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1第1章绪论1.1工业机器人的简介工业机器人是机械技术、电子技术与计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化的产品，从其诞生起就受到人们的关心与重视。经过几十年的发展，目前工业机器人技术已经很成熟。工业机器人已从最初在解决劳动密集型工业中单调、重复的体力劳动发展到满足制造业自动化规模生产需要的工作。其应用领域不断扩大，从最初主要应用于汽车工业发展到现在涉及制造业的各个行业。目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。随着经济全球化和我国加入WTO，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。近几年来，国外著名的工业机器人制造厂商纷纷加大了在我国的投资和应用技术的投入，对我国的国产工业机器人产业的发展带来了严峻的挑战。我国政府非常重视机器人技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划地组织和发展工业机器人事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机器人的一些机种方面，如喷漆机器人、焊接机器人、搬运机器人、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机器人的设计制造技术和机器人应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定水平的技术队伍，奠定了我国独立自主发展机器人产业的基础。但是，我国工业机器人在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外九十年代中期的水平。目前工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，关键配套的单元部件和器件始终处于进口状态，工业机器人的性价比较低。我国整体装备制造水平不高，制约了我国工业机器人产业的形成和实现规模化的发展。尽管中国工业机器人的需求在逐年增加，但要能为用户提供高质价廉的工业机器人商品，目前在我国尚有较长的路程。首先为了促进中国工业机器人产业的发展，必须在以市场需求为主的前提下，国家在政策上鼓励企业在技术投入和技术改造方面应用国产工业机器人。同时转变现有的机制，建立以适应市场经济所需的工业机器人的产业基地。其次，在国家的科技发展规划中，应继续对工业机器人的研究开发和应用关键、基础部件的研究和产品化给予支持，形成产品和自动化制造装备同步协调发展的新局面。第三，结合我国的国情，加强我国工业机器人应用工程的2开发，使之与国民经济的发展密切相结合。经过近十年的努力，我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具有一定规模的产业。如果说20世纪90年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话，那么当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化24小时连续运转。如擅长专机制作的意大利COMAU公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机器人表现的舞台。去年9月在汉诺威EMO2005展览会上，工业机器人的应用非常抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次CCMT2006展览会上，值得一机器人应用是当今机床发展的一大趋向提的是1号馆W1-916意大利意沃乐EVOLUT公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司，他们的一台DC-5机器人修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺，甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工，因此它已将机械人传统的搬运、喷漆、焊接工作范围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式：如带视频装置可抓取随机摆放的工件，或以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。DC-5工作单元可以处理的最大负荷为120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四个工人的工作量。3D编程软件将以往8小时编程时间缩减为15分钟，为小批量多品种的工件提供最好的解决方案。意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、零件抛光单元上的各种机械人应用等等。随着社会的不断发展和进步，势必劳动力的成本将越来越高，对环保及安全的要求将越来越严，所以工业机器人的应用必将与时俱进。而且，由机器人干出的工件，譬如说打磨，其零件的一致性肯定比人工来得好，因此欧洲有些名牌汽车制造商甚至对某些零件的某些工步，规定必须由机器人来操作。由此看来，工业机器人在机床上的应用会将越来越广3。1.2机械手概述机械手是在机械化、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3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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：（1）机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。（2）在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。（3）可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4）可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。（5）宇宙及海洋的开发。（6）军事工程及生物医学方面的研究和试验。由于以上诸多原因，因此在装配生产线上我们用液压自动搬运机械手来完成目的。1.3液压技术的特点及发展趋势液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。随着生产自动化程度的不断提高，液压技术应用面迅速扩大，液压产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，液压元件产值以接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。液压工业的高速增长，进一步刺激了液压技术的发展。液压技术正朝着精确化、高速化、小型化、复合化和集成化的方向发展6。1.4液压系统传动原理液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件4等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量转换称为机械能，从而对外做功。液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务11。1.5本课题设计目的目前在装配生产线上应用的自动搬运机械手（上下料装置）主要采用伺服电机的驱动方式，因为电动伺服技术是一项比较成熟的技术，能够实现系统在直线运动和转动状态下的精确定位，通过与一些机械装置的结合，可以输出较大的功率。采用伺服电机虽然可以达到很高的定位精度，但价格非常昂贵，且工作效率较低，因此限制了自动装卸机械手在装配生产线上的广泛应用。制造行业提出了能否用其他技术可行、成本更低的机械手来替代采用伺服电机机械手的实际问题。本课题设计的目的就是采用低成本、抓取力量大和易于控制的液压来组成液压机械手，最终实现装配生产线上工件的自动搬运。1.6本课题设计内容本课题要设计一套4自由度液压装卸机械手，主要的设计有以下几个方面：（1）确定机械手的总体结构根据装配生产线搬运机械手的特点，确定液压搬运机械手的总体方案，保证机械手在空间有限位置的定位。然后根据考虑的总体方案确定机械手的总体结5构，可采用模块化的设计，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，最后把这些模块拼装起来组成机械手。（2）设计机械手的部分零部件根据所设计的驱动系统，设计和选择机械手的部分零部件。（3）设计机械手的控制系统一般来说，设计机械手的控制系统需要考虑以下几点：1）确保机械手有足够的定位精度；2）控制机械手的运行速度，既要使时间最优化，又要考虑是否会产生惯性冲击或震动；3）考虑控制系统的成本。根据以上几点要求及机械手各部分的功能需求来设计机械手的控制系统。第2章液压式搬运机械手方案设计2.1液压式搬运机械手的组成及各部分关系概述机械手主要由执行系统、驱动系统、控制检测系统及智能系统几部分组成：6(1)执行系统：执行系统是机械手完成锌锭堆码，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、机身、机架等。①手部：机械手为了进行作业而配置的操作机构，又称手爪或抓取机构，它直接抓取锌锭。②机身：机械手的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、位移。③机架：机身的支撑部件，其作用是使机身按其预定轨道实现Y方向的位移。(2)驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其运动的装置。常用的有液压传动、气压传动和电传动。(3)控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4)检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。2.2液压式搬运机械手方案设计2.2.1设计要求通过设计机械手，培养综合运用所学过的基本理论、基本知识和基本方法分析能力和解决问题的能力。该机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动的操作空间，手臂在水平方向的移动行程为mm100，手臂回转运动行程范围为90，最大工作范围是mm1000，腰部机构升降行程为mm400。抓取工件为圆柱形轴，外形尺寸为直径6.101d，长度mmh106。该机械手在PLC控制下可实现单步、连续动作两种工作方式。2.2.2总体方案拟定根据设计要求确定总体方案：液压机械手采用圆柱坐标型，具有4个自由度的液压搬运机械手驱动系统：液压传动控制系统：PLC控制7图2-1机械手的运动简图与其他类型的机械手相比，液压机械手具有反应迅速、抓取力量大、易于控制、定位精度高等特点。本课题拟设计一套4自由度液压搬运机械手，该机械手是应用于某企业的装配生产线的搬运机械手，企业原装配生产线采用有5个自由度、伺服电机驱动的机器人来完成此工作。原