氣動機械手設(shè)計畢業(yè)論文

1、成人高等教育畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）題 目： 氣動機械手設(shè)計完 成 人： 專 業(yè)： 機械設(shè)計與制造年級層次： 指導教師： 完成時間： 氣動機械手設(shè)計摘要：機械手是在機械化，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，機械手運用于自動生產(chǎn)線中它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務(wù)，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不間斷重復同一種工作，不知疲勞，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此氣動機械手的應(yīng)用已受到許多部門的重視，并越廣泛的運用到生產(chǎn)中。機械手技術(shù)涉及到力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。關(guān)鍵詞：機械

2、手；編程；自動生產(chǎn)；綜合技術(shù)。1.緒論1.1機械手的概述和應(yīng)用1.1.1概述機械手由操作機(機械本體)、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、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的自動化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對提高產(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。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機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器特長

3、的一種擬人的電子機械裝置，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器的進化過程產(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，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。1.1.2應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(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，它代替人進行正常的工作，意

4、義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，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 機械手的組成和分類1.2.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(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1-1所示。圖1-

5、1機械手組成方框圖1.執(zhí)行機構(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。在本課題中采用夾持式手部結(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(外廓或內(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

6、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，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以

7、是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。（5）行走機構(gòu)當機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。（6）機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2.驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置、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、機械傳動。3.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是

8、支配著機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工機械手的控制系統(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，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。4.位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。1.2.2機械手的分類1.按用途分可分為專用機械手和通用

9、機械手兩種:（1）專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。（2）通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣的機械手。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)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，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，只能是點位控制:可以是點位

10、的，也可以實現(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械手屬于數(shù)控類型。2.按驅(qū)動方式分（1）液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。(2)氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是: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，

11、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)境中進行工作。(3)機械傳動機械手即由機械傳動機構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。(4)電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便

12、。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。3.按控制方式分（1）點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。（2）連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:(1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不

13、斷下降。(2) 機械結(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、減速機、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)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。(3) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、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、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等 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)實技術(shù)在機器人中的作用已從

14、仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。(6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，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)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。(7) 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機器人從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器

15、人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機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器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶

16、，一設(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)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“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器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、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)遙控機器人、智能裝配機器人、機器

17、人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4課題的提出及主要任務(wù)1.4.1課題的提出進入21世紀，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，降低工人的勞動強度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，將機械手，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)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。目前使用的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:1

18、.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;且使用維護需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: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，管道不易堵塞和介質(zhì)變質(zhì)及補充的問

19、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，空氣便于集中供應(yīng)和遠距離輸送。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)也能實現(xiàn)過載保護，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、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、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

20、件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。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.進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設(shè)計。2.設(shè)計氣動機械手氣路設(shè)計，進行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算。3.用PLC對機械手控制的總體設(shè)計。2.機械手的設(shè)計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，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、

21、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。2.1機械手的坐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，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)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(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱坐標型式。相應(yīng)的機械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。圖2-1 機械手的運動示意圖2.2 機械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更

22、換結(jié)構(gòu)，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。2.3 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計考慮到機械手的通用性，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)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)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)。2.5 機械手的驅(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，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。

23、2.6 機械手的控制方案設(shè)計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。2.7 機械手的主要參數(shù)1.機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)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為1公斤。2.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(shè)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(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)

24、速度設(shè)計為90/S。平均移動速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為60/S。2.8機械手的技術(shù)參數(shù)列表2.8.1用途:用于自動輸送線的上下料。2.8.2設(shè)計技術(shù)參數(shù):1.抓重：1千克 。2.自由度數(shù)：4個自由度。3.坐標型式：圓柱坐標。4.手臂運動參數(shù)：伸縮行程100mm；伸縮速度40mm/s；升降行程150mm；升降速度100mm/s。5.手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍0-180；回轉(zhuǎn)速度90/S。6.手指夾持范圍：棒料: 10-40 。7.定位方式行程開關(guān)8.定位精度:1mm 。9.驅(qū)動方式:氣壓傳動。10.控制方式:點位程序控制(采用PLC).2.9 前法蘭式氣缸的簡介氣缸是使機械裝置進行直線往復

25、運動的氣動執(zhí)行元件。氣缸的類型有很多種，根據(jù)使用的需要進行選擇。前法蘭式氣缸的特點：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點是螺釘所承受的軸向力較大。3.手臂伸縮、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核根據(jù)實驗設(shè)計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為63/63。3.1.1驅(qū)動力的計算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，則驅(qū)動力： 2. 測定手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和為7kg,設(shè)計加速度，則

26、慣性力 =107=703.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), =700.2 =14 總受力 =70+14=84 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求3.1.2活塞桿的計算1.按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d 式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，S1.4。2.按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當長細比 時 當長細比 時 式中 活塞桿計算長

27、度（m） 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)， 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/50003.1.3 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。3.2手腕回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核3.2.1 尺寸設(shè)計此部分選用單片葉片式擺動氣馬達需設(shè)計其葉片內(nèi)直徑與葉片軸直徑計算公式

28、如下： T=（R-r）bpn/8葉片寬度設(shè)計為b=9mm,氣缸內(nèi)徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數(shù)n=1, P=0.4MPa，則理論驅(qū)動力矩 ：T=（D1-D2）bpn/8 =12.276N.M3.2.2 尺寸校核1測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量m1=2kg,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r=53mm的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： =20.0530.053/2 =0.03（） =0.03(180/1)=5.4 N.M考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), =0.25.4=1.08 N.M總驅(qū)動力矩 =5.4+1.08=6.48 N.M TM 設(shè)計尺寸滿足使用要

29、求。4.氣動系統(tǒng)設(shè)計4.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖圖4-1為該機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（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。圖4-1 機械手氣壓傳動原理圖序號型號規(guī)格名 稱數(shù)量序號型號規(guī)格名 稱數(shù)量1QF-4手動截止閥18Q24D2H-10-S1二位五通電磁滑閥42儲氣缸29Q24D2H-15-S1二位五通電磁滑閥13QSL-26-S1分水濾氣器110單向節(jié)流閥24QTY-20-S1減壓閥111LI-25二位五通電磁滑閥25QIU-20-S1油霧器112快速排氣閥26

30、YJ-1壓力繼電器113氣液轉(zhuǎn)換器17Q24DH-10-S1二位五通電磁滑閥1圖4-2 機械手氣壓傳動電器元件圖各執(zhí)行機構(gòu)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)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(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，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，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

31、調(diào)節(jié)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。5.機械手的PLC控制設(shè)計 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。5.1可編程序控器的簡介在60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計和安

32、裝十分費時、費工、費料甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即：1. 編程方便，現(xiàn)場可修改程序。2. 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)。3. 可靠性高于繼電器控制裝置。4. 體積小于繼電器控制裝置。5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機。6. 成本可與繼電器控制裝置競爭。7. 輸入可以是交流115V。 8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等。9. 在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更。10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC) 研制出第一臺PLC，在美

33、國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971年，日本從美國引進了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制,于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。5.2 PLC的結(jié)構(gòu)分類和特點PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，如圖所示：圖5-1PLC硬件結(jié)構(gòu)圖

34、5.2.1中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。5.2.2存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。PLC常用的存儲器類型：1. RAM (Random Assess Memory) 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。2.EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況

35、下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫3.EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進行修改。5.2.3電源 PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。常見的PLC的類型挺多的，有三菱的FX系列、西門子的S7系列、臺灣的豐煒等等。5.2.4 PLC的分類1.

36、小型PLC 小型PLC的I/O點數(shù)一般在128點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。2.中型PLC中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其I/O點數(shù)一般在2561024點之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。3.大型PLC一般I/O點數(shù)在1024點以上的稱為大

37、型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機器的可靠性更高。5.2.5 FX2n系列三菱PLC特點1.成型高性能。 CPU、電源、輸入輸出三為一體。對6種基本單元，可以以最小8點為單元連接輸入輸出擴展設(shè)備，最大可以擴展輸入輸出256點。2.高速運算 基本指令：0.08s/指令。3.安心、寬裕的存儲器規(guī)格 內(nèi)置8000步RAM存貯器，安裝存儲盒后，最大可以擴展到16000步。4.豐富的軟元件范圍輔助繼電器：3072點；定時器：256點；計數(shù)：235點

38、；點數(shù)據(jù)寄存器：8000點。5.除了具有輸入輸出16256點的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。6.面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能。開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要-模擬I/O，高速計數(shù)器。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。5.3 接近開關(guān)傳感器1. 接近開關(guān)傳感器的概念 在各類開關(guān)中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關(guān)通或斷的目的，這就是接近開關(guān)。當有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距

39、離時，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離”。不同的接近開關(guān)檢出距離也不同。2 .接近傳感器的選型和檢測對于不同的材質(zhì)的檢測體和不同的檢測距離，應(yīng)選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則：（1）當檢測體為金屬材料時，應(yīng)選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。（2）當檢測體為非金屬材料時，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應(yīng)選用電容型接近傳感器。（3）金屬體和非金屬要進行遠距離檢測和控制時，應(yīng)選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。（4）對

40、于檢測體為金屬時，若檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。3.接近開關(guān)傳感器的原理圖 5.4 I/O接口簡介1.I/O接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。2.接口的分類 I/O接口的功能是負責實現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把I/O電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備的復雜程度，I/O接口的硬件主要分為兩大類： (1）I/O接口芯片

41、這些芯片大都是集成電路，通過CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的I/O電路和簡單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見的接口芯片如定時計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 (2）I/O接口控制卡 有若干個集成電路按一定的邏輯組成為一個部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個插件插在系統(tǒng)總線插槽上。 按照接口的連接對象來分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。 5.5 行程開關(guān)的介紹1.行程開關(guān)的概念 行程開關(guān)就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關(guān) 。行程開關(guān)又稱 HYPERLINK /view/630051.htm t _blank 限位開關(guān),可以安裝在相對靜止的物體

42、(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當物體接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂?HYPERLINK /view/134362.htm t _blank 電路和機構(gòu)的動作。2.行程開關(guān)的作用及原理 行程開關(guān)用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機床和起重機械，用以

43、控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護。5.6電路的總體設(shè)計5.6.1 回路的設(shè)計 整個系統(tǒng)的回路設(shè)計如下: 5.6.2系統(tǒng)輸入/輸出分布表 輸入輸出X0SQ1右旋限位開關(guān)Y0YA1右旋電磁閥X1SQ2上升限位開關(guān)Y1YA2左旋電磁閥X2SQ3手臂伸長限位開關(guān)Y2YA3手臂伸長電磁閥X3SQ4手腕右轉(zhuǎn)限位開關(guān)Y3YA4手臂收縮電磁閥X4SQ5下降限位開關(guān)Y4YA5上升電磁閥X5SQ6工件光電檢測開關(guān)Y5YA6下降電磁閥X6SQ7手腕左轉(zhuǎn)限位開關(guān)Y6YA7手腕右轉(zhuǎn)電磁閥X7SQ8手臂收縮限位開關(guān)Y7KA1手腕左

44、轉(zhuǎn)電磁閥X10SQ9左轉(zhuǎn)限位開關(guān)Y10YA8加緊電磁閥X11SQ10機械手光電限位開關(guān)Y112YA9松開電磁閥X12SB5停止按鈕Y12YA10急停電磁閥X13SB6復位按鈕Y30YA11步進電機X14SB7步進電機手動啟動Y31YA15空氣壓縮機繼電器X15YJ2步進電機停止按鈕X16SB8暫停按鈕X17SB8急停按鈕X26YJ4接近傳感器X27K1空氣壓縮機啟動X30K2系統(tǒng)啟動5.6.3機械手的程序設(shè)計自動線的輸送動作由步進電動機帶動實現(xiàn)間隔輸送，實現(xiàn)設(shè)計要求的輸送狀況。其工作的過程是：機械手首先處于初始位置，然后經(jīng)過一系列的動作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測檢測開關(guān)檢

45、測到工件被取走。然后傳送帶開始轉(zhuǎn)動，當檢測到下一個工件時傳送帶停止轉(zhuǎn)動等待機械手來取工件，當然只要機械手取走工件傳送帶就開始轉(zhuǎn)動，這樣設(shè)計是為了節(jié)省工作時間從而不會出現(xiàn)機械手等待傳送帶的時間。對程序的要求如下：1.首先啟動機械手時機械手自動復位處于初始位置。2.在機械手工作前還要對其進行設(shè)備的檢測即機械手空運行一次而且機械手的每一個動作。3.機械手設(shè)有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用的）只有出現(xiàn)緊急情況時才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯(lián)系將被切斷各汽缸處于無動力狀態(tài)。5.6.4 步進電機的運行控制 由于傳送帶的速度要求不高且精度也不是太高所以本設(shè)計選擇三相步進電機通電方式為

46、三相雙三拍，利用PLC中的M8014特殊功能繼電器向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和功放電路驅(qū)動步進電機。環(huán)形脈沖分配器選擇YB013芯片此芯片為專用三相步進電機環(huán)形脈沖分配器此芯片工作穩(wěn)定性能優(yōu)良在實際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。1.步數(shù)控制當對射式光電檢測開關(guān)檢測到共建的位置時此時停止向脈沖分配器中發(fā)送脈沖，步進電機將停在此位置不動。2手動控制步進電機當按下手動啟動步進電機按鈕時M8013即向環(huán)形脈沖分配器中發(fā)送脈沖步進電機開始轉(zhuǎn)動，當按下停止按鈕時步進電機將停下。3.此外在報警和暫停狀態(tài)下步進電機也將停止轉(zhuǎn)動。綜合上述情況步進電機控制程序如下：STL 507OUT M20LD M8013A

47、NI M574ANI M4AND M20OUT Y315.6.5各模塊的程序設(shè)計1.程序初始化采用中間繼電器M8002中間繼電器對系統(tǒng)各部分復位，定義個種標志包括系統(tǒng)初始化標志，系統(tǒng)啟動暫停急停復位等標志。LD M8002ZRST Y000 Y267ZRST M0 M1023ZRST S0 S899SET S0 系統(tǒng)處于初始狀態(tài)M0定義為系統(tǒng)初復位標志它由機械手的右限位開關(guān)X0，下限位開關(guān)X4，收縮限位開關(guān)X7，手腕右轉(zhuǎn)限位開關(guān)X3同時激活。 LD X0AND X4AND X7AND X3OUT M0 定義系統(tǒng)復位標志M1定義為系統(tǒng)啟動標志由啟動按鈕和M0共同激活。LD X30AND M0OR

48、 M1OUT M1 定義系統(tǒng)啟動標志M2為暫停標志由暫停按鈕激活。LD X16AND M1OR M2OUT M2M4定義為急停標志由急停按鈕X17激活M4被激活同時激活特殊功能繼電M574（禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)換）安全閥將儲氣罐與機械手的聯(lián)系切斷。LD X17OUT M4LD M4SET M574LD M574OUT Y12 定義急停標志M5定義為系統(tǒng)復位標志由復位按鈕激活，當按下復位按鈕系統(tǒng)將按右轉(zhuǎn)，手腕右轉(zhuǎn)，手臂收回，機械手下降,機械手右轉(zhuǎn)，的順序進行復位，當最后一個動作完成下限位開關(guān)有效時程序?qū)ⅲ篟STM5；LD X13RST M574RST M4SET M5LD M5MPSANI X3OOUT

49、Y6LD X3SET Y3AND X7RST Y3 SET Y5LD X4RST Y5SET YOLD X0RST M5 系統(tǒng)復位2.機械手自檢程序機械手按照給定的順序（手抓加緊松開手腕右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)手臂伸長收縮機械手左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)）空執(zhí)行一次在每一個動作執(zhí)行的過程中都會有定時器對每個動作進行監(jiān)控若超過設(shè)定時間（定時器設(shè)定的時間都超過每個動作的時間）則認為是機械系統(tǒng)出錯，停止當前的動作發(fā)出報警信號。STL S0LD X30SET S21OUT Y10MPSOUT Y10MRDOUT T0 K40MPPLD X26SET S22STL S22MPSOUT Y11MRDOUT T0 K40MPPLD X31SET S23STL S23MPSOUT Y