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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授
所在院（系）： 教研室（研究室）： 機(jī)制教研室
題 目
車床上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué)號
一、選題質(zhì)量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟(jì)、社會、文化及實驗室建設(shè)等實際的結(jié)合程度）
所選題目符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；該題目略有難度，工作量比較大；題目與生活貼近，能夠解決一定的現(xiàn)實問題，該畢業(yè)設(shè)計不僅能加強(qiáng)專業(yè)知識和技能，同時更能夠為今后進(jìn)入該行業(yè)做好準(zhǔn)備，及時的發(fā)現(xiàn)不足，為今后的事業(yè)打下基礎(chǔ)，開發(fā)的成品網(wǎng)站也能夠為同學(xué)們今后溝通感情提供一個有效的平臺。
2、 開題報告完成情況：
1、在指導(dǎo)老師的建議下，查閱并翻閱了大量有關(guān)機(jī)械手的資料，了解了于此有關(guān)
的問題的最新資料，并將收集到的資料及相關(guān)信息整理備用；
2、初步完成定稿；
3、在實習(xí)中收集、分析原始資料，確定設(shè)計方案、確定結(jié)構(gòu)；
4、合理設(shè)計了動力系統(tǒng)和控制單元系統(tǒng)；
5、完成PLC程序的設(shè)計。
三、階段性成果：
1、開題報告已經(jīng)完成，并已經(jīng)交給指導(dǎo)老師檢查且合格；
2、各個零部件的選擇已經(jīng)完成，零部件的選擇均是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，現(xiàn)正在
對各零部件進(jìn)行計算和校核；
3、圖紙繪制工作已經(jīng)接近尾聲，現(xiàn)正對圖紙進(jìn)行檢查和修改以確保最終圖紙無誤。
四、存在主要問題：
1.某些觀點和見解尚未成熟，理論與研究方法存在一些問題，待進(jìn)一步查閱相關(guān)資料；
2就問題有針對性地查閱相關(guān)資料，還需要進(jìn)行修改完善；
3論證的邏輯不夠嚴(yán)密，沒有詳細(xì)實際的數(shù)據(jù)；
4文章的語言文字生澀，有一些錯別字，病句，格式不夠規(guī)范；
5圖紙繪畫的不標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)注不夠清楚，對繪圖軟件不熟練。
五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)中，勞動、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)展等方面的評語：
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
2
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)實習(xí)報告
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
畢業(yè)實習(xí)報告
專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班級：姓名：
學(xué)號：指導(dǎo)老師：
目錄
一、實習(xí)目的及意義
二、實習(xí)任務(wù)
三、實習(xí)時間
四、實習(xí)地點
五、實習(xí)企業(yè)概況
六、實習(xí)內(nèi)容
七、畢業(yè)設(shè)計準(zhǔn)備
八、總結(jié)與評價
九、參考文獻(xiàn)
一、實習(xí)目的及意義
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是一門實踐性很強(qiáng)的專業(yè)，畢業(yè)實習(xí)是本科教學(xué)計劃中非常重要的一個教育環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間理論聯(lián)系實際、增長實踐知識、培養(yǎng)自身各方面能力的重要手段和方法。通過實習(xí)了解本專業(yè)發(fā)展前沿，涉獵相關(guān)學(xué)科知識，使機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生初步具有科學(xué)研究與解決工程實際問題的能力、較強(qiáng)的實踐動手能力和創(chuàng)新意識的高級應(yīng)用型人才。畢業(yè)實習(xí)是大學(xué)本科專業(yè)學(xué)習(xí)中不可缺少的重要部分，通過一段時間的生產(chǎn)實習(xí)后，使自己具備足夠的技能，應(yīng)付將來市場的挑戰(zhàn)并保持強(qiáng)勁的競爭力，并為下一步的畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。
二、實習(xí)任務(wù)
認(rèn)真學(xué)習(xí)實習(xí)大綱，提高對實習(xí)的認(rèn)識，做好思想準(zhǔn)備；認(rèn)真完成實習(xí)內(nèi)容，按規(guī)定記實習(xí)筆記，撰寫實習(xí)報告，收集相關(guān)資料；
三、實習(xí)時間 2012年2月至2012年3月
四、實習(xí)地點 鄭州市紅星機(jī)械廠
五、實習(xí)企業(yè)概況
鄭州中原金山機(jī)械廠是專業(yè)的水磨石機(jī)、水磨石設(shè)備廠家，水磨石磚機(jī)等新型建材設(shè)備開發(fā)制造的專業(yè)生產(chǎn)廠家。 金山機(jī)械廠的產(chǎn)品設(shè)計充分吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平，并考慮中國國情，將國外先進(jìn)的制造工藝技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)和中國知名企業(yè)的嚴(yán)格管理制度相結(jié)合，關(guān)鍵的電控元器件和液壓、氣動部件采用國際知名品牌和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，以保證向客戶提供質(zhì)量優(yōu)良、運行可靠的設(shè)備，保證客戶以最小的投資獲取最大的利益。金山機(jī)械廠作為水磨石機(jī)的專業(yè)生產(chǎn)廠家，已建立起金山特色的科研、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)體系，彩瓦機(jī)、彩磚機(jī)、磨石磨磚機(jī)、藝術(shù)圍欄機(jī)、石材設(shè)備系列產(chǎn)品，用戶遍布全國，出口國外許多國家。理念：誠信、優(yōu)質(zhì)、創(chuàng)新誠信：對員工真誠，對客戶真誠，重合同、守信譽(yù)。優(yōu)質(zhì)：擁有優(yōu)質(zhì)的員工，向社會提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、技術(shù)、服務(wù)，向職工提供優(yōu)質(zhì)的工作環(huán)境和福利待遇。創(chuàng)新：追求技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的不斷更新，服務(wù)的不斷完善。理念：誠信、優(yōu)質(zhì)、創(chuàng)新......
六、實習(xí)內(nèi)容
（一）實習(xí)的具體內(nèi)容
我是2012年2月來到河南省鄭州市中原金山機(jī)械廠的，接待我們的是人事部的孫經(jīng)理，初次見面，就感覺孫經(jīng)理是位很和藹、很親切的領(lǐng)導(dǎo)。而在接下來的日子里的接觸也證實了這點。我們被安排在動力部實習(xí)，動力部主要是負(fù)責(zé)機(jī)械維護(hù)及其機(jī)械維修方面的工作。我們也主要是學(xué)習(xí)這些方面的知識和相關(guān)的工作經(jīng)驗。剛來的時候，我們畢竟沒有什么經(jīng)驗，只能跟著師傅學(xué)習(xí)，在對公司機(jī)器修理及維護(hù)過程中，自己認(rèn)真觀察各種機(jī)器，最直接的就是工藝。對我們即將畢業(yè)的人來說，這方面還是很好辦的。后面，由于對機(jī)器有了了解，我能對產(chǎn)品加工中特定的工藝動作怎么實現(xiàn)的進(jìn)行思考。這樣能加速學(xué)習(xí)理解和知識的積累。因為我們要常進(jìn)車間去，所以多車間的生產(chǎn)狀況也都有一個大概的了解。金山主要是水磨石機(jī)器,水泥瓦機(jī)，水磨石磚機(jī),水磨石設(shè)備,水磨石機(jī)，這其中給我印象最深刻的是成品車間，主要是因為這個車間的設(shè)備最容易出現(xiàn)故障，可能是因為它里面的設(shè)備比較陳舊吧。當(dāng)然其他車間有些東西也是要時常要更換的。
這是第一次正式與社會接軌踏上工作崗位，開始與以往完全不一樣的生活。每天在規(guī)定的時間上下班，上班期間要認(rèn)真準(zhǔn)時地完成自己的工作任務(wù)，草率敷衍了事。凡事得謹(jǐn)慎小心，否則隨時可能要為一個小小的錯誤承擔(dān)嚴(yán)重的后果付出巨大的代價，再也不是一句對不起和一紙道歉書所能解決。
工作中我發(fā)現(xiàn)做任何事不能單蠻干，應(yīng)合理應(yīng)用各種常識來解決問題，同時也要注意團(tuán)隊合作。任何一個廠都有一套嚴(yán)格緊密的生產(chǎn)體系，在體系中每個環(huán)節(jié)都是緊緊相扣，每個環(huán)節(jié)的工作人員都應(yīng)該嚴(yán)格遵守規(guī)章制度。年輕不是用來揮霍的，而是我們拼搏的資本。我不想碌碌無為終了此生。我想有個幸福的家庭和人生。所以我會一直朝著我的目標(biāo)走去。保持一顆樂觀豁達(dá)，積極進(jìn)取的心，對生活充滿希望，相信“蒼天不負(fù)有心人”。
（二）實習(xí)中資料的收集與總結(jié)
1
鑄造
按曲軸鑄造工藝進(jìn)行
2
熱處理
正火
3
銑兩端面
總長為265mm
銑床
4
車兩端工藝搭子外圓
直徑φ45mm
車床
5
鉆主軸頸中心孔
車床
6
鉆連桿軸頸中心孔
正對連桿中心
7
檢驗
8
粗車三個連桿軸頸
留余量2.6mm
車床
七、畢業(yè)設(shè)計準(zhǔn)備
一、機(jī)械手的工作原理
（一）機(jī)械手的概述
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
（1）機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。
（2）在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
（3）可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。
（4）在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。
（5）宇宙及海洋的開發(fā)。
（6）軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。
（二）機(jī)械手的工作方式
機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)，除了有多工步特點之外，還要求有連續(xù)控制和手動控制等操作方式。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。當(dāng)旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。當(dāng)旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。以下是設(shè)計該機(jī)械手控制程序的步驟和方法。
1、機(jī)械手傳送工件系統(tǒng)示意圖，如圖1所示。
圖1 機(jī)械手傳送示意及操作面控制器
如圖1所示機(jī)械手能實現(xiàn)手動、回復(fù)位、單步、單周期和連續(xù)等五種工作方式。手動工作方式時，用各按鈕的點動實現(xiàn)相應(yīng)的動作；回復(fù)位工作方式時，按下“回復(fù)位”按鈕，則機(jī)械手自動返回原位；單步工作方式時，每按一次起動按鈕機(jī)械手向前執(zhí)行一步；選擇單周期工作方式時，每按一次起動按鈕，機(jī)械手只運行一個周期就停下；連續(xù)工作方式時，機(jī)械手向前執(zhí)行一步；只要按下起動按鈕，機(jī)械手就會連續(xù)循環(huán)動作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手才會最后運行到原位并停下；而在傳送工件的過程中，機(jī)械手必須升到最高位置才能左右移動，以防止機(jī)械手在較低位置運行時碰到其它工件。
圖2 機(jī)械手傳送示意及操作動作傳送圖
圖3 機(jī)械手傳送示意及操作動作執(zhí)行圖
如圖2，3、其功能是將工件從A移送到B處。氣動機(jī)械手的升降和左右移動分別使用了雙線圈的電磁閥，在某方向的驅(qū)動線圈失電時能保持在原位，必須驅(qū)動反方向的線圈才能反向運動。上升、下降對應(yīng)的電磁閥線圈分別是YV2、YV1，右行、左行對應(yīng)的電磁閥線圈分別是YV3、YV4。機(jī)械手的夾鉗使用單線圈電磁閥YV5，線圈通電時夾緊工件，斷電時松開工件。通過設(shè)置限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分別對機(jī)械手的下降、上升、右行、左行進(jìn)行限位，而夾鉗不帶限位開關(guān)，它是通過延時1.7s來表示夾緊、松開動作的完成的。
二、機(jī)械手控制的硬件設(shè)計
（一）輸入和輸出點分配表及原理接線圖
表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表
名 稱
代號
輸入
名 稱
代號
輸入
名 稱
代號
輸出
啟動
SB1
X0
夾緊
SB5
X10
電磁閥下降
YV1
Y0
下限行程
SQ1
X1
放松
SB6
X11
電磁閥夾緊
YV2
Y1
上限行程
SQ2
X2
單步上升
SB7
X12
電磁閥上升
YV3
Y2
右限行程
SQ3
X3
單步下降
SB8
X13
電磁閥右行
YV4
Y3
左限行程
SQ4
X4
單步左移
SB9
X14
電磁閥左行
YV5
Y4
停止
SB2
X5
單步右移
SB10
X15
原點指示
EL
Y5
手動操作
SB3
X6
回原點
SB11
X16
連續(xù)操作
SB4
X7
工件檢測
SQ5
X17
表1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入和輸出點分配表
圖3、機(jī)械手硬件控制連線圖
（二）控制程序
操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)包括回原點程序，手動單步操作程序和自動連續(xù)操作程序，如圖3所示。
圖4、機(jī)械手操作系統(tǒng)程序
其原理是：
把旋鈕置于回原點，X16接通，系統(tǒng)自動回原點，Y5驅(qū)動指示燈亮。再把旋鈕置于手動，則X6接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動程序。之后，由于X7常閉觸點，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動位置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。
回原位程序
回原位程序如圖4所示。用S10~S12作回零操作元件。應(yīng)注意，當(dāng)用S10~S19作回零操作時，在最后狀態(tài)中在自我復(fù)位前應(yīng)使特殊繼電器M8043置1。
圖5、回原位狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
手動單步操作程序
如圖5所示。圖中上升/下降，左移/右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。
圖6、手動單步操作程序
自動操作程序
自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖6所示。當(dāng)機(jī)械手處于原位時，按啟動X0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S20，
圖7、自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
驅(qū)動下降Y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān)X1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S21，而S20自動復(fù)位。S21驅(qū)動Y1置位，延時1秒，以使電磁力達(dá)到最大夾緊力。當(dāng)T0接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S22，驅(qū)動Y2上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位，X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S23。S23驅(qū)動Y3右移。
移到最右位，X3接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S24下降。下降到最低位，X1接通，電磁鐵放松。為了使電磁力完全失掉，延時1秒。延時時間到，T1接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到
S26上升。上升到最高位，X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。
在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。因此步進(jìn)順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強(qiáng)。
7、機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖
如圖7所示。圖中從第0行到第27行為回原位狀態(tài)程序。從第28行到第66行，為手動單步操作程序。從第67行到第129行為自動操作程序。這三部分程序（又稱為模塊）是圖3的操作系統(tǒng)運行的。
回原位程序和自動操作程序。是用步進(jìn)順控方式編程。在各步進(jìn)順控末行，都以RET結(jié)束本步進(jìn)順控程序塊。但兩者又有不同?；卦怀绦虿荒茏詣臃祷爻跏紤B(tài)S1。而自動操作程序能自動返回初態(tài)S2。
三、梯形圖及指令表
（一） 梯形圖
上升
右移
上限位
夾緊
下限位
下降
狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始
自動方式初始狀態(tài)
上限位
下降結(jié)束
上升
放松
下限位
下降
右移限位
夾緊
下降限位
下降
左行限位
左行
松開
夾緊
上升1/2限位
右移限位
下降
右移
翻轉(zhuǎn)
上升
回原位初始狀態(tài)
圖8、機(jī)械手傳送系統(tǒng)梯形圖
（二）指令表
八、總結(jié)與評價
機(jī)械手的控制對于很多場合需求很大，不論是機(jī)床使用的小型系統(tǒng)還是流水線上的這類設(shè)備，其基本動作要求類似，所以控制的實現(xiàn)也可以相互借鑒。
對于控制程序的編寫，這里給出的只是一種實現(xiàn)手段，使用可編程控制器還有其他的方法可以實現(xiàn)這樣的控制，針對所用的具體系統(tǒng)的情況，設(shè)計人員可以選用不同的方法來編寫程序。
機(jī)械手高效的工作效率，準(zhǔn)確的定位精度，以及簡單的結(jié)構(gòu)及控制方式是人手不能替代的，機(jī)械手的使用也將越來越廣泛。
九、參考文獻(xiàn)
[1] 鄔依林等：非接觸式IC卡在酒店收費系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002.
[2] 金偉正等：基于非接觸式IC卡、考勤機(jī)的研究[J]，武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001。
[3] 馬秀麗等：一種非接觸式射頻卡、基站讀寫電路的設(shè)計與應(yīng)用[J]，金卡工程，2003。
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[7] 沈宇超等：射頻識別技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀，電子技術(shù)應(yīng)用，1999。
[8] 汪建主編：MCS一96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M]，武漢：華中科技大學(xué)出版社(第2版)，2004。
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[10] 李琚門：感應(yīng)式IC卡系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]，電子產(chǎn)品世界，2000。
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
本課題是為普通車床配套而設(shè)計的上料機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要的作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕了工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻率、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更現(xiàn)實其優(yōu)越性，有著廣泛的發(fā)展前途。
本課題通過應(yīng)用autoCAD技術(shù)對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計和液壓傳動原理設(shè)計，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計了機(jī)械手的夾持手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。他能實際自動上料運動，上料機(jī)械手的運動速度是按著滿足生產(chǎn)率的要求來設(shè)定。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；手部設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；
Abstract
This topic is designed for ordinary lathe supporting the feeding manipulator. Industrial manipulator is the inevitable outcome of the industrial production, it is a kind of imitation upper part of the body, according to the predetermined requirement function of conveying work-piece or operated holding tools to reality technical equipment, automation, promote industrial production automation of the further development of industrial production plays an important role. Thus has strong vitality wide attention by the people and welcome. Practice has proved, industrial robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity of the workers, improve working conditions, and improve labor productivity and automation level. Industrial production in the bulky workpiece often appear handling and long-term frequency, drab operation, using manipulator is effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature and deep water, the universe, radioactive and other toxic, environmental pollution condition of operation, the more realistic its superiority, has wide development prospect
This topic through the application of manipulator in overall autoCAD technology design and hydraulic transmission principle design of manipulator, sure, and freedom coordinates determined the technical parameters of manipulator. Meanwhile, the design of clamping manipulator hand structure, design of manipulator wrist structure, design of manipulator arm structure. He can actual automatic feeding movement of the manipulator, feeding velocity according to satisfy the requirement is set to productivity.
KeyWords：manipulator；handing structure ；structure design
II
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
目 錄
1 引 言 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人簡介 1
1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 2
1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 3
1.4 我要設(shè)計的機(jī)械手 4
1.4.1 臂力的確定 4
1.4.2 工作范圍的確定 4
1.4.3 確定運動速度 5
1.4.4 手臂的配置形式 6
1.4.5 位置檢測裝置的選擇 6
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇 6
2 手部結(jié)構(gòu) 8
2.1概述 8
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 8
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 12
3 腕部的結(jié)構(gòu) 14
3.1 概述 14
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 14
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算 15
4 臂部的結(jié)構(gòu) 19
4.1 概述 19
4.2手臂直線運動機(jī)構(gòu) 20
4.2.1手臂伸縮運動 20
4.2.2 導(dǎo)向裝置 21
4.2.3 手臂的升降運動 22
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動 23
4.4 手臂的橫向移動 24
4.5 臂部運動驅(qū)動力計算 25
4.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 25
4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 26
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 26
5 車床上料系統(tǒng)的設(shè)計 28
5.1車床上料系統(tǒng)簡介 28
5.2車床上料系統(tǒng)的組成 28
5.3機(jī)械手車床上料系統(tǒng)的控制回路 29
5.3.1 壓力控制回路 29
5.3.2 速度控制回路 30
5.3.3 方向控制回路 31
5.4 機(jī)械手的車床上料機(jī)械手系統(tǒng) 31
5.4.1 上料機(jī)械手的動作順序 32
5.4.2 自動上料機(jī)械手車床上料系統(tǒng)原理介紹 33
5.5機(jī)械手車床上料系統(tǒng)的簡單計算 37
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸 37
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 41
5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 42
5.5.4油泵的選擇 44
5.5.5 確定油泵電動機(jī)功率N 44
6 PLC控制回路的設(shè)計 46
6.1電磁鐵動作順序 46
6.2 選定地址編號 50
6.3 PLC與現(xiàn)場器件的實際連接圖 53
6.4 梯形圖 53
6.5指令程序 55
結(jié) 論 61
致 謝 62
參考文獻(xiàn) 63
ii
1 引 言
1.1 工業(yè)機(jī)器人簡介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械偶人。
到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)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(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2世界機(jī)器人的發(fā)展
國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
（1）. 工業(yè)機(jī)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(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
（2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
（3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
（4）．機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（5）．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。
（6）．當(dāng)代遙控機(jī)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(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸車床”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(yīng)用的領(lǐng)域。
1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)器人；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)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(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)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(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
1.4 我要設(shè)計的機(jī)械手
1.4.1 臂力的確定
目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本車床上料機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。
1.4.2 工作范圍的確定
機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂伸長量150mm
手臂回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂升降行程170mm
手臂水平運動行程100mm
1.4.3 確定運動速度
機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進(jìn)而確定各動作的運動速度。車床上料上料機(jī)械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。
機(jī)械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求：
① 給定的運動時間應(yīng)大于電氣、車床上料元件的執(zhí)行時間；
② 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運動速度。機(jī)械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。
③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進(jìn)行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。
車床上料上料機(jī)械手的各運動速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s
手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s
手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s
1.4.4 手臂的配置形式
機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。
1.4.5 位置檢測裝置的選擇
機(jī)械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇
機(jī)械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。
控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計。
驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、車床上料驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。
參考《工業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為車床上料驅(qū)動，控制方式為固定程序的PLC控制。
2 手部結(jié)構(gòu)
2.1概述
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題
①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
②手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。
④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
⑤應(yīng)考慮被抓取對象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。
2.3 驅(qū)動力的計算
1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座
圖1 滑槽杠桿式手部受力分析
如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即：
P實際=PK1K2/η
式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。
本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下：
根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式
N=0.5G
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
N=49（N）
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式
P=2b(cosα)N/a 得
P=P計算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)
P實際=P計算K1K2/η
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1
則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析
圖2 帶浮動鉗口的鉗爪
鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x=
當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為
=∣-∣
其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm
代入公式計算得
最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8
故符合要求.
3 腕部的結(jié)構(gòu)
3.1 概述
腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點：
結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。
轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。
注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題
要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式
本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°.
如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。
圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算
驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩
M慣——慣性力矩 （N.m）
M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m）
M摩——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m）
圖4 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）
式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1；
N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——軸承直徑（m）
由設(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時
M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得 M摩 =2.50（N.m）
⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏 =G1 e （N.m）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零
當(dāng)e=0.020，G1=98N時
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣
① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣
M慣 =（J+J工件） （N·m）
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）
T——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）
J工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m）
按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M慣 = 1.3（N·m）
② 當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：
M慣=（J+J工件） （N·m）
式中 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;
——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。
考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m）
M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）
4 臂部的結(jié)構(gòu)
4.1 概述
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求：
① 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。
③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
④ 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。
4.2手臂直線運動機(jī)構(gòu)
機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。
4.2.1手臂伸縮運動
這里實現(xiàn)直線往復(fù)運動是采用車床上料驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運動。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。
圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)
4.2.2 導(dǎo)向裝置
車床上料驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。
如圖6所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個導(dǎo)向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。
圖6 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu)
4.2.3 手臂的升降運動
如圖7所示為手臂的升降運動機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上兩腔通壓力油時，活塞杠4做上運動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵8實現(xiàn)。
圖7 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動
實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖7所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵8帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。
4.4 手臂的橫向移動
如圖8所示為手臂的橫向移動機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運動。
圖8 手臂橫向移動機(jī)構(gòu)
4.5 臂部運動驅(qū)動力計算
計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。
4.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算
手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦阻力；
Fg——啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
Fg = a (N)
式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）;
a ——啟動過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v ——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t ——啟動過程中所用的時間，一般為0.01∽0.5s。
當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），△V = 500mm/s時，
Pq = 80+* =80+112=192 (N)
4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算
手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；
W——臂部運動部件的總重量（N）；
±——上升時為正，下降時為負(fù)。
當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時
Pq=40+100+1098=1238（N）
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算
臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩；
Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：
Mg = J (N·m)
式中 J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）;
——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）
當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進(jìn)行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算?？梢詤⒖肌豆I(yè)機(jī)器人》表4-1。
5 車床上料系統(tǒng)的設(shè)計
5.1車床上料系統(tǒng)簡介
機(jī)械手的車床上料機(jī)械手是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動油泵輸出壓力油，是將電動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的車床上料機(jī)械手稱為容積式車床上料機(jī)械手，機(jī)械手的車床上料機(jī)械手系統(tǒng)都屬于容積式車床上料機(jī)械手。
5.2車床上料系統(tǒng)的組成
車床上料機(jī)械手系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：
① 油泵 它供給車床上料系統(tǒng)壓力油，將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個車床上料系統(tǒng)工作。
② 液動機(jī) 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。
③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。
5.3機(jī)械手車床上料系統(tǒng)的控制回路
機(jī)械手的車床上料系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，車床上料系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。
5.3.1 壓力控制回路
① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的車床上料系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。
③ 減壓回路 為了是機(jī)械手的車床上料系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。
④ 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械車床上料系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。
為了使機(jī)械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。
⑤ 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護(hù)油泵。車床上料系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。
5.3.2 速度控制回路
車床上料機(jī)械手各種運動速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。
根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。
節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動時效率低，發(fā)熱大。
采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時，負(fù)荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。
調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負(fù)荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。
5.3.3 方向控制回路
在機(jī)械手車床上料系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。
目前在車床上料系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。
5.4 機(jī)械手的車床上料機(jī)械手系統(tǒng)
車床上料系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計車床上料機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。車床上料系統(tǒng)圖是各種車床上料元件為滿足機(jī)械手動作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。
繪制車床上料系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個車床上料系統(tǒng)，并用車床上料系統(tǒng)圖形符號，畫出車床上料原理圖。
5.4.1 上料機(jī)械手的動作順序
本車床上料機(jī)械手上料機(jī)械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機(jī)進(jìn)行加工。它的動作順序是：待料（即起始位置。手指閉合，待夾料立放） → 插定位銷 → 手臂前伸 → 手指張開 → 手指夾料 → 手臂上升 → 手臂縮回 → 立柱橫移 → 手腕回轉(zhuǎn)115° → 拔定位銷 → 手臂回轉(zhuǎn)115° → 插定位銷 → 手臂前伸 → 手臂中停 （此時立式精鍛機(jī)的卡頭下降 → 卡頭夾料，大泵卸荷） → 手指松開（此時精鍛機(jī)的卡頭夾著料上升） → 手指閉合 → 手臂縮回 → 手臂下降 → 手腕反轉(zhuǎn) （手腕復(fù)位）→ 拔定位銷 → 手臂反轉(zhuǎn)（上料機(jī)械手復(fù)位） → 立柱回移（回到起始位置） → 待料（一個循環(huán)結(jié)束）卸荷。
上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)動作是在每一步動作完成后，使行程開關(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進(jìn)器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程序表）實現(xiàn)車床上料系統(tǒng)的自動控制。
5.4.2 自動上料機(jī)械手車床上料系統(tǒng)原理介紹
圖9 機(jī)械手車床上料系統(tǒng)圖
車床上料系統(tǒng)原理如圖9所示。該系統(tǒng)選用功率N =7.5千瓦的電動機(jī)，帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18 ，其公稱壓力為60*10帕，流量為 35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30*10帕，油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時只有小油泵供油，大泵自動卸荷。
手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手臂橫向移動和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。
手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)整順序閥的彈簧力使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油車床上料力作用下仍保持?jǐn)嗦?。工作時油泵輸出的壓力油進(jìn)入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加使之接通，活塞便向下運動。當(dāng)活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。
手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥（IY-25B），使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進(jìn)油時，油箱通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。
在手臂回轉(zhuǎn)后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為15—18*10帕 ，同時還給電液動滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調(diào)節(jié)。
此系統(tǒng)四個主壓力油路的壓力測量，是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān)（K-3B）的位置來實現(xiàn)的，被測量的四個主油路的壓力值，分別從壓力表（Y-60）上表示出來。
下面以上料機(jī)械手的一個典型動作程序為例，結(jié)合圖8來說明其動作循環(huán)。
當(dāng)電動機(jī)啟動，帶動雙聯(lián)葉片泵3和8回轉(zhuǎn)，油液從油箱1中通過網(wǎng)式濾油器2和7，經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去，如果機(jī)械手還未啟動，則油液通過二位二通電磁閥5和10（電磁鐵11DT和12DT通電）進(jìn)行卸荷。
當(dāng)熱棒料到達(dá)上料的位置后，由于1150℃的熱料使光電繼電器發(fā)出電信號（或經(jīng)過人工啟動），經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步，使機(jī)械手開始按程序動作。此時卸荷停止（二位二通電磁閥5和10的電磁鐵斷電），電磁鐵8DT通電，壓力油進(jìn)到定位油缸的無桿腔進(jìn)行定位動作。定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器40發(fā)出電信號，經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步使電磁鐵1DT通電，電液換向閥25從“O”型滑滑機(jī)能狀態(tài)變成通路，壓力油泵從3和8經(jīng)單向閥6、14和13，經(jīng)過電液換向閥25右邊通道進(jìn)入手臂伸縮油缸的右腔，使活塞桿帶動導(dǎo)向桿作前伸運動（因活塞缸固定），手臂前伸到適當(dāng)位置，裝在手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)發(fā)出電信號，經(jīng)步進(jìn)選線器和時間繼電器延時，是電磁鐵3DT通電，手指張開；手臂靠慣性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延時結(jié)束時，3DT斷電，手指夾緊料；并同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵4DT通電，壓力油從工作油路39經(jīng)電液換向閥33右邊通道、單向調(diào)速閥34的單向閥及單向順序閥35的單向閥進(jìn)入手臂升降油缸的下腔，推動手臂上升。在手臂上升到預(yù)定位置，碰行程開關(guān)，使電磁鐵4DT斷電，電液換向閥33復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)，發(fā)出電信號經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵2DT通電，電液換向閥25左邊接通油路，壓力油通過電液換向閥25左邊通道，經(jīng)過單向調(diào)速閥26的單向閥進(jìn)入受臂伸縮油缸左腔使受臂縮回。同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵13DT通電，壓力油通過電液換向閥41的左腔，推動手臂橫向移動。當(dāng)橫向移動機(jī)構(gòu)上的碰鐵碰到行程開關(guān)，使13DT斷電，并發(fā)出電信號經(jīng)步進(jìn)選線器跳步使6DT通電，則換向閥18右邊接通油路，壓力油通過單向調(diào)速閥19的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手腕回轉(zhuǎn)115°，手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)使6DT斷電，換向閥18復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)，同時亦使8DT斷電，定位油缸復(fù)位（拔銷）；壓力繼電器復(fù)位，發(fā)出電信號。經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵9DT通電，換向閥28右邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（31）的單向閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔使手臂回轉(zhuǎn)115°。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)使9 DT斷電，換向閥28復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)；并發(fā)出電信號。步進(jìn)選線器跳步，使8DT通電，定位油缸17動作，插定位銷，壓力繼電器40發(fā)出電信號經(jīng)發(fā)出電信號。經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵1DT通電，手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到立式精鍛機(jī)的夾頭軸線前的適當(dāng)距離，手臂的碰鐵碰行程開關(guān)，1DT斷電，手臂靠滑行和定位螺釘使手臂將棒料送到夾頭軸線處；并發(fā)出電信號、跳步使12DT通電，大泵卸荷，手臂處于“中?！蔽恢?，同時發(fā)出電信號使立式精鍛機(jī)啟動，夾頭下降，行程開關(guān)發(fā)信，通過時間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢，精鍛機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)信，給機(jī)械手電控系統(tǒng)，經(jīng)過選線器跳步，時間繼電器延時使3DT通電，機(jī)械手手指松開（同時，精鍛機(jī)的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升），延時到3DT斷電，手指閉合，并發(fā)出電信號，步選器跳步，2DT通電，手臂縮回。當(dāng)手筆碰鐵碰到行程開關(guān)時，2DT斷電（手臂縮回停）；并發(fā)出電信號和跳步，使5DT通電，電液換向閥33的左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（36）的單向閥進(jìn)到升降缸的上腔，使手臂下降，當(dāng)升降導(dǎo)套上的碰鐵碰行程開關(guān)時，5DT斷電（手臂下降停）；并發(fā)出電信號和跳步，使7DT通電，換向罰18的左邊通道接通油路，壓力油QI（20）的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手腕反轉(zhuǎn)115°；手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使7DT斷電并發(fā)出電信號、跳步，使8DT斷電（拔定位銷），壓力繼電器復(fù)位發(fā)出電信號、跳步，使10DT通電，換向閥28左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（29）的單向閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手臂反轉(zhuǎn)115°（機(jī)械手復(fù)位）。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時，10DT斷電，并發(fā)出信號，跳步，使14DT通電，立柱回移（回到原位，機(jī)械手回到原來位置）；步進(jìn)選線器跳步，使11DT和12DT通電（兩個油泵同時卸荷），機(jī)械手的動作循環(huán)結(jié)束。
5.5機(jī)械手車床上料系統(tǒng)的簡單計算
計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定車床上料系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機(jī)的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。
在本機(jī)械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸
圖10 雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖
①流量、驅(qū)動力的計算
當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量Q1為
Q1 = DV1
對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=1.02 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s
油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成車床上料力P1即油缸的驅(qū)動力為：
P1 = Dp1
對于手臂伸縮油缸：p1=196N， 對于手指夾緊油缸：p1=126N ，對于手臂升降油缸：p1=320N
當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量Q2為：
Q2 = （D-d）V2
對于手臂伸縮油缸：Q1=0.87cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=0.96 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm/s
油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成車床上料力P2即油缸的驅(qū)動力為：
P2 = （D-d）p1
對于手臂伸縮油缸：p1=172N， 對于手指夾緊油缸：p1=108N ，對于手臂升降油缸：p1=305N
② 計算作用在活塞上的總機(jī)械載荷
機(jī)械手手臂移動時，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷P為
P = P工 + P導(dǎo) + P封 + P慣 + P回
其中 P工 為工作阻力
P導(dǎo) 導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力
P封 密封裝置處的摩擦阻力
P慣 慣性阻力
P回 背壓阻力
P = 83+125+66+80+208=562(N)
③確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸
㈠油缸內(nèi)徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的合成車床上料力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡，即
P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔）
油缸（即活塞）的直徑可由下式計算
D = = 1.13 厘米 （無桿腔）
對于手臂伸縮油缸：D=50mm， 對于手指夾緊油缸：D=30mm ，對于手臂升降油缸：D=80mm ，對于立柱橫移油缸：D = 40mm
或D = 厘米 （有桿腔）
㈡ 油缸壁厚的計算：
依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計算：
= 厘米
P計 為計算壓力
油缸材料的許用應(yīng)力。
對于手臂伸縮油缸： =6mm， 對于手指夾緊油缸： =17mm ，對于手臂升降油缸： =16mm , 對于立柱橫移油缸: =17mm
㈢ 活塞桿的計算
可按強(qiáng)度條件決定活塞直徑d ?；钊麠U工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強(qiáng)度計算可近似的視為直桿拉、壓強(qiáng)度計算問題，即
= ≦
即 d ≧ 厘米
對于手臂伸縮油缸：d =30mm， 對于手指夾緊油缸：d =15mm ，對于手臂升降油缸：d=50mm , 對于立柱橫移油缸:d=16mm
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）
圖11 齒