柔性制造系統(tǒng)中輸送單元的設(shè)計(jì)

1、陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 柔性制造系統(tǒng)中輸送柔性制造系統(tǒng)中輸送 單元的設(shè)計(jì)單元的設(shè)計(jì) 系系 （部）：（部）： 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 專專 業(yè)：業(yè)：機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù) 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 班級學(xué)號：班級學(xué)號： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 20112011 年年 1212 月月 2020 日日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 機(jī)電工程 系 機(jī)電一體化技術(shù) 專業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué)號 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 柔性制造系統(tǒng)中輸送單元的設(shè)計(jì) 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)時間 2011 年 10 月 20 日至 2011 年 12 月 20 日 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)地點(diǎn)：

2、 陜 西 航 空 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 指導(dǎo)教師 2011 年 12 月 20 日 摘摘 要要 本文簡要介紹了物料輸送單元在整個柔性演示系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色.物料 輸送單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理及穩(wěn)定性能好壞直接反應(yīng)了整個系統(tǒng)的優(yōu)劣.本設(shè)計(jì)中, 采用性能穩(wěn)定,定位精度高的進(jìn)口元部件作為物料的定位系統(tǒng)。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，并繪制了可編程序控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞：換向閥、關(guān)鍵詞：換向閥、 機(jī)械手、氣動驅(qū)動機(jī)械手、氣動驅(qū)動 第一章 輸送單元的概述 1.1 輸送單元的概

3、述 輸送單元由操作機(jī)(機(jī)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 一種輸送裝置，它可自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體 化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、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。 輸送單元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(jī)器特長 的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷力，又有機(jī)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(jī)器的進(jìn) 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(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)

4、 域不可缺少的自動化設(shè)備. 輸送單元能按給定程序、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、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，

5、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 輸送單元的結(jié)構(gòu)組成 輸送單元是 YL-335A 系統(tǒng)中最為重要同時也是承擔(dān)任務(wù)最為繁重的工作單元。該 單元主要完成驅(qū)動抓取機(jī)械手裝置精確定位到指定單元的物料臺，在物料臺上抓取工 件，把抓取到得工件輸送到指定地點(diǎn)然后放下的功能。同時，該單元在 PPI 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 中擔(dān)任著主角色，它接收來自按鈕指示燈模塊的系統(tǒng)主令信號，讀取網(wǎng)絡(luò)上各從站 的狀態(tài)信息，加以綜合后，向各從站發(fā)送控制要求，協(xié)調(diào)

6、整個系統(tǒng)的工作。 輸送單元由抓取機(jī)械手裝置、步進(jìn)電動機(jī)傳動組件、PLC 模塊、按鈕指示燈模塊 和接線端子排等部件組成，如圖 1-1 所示。 圖 11 輸送單元的組成 121 氣動手指 氣動手指由一個二位五通雙向電磁閥控制，帶狀態(tài)保持功能用于各個工作站抓取 搬運(yùn)。雙向電控閥工作原理和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器類似，即輸出狀態(tài)由輸入狀態(tài)決定，如果 輸出狀態(tài)確認(rèn)了，即使無輸入狀態(tài)雙向電控閥一樣保持被觸發(fā)前的狀態(tài)。 122 雙桿氣缸 雙桿氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手爪伸出縮回。 123 回轉(zhuǎn)氣缸 回轉(zhuǎn)氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手臂回轉(zhuǎn) 90旋轉(zhuǎn)，氣缸旋 轉(zhuǎn)角度可以任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍

7、0180，調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥下方兩顆固定緩沖器調(diào) 整。 124 提升氣缸 提升氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于整個機(jī)械手的提升下降。以上氣 缸運(yùn)行速度快慢由出氣口節(jié)流閥調(diào)整進(jìn)氣量進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。 125 步進(jìn)電動機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)傳動組件用以拖動抓取機(jī)械手裝置作往復(fù)直線運(yùn)動，完成精確定位的 功能。 126 按鈕指示燈模塊 該模塊放置在抽屜式模塊放置架上，模塊上安裝的所有元器件的引出線均連線到 面板上的安全插孔。 按鈕指示燈模塊內(nèi)安裝了按鈕開關(guān)，指示燈蜂鳴器和開關(guān)穩(wěn)壓電源等三類 元器件，具體如下： （1）按鈕開關(guān)：急停按鈕一只，轉(zhuǎn)換開關(guān)二只，復(fù)位按鈕黃、綠、紅各一只， 自鎖按鈕黃、綠、紅各一只。 （

8、2）指示燈蜂鳴器：24指示燈黃、綠、紅各二只，蜂鳴器一只。 （3）開關(guān)穩(wěn)壓電源：DC246A，122A 各一組。一)施行機(jī)構(gòu) 包括手部 、伎倆、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的方式差別，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)所組成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常 用的手指運(yùn)動方式有回轉(zhuǎn)型和平移 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，可以調(diào)整和改變工件方位 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

9、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。 圖 2 機(jī)械手的手臂運(yùn)動示意圖 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、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

10、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。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，起支 承和連接的作用。 有時為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。 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

11、、電力傳動和機(jī)械傳動。 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。 控制系統(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。 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)

12、到設(shè)定位置。 127 機(jī)械手的分類 機(jī)械手的分類 機(jī)械手按不同的標(biāo)準(zhǔn)可有不同的分類方法，如按用途可分為通用機(jī)械手和專用機(jī) 械手；按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動機(jī)械手、氣壓驅(qū)動機(jī)械手、電力驅(qū)動機(jī)械手和機(jī)械 驅(qū)動機(jī)械手；按控制方式可分為點(diǎn)位控制機(jī)械手和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手兩種。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)， 在實(shí)際應(yīng)用中，大多按運(yùn)動坐標(biāo)形式將機(jī)械手分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球 坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式四種，在此暫按使用范圍、控制系統(tǒng)和坐標(biāo)式等進(jìn)行分類 (一) 按坐標(biāo)系分類 其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 (二)按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手

13、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、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

14、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。 (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。 第二章 輸送單

15、元機(jī)械手手臂裝置的設(shè)計(jì)方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、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)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)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制. 2.1 機(jī)械手的運(yùn)動 機(jī)械手以及其手部所夾持的工件（

16、或工具）在空間的位置，由臂部、腕部等組成 部件以及整機(jī)的各自獨(dú)立運(yùn)動的合成來確定。如圖 2 所示，機(jī)械手通常可實(shí)現(xiàn)如下的 基本動作： 手臂的運(yùn)動：伸縮運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動（即俯仰）、升降運(yùn)動。 手腕的運(yùn)動：回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。 手部的運(yùn)動：夾緊和松開。 整機(jī)主體的運(yùn)動：整機(jī)行走。 機(jī)械手的每一個運(yùn)動，必須要配有一個原動件，當(dāng)各原動件按一定的規(guī)律運(yùn)動時， 機(jī)械手各運(yùn)動部件隨之作確定的運(yùn)動，從而使機(jī)械手具有運(yùn)動和位置的確定性。 2.2 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

17、實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即 為手 2.3 機(jī)械手的主要參數(shù) 1.機(jī)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，查閱相關(guān)機(jī) 械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為10公斤 2.基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要 求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸 縮及回轉(zhuǎn)的速度。 1抓取重量 抓取重量（又稱臂力）是指機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)物件的最大重量，它對其他參 數(shù)如行程范圍、運(yùn)動速度、坐標(biāo)形式和緩沖裝置的設(shè)計(jì)均有影響，是機(jī)械手最基本的 參數(shù)。 主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓

18、重以 10 公斤左右 的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為 10 公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部 時可吸附 5 公斤的重物。 2運(yùn)動速度 運(yùn)動速度反映了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手的運(yùn)動周期和工作效率，很多機(jī) 械手由于速度低而限制了它的使用范圍。影響機(jī)械手動作快慢的兩個主要運(yùn)動是手臂 的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。速度大小與機(jī)械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離 有關(guān)系。 基本參數(shù)運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求， 設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂升降及 旋轉(zhuǎn)的速度。 該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計(jì)為 1.2m/s，最大旋轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)

19、為 1200/s，平均移動 速度為 lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為 900/s。 機(jī)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?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合 速度特性。 除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械 手設(shè)計(jì)成相當(dāng)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(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 600mm,最大工作半徑約為 1500mm，手臂安裝 前后可調(diào) 200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 2

20、400(應(yīng)大于 180 否則需安裝多只手臂)，又 由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定 為 150mm。 定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土 0.5lmm 3.行程范圍 機(jī)械手的手臂運(yùn)動行程對使用性能有較大的影響。一般來說，通用機(jī)械手的手臂 回轉(zhuǎn)應(yīng)盡可能大些，回轉(zhuǎn)行程范圍應(yīng)大于 180，使機(jī)械手具有一定的通用性；手臂伸 縮行程及工作半徑要適宜，太大會增加手臂懸伸量，相應(yīng)的偏重力矩和轉(zhuǎn)動慣量也增 加，且剛性降低，對于定位精度也難以保證。 4定位精度 定位精度是衡量機(jī)械手工作質(zhì)量的又一重要指標(biāo)，是指機(jī)械手的運(yùn)動部件從某一 起始位置運(yùn)動到預(yù)期的另一

21、位置時所到達(dá)的實(shí)際位置的準(zhǔn)確程度。定位精度的高低取 決于位置控制方式以及機(jī)械手運(yùn)動部件本身的精度和剛度，并和抓取重量、運(yùn)動速度 等因素也有密切關(guān)系。定位精度包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度兩種，一般所說的 定位精度是指重復(fù)定位精度。 2.4 手部要求 241 概述 手部是機(jī)械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件， 因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計(jì)，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型式。 它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。如 圖 3 所示： 圖 3 設(shè)計(jì)手部時除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求： (1)手指握力的大小要適宜 確定手指的握力（即夾緊力）時，應(yīng)

22、考慮工件重量以及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，但握力太大又會造成浪費(fèi)并可能損 壞工件。 (2)應(yīng)保證工件能順利地進(jìn)入或脫開手指 開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊 距離以方便地抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 (3)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并且自身重量輕 因受到被夾持工件的反作用力和運(yùn)動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機(jī)械 手具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手 部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。 (4）動作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機(jī)械手還要求更換手部

23、方便 根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工 具）三類， 1夾持式手部 夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動作與鋼絲 鉗或臺虎鉗相似。 夾持式手部是由驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動裝置多半用 活塞缸。傳動機(jī)構(gòu)常用連桿機(jī)構(gòu)、滑槽杠桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等。手指通常是兩指， 也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾持工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于 工件的形狀。 手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動型等型式。回轉(zhuǎn)型的連桿 傳動手部它由雙作用活塞缸、連桿機(jī)構(gòu)和手指組成。當(dāng)驅(qū)動活塞左右移動時，通過連 桿機(jī)構(gòu)使手指閉合或

24、張開。這種結(jié)構(gòu)由于各連桿間都是鉸鏈連接，故能傳遞較大的作 用力。另外，在一定的驅(qū)動力條件下，適當(dāng)?shù)剡x擇連桿尺寸可使手指獲得較大的夾緊 力。但應(yīng)注意，當(dāng)活塞向左移動到使連桿組成的角 a 為零時，手指已閉合到極限位置。 若此時手指還沒有夾緊工件，活塞再左移則手指反而要張開。因此，設(shè)計(jì)時須注意工 件尺寸及各連桿尺寸，保證 a 角要大于零。 2吸附式手部 吸附式手部是靠吸附力抓取物料，它適用于抓取大平面、易碎、微小等類型的物料。 吸附式手部有真空負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩種。 a真空負(fù)壓吸盤 真空負(fù)壓吸盤是用橡膠或軟塑料制成碗狀，使之在吸盤中形成真空而把工件吸附 住，多半應(yīng)用于抓取薄板工件及弧形殼體工件等。

25、其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、表面 吸附力分布均勻，但對吸取的工件表面要求平整而無孔洞，它不宜吸取過重的工件。 b電磁吸盤 電磁吸盤是采用電磁鐵，通過磁場吸力作用吸取工件。它的結(jié)構(gòu)簡單，但只適用 于磁性材料工件，不能在高溫下應(yīng)用。 所以經(jīng)過對比我選取了夾持式手剖及氣流負(fù)壓式吸盤 2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于自動輸送線的上下料。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重 10 公斤 (夾持式手部) 5 公斤（氣流負(fù)壓式吸盤） 2、自由度數(shù)：3 個自由度 3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo) 4、最大工作半徑：1500mm 5、手臂最大中心高：1380mm 6、手臂運(yùn)動參數(shù)： 升降行程 200mm 升降速度

26、300mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 0 180 回轉(zhuǎn)速度 90 7、手腕運(yùn)動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 0 180 回轉(zhuǎn)速度 180/s 8、手指夾持范圍：棒料 : 80150mm 片料 : 面 積不大于 0.5m Z 9、定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 10、定位精度：士 0.5mm l1、緩沖方式：液壓緩沖器 12、驅(qū)動方式：氣壓傳動 13、控制方式：點(diǎn)位程序控制 第三章 輸送單元手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) 3.1 輸送單元手臂伸縮氣缸方案一的設(shè)計(jì) 為方便大規(guī)模生產(chǎn)需求以及采購，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣 動元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合 本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣

27、缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63MM. (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 1 D 足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng)。MPaP4 . 0 則驅(qū)動力： F=PR2 =0.41063.140.03152 =1246N （2）. 測定手腕質(zhì)量為5kg,設(shè)計(jì)加速度a=10(m/s)，則慣性力 F1=am =105=50N （3）.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k=0.2 Fm=kF1 =500.2 =10N 總受力F0=F1+Fm =50+10=60N F0F 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動力要求要求。 3.2 輸送單元手臂伸縮

28、部分方案二的設(shè)計(jì) 為使所設(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有更高精度，同時便于安裝調(diào)試，現(xiàn)設(shè)計(jì)手臂伸縮部分第 二套方案。 (1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計(jì)算 活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力F1,活塞右行時產(chǎn)生拉力F2。 F1=D2p4FZ F2=(D2-d2)4FZ 式中 F1-活塞桿的推力(N); F2-活塞桿的拉力(N); D-活塞直徑(m); d-活塞桿直徑(m); p-氣缸工作壓力(Pa); FZ -氣缸工作總阻力(N); 氣缸工作時的總阻力FZ與眾多因素有關(guān),如運(yùn)動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩 擦力等.以上因素可以載荷率 的形式計(jì)入公式,如要求氣缸的靜推力F1和靜拉力FZ,則 計(jì)入載荷率后 計(jì)入載荷率就能保

29、證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻 率高,其載荷率一般取 ,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù) 要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運(yùn)動,其載荷率可取。根據(jù)要求本次設(shè)計(jì) 中,我們?nèi)?。活塞桿拉力為克服機(jī)械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量 0.8 2 F (0.5KG)所用的力為 F2=(1.5+0.5)10=20N 可求得氣缸直徑D。 當(dāng)推力作功時 活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定。估定活塞桿直徑可按 d/D=0.20.3計(jì)算得 =85mm 式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。 以上公式計(jì)算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。 根據(jù)d/D=0.20.3可

30、估算得 d=12cm （2）活塞桿的計(jì)算 1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長度L較小時（L10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì) 算活塞桿直徑d 式中 F1-氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）； S-安全系數(shù)，S1.4。 按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力 達(dá)到極限力Fk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(dāng)長細(xì)比 時 Fk=n2EI/L2 當(dāng)長細(xì)比 時 式中 L-活塞桿計(jì)算長度（m） K-活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 空心桿 I-活塞桿橫截面慣性矩， 實(shí)心桿 I=d

31、4/64 空心桿 I=(d4-d04)/64 d0-空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； A1-活塞桿截面積 實(shí)心桿 A1=d2/4 空心桿 A1=(d2- d02)/4 n-系數(shù)d02，見表3-3 E-材料彈性模量，對鋼取E=2.11011Pa f-材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對鋼取f=49107Pa a-系數(shù)，對鋼取a=1/5000 3.3.導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指 的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂 結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體 重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上

32、應(yīng)該盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少對 回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用 單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 3.4 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)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(yùn)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。 3.5 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖 4 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0.4-0.6MPa）通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油

33、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 4 機(jī)械手氣壓傳動原理圖 序號型號規(guī)格名稱數(shù)量 1QF-44 氣動截止閥 1 2 儲氣缸 2 3QSL-26-S(1) 分水濾氣器 1 4QTY-20-S(1) 減壓閥 1 5QIU-20-S(1) 油霧器 1 6YJ-1 壓力繼電器 1 7Q(2)4DH-10-S(1) 二位五通電磁換向閥 1 8Q24D(2)H-10-S(1) 二位五通電磁換向閥 4 9Q24D(2)H-15-S(1) 二位五通電磁換向閥 1 10 單向節(jié)流閥 2 11LI-25 單向節(jié)流閥 2 12 快速排氣閥 2 13 氣液轉(zhuǎn)換器 1 表3 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)速。

34、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(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(jìn)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(jì)算出所需壓縮空氣流量， 與所

35、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。 第四章 結(jié)論 1、 本次設(shè)計(jì)的是氣動通用機(jī)械手，相對于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可 變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 2、該機(jī)械手可以選擇配置普通的夾持手指，以抓取一般工件;也可更換噴射式氣 流負(fù)壓吸盤，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機(jī)械手 的用途更多，使用范圍更廣。另外，該機(jī)械手既可以用于搬運(yùn)小型零件，也可供教學(xué)、 實(shí)驗(yàn)使用。 3、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作 環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污 染環(huán)境。同時成本低廉。 4、機(jī)械

36、手采用 PLC 控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時間 控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定 PLC 程序來實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動 作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。 5、如果該 PLC 程序再和組態(tài)監(jiān)控軟件連接將能更形象的表達(dá)出機(jī)械手的實(shí)時工作 過程，可達(dá)到操作遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的效果，讓操作人員遠(yuǎn)離惡劣的工作環(huán)境，但遺 憾的是我們沒有做出組態(tài)的動畫效果。 致 謝 首先，我要感謝王老師對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的 工作作風(fēng)使我收益匪淺。在此，我首先向老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題研究中，王老師抽出寶貴的時間給予我指導(dǎo)，

37、并給予了很多的建 議，讓我知道了在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時應(yīng)多方面考慮問題。同時，在著三年日常生活和學(xué)習(xí) 中，陜航學(xué)院的各位老師以及全體同學(xué)給予我的大力支持和幫助，在此，我向他們以 及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師和同學(xué)表示忠心的感謝，感謝我的各位老師， 感謝我的朋友。感謝陜航學(xué)院為我提供的良好學(xué)習(xí)環(huán)境。老師認(rèn)真、負(fù)責(zé)的工作態(tài)度， 讓我在此次設(shè)計(jì)路上走的更為平坦，衷心的感謝老師，您辛苦了！ 同時，在大學(xué)三年里我學(xué)到了很多很多知識，都離不開教導(dǎo)我的每一位老師，是 他們辛勤的培養(yǎng)，使我受益匪淺，我深深感謝！我還要感謝每一位關(guān)心我的親人和朋 友們，使我在三年過完了一個充實(shí)而又開心的大學(xué)生活。還有我辛苦的父母

38、給了我很 多的關(guān)愛，使我有個美好的學(xué)習(xí)生活。我想對你們說：你們辛苦了！ 在此，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！ 衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位老師！ 參考文獻(xiàn) 1,徐杜等編著柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.7. 2,文熙編著Pro-e 三維實(shí)體建模高級教程北京:電子工業(yè)出版社,2008.9. 3,何存興 張鐵華主編液壓與氣動原理武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.8. 4,紀(jì)名剛等主編機(jī)械設(shè)計(jì) 北京:高等教育出版社,2001,西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理 與機(jī) 械零件教研室編著. 5,朱家誠主編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2005.8. 6,劉暢生等主編傳感器原理及應(yīng)用西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.11. 7,鄧星鐘主編 機(jī)電傳動控制武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.3. 8,尹志強(qiáng) 王玉林 宋守許 劉志峰等主編機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書北 京:機(jī) 械工業(yè)出版社,2007.5. 9,SMC 中國投資有限公司編制SMC 產(chǎn)品技術(shù)說明書 10,楊伯源主編材料力學(xué)北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.2. 11,米思米(中國)精密機(jī)械貿(mào)易有限公司編制MISUMI FA 工廠自動化零件 12,機(jī)械工程師