1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1目的及意义

在新兴工业化时代，机床上下料工业机器人能够满足快速、大批量加工节拍的生产要求，能够节省人力资源成本，大大提高工厂的生产效率^[2]。

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。在工业生产中机械手也称为“工业机器人”，机床上下料机器人是在数控机床上下料环节取代了人工的完成工件的自动装卸功能。随着自动控制技术的不断发展，机械手已发展成为柔性制造单元和柔性制造系统的一个重要组成部分。它可以完成大多数重复性的工件搬运工作，可以使数控机床设备成为一个柔性制造单元或柔性加工系统，加快加工生产的节奏，同时，节省了庞大的工件输送装置。通过机械手工业生产线的引入，能够达到提高企业的生产效率、提高产品质量、改善劳动者工作条件。因此，机械手装置特别适用于机械大规模、自动化流程的生产^[1]。

2. 研究的基本内容与方案

2.设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 设计目标

设计要求：基于一种圆柱坐标形式的上下料机械手，并对其进行总体设计和控制系统设计，包括机器人的总体结构布置，运动控制方式，驱动方式（液压/气压）和控制系统方案（PLC或单片机）进行设计，并对控制系统进行Matlab仿真及编程实现。

技术参数：1.夹持器承载能力：10Kg

2.X或Z最大线位移：150mm

3.最大角位移：A=90°，B=120°，C=180°

4.角位移速度范围：1.36-120°/s

5.线位移速度范围：0.008-0.5m/s

6.手臂最大伸程：650mm

7.夹持力：350-550mm

8.自由度4-6个

2.2 设计的基本内容

机械人系统^[15]主要由机械结构（执行机构）、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如图1所示^[16]。

^{图1 机械手组成框图}

本文是通过对机械手的总体设计，主要设计机械手的驱动系统和控制系统。

1)机械手总体结构

机械手主要有直角坐标形式、圆柱坐标形式、球坐标形式和关节形式。机械手的机械结构主要包括腰部、大臂、小臂、手腕、手爪。从上下料机械手要求出发，提出总体机构的设计要求。由总体结构的设计要求，提出多种结构形式，并对各形式进行比较得到一种较优的结构形式。在得到的较优结构形式基础上对机器人进行总体工作布局设计和主要机械结构设计。

2)驱动系统

机器人的驱动系统主要有气压驱动，液压驱动和电气驱动。液压驱动可以获得较大的推力或转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度，力、速度和方向比较容易实现自动控制。但液体的泄漏难以克服，造价较高，需要建立相应的液压站。气压驱动压缩空气粘度小，容易达到高速，介质为空气，无污染安全，不必添加动力设备，制造要求比液压低。但是由于空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，位置精度较低。电机驱动分为普通交流电机驱动，交、直流伺服电机驱动和步进电机驱动。电气传动中一般使用由伺服电机和驱动器以及减速器等组成的交流伺服驱动系统^[6-7]。

从上下料机械手要求出发，提出驱动系统的指标。对比多种驱动系统，根据自由度所分配的运动形式，选用适用于不同运动形式的驱动系统。设计驱动系统。

3)控制系统

从上下料机械手要求出发，提出控制系统的要求。对比不同控制器的优缺点，选用满足要求并且适用于上下料机械手的控制器。设计控制系统，提出控制系统设计方案，并对其进行编程。

4)Matlab仿真及编程实现

在对机械手总体机构设计，驱动系统设计和控制系统设计完成之后，运用Matlab对其进行编程及仿真。

2.3拟采用的技术方案及措施

2.3.1机械手总体结构设计

该机械手为圆柱坐标形式

机器人的工作流程：机械手初始位置转向未加工工件台，定位并抓取未加工工件，而后机械手转向数控机床，将工件放置到卡盘上进行加工。加工完后，将已加工工件放置到已加工工件运输台上。机械手工作平面图如图2所示

图2 机械手工作平面图

图3 机械手工作布局图

手部设计：

1.楔块杠杆式手爪^[15]

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪^[15]

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.双支点连杆杠杆式手爪^[15]

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

结合实际情况，初步拟定采用双支点连杆杠杆手爪，手指采用V型指，通过连杆推动两杆手指各绕其支点做回转运动，从而使手指松开或闭合。

2.3.2驱动系统设计

当前机器人有多种驱动形式，主要包括电机驱动、液压驱动、气压驱动三种驱动方式。根据需要也可以这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。

本机械手采用4自由度圆柱坐标形式

运动分配如下表1

表1 运动情况分配表

运动名称	符号	行程范围	速度
手臂伸缩	X	650mm	0.008-0.5m/s
手臂升降	Z	150mm	0.008-0.5m/s
腰部回转	A	180°	1.36-120°/s
手腕转动	B	90°	1.36-120°/s

腰部回转的驱动要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过液压缸或气缸来实现，目前采用电机驱动。因为电控方式控制的精度很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故初步采用电机驱动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的要求，初步采用谐波减速器进行减速和扭矩的放大^[17]。

手腕的转动采用电机驱动，电机通过联轴器与一对锥齿轮连接，通过传动轴传递到小臂前段从而改变回转方向，以此带动腕部的转动。

手爪的张紧与放松采用液压驱动，由于采用双支点连杆杠杆手爪，通过液压缸杆的伸缩对手爪产生一个力，来实现手爪的张紧与放松。

手臂的升降采用电机驱动并用丝杆螺母传动机构，手臂的伸缩采用电机驱动并采用同步齿轮带传动。

2.3.3控制系统设计

根据机械手的工作特点，控制系统初步拟定采用PLC作为控制器，机械手控制流程图如图4所示，根据控制流程图确定PLC型号并确定I/O点数，同时设计控制系统的硬件并对PLC进行软件编程。

具体硬件选型和软件编程在进行控制系统设计时开始。

图4 机械手控制流程图

图5 上下料程序流程图

机械手控制系统原理图如图6所示：

图6 机械手控制系统原理图

该系统主要是按照控制要求和机械手的运动路线来控制电磁铁的通电情况，从而控制机械手的运动方向。位置检测装置采用限位开关，机械手到底指定位置触碰到限位开关即停止运动^[20]

2.3.4 Matlab仿真及编程实现

在对机械手总体机构设计，驱动系统设计和控制系统设计完成之后，运用Matlab对其进行仿真及编程实现。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

表2 毕业设计进度安排表

时间	计划
第1-4周	查阅相关文献资料，明确研究内容，完成外文资料翻译和开题报告；
第5-8周	进行机器人总体结构设计，硬件选型，并设计驱动系统和控制系统；
第9-11周	对控制系统进行Matlab仿真及编程实现；
第12-13周	撰写毕业设计论文说明书；
第14周	毕业设计论文说明书修订，评阅与论文答辩；

4. 参考文献（12篇以上）

4.参考文献

[1]袁川来,胡灿,杨剑波.基于液压驱动的数控机床上下料机械手的设计与研究[j].湖南工业大学学报，2014,28(3):20-24

[2] sandeep s,k.r.prakash.automation of loading and unloading to cncturningcenter[j].

international journal on mechanical engineering and robotics (ijmer),2013,1(2)8-12．