三够左右摆动（结构图3）
（4）关节式
图1直角坐标式 图2圆柱坐标式 图3极坐标式 图4关节式
手臂臂臂两部分组成肘关节进行连接臂立柱组成肩关节果手腕臂构成腕关节关节式机械手手臂非常相似动作基仿成（图4示）
选圆柱坐标式手臂作次设计锻压机动料机械手手臂手臂占面积工作范围广优点符合次设计设计理念
233机械手动作序
九步骤锻压机动料机械手动作循环分步骤：1伸长2夹紧3升高4旋转5松手6回缩7降低8回转9等循环
（图5示）
图5机械手工作简图
24手部形式设计
241概述
手指机械手关键部件机械手性全手指灵活准确快速牢固抓住工件决定
手爪安装手臂前端进行工件抓取时候手臂仅承受工件重量承受手爪重量手札定满足体积重量轻便保证机械手进行工作时减少振动精准定位
242手部结构
根机械手手指抓取工件方式分夹钳式吸盘式
中常见两指式夹钳式手指特殊工作时会需三指式手指夹持工件方式分外卡式卡式两种形式夹钳式手指适具定形状高度工件般抓取板件
板状工件吸盘式手指抓取必情况采电磁吸盘吸取磁性材料
次设计进行夹取工件棒料两指夹钳式手指类工件进行夹取擅长进行机械手选时选两指夹钳式手指包括滑槽杠杆式连杆杠杆式等种类次设计需选择结构简单抓力强滑槽杠杆式手指
次设计没手腕回转运动采伸缩缸完成伸缩夹紧样仅掉夹紧缸重量缩机械整体体积简化结构便操作满足设计需求（结构图6示）
图6机械手指
部分设计运工作原理：加导杆夹紧缸利挡铁制定300㎜行程加两弹簧手部方面导杆摩擦力2kgf弹簧具力必须摩擦力弹簧预紧力调整10kgf手部连接件连导杆端手部连杆连活塞杆头连接件连杆弹簧连接样活塞杆伸长时候带动连杆前行夹紧回程工作活塞杆挡铁进行
243手部夹紧力计算
图6示 NP公式（21）：
图 （21）
公式字母代表见图三
（图三）
注：
式中：
G
工件重量
安全系数
工作情况系数
方位系数
注（图四）：
（图四）
时根公式(21)演算出公式(22)：
（22）
25机械手臂设计
251概述
手臂仅通运动进行工件传运支撑手爪手腕重部件说手臂机械手重组成部分手臂运动形式决定手爪够取远距离工件机械手工作性手臂结构否坚定承载力否优良位置精度否准确呈正相关
手臂部件部分组成：
（1）动作元件
启动手臂运动动作元件动作元件包括回转缸液压马达直线油缸等次设计选直线油缸回转缸
（2）导装置
进行作业时候手爪容易晃动保证手爪减少晃动准确定位动作元件减少弯曲力手部需设置导装置次设计导装置安装伸缩夹紧缸
（3）手臂
导装置装置需起支撑连接机械承受外力作安装手臂
252伸缩夹紧缸选取
通面描述已知道夹紧缸需9408N夹紧力通查表力量缸达工件重量基数非常避免缸承受弯曲力量选点油缸（参数见图a）时受力方加导杆缸底加48kg配重件配重件作机械手质量中心稳定缸头附便利完成作业
（图a）
253升降缸选取
通数分析处理出缸手部加部件进行机械稳定知道杆承受质量170㎏次设计油缸参数图：
（图b）
注：基础笔者进行增加两导杆设计
254回转缸选
回转摆角角度100°选BM型双叶片型回转油缸（缸径—45㎜轴径—20㎜）
255精度
次设计机械手水分模锻机进行工作时锻压机进行作业工件直接模具取保证产品精准性时候需液压缸液压缸代定位装置
3机械手液压系统设计
31概述
机械手进行驱动方式种样例：机械驱动液压驱动电动机驱动气压驱动根工作需选择种者种方式驱动
驱动方式选择种样机械手抓重少度少运动快慢成驱动方式实现优利注意点：
（1）果运动速度高运动度少采机械驱动方便维修机步
（2）气压驱动适运动速度快运动度情况快速启动低耗
（3）液压驱动适负载种运动度情况
（4）气压驱动环境里工作气压驱动机械手恶劣环境然正常工作
（5）果定位点运动轨迹复杂采液压伺服电器伺服系统驱动
次液压系统进行机械手驱动满足机械压力流量控制实现运动轨迹控制占面积反应灵敏耐振动方面期维修
液压驱动系统计算机械部分设计进行计算前必须解整液压系统
图7液压系统图示：
（图7）
注：电磁铁带电循环序：1Y－3Y－5Y－2Y－4Y－6Y
控制系统中压力继电器控制缸伸长夹紧动作升起动作行程开关控制
油泵采双联泵供油模式样做原避免直线缸会转缸两缸间流量产生较流量差升降速度慢回转速度快影响产品质量
机械手工作进行序参考图7：
回转缸
升降缸
伸缩夹紧缸
图7液压系统图
32 元器件种性选择
321流量计算
笔者设计双联油泵系统机器供油系统需缸需流量进行计算
伸缩夹紧缸流量公式
（31）
升降缸流量公式（32）
（32）
慢快原需进行选首先设定两缸供油油泵流量
根公式（33）计算出回转缸流量：
（33）
机械原快慢需选首先设定第回转缸供油泵流量根公式181010
综述10分两泵流量
322工作压力计算
工作压力作伸缩夹紧缸想知道溢流阀调定压力必须先工作压力进行计算然基础进行基数增加
（34）计算出工作压力：
（34）
液压缸额定压力——
预设溢流阀调定压力——
4 控制系统设计
41 概述
控制系统说机械手半生命占着重位调控机械手运动工作协调动作中动作轨迹时间间隔动作循环序等构成控制系统控制容
机械手控制方法式样致列出四种：
（1）继电器－接触器控制系统
钮开关行程开关继电器接触器四部分组成继电器－接触器控制系统继电器－接触器控制系统工作原理结构简单容易操作方便期维修处理成低缺点十分明显例：系统功限法进行连续轮廓控制工作程序变更困难外服务工作程序动化求高设备般情况动化程度高通机床进行
（2）计算机控制系统
通计算机进行控制机械手仅解决运动轨迹复杂操作问题更进行精准定位计算机控制成远远高控制系统前技术足完善计算机控制系统会导致功法进行运行计算机控制系统恶劣环境进行工作相利起没方便
（3）单片机控制系统
说单片机实控制功继电器－接触器控制功基础增加高难度动作控制性价较高
单片机作种众化控制系统确实优系统通性强操作起较麻烦太适合工厂进行
（4）编程控制器（PLC）控制系统
然编程控制器普率应范围赶单片机工业领域控制作致相
编程控制器代继电器－接触器控制系统进行工作时候需进行数运算操作原理代继电器－接触器控制系统操作原理相差容易手
机械手需控制参数参考图五：
（图五）
次设计笔者采液压电气联合控制模式中部位动作力速度液压控制电气负责控制部位动作序
42 梯形图程序编制
421动作序控制
通液压系统图解压力继电器控制升起动作动作行程开关进行控制动作序第二章笔者进行详细介绍笔者电控原理图基点X400～X407输入压力继电器行程开关Y430～Y435输出电磁铁完成梯形图编制
422梯形图编制
着重分析系统特殊点（进行编制前）
首先启动问题次启动时候必须结束次动作程否机械手容易次动作结束点终点回初始位置引发机器障杜绝类事件笔者进行Y430～Y435输出控制时采M300～M305六保持继电器样次启动果次动作未完成机械手会首先完成次动作进行轮动作运行
次应该注意时间继电器问题通常机器开始运行进行计时果次动作未完成情况会出现计时准情况消灭样误差情况计时器添加动作长闭开关锁功
受机械手动作特殊性限制机械手进行运动时候两动作时进行容易引发事机械手作业时候允许两动作时进行运行保证机器独立性机器增加互锁装置
图8程序梯形图：
点动停止
计时
伸长夹紧
升起
旋转
松开收回
降落
回转
图8梯形图
根电控原理图进行图8分析
动作
开始
结束
——
没动作开始
——
伸长夹紧动作
循环初始
SQX403带电
升起动作
SQX403带电
ST2X404带电
旋转动作
ST2X404带电
ST3X405带电
松开收回动作
ST3X405带电
ST4X406带电
降落动作
ST4X406带电
ST5X407带电
回转动作
ST5X407带电
ST1X402带电
注：计时器信号输出间隔20s需锁功动作没开始循环
423 P LC程序编制
程序编制梯形图编制
指令语程序（表1）根梯形图（图8）进行编写
表1 1PLC程序
续表
通输入程序PLC中进行液压系统机械手控制时更换程序应进行工作时出现操作错误
结
综述出：
（1）采液压系统进行传动点优点：进行科研进行灵活反应作业时动作迅速二结构简单易懂稳定性强三载保护装置便动控制四环境工作
（2）次设计机械手选普通两指式夹钳手指然机械更广应进行手指形式更换
（3）采PLC进行机械手动控制控制方式点优点：性价高二性强三实性强四容易操作五程序进行灵活改变提高机械手通性
（4）根情况需次设计机械手添加行走机构
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