紙箱碼垛機器人用氣動夾具設計
目錄
摘要 1
Abstract 1
第一章 緒論 3
1.1機械手簡史 3
1.2機械手分類 5
1.3 機械手的組成 8
1.4 應用機械手的意義 10
第二章 紙箱碼垛機器人用氣動夾具總體方案設計 12
2.1機械手的坐標形式與自由度 12
2.2 機械手的結構方案確定 13
2.3、機械手的主要參數(shù)的確定 14
2.4、機械手氣路回路的設計 15
第三章 紙箱碼垛機器人用氣動夾具結構設計 16
3.1末端執(zhí)行器（手部結構的設計） 16
3.1.2資料收集 17
3.2機械手手腕的結構設計 22
3.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 23
3.2.2回轉氣缸的驅動力矩計算 24
3.2.3手腕回轉缸的設計計算 25
3.3手臂伸縮、升降、旋轉氣缸的校核計算 26
第四章 自動控制系統(tǒng)設計………………………………………………………29
4.1氣動系統(tǒng)設計要求……………………………………………………29
4.2驅動系統(tǒng)設計方案……………………………………………………29
第五章 PLC控制系統(tǒng)設計…………………………………………………… …30
5.1PLC控制的優(yōu)點………………………………………………………………31
5.2PLC的工作原理……………………………………………………………..32
5.3程序梯形圖………………………………………………………………….33
5.4控制程序調試…………………………………………………………………34
結論 32
致謝 33
參考文獻： 34
摘 要
氣動機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序吸取的、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
本文主要進行了紙箱碼垛機器人用氣動夾具的總體結構設計和氣動設計。機械手的機械結構由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的吸取的、搬運和卸載。氣動部分的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。
關鍵詞：氣動機械手；氣缸；氣動回路；四自由度。
Abstract
Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom
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第一章 緒論
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。不論是傳統(tǒng)產業(yè)，還是新興產業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點之一。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。
機械手技術涉及到力學、機械學、電氣氣技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。
1.1機械手簡史
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用氣驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。
1962年，美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用氣驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。
瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1976年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機器手（機器人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。
1.2機械手的分類
目前對機械手還沒有統(tǒng)一的分類標準。按照不同的分類方式可以把機械手分成多種類型。
1.按驅動方式分類
按驅動裝置的動力源，機械手可分為以下的幾種。
（1）氣式機械手。這種機械手的驅動系統(tǒng)通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機器人通常具有很大的抓舉能力并且結構緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。
（2）氣壓式機械手。其驅動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機組成。特點是氣源方便，動作迅速，結構簡單、造價較低、維修方便，但難于進行速度控制，并因氣壓不能太高，固抓舉能力較小。
（3）電動式機械手。電力驅動是目前機械手使用的最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機。由于電機速度高，通常還須采用減速機構（如諧波減速機構、論析減速機構、滾珠絲杠和多桿機構）。目前也有一些特制電機直接進行驅動，以簡化機構，提高控制精度。
其他還有采用混合驅動的機械手，如液-氣混合驅動機械手或電-氣混合驅動機械手。
2.按用途分類
機械手按用途可分為下列幾種。
（1） 搬運機械手;
（2） 噴涂機械手;
（3） 焊接機械手;
（4） 裝配機械手;
（5） 其他用途的機械手。如航天用機械手，探海用機械手，以及排險作業(yè)機械手等。
3.按操作機的位置機構類型和自由度數(shù)量分類
操作機的位置機構是機械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)型機械手。
a） 直角坐標型? b）圓柱坐標型? c）球坐標型? d）多關節(jié)型? e）平面關節(jié)型
圖1-1工業(yè)機械手的基本結構形式
操作機本身的自由度最能反應機器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機械手。
4.按其他方法還可以分為
（1）家務型機械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務活。
（2）操作型機械手：能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。
（3）程控型機械手：按預先要求的順序及條件，依次控制機械手的機械動作。
（4）示教再現(xiàn)型機械手：通過引導或其它方式，先教會機械手動作，輸入工作程序，機械手則自動重復進行作業(yè)。
（5）數(shù)控型機械手：不必使機械手動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機械手根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。
（6）感覺控制型機械手：利用傳感器獲取的信息控制機械手的動作。
（7）適應控制型機械手：能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行動。
（8）學習控制型機械手：能“體會”工作的經驗，具有一定的學習功能，并將所“學”的經驗用于工作中。
（9）智能機械手：以人工智能決定其行動的機械手。
1.3機械手的組成
工業(yè)機械手通常由執(zhí)行機構、驅動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機械手的典型結構，圖1-3為工業(yè)機械手的組成方框圖。
圖1-2工業(yè)機械手的典型結構
手部
腕部
臂部
執(zhí)行機構
腰部
基座部（固定或移動）
工業(yè)機械手
電、液或氣驅動裝置
驅動裝置
單關節(jié)伺服控制器
控制系統(tǒng)
關節(jié)協(xié)調及其它信息交換計算機
感覺裝置子
視覺裝置子
智能系統(tǒng)
語言識別裝置
圖1-3工業(yè)機械手的組成方框圖
執(zhí)行機構（也稱操作機）是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由桿件和關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。
手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機械手直接進行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預定姿態(tài)，是操作機的中結構最為復雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉部件，腰部的回轉運動加上臂部的平面運動，就能使腕部做空間運動。腰部是執(zhí)行結構的關鍵部件，它的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個機械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
工業(yè)機械手的驅動-傳動裝置包括驅動器和傳動機構兩個部分，它們通常與執(zhí)行機構連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅動器通常有電機（直流伺服電機、步進電機、交流伺服電機）、氣或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。
控制系統(tǒng)一般有控制計算機和伺服控制器組成。控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機械手的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。
智能系統(tǒng)是目前機械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。
1.4應用機械手的意義
隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。
在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產過程中的自動化程度
應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產
應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。
綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
第二章 紙箱碼垛機器人用氣動夾具設計總體方案設計
本課題是一個用于紙箱碼垛機器人用氣動夾具的設計。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，以及氣動回路的設計。在本章中對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務。
2.1機械手的座標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。
2.2 機械手的手部結構方案確定
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
考慮到機械手的通用性，同時由于被吸取的工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。
按照吸取的工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降(或俯仰)運動。手臂的回轉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移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
2.3 機械手的主要參數(shù)確定
機械手的最大吸取載荷是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮吸取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計設計吸取的工件質量為5公斤。
基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。機械手動作時有啟動、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，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當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。該機械手的定位精度為。
設計技術參數(shù)如下：
1、載重：5Kg (夾持式手部)
2、自由度數(shù)：4個自由度
3、坐標型式：圓柱坐標
4、最大工作半徑：1400mm
5、機身最大中心高：1250mm
6、主要運動參數(shù)：
手臂伸縮行程：1200mm 手臂伸縮速度：200mm/s
機身升降行程：120mm 機身升降速度：100mm/s
機身回轉范圍：0- 180° 機身回轉速度：90°/s
2.4 機械手氣路回路設計
機械手氣動回路的設計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作，設計的氣動回路圖如圖2-2所示。
圖2-2 機械手氣動回路圖
本設計的氣動機械手完成各個運動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運動方向，氣缸的進出口回路各設置一個單向節(jié)流閥，通過控制進出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運動速度。設計中采用PLC控制機械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產率。
第三章 紙箱碼垛機器人用氣動夾具設計結構設計
3.1 末端執(zhí)行器設計（手部結構）
末端執(zhí)行器是裝在機械手臂的末端處，用于機械手完成作業(yè)任務而專門設計的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機械手的用途密切相關，根據(jù)其用途，末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等種類。
搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來吸取的或吸附被搬運的物體。
加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。
測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。
在設計機械手末端執(zhí)行器時，應注意以下問題；
1.機械手末端執(zhí)行器是根據(jù)機械手作業(yè)要求來設計的。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機械手新的應用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴大機械手的應用領域。
2.機械手末端執(zhí)行器的重量、被吸取的物體的重量及操作力和機械手容許的負荷力。因此，要求機械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結構緊湊。
3.機械手末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結構上很復雜，甚至很難實現(xiàn)，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實際應用出發(fā)，應著重開發(fā)各種專用的、高效率的機械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實現(xiàn)機械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。
4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。
5.機械手末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機械手執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是氣式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。
末端執(zhí)行器即機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。
機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種
1.氣動驅動方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。由于氣動驅動系統(tǒng)價格較低，所以氣動夾持器在工業(yè)中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的吸取的運動具有一定的柔順性，這一點是吸取的動作十分需要的。
2.電動驅動方式 電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。
3.氣驅動方式 氣驅動系統(tǒng)傳動剛度大，可實現(xiàn)連續(xù)位置控制。
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卡式(或內漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。
3.1.1夾持式手部結構設計要素
(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，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。
(二)手指間應具有一定的開閉角
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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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)保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被吸取的工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
(五)考慮被吸取的對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。
圖 3-1 手部結構圖
由于其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以
(3)實際驅動力:
1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被吸取的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:
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:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量，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
在設計中，必須考慮負載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關手冊圓整，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:
滿足實際設計要求。
3、缸筒壁厚的設計
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徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內徑，mm
- 實驗壓力，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:
3.2 機械手手腕結構設計
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手吸取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。
3.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩
手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.圖3-1所示為手腕受力的示意圖。
圖3-1 手腕回轉
3.2.2 回轉氣缸的驅動力矩計算
在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖3-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:
, 或
圖3-2 回轉氣缸簡圖
式中：M：回轉氣缸的驅動力矩（N.cm）
P：回轉氣缸的工作壓力（N.cm）
R：缸體內壁半徑（cm）
r：輸出軸半徑（cm）
b：動片寬度（cm）
上述驅動力矩和壓力的關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應代以工作壓力p1與背壓p2之差。
3.2.3 手腕回轉缸的設計計算
1.尺寸設計
氣缸長度設計為,氣缸內徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強,
則力矩
2.尺寸校核
1．測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
工件的質量為5,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量
。
假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉動慣量為:
3、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心
與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線,則
+
4、手腕轉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， ，為手腕轉動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,,
5．回轉缸的動片與缸徑、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，應根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，
3
設計尺寸符合使用要求，安全。
3.3 手臂伸縮、升降、回轉氣缸的校核計算
3.3.1手臂伸縮氣缸計算
手臂伸縮氣缸采用亞德客的氣缸，具體缸徑選擇63的缸徑。
1、在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,
則驅動力：
（1） 測定手腕質量為50kg,設計加速度，則慣性力
（2）考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
總受力
所以標準氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求要求。
氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和吸取的物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。
導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。
在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據(jù)吸取的物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。
3.3.2手臂升降氣缸計算
1、尺寸設計
氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力
2、尺寸校核
（1）測定手腕質量為80kg,則重力
（2）設計加速度，則慣性力
（3）考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，
總受力
所以設計尺寸符合實際使用要求。
3.3.3 手臂回轉氣缸計算
1、 尺寸設計
氣缸長度設計為,氣缸內徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,
則力矩：
2、 尺寸校核
1．測定參與手臂轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù),
總驅動力矩
設計尺寸滿足使用要求。
第四章 自動控制系統(tǒng)的設計
4.1驅動系統(tǒng)設計要求
本次設計的紙箱碼垛機器人用氣動夾具設計靠氣壓驅動機械手。因此，相應地有手臂升降、手臂伸縮機構均用氣缸驅動與控制。
設計要求
（1）滿足機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現(xiàn)。
（2）機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調。
（3）控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，氣缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求
4.2驅動系統(tǒng)設計方案
采用螺桿壓縮機供氣，動作順序：從原位開始——升降臂下降——夾持器夾緊——升降臂上升——底座快進回轉——底座慢進——手腕回轉——伸縮臂伸出——夾持器松開——伸縮臂縮回；待加工完畢后，伸縮臂伸出——夾持器夾緊——伸縮臂縮回——底座快退(回轉)——底座慢退——手腕回轉——升降臂下降——夾持器松開——升降臂上升到原位停止，準備下次循環(huán)。
上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應的電磁鐵（電磁換向閥），按程序依次步進動作而實現(xiàn)。
（1）各氣缸的換向回路
為便于機械手的自動控制，采用可編程控制器進行控制，前分析可得系統(tǒng)的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化成都和經濟效益。氣動搬運機械手，手臂伸縮，手腕回轉，夾持動作采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥采用中位“O”型換向閥。
（2）調速方案
整個氣系統(tǒng)只用單泵工作，各氣缸所需的流量相差較大，各氣缸都用氣泵的全流量是無法滿足設計要求的。盡管有的氣缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證氣缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進路或回路節(jié)流調速，選用節(jié)流閥調速。
單泵供氣系統(tǒng)以所有氣缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡單，所需元件較少，經濟性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。
（3）緩沖回路
伸縮臂處設置緩沖回路，使用單向節(jié)流閥
（4）系統(tǒng)安全可靠性
夾緊缸在夾緊工件時，為防止失電等意外情況，設置鎖緊保壓回路。
手臂升降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設置平衡回路。
第五章 PLC控制系統(tǒng)設計
5.1PLC控制的優(yōu)點
(1)在采用PLC控制，主要是用軟件實現(xiàn)對其運行的自動控制，可靠性大大提高。
(2)控制系統(tǒng)結構簡單，外部線路簡化。
(3)PLC可實現(xiàn)各種復雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。
(4)PLC可進行故障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。
(5)用于群控調配和管理，并提高病床呼叫運行效率。
(6)更改控制方案時不需改動硬件接線。
5.2 PLC的工作原理
PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
5.3程序梯形圖
5.4控制程序的調試
STEP 7-Micro/WIN V3.1(西門子S7-200編程軟件)編寫的梯形圖程序，并注意選擇對應的PLC型號（CPU226）。編譯無錯誤后使用引出命令將梯形圖程序存成后綴為.awl格式的可執(zhí)行程序文件并保存在你設定的文件夾中（如bchjxt.awl）。打開西門子S7-200仿真程序漢化版，輸入密碼，設定PLC的CPU型號為CPU226，打開“程序”使用“裝載程序”命令將bchjxt.awl程序文件載入仿真程序軟件中，點擊命令“切換到運行狀態(tài)”，打開“查看“使用”內存監(jiān)視“命令輸入你所要觀察的輸入輸出的位。通過對仿真程序中指示燈的運行狀態(tài)的觀察來檢驗程序是否準確，并對錯誤部分進行修改，完成程序。在程序運行過程中可以配合秒表，手表等器材大概的估計時間的準確性，并實時的對錯誤的程序段進行標記，以方便后面的修正工作。最好有兩個人分工協(xié)作對程序校驗，以免一個人分心做不同的事而造成不必要的錯誤
結 論
本文所設計的紙箱碼垛機器人用氣動夾具設計結構比較簡單，功能比較簡單，設計比較合理，能夠滿足部分不同形狀的工件的轉移、夾取、安裝等功能，方便快捷。其設計主要考慮以下幾個方面：
（1）機械手氣動回路設計
選用合適的氣動元件，通過控制和調節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。
（2）末端執(zhí)行器的設計
末端執(zhí)行器采用平行開閉型氣爪，結構簡單，直接采用成品材料。針對實際的要求，可以換用其他各種末端執(zhí)行器，對不同種類的工件實現(xiàn)夾取、轉移、安裝。
（3）機械手手臂的設計
將旋轉氣缸安裝在底板上，實現(xiàn)機械手的回轉運動，使機械手向左或向右擺動。機械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運動和豎直升降運動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進行切換。
由于個人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正，不勝感謝！
致 謝
在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業(yè)上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業(yè)階段的學業(yè)的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。
經過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。
四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。
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