畢業(yè)設(shè)計（論文）氣動機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄課題簡介.第2頁 緒論.第3頁第一章 設(shè)計課題及意義.第8頁第二章 設(shè)計的總體方案.第10頁 第三章 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算.第11頁 第一節(jié) 氣壓及電氣原理圖的設(shè)計第11頁第二節(jié) 機(jī)械手的受力分析及尺寸的確定第13頁第三節(jié) 氣動及電氣元件的選擇第17頁第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計與編程.第20頁第一節(jié) 控制要求的確定.第20頁第二節(jié) plc的選擇.第21頁第三節(jié) 控制程序的設(shè)計（梯形圖）.第23頁第四節(jié) 梯形圖的外部接線圖及操作面板的設(shè)計.第28頁 設(shè)計小結(jié)第30頁參考文獻(xiàn)第31頁課題簡介機(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。近年來，隨著電子技術(shù)特別是計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械

2、手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使機(jī)械手更好的實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然不如人手那樣靈活，但它具有不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手大等特點，因此機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到了應(yīng)用。氣動技術(shù)是實現(xiàn)生產(chǎn)工業(yè)自動化的方式之一，由于氣壓傳動系統(tǒng)安全可靠，可以在高溫、振動、腐蝕、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣的環(huán)境下工作，所以應(yīng)用日益廣泛。用氣控機(jī)械手代替手工作業(yè)是工業(yè)自動化發(fā)展的一個方向。步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，使其定位精度高，便于控制的優(yōu)勢得以發(fā)揮，將步進(jìn)電機(jī)與氣動組

3、合應(yīng)用，使機(jī)械手的性能大大提高。同時，隨著plc性能價格比的不斷提高，plc的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，目前，plc在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于冶、機(jī)械、石油、交通運輸?shù)雀鱾€方面。一般來說，plc是自動生產(chǎn)線上不可缺少的控制部件。plc作為一種通用的工業(yè)控制器，適用于工業(yè)機(jī)械手的控制。在該設(shè)計中，機(jī)械手的手爪的抓緊、放松采用氣壓驅(qū)動，手臂的上升、下降由步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，底盤的旋轉(zhuǎn)由直流電機(jī)驅(qū)動，控制部分采用f1系列小型plc，型號為f1-40mr。目前，機(jī)械手向越來越緊湊，越來越快，越來越強力的方向發(fā)展，因為，緊湊的設(shè)計可便于在車間中安裝。較快的速度可提高生產(chǎn)量，而提高有效載荷能力可以操作更大的零件。因此我們采用

4、氣動驅(qū)動提高速度。使用plc控制室設(shè)計緊湊。所以我們采用plc控制的氣動機(jī)械手是綜合性能比較好的機(jī)械手。 緒論機(jī)械手是一種能按給定的程序或要求自動地完成物件（如材料、工件、零件、或工具等）傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分的代替人的手工勞動。較高級形式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。一 、機(jī)械手的組成1、手部 包括手指、傳動機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物體的作用。2、傳送機(jī)構(gòu) 包括手腕、手臂等，主要起改變物體方向和位置的作用。3、驅(qū)動部分 是驅(qū)動前兩部分的動力，也稱為動力原，常用的有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、機(jī)械驅(qū)動、電力驅(qū)動四種形式。4、控制部分 是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，由它控制動作的順

5、序、位置和時間（甚至速度與加速度）。5、其他部分 如機(jī)體，行走機(jī)構(gòu)，行程檢測裝置和傳感裝置1）機(jī)體 是用以 支撐和連接其它零件、部件的基礎(chǔ)2）行走機(jī)構(gòu) 是為了擴(kuò)大機(jī)械手的使用空間而設(shè)置的 ，它本身又包括動力源、傳動機(jī)構(gòu)、滾輪和連桿機(jī)構(gòu)，目前大多機(jī)械手還缺乏行走機(jī)構(gòu)。3）行程檢測裝置 是檢測和控制機(jī)械手各運動行程的裝置。4）傳感裝置 其中裝有某種傳感器，是手指具有敏感性和控制性，用以反映手指與物件是否接觸，物件有無滑下或脫落，物件的方位是否正確，手指對物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)等。二 、機(jī)械手的應(yīng)用及意義機(jī)械手在機(jī)械工業(yè)中，如沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等都有應(yīng)用在其它

6、部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)，國防業(yè)等工作中都有應(yīng)用。應(yīng)用機(jī)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(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高生產(chǎn)小路和減低生產(chǎn)成本。同時，在高溫、低溫、有灰塵、噪聲、有輻射或有毒性污染以及工作空間狹窄的場合，用人手直接操作是有為危險的，而用機(jī)械手即可部分或全部的代替人安全的完成工作，是勞動強度得以改善。尤其是較笨重的、簡單而重復(fù)次數(shù)多的操作中，以機(jī)械手代替人手，可避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。而且應(yīng)用機(jī)械手代替手工作，這是直接減少人力的一個方面，同時應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，是減少人力的另一個側(cè)面。因此在自動化機(jī)床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)

7、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)行生產(chǎn)。因此，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。三、機(jī)械手的分類1、按機(jī)械手的使用范圍分類1）專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代企業(yè)中，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送，這類機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，成本低，使用于動作比較簡單的大批大量生產(chǎn)的場合。2）通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人） 具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)。不僅可以從屬某種機(jī)器，而能自動的完成傳送物體或操作某中工具底機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可以氛圍簡易型和伺復(fù)型。通用機(jī)械手由于手指可換，程序可變，使用于中、

8、小批量生產(chǎn)，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動較多，技術(shù)條件要求較高，故制造成本較高。2、按機(jī)械手臂的運動坐標(biāo)形式分1）直角坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)系前后伸縮，左右移動和上下移動。2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，又可前后伸縮，左右轉(zhuǎn)動，上下升降。3）求坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿坐標(biāo)軸移動，可繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動，手臂可前后伸縮，上下擺動，左右轉(zhuǎn)動。4）多關(guān)節(jié)機(jī)械手 這種機(jī)械的手臂分為小臂和大臂。3、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類1） 液壓驅(qū)動機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動2） 氣壓驅(qū)動機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動3） 電力驅(qū)動機(jī)械手 直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動4） 機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手 是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪

9、、間歇等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。4、按機(jī)械手的臂力大小分類可分為：微型機(jī)械手 小型機(jī)械手 中型機(jī)械手 大型機(jī)械手 本項目設(shè)計的機(jī)械手為專用機(jī)械手，通過本次設(shè)計，可以增強對工業(yè)機(jī)械手的認(rèn)識，同時熟悉并掌握plc技術(shù)，位置控制技術(shù)，氣動技術(shù)等工業(yè)控制中常用的技術(shù)。四、驅(qū)動系統(tǒng)的區(qū)別目前，機(jī)械手常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電力驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動，在這四種驅(qū)動中，當(dāng)前液壓驅(qū)動約占50%，氣動驅(qū)動約站40%，電力驅(qū)動占的比例比較小。我們在此比較液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動及電力驅(qū)動的優(yōu)缺點： 氣動機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動，機(jī)械手的動作迅速，壓縮空氣可以從大氣中取得，所以動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣

10、不污染環(huán)境，廢氣處理方便，壓縮空氣黏度小，因此，在管路中的壓力損失小，故利于遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)距離輸送。 但壓縮空氣的可壓縮性大，因此，機(jī)械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還要考慮潤滑和防銹，壓縮空氣的工作壓力較低，導(dǎo)致機(jī)械手的結(jié)構(gòu)較大，因此氣壓機(jī)械手常用于臂力小于30公斤，運動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合。液壓機(jī)械手：驅(qū)動力或驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá)100公斤以上，速度反應(yīng)快，不考慮油液的溫度變化時，被驅(qū)動的滯后也基本沒有.而且液壓機(jī)構(gòu)的重量請，慣性小,調(diào)速范圍大,可以無級調(diào)速,使機(jī)械的通用性更大。使運動平穩(wěn)，能吸收振動，減小沖擊力，可

11、以實現(xiàn)較頻繁的換向，定位精度高，但液壓系統(tǒng)的泄露對機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響，油液中如果混有空氣，將降低傳動機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度，油液的溫度和黏度變化會影響傳動性能。液壓機(jī)械手多用于要求臂力比較大而運動速度較底的場合。電力驅(qū)動機(jī)械手：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的速度和位移的大小均由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)目及脈沖頻率來決定，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動速度一般較低，但可以達(dá)到較高的定位精度。電力驅(qū)動時，直線運動可采用電動機(jī)帶動絲杠、螺母機(jī)構(gòu)。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護(hù)、使用方便。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動力，出力比較大。本設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動手臂運動，直流電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運動。五、機(jī)械手的控制系

12、統(tǒng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分之一，控制系統(tǒng)使機(jī)械手以一定的規(guī)律運動，因此，機(jī)械手的控制內(nèi)容主要包括：動作的順序，動作的位置與軌跡，動作的時間等，而動作的速度與加速度，通常在工作前預(yù)先調(diào)好。 機(jī)械手的控制方法總的來說可分為：機(jī)械控制，電氣控制和氣動控制。目前，機(jī)械手絕大多數(shù)是采用電氣控制的。因此，我們在下面的設(shè)計中選用電氣控制，即使用plc編程進(jìn)行控制機(jī)械手實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作。這樣可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。本設(shè)計的控制系統(tǒng)采用小型可編程控制器實現(xiàn)，具有編程簡單、修改容易、可靠性高等優(yōu)點。六、機(jī)械手的發(fā)展概況及發(fā)展趨勢1、機(jī)械手的發(fā)展概況早在四十年代隨著原子能工業(yè)

13、的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)的第一代機(jī)械手，屋十到六十年代，即制成了傳送或裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，這種機(jī)械手也稱為第二代機(jī)械手。七十年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車的車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，是第二代機(jī)械手進(jìn)入了應(yīng)用階段。八十年代開始研制具有更多的自由度的機(jī)械手，接著能自動編程的機(jī)械手，有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手及自動編程的機(jī)械手便產(chǎn)生了。目前工業(yè)機(jī)械手主要用于流水線工件傳送、焊接、裝配、機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，無論數(shù)量品種和性能方面都能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是發(fā)展各方面的機(jī)械手，逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)

14、械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手，組合式機(jī)械手等，將機(jī)械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移，俯仰等機(jī)構(gòu)，以及用于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成不同用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時代，由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制，智能機(jī)器人涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械，液壓、氣動知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)，通訊技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，仿生學(xué)和假肢工藝等，它是一門綜合性較

15、強的新技術(shù)。目前，國內(nèi)外對其發(fā)展都很重視，幾十年來，這類技術(shù)的發(fā)展和研制，一直比較活躍，設(shè)計在不斷的改進(jìn)，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷的擴(kuò)大。2、機(jī)械手的發(fā)展趨勢1）研制能自動編程和自動改變程序的機(jī)械手。重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。2）研制具有一定“感觸”和“智力”的機(jī)器人。這種機(jī)械手，具有各種傳感裝置，并配有計算機(jī)，根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機(jī)，充當(dāng)其“大腦”，使它能“思考”能“分析”，能“

16、記憶”。3）多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)械手研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。4）微型和微小機(jī)械手技術(shù)：這是機(jī)械手研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。5）軟機(jī)器人技術(shù):主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)

17、機(jī)器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機(jī)器人對人是友好的。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。6）仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)械手技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究。 因此，機(jī)器人將成為“無人化”系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。本設(shè)計采用綜合傳動方式，即手臂采用電氣傳動，而手爪采用氣壓傳動。第一章 設(shè)計課題及意義一

18、、 設(shè)計課題：氣動機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計二、 設(shè)計的技術(shù)要求1、 機(jī)械手搬運物品的控制要求機(jī)械手搬運物品示意圖圖1 機(jī)械手搬物示意圖圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶a上的物品搬運到傳送帶b。為使機(jī)械手動作準(zhǔn)確，在機(jī)械手的極限位置安裝了限位開關(guān)sq1、sq2、sq3、sq4、sq5，對機(jī)械手分別進(jìn)行抓緊、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升、下降動作的限位，并發(fā)出動作到位的輸入信號。傳送帶a上裝有光電開關(guān)sp，用于檢測傳送帶a上物品是否到位。機(jī)械手的起、停由圖中的起動按鈕sb1、停止按鈕sb2控制。 傳送帶a、b由電動機(jī)拖動。機(jī)械手的上、下、左、右由電力驅(qū)動：手部的抓緊、放松動作由氣壓驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)驅(qū)動器來

19、驅(qū)動，直流電機(jī)由plc控制其正反轉(zhuǎn)，氣缸由兩個電磁閥來控制。 2、機(jī)械手順序動作的要求1) 按下起動按鈕sb1時，機(jī)械手系統(tǒng)工作。首先b步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，手臂上升，至上升限位開關(guān)sq4動作； 2) c步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開關(guān)sq2動作； 3) b步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手臂下降，至下降限位開關(guān)sq5動作； 4) 啟動傳送帶a運行，由光電開關(guān)sp檢測傳送帶a上有無物品送來，若檢測到物品，則抓緊電磁閥通電，機(jī)械手抓緊，至抓緊限位開關(guān)sq1動作； 5) 手臂再次上升，至上升限位開關(guān)sq4再次動作； 6) c步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開關(guān)sq3動作； 7) 手臂再次下降，至下降限位開關(guān)sq5再

20、次動作； 8) 放松電磁閥通電，機(jī)械手松開手爪，經(jīng)延時2秒后，完成一次搬運任務(wù)，然后重復(fù)循環(huán)以上過程。 9) 按下停止按鈕sb2或斷電時，機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上，重新起動時，機(jī)械手按停止前的動作繼續(xù)工作。3課題主要設(shè)計的內(nèi)容1）設(shè)計機(jī)械手的電力驅(qū)動與氣動驅(qū)動系統(tǒng)以及plc電氣控制系統(tǒng)。2）使機(jī)機(jī)械手具有手動與自動兩種工作方式，手動方式有“單步操作”與“返回原點”兩種情況，自動方式時，有“步進(jìn)操作”、“單周期操作”和“連續(xù)操作”三種情況。4、 設(shè)計課題的意義1）通過畢業(yè)設(shè)計進(jìn)一步培養(yǎng)我們的綜合應(yīng)用所知識和技能，解決實際工程問題和進(jìn)行創(chuàng)造性工作。2）使我們受到電力驅(qū)動、氣動系統(tǒng)與plc系統(tǒng)開發(fā)的綜

21、合訓(xùn)練。3）掌握典型機(jī)械手的工作原理與設(shè)計思路，掌握資料的收集與分析整理能力。4）培養(yǎng)實事求是、科學(xué)嚴(yán)禁、勇于創(chuàng)新的作風(fēng)和團(tuán)隊協(xié)作精神。第二章 設(shè)計的總體方案我們主要對機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計一、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂、軀干。手指是我們采用回轉(zhuǎn)式手指?；剞D(zhuǎn)式手指一般沒有手掌，全靠手指握緊物體。這類手指類型比較多，常見的有：單滑銷桿式、連桿杠桿式、齒輪杠桿式、以及具有鎖緊性能和彈性性能的手部。我們采用的手部形式為單滑銷桿式。手臂采用直臂式，這樣有足夠的強度和剛度，而且結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，不易損壞。 軀干采用兩桿支撐的立柱做豎直方向運動的形式。二、驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置主要是液壓

22、驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電壓驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動四種。由于氣壓傳動具有防火，防爆，節(jié)能，高效使用plc控制使設(shè)計緊湊。所以我們采用plc控制氣動機(jī)械手是綜合性能比較好的。這樣設(shè)計還可適用于高溫，粉塵等較惡劣的環(huán)境。因此氣動驅(qū)動的機(jī)械手，用起來比較安全，方便優(yōu)符合我國的國情；節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，而且，氣壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，動作迅速，平穩(wěn)，可靠是一種比較理想的工業(yè)產(chǎn)品之一。因此，我們選用氣壓驅(qū)動的方式。本設(shè)計方案在氣壓驅(qū)動的基礎(chǔ)上添加電力驅(qū)動系統(tǒng)。 我們采用一個直動式氣缸，分別實現(xiàn)機(jī)械手指的抓緊、放松；采用一個步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)機(jī)械手的上升、下降一個直流電機(jī)實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運動。三、控制系統(tǒng) 主要有數(shù)字控制，小型

23、計算機(jī)控制或微處理器控制。 因為plc具有可靠性高，抗干擾性強，控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，通用性強，編程簡單，使用維護(hù)方便，體積小，重量輕等特點。因此plc作為一種通用的工業(yè)控制器，適用于工業(yè)機(jī)器人，在生產(chǎn)自動線上廣泛使用，在我們選用的小型計算機(jī)控制，使用plc編程。我們用plc編程控制一個氣缸、兩個電機(jī)的運動實現(xiàn)機(jī)械手的各種動作，并且機(jī)械手的手動和自動操作方式， 實現(xiàn)它的各種控制要求。第三章 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算第一節(jié) 氣壓及電氣原理圖的設(shè)計一、驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計及電力-氣壓驅(qū)動機(jī)械手的示意圖1、根據(jù)動作的要求制定驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案。 該電力-氣壓機(jī)械手進(jìn)行抓緊，旋轉(zhuǎn)及升降運動。因為該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡單，

24、所以搬運的工件較輕，總體重量比較輕，為減小系統(tǒng)的總體積，以及利于與外部的連接。我們采用步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)手臂在垂直方向的運動，利用兩齒輪的嚙合，由步進(jìn)電機(jī)帶動齒輪，從而實現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運動。手部通過氣缸帶動連桿機(jī)構(gòu)通過拔叉的運動實現(xiàn)夾緊，放松運動。2、氣壓及電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的示意圖（如圖3-1） 附圖（01）：機(jī)械手氣壓及電力驅(qū)動系統(tǒng)的裝配圖采用一個氣壓缸，兩個電機(jī)，a氣缸實現(xiàn)機(jī)械手的抓緊放松運動，b步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠使手臂在垂直方向直線運動，實現(xiàn)機(jī)械手的升降運動。c直流電機(jī)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪嚙合的傳動，實現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)運動。二.工作程序圖：該機(jī)械手電力及氣壓驅(qū)動動作順序要求為：原點立

25、柱上升手臂左轉(zhuǎn)立柱下降機(jī)械手夾緊力主上升手臂右轉(zhuǎn)立柱下降機(jī)械手放下物件氣缸的動作順序為：原點b步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)上升c直流電機(jī)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)b步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)下降a缸夾緊b步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)上升c直流電機(jī)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)b步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)下降a缸放松 圖3-1 氣壓及電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的示意圖三.設(shè)計氣壓控制原理圖（圖3-2） 圖3-2 氣動控制原理圖四.系統(tǒng)電氣原理圖（如圖3-3）本設(shè)計中設(shè)計的機(jī)械手，它共有三個自由度，即：手臂上下擺動，手臂回轉(zhuǎn)，手指抓握。第二節(jié) 機(jī)械手的受力分析及尺寸的確定一、 機(jī)械手的手部設(shè)計我們假設(shè)機(jī)械手抓取得重物為0.25千克，用q表示，機(jī)械手手部的尺寸用l,l,a表示。 為了計算的方便，我們先不考慮

26、機(jī)構(gòu)本身的重量，摩擦力，以及運動的慣性，計算以后用系數(shù)進(jìn)行補償。 如下圖所示，物體重力方向垂直向下，依靠手指對重物接觸部位的摩擦力f，與重物的重力q，相平衡而約束住重物。 下圖為我們設(shè)計的機(jī)械手的手部示意圖輸入輸出x003豎軸上限位y000豎軸脈沖x004底座正限位y001豎軸方向x005豎軸下限位y002直流電機(jī)正轉(zhuǎn)x007底座反限位y003直流電機(jī)反轉(zhuǎn)x006抓緊限位y004電磁閥動作i/o地址分配一覽表 1為拉桿 2為滑銷 3為杠桿手指二、 機(jī)械手的受力分析下圖為機(jī)械手的手部和物件的受力分析圖三、 機(jī)械手的受力分析計算由受力分析圖得知，手指受力平衡的條件是：4f-q=0 (以為手指與物件

27、有四處接觸，所以為4f)因為 f=n1f 所以4n1f=qn1=n1計/2sina由上式得 n1計=q/2fsinak=k1k2式中：f物件與手指接觸處的摩擦力 n1-物體與手指接觸處的正壓力 f-物體與手指接觸處的摩擦系數(shù)，一般為0.1-0.25 接觸比較光不滑時取小值，接觸面比較粗糙時取大值。n1計-手指應(yīng)該具有的握緊力a-手指的抓取角，一般為4575度需要的握緊力為n1需 =n1計k/=qksina/2f式中：-手部的機(jī)械效率，一般為0.85-0.9k1-安全系數(shù)，一般為1.1-1.5k2-工作情況系數(shù)，一般為1.2-2.5假定傳動力p需分別作用在兩個手指上，每個手指上的所得到的傳動力各

28、為p需/2，根據(jù)其力矩平衡條件得：p需l/2-n1需l=0p需=2ln1需/lp需=lkqsina/lf我們?nèi)=10mm l=45mm a=60 度 q=0.25kg =0.9 k1=1.3 k2=2.0 f=0.2將數(shù)值帶入上式p需=54mm1.22.00.25sin60/15mm0.20.9=9.45n取整p需=10n第三節(jié) 氣動及電氣元件的選擇一、氣缸的選擇a缸的設(shè)計我們選壓力為p=0.5mp。所需缸a的面積a1=p需/p=10n/0.5mp=25mm2缸a的直徑d1=5.6mm圓整并查機(jī)械設(shè)計手冊取標(biāo)準(zhǔn)值缸筒的內(nèi)徑取d1=8mm 活塞桿直徑取4mm活塞寬度b1取20mm 噴氣口直徑取

29、 6mm 最大行程取30mm進(jìn)排氣孔直徑、管及閥通徑取 4mm為減小機(jī)械手的總體重量 ，我們a缸選用鋁合金zl104二、電氣元件的選擇1）電源模塊采用dm150系列開關(guān)電源，其特點是輸出功率大、體積小、重量輕、可靠性高，適應(yīng)寬范圍的輸入電壓波動，具有完備的過電壓、過電流保護(hù)功能。主要參數(shù)：輸入交流電壓：110-220v/50hz、60hz。輸出直流電壓：24v/6.5a最大功率：156w工作環(huán)境：-10402）b步進(jìn)電機(jī)的選擇 機(jī)械手臂及手部的總體重量為3kg 采用梯形螺紋的滑動螺旋副，螺桿和螺母材料為鋼對耐磨鑄鐵，取摩擦系數(shù)為u=0.12f=un=0.1239.8=3.528n 選取byg系

30、列步進(jìn)電動機(jī)，型號為42bygh101該電機(jī)是二相八拍混合式步進(jìn)電機(jī)，主要特點：體積小，具有較高的起動和運行頻率，有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點，電氣原理圖（如圖3-4）其基本參數(shù)為相數(shù) 2 ，步距角0.9，額定電壓12v ，保持轉(zhuǎn)矩78.45mnm， 靜態(tài)電流0.24a3）步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動模塊采用中美合資sh系列步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，主要由電源輸入部分，信號輸入部分，輸出部分等。（如圖3-5所示）電源輸入部分由電源模塊提供，用兩根導(dǎo)線連接，注意極性。信號輸入部分：信號源由可編程控制器提供，由于plc提供的電平為24v，而輸入部分的電平為5v，中間加了保護(hù)電路。輸出部分：與步進(jìn)電機(jī)連接，注意相序。4）c直流電機(jī)的

31、選擇 設(shè)機(jī)械手的總體質(zhì)量為5g=59.8=49n齒輪傳動效率為0.99，選取直流電機(jī)的型號為36zyj-12型，輸入電壓為12-24v，由plc控制電動機(jī)正反轉(zhuǎn)。三 選擇換向閥及電磁繼電器1） 、a缸所用換向閥為二位五通單電控?fù)Q向閥我們選用型號為k25jd8w 公稱通徑為8mm 工作壓力為0.2-0.8mp額定流量為5m3/h 泄露量0.5 l/min2)采用yl307型繼電器其參數(shù)為：線圈電壓324vdc 最大通斷電流2a 額定功率240va 56w第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計與編程第一節(jié) 控制要求的確定一、 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作過程分析 機(jī)械手的軀干部分垂直方向的直線運動和水平方向的旋轉(zhuǎn)運動，分別

32、由電動機(jī)完成。例如，當(dāng)b步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，機(jī)械手上升。反轉(zhuǎn)時，機(jī)械手下降。停止時保持現(xiàn)有的狀態(tài)。同樣左/右轉(zhuǎn)的動作也是由對應(yīng)的電磁繼電器控制的。夾緊/放松是由單電磁閥控制的。當(dāng)電磁閥通電時，執(zhí)行夾緊動作，斷電時執(zhí)行放松動作。并且要求，只有當(dāng)a工作臺上有工件才能允許機(jī)械手執(zhí)行夾緊動作。因此該設(shè)備的檢測元件有上、下、左、右夾緊五個限位開關(guān)和一個有工作檢測裝置、光電開關(guān)。二、 機(jī)械手的動作順序 機(jī)械手的工作示意圖 機(jī)械手的動作過成分8工部。即從遠(yuǎn)點開始經(jīng)上升、左轉(zhuǎn)、下降、夾緊、上升、右轉(zhuǎn)、下降、放松8個動作后完成一個周期回到原點。 機(jī)械手的工作周期圖.。三、機(jī)械手的控制要求 機(jī)械手要分手動操作和自動操

33、作兩種方式。自動操作又分為單工布、單周期和連續(xù)運動三種。 手動操作：供維修用。即用按鈕對機(jī)械手的每一種動作進(jìn)行單獨的控制。例如，當(dāng)選擇上/下運動時，按下運動按鈕， 機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手下降。其他動作，依此類推。 單工部運行：調(diào)試試用，即每按一次起動按鈕，機(jī)械手按順序向前執(zhí)行一個動作后停止。 單周期運行：供首次檢測用，當(dāng)機(jī)械手在原點時，按下起動按鈕時，機(jī)械手自行執(zhí)行一個周期的動作后，自動停止在原點。 自動連續(xù)運行：正常工作用，當(dāng)機(jī)械手在原點并按下起動按鈕時，機(jī)械手周而復(fù)始地執(zhí)行各工步動作。第二節(jié)plc的選擇一、 輸入輸出點數(shù)的確定根據(jù)機(jī)械手動動作控制要求，可以確定電氣控制系統(tǒng)的i/

34、o點分配，如下表所示。 信號i/o設(shè)備i/o點數(shù)信號i/o設(shè)備i/o點數(shù)輸入操作方式選擇旋柄開關(guān)4個輸出電磁繼電器（上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)）4個手動時動作選擇旋柄開關(guān)3個電磁閥（夾緊、松開）1個位置檢測（上下左右夾緊）5個原點指示燈1個有工件檢測光電開關(guān)1個按鈕（啟動、停止、復(fù)位）3個二、 輸入輸出點的分配編號三、plc的選擇：由于機(jī)械手為純開關(guān)邏輯控制i/o設(shè)備所需，i/o點數(shù)為16/6由于機(jī)械手系統(tǒng)的輸入/輸出接點少，要求電氣控制部分體積小，成本低，并能夠用計算機(jī)對plc進(jìn)行監(jiān)控和管理，故選用一般小型f1-40mr主機(jī)。該機(jī)輸入點為24個，輸出點為16個。內(nèi)部主要有：136個輔助繼電器、1

35、6個特殊功能繼電器、160個保持繼電器、8個暫存繼電器、48個定時/計數(shù)器、64個16位數(shù)據(jù)存貯器。第三節(jié) 控制程序的設(shè)計（梯形圖）一、總程序的設(shè)計：因為在手動操作方式下，各種動作都是由按鈕控制來實現(xiàn)的，其程序可獨立于自動操作程序而另行設(shè)計。因此總程序可分為兩段獨立的部分：手動操作程序和自動操作程序?？偝绦蚪Y(jié)構(gòu)框圖如右當(dāng)選擇手動操作方式，則輸入點x014接通，其常閉觸點斷開。執(zhí)行手動程序。并由于x011，x012，x013的常閉觸點閉合而跳過自動程序段，若選擇單步，單周期，連續(xù)中的任意一種操作方式。都將跳過手動程序而執(zhí)行自動程序。二、手動操作梯形圖的設(shè)計手動操作控制簡單，可按照一般繼電器控制系

36、統(tǒng)的邏輯設(shè)計法來設(shè)計，手動操作的梯形圖程序如下：為了安全起見，程序中設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，例如，只有當(dāng)機(jī)械手處于上限位時，才能進(jìn)行左/右轉(zhuǎn)動。因此在左/右轉(zhuǎn)動時，用上限條件作為機(jī)械手的一個聯(lián)鎖保護(hù)，另外，由于左/右，上/下運動采用雙電磁閥控制，兩個線圈不能同時通電，因此在左/右轉(zhuǎn)動、上/下移動的過程中設(shè)置了互鎖環(huán)節(jié)。三、自動程序設(shè)計1） 自動控制操作比較復(fù)雜，我們繪制了如下的流程圖，表示程序執(zhí)行的順序。自動程序的流程圖2） 根據(jù)流程圖，設(shè)計梯形圖因為該課題是一個按順序動作的步進(jìn)控制系統(tǒng)，可用plc中的移位寄存器編程。我們用移位寄存器中的m100-m107各代表機(jī)械手一個工作循環(huán)的8步，當(dāng)兩步之間的轉(zhuǎn)

37、換條件得到滿足時，轉(zhuǎn)換到下一個工步，即機(jī)械手的動作前進(jìn)一工步在自動操作程序的梯形圖中，位移寄存器的數(shù)據(jù)輸入電路由m101-m110各位的常閉觸點與輔助繼電器m120的常開觸點串聯(lián)而成的，移位信號由若干條串聯(lián)支路并聯(lián)后獲得，并經(jīng)過x011的常閉觸點或x000的常開觸點接到sft端，而位移寄存器的復(fù)位有兩條路。其中一條是經(jīng)停止信號（x002）直接復(fù)位的，其二是通過m200的常開觸點與m100、x007的常開觸點串聯(lián)而成的信號。使用移位寄存器編程， 可以簡化梯形圖，因為移位寄存器的各位中只有一位狀態(tài)是“1”，其余全是“0”，在順序動作時可以減少編程中的互鎖。自動操作程序的控制梯形圖： 自動循環(huán)操作的

38、梯形圖工作過程分析如下 ： 當(dāng)選擇連續(xù)工作方式，啟動后輔助繼電器m200接通，程序可自動循環(huán)。1、 原點狀態(tài)。當(dāng)機(jī)械手處于原點時，x007和x005是接通的。y005線圈接通，原點指示燈量。2、 機(jī)械手上升，按下啟動按鈕x000接通，使m120線接通并保持位移寄存器首位m100置“1”，y000線圈通電，上升電磁鐵得電，執(zhí)行上升動作。同時，因為機(jī)械手離開原點，下限位的開關(guān)斷開，使x005斷開，原點、指示燈滅。3、 機(jī)械手左轉(zhuǎn)，待機(jī)械手上升到位，常開觸點閉合，將m101置“1”,m100置“0”,輸入y001線圈接通，左轉(zhuǎn)電磁鐵得電，機(jī)械手執(zhí)行左轉(zhuǎn)動作。4、 機(jī)械手下降，當(dāng)機(jī)械手左轉(zhuǎn)到位，左極限

39、開關(guān)的常開觸點逼和，使x005接通，常閉觸點使線圈y002斷開，機(jī)械手停止下降左轉(zhuǎn)，同時，又產(chǎn)生位移指令，使m102置“1”,m101置“0”,并由m102的常開觸點接通y002，機(jī)械手下降。5、 機(jī)械手夾緊工作。當(dāng)機(jī)械手下降到下限位開關(guān)時，x005的常閉觸點將y001線圈斷開。將有工件檢測光電開關(guān)，檢測到有工件時，通過m103的常開觸點，使y004線圈接通，機(jī)械手開始夾緊。6、 機(jī)械手又上升，當(dāng)機(jī)械手夾緊到夾緊限位時，x006接通，又產(chǎn)生了位移指令，將m104置“1”,m103置“0”,由于對y004使用了置位指令s指令，使y004仍保持接通，繼續(xù)保持夾緊工作的動作。m003線圈通電，機(jī)械手開始上升。7、 機(jī)械手右轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)械手上升到上限位時，其常開觸點接通，常閉觸點斷開y004的線圈，使右轉(zhuǎn)運動停止位移信號，將m105置“1”，將m104置“0”。105的常開觸點使y003線圈通電，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)。8、機(jī)械手又下降，當(dāng)機(jī)械手右轉(zhuǎn)到右限位時，其常閉觸點使y003線圈斷開停止右轉(zhuǎn)，x007的常開觸點閉合，產(chǎn)生位移指令，將m106置“1”，將m105置“0”。m106的常開觸點使y001線圈接通，機(jī)械手開始下降。9、 機(jī)械手放松，當(dāng)