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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)生姓名
：
徐振燕
專業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號
：
180533018
指導(dǎo)教師
：
原艷紅
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月 目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 1
1.2 機(jī)械手的組成和分類 2
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 5
1.4 課題的提出及主要任務(wù) 7
2 機(jī)械手的設(shè)計方案 10
2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 10
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 10
2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 11
2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 11
2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 11
2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 11
2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) 11
2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 12
3 手爪部結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.1 夾持式手爪部結(jié)構(gòu) 14
3.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 15
4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 20
4.1 手腕的自由度 20
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 20
5 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 27
5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核 27
5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核 28
5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核 29
6 氣動系統(tǒng)設(shè)計 32
6.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 32
6.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制 33
7 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計 34
7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 34
7.2 可編程序控制器的使用步驟 35
7.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 36
結(jié) 論 42
參考文獻(xiàn) 43
附 錄 44
外文文獻(xiàn) 48
Robot 48
中文翻譯 58
工業(yè)機(jī)器人 58
致 謝 65
基與PLC三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的設(shè)計
摘 要
本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式，氣動技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。
本文對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(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)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。
設(shè)計出了機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。
利用可編程序控制器對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機(jī)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(jī)械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。
關(guān)鍵詞 ：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動；可編程序控制器（PLC）
The design of the structure and control system of the base and PLC three degree of freedom manipul
ABSTRACT
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.
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,
The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator ,
This 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.
The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two control schemes of PLC according 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 workout the control program of the PLC ,
KEY WORDS ： industrial robot；manipulator ； pump ；air pressure drive ；PLC
II
山西工程技術(shù)學(xué)院———畢業(yè)設(shè)計說明書
1 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)械手概述
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)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。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)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
32
1.2 機(jī)械手的組成和分類
1.2.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)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(guān)系如方框圖2-1所示。
圖2-1機(jī)械手組成方框圖
(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
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在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時常用的有: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。
2、手腕
是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)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(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。
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(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰)運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I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(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。
6、機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
(二)驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機(jī)械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動,并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(三)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)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(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
1.2.2 機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
(一)按用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:
1、專用機(jī)械手
它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機(jī)械手，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和‘叻口工中心”
2、通用機(jī)械手
它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，
伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。
(二)按驅(qū)動方式分
1、液壓傳動機(jī)械手
是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。
2、氣壓傳動機(jī)械手
是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
3、機(jī)械傳動機(jī)械手
即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。
4、電力傳動機(jī)械手
即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
1、點(diǎn)位控制
它的運(yùn)動為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動，只能控制運(yùn)動過程中幾個點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
2、連續(xù)軌跡控制
它的運(yùn)動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
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65萬美元。
(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(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)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(shí)例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。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)，目前己基本掌握了機(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(yùn)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(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)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)器人己應(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，我國己安裝的國產(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、模塊化設(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，6000m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(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)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 課題的提出及主要任務(wù)
1.4.1 課題的提出
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，本設(shè)計的目的就是設(shè)計一個氣動搬運(yùn)機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。
現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點(diǎn):
(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動平穩(wěn)性及正確性。
(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運(yùn)動特性變化。
(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動，
氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題.
（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。
(3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。
(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。
(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。
1.4.2 課題的主要任務(wù)
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
(1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對于專用機(jī)械手來說，它的適用面相對較廣.
(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度
(3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。
(4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計
本課題將設(shè)計出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。
(5)對氣壓傳動系統(tǒng)原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行研究，提高繪圖效率，改善繪圖質(zhì)量。
(6)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計
本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。
2 機(jī)械手的設(shè)計方案
對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運(yùn)或操作設(shè)備，動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。
2.1 機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度
圖2-1 機(jī)械手的運(yùn)動示意圖
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。
2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由氣缸來實(shí)現(xiàn)。
2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。
2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計
考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)
1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為5公斤
2.基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。
2.8 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于自動輸送線的上下料。
二、設(shè)計技術(shù)參數(shù):
1、抓重
2、自由度數(shù)
3個自由度
3、座標(biāo)型式
圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑
5、手臂最大中心高
6、手臂運(yùn)動參數(shù)
伸縮行程
伸縮速度
升降行程
升降速度
回轉(zhuǎn)范圍
回轉(zhuǎn)速度
7、手腕運(yùn)動參數(shù)
回轉(zhuǎn)范圍
回轉(zhuǎn)速度
8、手指夾持范圍
棒料:
9、定位方式
行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等
10、定位精度
11、驅(qū)動方式
氣壓傳動
12、控制方式
點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
圖2-6 機(jī)械手工作范圍
3 手爪部結(jié)構(gòu)設(shè)計
為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)，
3.1 夾持式手爪部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題
(一)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。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩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。手指的開閉角應(yīng)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。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準(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。
(四)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(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
3.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計
1、手部驅(qū)動力計算
本課題氣動機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，
圖3-2 齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
（1）
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
（2）
所以
（3）
(3)實(shí)際驅(qū)動力:
（4）
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:
所以
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:
（5）
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
（6）
（7）
Gf = （8）
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預(yù)壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
（9）
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
（10）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關(guān)手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實(shí)際設(shè)計要求。
3,缸筒壁厚的設(shè)計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
（11）
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計
考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
4.1 手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算
4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，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，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)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。
1.工件2.手部3.手腕
圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
（12）
式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();
- 慣性力矩();
- 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().,
- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩();
下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:
1、手腕加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅
若手腕起動過程按等加速運(yùn)動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則:
（13）
式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;
- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量`。
若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:
（14）
式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),
- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);
- 起動過程所需的時間(s);
— 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。
2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
+ () （15）
式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);
- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)
當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩
() （16）
式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;
,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，
根據(jù),得:
同理，根據(jù)(F),得:
式中:- 的重量(N),— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).
4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。
4.2.2 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算
在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:
, 或 （17）
式中：M——回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩（N穋m）；p——回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N穋m）；R——缸體內(nèi)壁半徑（cm）；r—輸出軸半徑（cm）：
b——動片寬度（cm）。
圖4-2回轉(zhuǎn)氣紅簡圖
上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的p應(yīng)代以工作壓力p，與背壓p，之差。
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核
1.尺寸設(shè)計
氣缸長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強(qiáng),
則力矩
(18)
2.尺寸校核
1．測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
(19)
（）
工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量
假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動慣量為:
(20)
2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心
與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則
+
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,,
(21)
4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，
3 (22)
(23)
設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。
5 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核
5.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核
5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計
手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63，關(guān)于此氣缸的資料詳情請參看煙臺氣動元件廠公司主頁：www.bota.cn/products.asp.
5.1.2 尺寸校核
1.在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強(qiáng),
則驅(qū)動力：
(24)
1. 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度，則慣性力
(25)
2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
(26)
總受力
所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求要求。
5.1.3 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(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作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。
導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
5.1.4 平衡裝置
在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。
5.2 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核
5.2.1 尺寸設(shè)計
氣缸運(yùn)行長度設(shè)計為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動力
(27)
5.2.2 尺寸校核
1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力
(28)
2. 設(shè)計加速度，則慣性力
(29)
考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
(30)
總受力
所以設(shè)計尺寸符合實(shí)際使用要求。
5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核
5.3.1 尺寸設(shè)計
氣缸長度設(shè)計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時間0.5s,壓強(qiáng),
則力矩： (31)
5.3.2 尺寸校核
1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
(32)
（）
(33)
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
(34)
總驅(qū)動力矩
(35)
設(shè)計尺寸滿足使用要求。
6 氣動系統(tǒng)設(shè)計
6.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖
圖6-1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4~0.6MPa）通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。
圖6-1機(jī)械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖
表6-1 氣路元件表
序號
型 號 規(guī) 格
名 稱
數(shù) 量
1
QF-44
手動截止閥
1
2
儲氣缸
2
3
QTY-26-S1
分水濾氣閥
1
4
QTY-26-S1
減壓閥
1
5
QTY-26-S1
油霧器
1
6
TJ-1
壓力繼電器
1
7
Q24DH-15-S1
二位五通電磁閥
3
8
LI-25
單向節(jié)流閥
2
9
快速排氣閥
2
各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。
為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。
電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。
6.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制
在使用AutoCAD繪制氣動原理圖的時候，我們經(jīng)常要大量使用泵、閥等符號。
例如，在本機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)原理圖中，頻繁使用了氣缸、二位五通換向閥等元件。在下面的過載保護(hù)回路中，使用了氣缸、二位四通換向閥、順序閥、二位三通換向閥等元件。作為通用軟件，AutoCAD未提供這些符號。若每次繪圖時都重復(fù)繪制，非常麻煩，效率很低，即使采用塊插入，也難以做到統(tǒng)一、規(guī)范。
因此，我們在AutoCAD菜單欄中添加“氣動符號”菜單，以滿足氣動原理圖繪制中對專用符號的需求。
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7 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計
考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
7.1 可編程序控制器的選擇及工作過程
7.1.1 可編程序控制器的選擇
目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計中選擇了日本三菱公司的FX2N系列可編程序控制器。
7.1.2 可編程序控制器的工作過程
可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4個階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是 一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。
第二階段是處理輸入信號階段。
在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
段CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。
7.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進(jìn)行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計
即確定被控對象的動作及動作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。
(3)畫梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。
(4)助記符機(jī)器程序
相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。
(6)調(diào)試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。
(7)保存程序
調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
7.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案
7.3.1 系統(tǒng)簡介
控制對象為圓柱座標(biāo)氣動機(jī)械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。
2.控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機(jī)械手應(yīng)設(shè)置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。
（1）手動工作方式
便于對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動工作方式。用按鈕對機(jī)械手每一動作單獨(dú)進(jìn)行控制。
（2）單動工作方式
從原點(diǎn)開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按下一次起動按鈕，機(jī)械手完成一步的工作后，自動停止。
（3）自動工作方式
按下起動按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按工序自動反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機(jī)械手在完成最后一個周期的動作后，返回原點(diǎn)自動停機(jī)。
7.3.2 氣動機(jī)械手的工作流程
此機(jī)械手用于自動輸送線的上下料。
當(dāng)按