氣動機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)、作業(yè))題 目：氣動上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：楊景雄層次：本科所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化班級：2012級指導(dǎo)老師：職稱：2015 年 03 月 20 日廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)、作業(yè))評語表指 導(dǎo) 教 師 評 語 評定成績：_分 簽 名：_ 年 月 日評 閱教師 評 語評定成績：_分 簽 名：_ 年 月 日答辯結(jié)論評定成績：_分 簽 名：_ 年 月 日總 評評定等級：_ 簽 名：_ 年 月 日廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、作業(yè)）原 創(chuàng) 承 諾 書我承諾所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、作業(yè)） 氣動上下料機(jī)械手的設(shè) 計(jì) 是本人在老師指導(dǎo)

2、下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。若本論文（設(shè)計(jì)、作業(yè)）及資料與以上承諾內(nèi)容不符，本人愿意承擔(dān)一切責(zé)任。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、作業(yè)）作者簽名： 日期： 年 月 日廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)、作業(yè))任務(wù)書 發(fā)給學(xué)員1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文、作業(yè)）題目：氣動上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 2、學(xué)員完成設(shè)計(jì)（論文、作業(yè)）時間： 年 月 日3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文、作業(yè)）課題要求： 4、實(shí)驗(yàn)（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 5、文獻(xiàn)查閱要求： 6、發(fā)出日期：年月日7、學(xué)員完成日期：年月日系（教研室）意見： 簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 學(xué)

3、 生 簽 名： 摘 要本文對機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時，分別設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)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(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。設(shè)計(jì)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。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)械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手，機(jī)械手，氣動，可編程

4、序控制器(PLC)目 錄摘要. 第1章緒論. .11.1機(jī)械手概述.11.2機(jī)械手的組成和分類.1機(jī)械手的組成.1機(jī)械手的分類.31.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.41.4課題的提出及主要任務(wù)課題的主要任務(wù).5第2章設(shè)計(jì)方案.62.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度.62.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì).62.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì).62.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì).62.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計(jì).72.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì).7第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).73.1手指的形狀和分類.73.2設(shè)計(jì)時考慮的幾個問題.7第4章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8第5章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).85.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8第6章氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì).86.1氣壓傳動

5、系統(tǒng)工作原理圖.8第7章機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).107.1 機(jī)械手的工藝過程.107.2 PLC控制系統(tǒng).107.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).12結(jié)束語.16參考文獻(xiàn).17第1章緒論1.1機(jī)械手概述機(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

6、、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。1.2機(jī)械手的組成和分類機(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1-1機(jī)械手的組成方框圖（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的

7、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部。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。回轉(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

8、件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，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。吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部

9、分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式.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。手臂可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動如下:手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時在啟動、

10、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài)簡單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。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)械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，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。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分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)

11、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，通常由動力源、控制調(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、電力傳動和機(jī)械傳動。(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(bào)警信號。(四)

12、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。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)，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機(jī)械手。2、

13、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。在規(guī)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: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，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)

14、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)李源極為方便，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

15、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，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。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)動的機(jī)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

16、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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(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)

17、械手整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品問市。(3)工業(yè)機(jī)械手控制系統(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)械手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)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、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)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)

18、械手。(6)當(dāng)代遙控機(jī)械手系統(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)械手的人機(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)械手走出實(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)械手就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)械手化機(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)械手從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)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)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)械手關(guān)

19、鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)械手;其中有130多臺套噴漆機(jī)械手在二十余家企業(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)械手己應(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)械手技術(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)械手應(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)械手約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)械手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)械手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，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、

20、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(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)械手和特種機(jī)械手在“863”計(jì)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)械手，6000m水下無纜機(jī)械手的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)械手、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)械手、爬壁機(jī)械手、管道機(jī)械手等機(jī)種:在機(jī)械手視覺、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)械手、智能裝配機(jī)械手、機(jī)械手化機(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

21、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)課題的主要任務(wù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1、 工件形狀 2、 工件重量50g，為塑料件；運(yùn)動部件總重6Kg3、動作要求單元一：提升機(jī)構(gòu)：零件從振動料斗落料到20mm高的平臺上，首先對其進(jìn)行檢測，檢測到零件合格，則該將零件從20mm高處提升至40mm高處，便于物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓?。蝗绻麢z測到零件不合格，則將零件推入廢料箱中，不進(jìn)行提升動作。單元二：物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)：檢測裝置檢測到平臺上有零件，則將提升機(jī)構(gòu)提升起來的零件轉(zhuǎn)運(yùn)至距離該處440mm處，待裝配。該機(jī)構(gòu)的氣動系統(tǒng)工作循環(huán)為：懸臂伸出氣爪

22、下行抓取工件氣爪上行懸臂回縮旋轉(zhuǎn)合適的角度（小于180º）懸臂伸出氣爪下行松開工件（放到指定的工作臺上），完成一個自動工作循環(huán)。本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1)機(jī)械手為專用機(jī)械手(2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:氣爪，氣缸的設(shè)計(jì)。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題將設(shè)計(jì)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(jì)，并繪出氣動原理圖。(6)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。第2章 設(shè)計(jì)方案 對氣動機(jī)械手的基本要

23、求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(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(jì)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(jì)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.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

24、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，無旋轉(zhuǎn)，因此，可采用直角座標(biāo)型式。2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)本課題要抓取的是一圓柱形物體，所以可采用夾持式手部，直接采取氣爪即可。2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)被抓取工件是水平放置，手腕無需設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，手腕設(shè)計(jì)并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)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)和升降(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)動方向設(shè)計(jì)由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，

25、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(jì)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。第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1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

26、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。3.2設(shè)計(jì)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

27、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)是左右兩指弧形夾持氣爪。（為了牢固抓取，將氣爪部位，加裝與零件外形較為接近的爪子）第4

28、章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被抓取工件是水平放置，手腕無需設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，手腕設(shè)計(jì)并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。第5章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)和升降(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)。5.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂的伸縮是直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲

29、力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。第6章 氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)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0.40.6M Pa) 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)工作原理圖各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡

30、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(jì)算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)

31、下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。第7章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7.1 機(jī)械手的工藝過程 機(jī)械手的工作均由電機(jī)驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn)，按下啟動后按扭后，機(jī)械手將原點(diǎn)下降夾緊（T）上升右移下降放松（T）上升左移到原點(diǎn),動作完成一個工作周期。機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。為了確保安全，機(jī)械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動暫停，等待。為此設(shè)置了一個光電開關(guān)，以檢測“無工件”

32、信號。為了滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。1） 手動工作方式：利用按鈕對機(jī)械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降” 按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，機(jī)械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作 位置和緊急停車后機(jī)械手返回原點(diǎn)。2） 單步工作方式：從原點(diǎn)開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，機(jī)械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點(diǎn)后停止。4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)，按步序自動反復(fù)連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)：正常停車

33、：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點(diǎn)自動停機(jī)。緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機(jī)械手停止 在當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回到原點(diǎn)。7.2 PLC控制系統(tǒng)1確定輸入/輸出點(diǎn)數(shù)并選擇 PLC 型號1）輸入信號位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關(guān)，需要 4 個輸入端 子?！盁o工件檢測”信號：用光電開關(guān)作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x擇開關(guān)：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。自動工作：尚

34、需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。2）輸出信號PLC 的輸出用于控制機(jī)械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制等，共需要 11 個輸出點(diǎn)。機(jī)械手從原點(diǎn)開始工作，需要一個原點(diǎn)指示燈，也需要 1 個輸出點(diǎn)。所以，至少需要 6 個輸出點(diǎn)。由于機(jī)械手的控制屬于開關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據(jù)所需的 I/O 總點(diǎn)數(shù)并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點(diǎn)，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項(xiàng)工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。2分

35、配 PLC 的輸入/輸出端子PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 7-2 所示。圖 7-2 輸入/輸出分配接線圖7.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨(dú)立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖 7-3 所示。選擇手動方式時，X3 接同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動程序。圖 7-3 總程序結(jié)構(gòu)框圖（1）手動程序手動操作不需要按工序順序進(jìn)行動作，所以可按普通繼電器程序來設(shè)計(jì)。手動操作的梯形圖，如圖 7-4 所示，圖 7-4 手動程序手動按鈕 X20-X25 分別控制圖 7-4 手動程序下降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進(jìn)行， 設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入 X11 作上限連鎖，這是 因?yàn)闄C(jī)械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。（2） 自動程序自動程序如圖7-5 所示。圖7-5 自動程序1）連續(xù)及單周期操作。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下降動作。當(dāng)下降到下限位開關(guān)時，X10 接通，又接通下一個狀態(tài) S21，接著執(zhí)行 下一步動作。當(dāng)執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點(diǎn)碰到左限位開關(guān)時，X13 接 通，