氣動技術(shù)的綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)-氣動機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動元件選擇應(yīng)用

1、摘 要?dú)鈩訖C(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文主要進(jìn)行了氣動機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動元件的選擇與應(yīng)用。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對工件的抓取、搬運(yùn)和卸載。氣動部分的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥和氣缸，設(shè)計(jì)合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。關(guān)鍵詞：氣動機(jī)械手

2、；控制閥；氣缸；氣動回路。目 錄1 緒論機(jī)械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和

3、適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。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。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(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(shí)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(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，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。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)

4、等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)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(jī)器，它有多自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。1.1 機(jī)械手的分類目前對機(jī)械手還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照不同的分類方式可以把機(jī)械手分成多種類型。1.按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動裝置的動力源，機(jī)械手可分為以下的幾種。（1）液壓式機(jī)械手。這種機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機(jī)器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)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(jī)械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、

5、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點(diǎn)是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便，但難于進(jìn)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(jī)械手。電力驅(qū)動是目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)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(qū)動電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通常還須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波減速機(jī)構(gòu)、論析減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu)）。目前也有一些特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動，以簡化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。其他還有采用混合驅(qū)動的機(jī)械手，如液-氣混合驅(qū)動機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動機(jī)械手。2.按用途分類機(jī)械手按用途可

6、分為下列幾種。（1） 搬運(yùn)機(jī)械手;（2） 噴涂機(jī)械手;（3） 焊接機(jī)械手;（4） 裝配機(jī)械手;（5） 其他用途的機(jī)械手。如航天用機(jī)械手，探海用機(jī)械手，以及排險(xiǎn)作業(yè)機(jī)械手等。3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)是機(jī)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(jī)械手可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)械手。a） 直角坐標(biāo)型 b）圓柱坐標(biāo)型 c）球坐標(biāo)型 d）多關(guān)節(jié)型 e）平面關(guān)節(jié)型圖1-1工業(yè)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)形式操作機(jī)本身的自由度最能反應(yīng)機(jī)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(jī)械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機(jī)械手。4.

7、按其他方法還可以分為（1）家務(wù)型機(jī)械手：能幫助人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。（2）操作型機(jī)械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。（3）程控型機(jī)械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)械手的機(jī)械動作。（4）示教再現(xiàn)型機(jī)械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)械手動作，輸入工作程序，機(jī)械手則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。（5）數(shù)控型機(jī)械手：不必使機(jī)械手動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)械手根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。（6）感覺控制型機(jī)械手：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手的動作。（7）適應(yīng)控制型機(jī)械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。（8）學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手：

8、能“體會”工作的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗(yàn)用于工作中。（9）智能機(jī)械手：以人工智能決定其行動的機(jī)械手。1.2 應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)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(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低

9、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(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)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(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)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(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工

10、業(yè)的必然趨勢。2 此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的組成本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：1、執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 如下圖所示 )（1）夾持裝置夾持裝置安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給夾持裝置，以完成相應(yīng)動作。本課所指的機(jī)械手僅需開閉手指。機(jī)械手手部的機(jī)構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。本課所做的機(jī)械手采用二指形狀。（2）手臂手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分本課所做的機(jī)械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂手臂的作用是

11、引導(dǎo)手指準(zhǔn)確的抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由度都需要精確的定位。本課題所做的機(jī)械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個(gè)方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度?？偫C(jī)械手的運(yùn)動離不開直線移動和轉(zhuǎn)動二種，因此，它采用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達(dá)、伺服油馬達(dá)、直流伺服馬達(dá)和步進(jìn)馬達(dá)等。軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。2、 驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機(jī)械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動。它利用油缸

12、、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動；利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)

13、作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動機(jī)。通用機(jī)械手則考慮用步進(jìn)電機(jī)、直流或交流的伺服電機(jī)、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是動力源簡單，維護(hù)，使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點(diǎn)是控制響應(yīng)速度比較慢。機(jī)械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點(diǎn)是動作確實(shí)可靠，速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易調(diào)整。本課題所做的機(jī)械手采用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松方面。3、 控制系統(tǒng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時(shí)間和加速度等。控制系

14、統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。此三自由度機(jī)械手有機(jī)械部分和控制部分可以應(yīng)用。機(jī)械部分可作為機(jī)械制圖測繪使用，也可以作為計(jì)算機(jī)三維造型的教具以及機(jī)電專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)周（機(jī)械設(shè)計(jì)與控制）使用。控制部分主要分兩類，一是以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，另一個(gè)是以PLC為核心的控制系統(tǒng)。此三自由度機(jī)械手可以作為學(xué)生了解、學(xué)習(xí)以及使用單片機(jī)的一個(gè)學(xué)習(xí)平臺，可以使學(xué)生所學(xué)的單片機(jī)知識在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，更加直觀地了解運(yùn)用單片機(jī)知識。還可用于PLC教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會運(yùn)用PLC。3 機(jī)械手的機(jī)械部分3.1整體組成及連接圖物品數(shù)量單位備注步

15、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器1塊接線端已接在電機(jī)上手持器1個(gè)控制機(jī)械手用電磁閥1套有接線端子及線路底板1塊上面固定有一電源盒機(jī)械手主體1臺立柱及氣缸USB線1條手柄與主控制板通訊串口線1條程序下載主電源線1條開關(guān)電源供電線主板電源線及接頭1套連接主板與開關(guān)電源步進(jìn)電機(jī)控制線及接頭1套連接主板與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器M825螺絲、尼龍墊圈及球型螺母4套連接底板與手臂M335螺絲、螺母及尼龍支柱4套連接主板與底板M335螺絲、螺母及尼龍墊圈4套連接底板與電磁閥M516螺絲與螺母4套連接底板與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器線扎若干條扎線及氣管 機(jī)械手臂朝向外側(cè)（背離電源盒的方向）用M825的螺絲安裝在底盤上。電磁閥匯流板用M335螺絲固定

16、于手臂右側(cè)控制線朝向內(nèi)側(cè)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器用M516螺絲固定于電源盒前方。控制板用尼龍支柱支撐用M335螺絲固定在電磁閥后方（步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器右側(cè)），串口及接口朝向內(nèi)側(cè)便于接線。如圖1所示。圖1 機(jī)械手整體圖 將氣管一端按照順序（氣管上標(biāo)號）由近及遠(yuǎn)接到氣缸上，如圖2所示。圖2 氣缸氣路連接圖 氣管另一端按照順序如圖3所示連接。 圖3 電磁閥氣路連接圖手持器的連接如圖4、5所示。線路的連接如圖6、7、8、9所示。3.2 機(jī)械手重要部件設(shè)計(jì)3.2.1氣缸的選擇及參數(shù) 氣缸是指氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動執(zhí)行元件。其中機(jī)械手上用的氣缸都是雙作用氣缸，氣體從活塞兩側(cè)交替供氣，使活塞桿在

17、一個(gè)方向輸出力。下面是氣缸理論出力的計(jì)算公式： F：氣缸理論輸出力（kgf)F：效率為85%時(shí)的輸出力（kgf）（F=F85%）D：氣缸缸徑（mm)P：工作壓力（kgf/C）例：直徑340mm的氣缸，工作壓力為3kgf/cm2時(shí)，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?將P、D連接，找出F、F上的點(diǎn)，得：F=2800kgf；F=2300kgf在工程設(shè)計(jì)時(shí)選擇氣缸缸徑，可根據(jù)其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經(jīng)驗(yàn)表11中查出。例：有一氣缸其使用壓力為5kgf/cm2，在氣缸推出時(shí)其推力為132kgf，（氣缸效率為85%）問：該選擇多大的氣缸缸徑?由氣缸的推力132kgf和氣缸的效率85%，可計(jì)算出

18、氣缸的理論推力為F=F/85%=155(kgf)由使用壓力5kgf/cm2和氣缸的理論推力，查出選擇缸徑為?63的氣缸便可滿足使用要求。X雙氣缸：X雙氣缸是雙軸雙聯(lián)氣缸如圖10所時(shí)，其采用雙軸雙聯(lián)氣缸大大提高了機(jī)械手在動作過程中的平穩(wěn)性，同時(shí)也防止了Y氣缸的轉(zhuǎn)動，是機(jī)械手能平穩(wěn)快速的完成控制動作； 控手氣缸：其采用SDA25x10型氣缸如下圖11所示，其具有免潤滑，采用含油軸承，使活塞桿無需加油潤滑。除帶固定緩沖外，氣缸終端還帶可調(diào)緩沖，使氣缸換向時(shí)平穩(wěn)圖10無沖擊，安裝形式多樣，多種安裝附件供客戶選擇，附磁環(huán)，氣缸活塞上裝有一個(gè)永久磁鐵，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的磁性開關(guān)感測氣缸的運(yùn)動位置，超薄

19、型設(shè)計(jì)，重量輕，設(shè)計(jì)輕巧安裝空間比傳統(tǒng)氣缸更小，故可安裝于空間極小之場合，保養(yǎng)簡易，分解容易等特點(diǎn)。3.2.2伸縮手臂的設(shè)計(jì)伸縮手臂為機(jī)械手執(zhí)行水平伸縮運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，它是連接機(jī)械手末端執(zhí)行器和豎直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運(yùn)動。由于伸縮手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力，在完全伸出時(shí)將承受較大彎矩，對伸縮手臂的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。伸縮手臂在進(jìn)行運(yùn)動時(shí)，為防止手臂沿伸縮方向軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運(yùn)動精度，必須設(shè)有導(dǎo)向裝置。伸縮手臂的導(dǎo)向裝置需根據(jù)伸縮手臂的安裝形式、結(jié)構(gòu)及負(fù)荷等條件來確定。常用的有單導(dǎo)向桿

20、和雙導(dǎo)向桿。為使設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和簡便化，在本設(shè)計(jì)中，伸縮手臂采用新薄型帶導(dǎo)桿氣缸（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，導(dǎo)向桿的軸承可選擇滑動軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。圖3-4 新薄型帶導(dǎo)桿氣缸根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為200mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大橫向負(fù)載F=mg=39.8=29.4N。根據(jù)表3-2的數(shù)據(jù)，初步選定為缸徑為20mm型號為MGPL20200的氣缸作為機(jī)械手的伸縮手臂。表3-2伸縮手臂作水平直線運(yùn)動時(shí)，主要克服的是摩擦阻力和慣

21、性力，因此，氣缸所需要的驅(qū)動力應(yīng)由摩擦阻力和慣性力來確定。 式中 摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； 手臂在啟動過程的慣性力。其大小可按以下公式計(jì)算； 其中手臂移動部件的重量（牛頓）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 啟動或制動前后的速度差（米/秒）； 啟動或制動所需的時(shí)間（秒）。摩擦力的計(jì)算：不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖3-5是機(jī)械手的伸縮手臂受力示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸兩側(cè)。 圖3-5 伸縮手臂受力示意圖由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。在垂直方向，可近

22、似認(rèn)為 FN=G總=29.4N。導(dǎo)桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 摩擦系數(shù)，氣缸導(dǎo)向桿的材料為鋼，取=0.2。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算F摩=FN =0.229.4=5.98N慣性力的計(jì)算：本設(shè)計(jì)要求手臂平動時(shí)V=200mm/s，在計(jì)算慣性力的時(shí)候，設(shè)置啟動時(shí)間=0.1s，啟動速度V=V=200mm/s。=6N氣缸所需的驅(qū)動力 F驅(qū)= F摩+ F慣=5.98+6=11.98N 氣缸的理論驅(qū)動力 F=1/4d2p其中 d氣缸活塞桿的直徑（米）； p氣缸的工作壓力（帕）。根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得 F=1/4d2p=1/43.14（0.01）20

23、.5106 =39.3N由計(jì)算的結(jié)果可知 FF驅(qū)即氣缸提供的理論驅(qū)動力大于氣缸實(shí)際所需的驅(qū)動力，因此，伸縮手臂的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。3.2.3夾持手爪的設(shè)計(jì) 夾持手爪如下圖12的機(jī)械設(shè)計(jì)方式是通過齒輪齒條的運(yùn)動來控制兩個(gè)手抓得張開和閉合。通過這種方式可以較快的加緊物體并能安全平穩(wěn)的使物體到達(dá)目的地。本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手手爪的最大持重m=2Kg，根據(jù)具體的工作要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)平行開閉型氣爪，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。當(dāng)A口進(jìn)氣B口排氣時(shí)，氣缸活塞桿1伸出，通過杠桿2繞杠桿軸8回轉(zhuǎn)，帶動兩個(gè)手指4通過一組鋼球3在導(dǎo)軌5上作向外直線運(yùn)動，兩手指便張開，松開工件。止動塊6限制手指張開行程，定位銷7保證直線導(dǎo)軌不錯(cuò)

24、位。圖3-1平行開閉型氣爪結(jié)構(gòu)原理圖1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導(dǎo)軌 6-止動塊 7-定位銷 8-杠桿軸對夾持工件進(jìn)行受力分析如圖3-2所示， 2個(gè)手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力2F必須大于夾持工件的重力mg，故應(yīng)滿足 2Fmg即 Fmg/2式中 摩擦系數(shù)，本設(shè)計(jì)的夾持輔助件材料為硬質(zhì)橡膠，一般令=0.65；由此 Fmg/2=29.8/(20.65)=15.1N 圖3-2 夾持工件受力示意圖根據(jù)計(jì)算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號：MHZ-10D。表3-13.2.4轉(zhuǎn)盤處旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇和參數(shù) 電機(jī)采用了三相六線直流步進(jìn)電機(jī)如下圖13所時(shí)，步距角為1

25、.8度。采用此電機(jī)可以精確的控制機(jī)械手到達(dá)指定的位置，提高了機(jī)械手的控制精度，其額定電流為1.3安培，額定電壓為3.9伏特。圖11圖12圖133.3 機(jī)械手初始狀態(tài)調(diào)整在安裝好機(jī)械手之后，將機(jī)械手置于無塵環(huán)境下的水平面上，防止手臂旋轉(zhuǎn)過程中造成重心偏移而損壞部件。檢驗(yàn)各部件功能之前應(yīng)檢查氣管各接頭是否連接緊密。電源線是否連接牢固并且開關(guān)是否打在“關(guān)閉”狀態(tài)。各接線頭是否連接正確且連接牢固，防止連接錯(cuò)誤造成短路或燒壞芯片。氣管是否都處于氣缸同側(cè)，以免當(dāng)水平臂旋轉(zhuǎn)時(shí)因氣管纏繞造成無法旋轉(zhuǎn)進(jìn)而燒壞電機(jī)，正確的初始狀態(tài)如圖所示。4 電氣部分1.3 4.1電路圖：4.1.1主控制板1.4圖154.2 控

26、制系統(tǒng)的功能介紹及使用方法：4.1.2 手持盒電路圖：（圖16）4.2.1主控制板單片機(jī)電源口的紅色發(fā)光二極管為電源指示燈。左側(cè)“總電源開關(guān) S1”為5V電源總開關(guān)，右側(cè)“手柄電源開關(guān) S2”是手柄電源開關(guān)?！癙3 電源輸入”為電源接口，“P1 電磁閥接口”，為電磁閥接口，左側(cè)“P2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口”為步進(jìn)電機(jī)控制接口，右側(cè)串口用于單片機(jī)程序下載以及單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通訊，右下側(cè)USB口用于手柄程序下載和單片機(jī)之間的通訊。 J2J6這5個(gè)跳線帽設(shè)置控制方式，每個(gè)跳線帽有兩種狀態(tài)：“PLC”和“C51”，當(dāng)處于“PLC”狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)和電磁閥由PLC控制；當(dāng)處于“C51”狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)和電磁

27、閥由C51單片機(jī)控制。JNET112這12組跳線帽用于設(shè)置通信模式，分別包括2個(gè)跳線帽，當(dāng)需要把某一組短路帽短路時(shí)，必須把這一組的2個(gè)短路帽都短路，兩者必須處于統(tǒng)一的狀態(tài)。同時(shí)因?yàn)橥ㄐ艩顟B(tài)比較多，每次只短路需要的短路帽，其他的必須斷開（JNET11和JNET12可以短著），否則會相互影響。圖16圖17 主控制板通信狀態(tài)設(shè)置表格。主控制板上也有同樣的表格。通信主體需要短路的短路帽備注主板與PCJNET3 JNET4 JNET11 也可以主板下載程序主板與手柄JNET1 JNET2 手柄與PCJNET5 JNET6 JNET11 也可以手柄下載程序手柄與PLCJNET7 JNET8 通信主體需要短

28、路的短路帽備注PLC與PCJNET9 JNET10 JNET12 也可以PLC下載程序4.2.2 手柄及其PLC控制(1)手柄組成手柄基本組成有操作界面、電源、數(shù)據(jù)傳輸線，內(nèi)置程序控制板等組成。(2)手柄控制程序上位機(jī)手柄的控制有多種方式，可以編寫匯編語言，通過匯編語言進(jìn)行控制，也可通過PLC編程來實(shí)現(xiàn)手柄的控制，還可利用vb語言實(shí)現(xiàn)控制。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的內(nèi)容是一個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)利用PLC程序來控制三自由度機(jī)械手的 啟動、停止、水平伸出及收回，手抓開合、學(xué)習(xí)及回放、自動演示功能(3)PLC簡介PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是開關(guān)量的控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的

29、控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。PLC控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖是根據(jù)PLC系統(tǒng)寫好程序來實(shí)現(xiàn)的，即PLC的步進(jìn)指令，PLC通過程序來實(shí)現(xiàn)繼電控制，把控制線路全部在PLC里面用指令或梯形圖的形式來編寫。此機(jī)械手用PLC控制時(shí)電路轉(zhuǎn)換簡單、方便，便于單片機(jī)與PLC同步比較學(xué)習(xí)，適于教學(xué)使用。4.2.3手柄通信設(shè)置（1）PLC線路的連接電源接24V直流電壓，輸出端1L+接電源5V，1M接地，為PLC的輸出端子提供工作電壓。采用高速脈沖輸出功能在PLC的高速脈沖輸出端口產(chǎn)生高速脈沖，實(shí)現(xiàn)高速脈沖輸出和精確控制，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制器轉(zhuǎn)速

30、，取另一輸出口作為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向的控制位，取三個(gè)輸出口作為電磁閥的控制位。對應(yīng)圖11中左下方的8路接線端子即為PLC驅(qū)動機(jī)械手用接線口。 當(dāng)采用PLC控制時(shí)應(yīng)將圖11中的短路套放在左側(cè)PLC端。（2）觸摸屏與PLC的通信連接如圖1所示為PLC通過手柄界面按鈕控制機(jī)械手。它的基本組成有操作界面、電源、數(shù)據(jù)傳輸線，內(nèi)置程序控制板等組成。通過操作手柄界面實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的各項(xiàng)功能或要求的動作。圖18 PLC通過手柄控制機(jī)械手用通信電纜將觸摸屏和PLC的通信串口連接，連接電源線。運(yùn)行觸摸屏，點(diǎn)擊開始界面上的開始按鈕，進(jìn)入操作模式選擇界面，模式選擇界面有自動演示、手動操作和參數(shù)設(shè)定三個(gè)選項(xiàng)；點(diǎn)擊自動演示按

31、鈕，進(jìn)入自動演示界面，點(diǎn)擊演示按鈕就可進(jìn)行設(shè)定好的機(jī)械手動作；點(diǎn)擊手動操作按鈕，進(jìn)入手動操作界面，點(diǎn)擊開始操作按鈕進(jìn)入等待操作命令狀態(tài)，然后點(diǎn)擊相應(yīng)的動作按鈕控制機(jī)械手完成相應(yīng)的動作；點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)定按鈕進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的周期和脈沖的設(shè)定界面，在當(dāng)前值欄，顯示當(dāng)前狀態(tài)下步進(jìn)電機(jī)接收的脈沖和周期值，在設(shè)定值欄，可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的周期值和脈沖數(shù)。其上位機(jī)設(shè)計(jì)模擬界面如圖19所示。（3）可編程文本顯示器與PLC的通信連接 在可編程文本顯示器和PLC的電源和通信電纜連接完畢后檢查電路，確認(rèn)無誤后上電。顯示器上電后顯示主界面，按下“ENT”鍵進(jìn)入模式選擇界面，按“”進(jìn)入自動演示界面，進(jìn)入自動演示界面后按“ENT”

32、鍵演示機(jī)械手的設(shè)定動作，按“ESC”鍵即可退回模式選擇界面，按 “ENT”鍵進(jìn)入等待操作命令狀態(tài)，按“”鍵進(jìn)入手動演示界面，按相應(yīng)的功能鍵即可完成各氣缸的相應(yīng)動作，“CLR”鍵為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到停止按鈕，參數(shù)設(shè)定界面顯示當(dāng)前狀態(tài)下的脈沖數(shù)和周期，還可設(shè)定脈沖和周期。圖19 模擬觸摸屏界面設(shè)計(jì)軟件 圖20 PLC通過可編程文本器控制機(jī)械手（4）PLC機(jī)型選擇基本原則 在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型。通常是：在工藝過程比較固定，環(huán)境比較適合的場合，建議選用整體式PLC；其他情況則選用模塊式PLC；對于開關(guān)量控制及開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制工程項(xiàng)目中，一般

33、不考慮其控制速度；而在控制比較復(fù)雜，控制要求較高的項(xiàng)目中，可是控制規(guī)模來選中檔或高檔機(jī)，主要用于大規(guī)?？刂?。4.2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器（1）驅(qū)動器產(chǎn)品特點(diǎn)平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出供電電壓可達(dá)75VDC，輸出電流峰值可達(dá)5.04A(均值3.60)，靜止時(shí)電流自動減半，可驅(qū)動4,6,8線兩相、四相步進(jìn)電機(jī)，高速光耦隔離信號輸入，脈沖響應(yīng)頻率最高可達(dá)300，抗高頻干擾能力強(qiáng)，輸出電流1.20A5.04，輸出電流設(shè)定方便，細(xì)分精度,16, 32, 64, 128, 256, 5, 10, 25, 50, 100, 125, 250 細(xì)分；有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能。圖21 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

34、動器控制線路連接圖（2） 弱電接線信號接口描述名稱功能PUL+(+5V)脈沖信號：脈沖控制信號，此時(shí)脈沖下降沿有效；PUL-高電平時(shí)4-5V，低電平0-0.5V,為了可靠響應(yīng)，脈沖寬度大于1.5uS。如采用+12V或+24V時(shí)需串電阻限流PUL-DIR+(+5V)方向信號：對應(yīng)電機(jī)正反向，為保證電機(jī)可靠響應(yīng)。方向信號應(yīng)先于脈沖信號至少5uS建立，電機(jī)的初始化運(yùn)行方向與電機(jī)的接線有關(guān)，互換任一相繞組（如A+、A-交換）可以改變電機(jī)初始運(yùn)行的方向，DIR-高電平時(shí)4-5，低電平時(shí)0-0.5V。DIR-ENA+(+5V)使能信號：此輸入信號用于使能/禁止，高電平使能，低電平時(shí)驅(qū)動器不能工作。一般情況

35、下可以不接，使之懸空而自動使能ENA-（3）強(qiáng)電接口描述名稱功能+V直流電源正極，+18V- +75V間任何值均可，但推薦值+36V - +50VDC左右GND直流電源地A電機(jī)A相。A+、A-互調(diào)，可更換一次電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向B電機(jī)B相。B+、B-互調(diào)，可更換一次電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向（4）控制信號時(shí)序圖為了避免一些誤動作和偏差，PUL、DIR和ENA應(yīng)滿足一定要求，如下圖所示：注釋：（1） t1：ENA（使能信號）應(yīng)提前DIR至少5uS，確定為高。一般情況下建議ENA+和ENA-懸空（2） t2：DIR至少提前PUL下降沿5uS確定其狀態(tài)高或低（3） t3: 脈沖寬度至少不小于1.5uS（4） t4：低電平

36、寬度不小于1.5uS（5） 電流、細(xì)分撥碼開關(guān)設(shè)定1）電流設(shè)定SW1-SW3三位撥碼開關(guān)用于設(shè)定電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流（動態(tài)電流），而SW4撥碼開關(guān)用于設(shè)定靜止時(shí)電流（靜態(tài)電流）。工作(動態(tài))電流設(shè)定用三位撥碼開關(guān)一共可設(shè)定8個(gè)電流級別，參見下表。峰值平均值SW1SW2SW31.20A0.85AONONON1.75A1.25AOFFONON峰值平均值SW1SW2SW32.29A1.63AONOFFON2.84A2.03AONONOFF3.41A2.44AOFFOFFON3.97A2.83AOFFONOFF4.51A3.23AONOFFOFF5.04A3.60AOFFOFFOFF停止（靜態(tài)）電流設(shè)定靜態(tài)

37、電流可用第4位開關(guān)設(shè)定，OFF表示靜態(tài)電流設(shè)為動態(tài)電流的一半左右（60%），ON表示靜態(tài)電流與動態(tài)電流相同。一般用途中應(yīng)將SW4設(shè)成OFF，使得馬達(dá)和驅(qū)動器的發(fā)熱減少，可靠性提高。脈沖串停止后續(xù)0.2秒左右電流自動減至設(shè)定值的60%，發(fā)熱量理論上減至36%（發(fā)熱與電流平方成正比）。2）細(xì)分設(shè)定細(xì)分精度有SW5-SW8四位撥碼開關(guān)設(shè)定。步數(shù)/圈（1.8/整步）SW5SW6SW7SW8400OFFONONON800ONOFFONON1600OFFOFFONON3200ONONOFFON6400OFFONOFFON12800ONOFFOFFON25600OFFOFFOFFON1000ONONONOF

38、F2000OFFONONOFF4000ONOFFONOFF5000OFFOFFONOFF8000ONONOFFOFF10000OFFONOFFOFF20000ONOFFOFFOFF25000OFFOFFOFFOFF4.2.4電磁閥使用簡介三個(gè)二位五通電磁閥由一個(gè)匯流板連在一起，由三個(gè)三極管控制其打開的方向，進(jìn)而控制通氣方向。 二位五通電磁閥是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；并不限于液壓，氣動。電磁閥用于控制液體流動方向，工廠的機(jī)械裝置一般都由液壓缸控制，所以就會用到電磁閥，這里所用電磁閥用來控制氣體流動。 電磁閥的工作原理，電磁閥里有密閉的腔，在的不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同的

39、油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機(jī)械裝置運(yùn)動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機(jī)械運(yùn)動。 兩位五通電磁閥具有1個(gè)進(jìn)氣孔(接進(jìn)氣氣源)、1個(gè)正動作出氣孔和1個(gè)反動作出氣孔(分別提供給目標(biāo)設(shè)備的一正一反動作的氣源)、1個(gè)正動作排氣孔和1個(gè)反動作排氣孔(安裝消聲器)。對于小型自動控制設(shè)備，氣管一般選用812mm的工業(yè)膠氣管。電磁閥一般選用日本SMC(高檔一點(diǎn)，不過是小日本的產(chǎn)品)、臺灣亞德客(實(shí)惠，質(zhì)量也不錯(cuò))或其它國產(chǎn)品牌等等。在電氣上來說，兩位三通電磁閥一般為單電控(即單線圈)，兩位五通電磁閥一般為雙電控(即雙線圈)。線圈電壓等級一般采用DC24V、AC220V等。兩位三通電磁閥分為常閉型和常開型兩種，常閉型指線圈沒通電時(shí)氣路是斷的，常開型指線圈沒通電時(shí)氣路是通的。常閉型兩位三通電磁閥動作原理：給線圈通電，氣路接通，線圈一旦斷電，氣路就會斷開，這相當(dāng)于“點(diǎn)動”。常開型兩位三通單電控電磁閥動作原理：給線圈通電，氣路斷開，線圈一旦斷電，氣路就會接通，這也是“點(diǎn)動”。兩位五通雙電控電磁閥動作