氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書題目名稱：氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體要求：（原始數(shù)據(jù)、試驗(yàn)方案、手段及預(yù)期結(jié)果）結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，查閱相關(guān)書籍及資料，深入理解設(shè)計(jì)課題的要求，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，具體要求如下：1. 收集相關(guān)資料，氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理，確定總體設(shè)計(jì)方案，做開題報(bào)告，翻譯一篇與該課題有關(guān)的不少于5000個(gè)英文字符的外文資料。2. 位置檢測(cè)精度達(dá)到毫米。伸縮行程100mm，升降行程50mm。旋轉(zhuǎn)。3. 抓握零件直徑，最大重量0.5kg。4. 總結(jié)設(shè)計(jì)過程，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯，按照論文撰寫規(guī)范書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，并做好答辯前的準(zhǔn)備工作?；緝?nèi)容如下：

2、本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；(2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； (4) PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及編程。其中： 參考文獻(xiàn)篇數(shù)：說明書字?jǐn)?shù)：圖紙張數(shù)：10篇以上6 000字以上折合A0圖紙3張，其中至少1張裝配圖專業(yè)負(fù)責(zé)人意見簽名：年 月 日 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自

3、由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(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(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對(duì)氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號(hào)，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，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的工作時(shí)序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)；PLCPneumatic manipulator arm struct

4、ure designAbstractThis paper briefly introduces the concept of industrial robot manipulator, the composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, pneumatic technology of PLC control, the characteristics of the development of both at home and abroad.This paper makes an over

5、all manipulator, the design scheme of the manipulator coordinates and freedom, the technical parameters of the robot. At the same time, the design of clamping manipulator hand structure, the design of the structure of the manipulator wrist, calculates the wrist curls when driving torque and rotary c

6、ylinder driving torque. The design of manipulator arm structure.Design a robot manipulator, pneumatic system, pneumatic system working principle of pneumatic system principle diagram of parameterized drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings.Using manipulator pr

7、ogrammable controller, the control of PLC suitable model, according to the working process of the manipulator programmable controller has formulated the control scheme, the work of the manipulator, and draws the sequential diagram PLC control procedures. Design meets the design target.Keywords Indus

8、trial robot; Manipulator ; Air pressure drive; PLC目錄摘要Abstract1 緒論11.1 氣動(dòng)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11.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r21.4 課題的提出及任務(wù)22 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案42.1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度42.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)42.3 機(jī)械手的手腕方案設(shè)計(jì)42.4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)42.5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表43 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1 手腕的自由度63.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算6 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩64 手臂伸縮、升降回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸計(jì)算和校核94.1 手臂伸

9、縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核9 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)9 尺寸校核9 導(dǎo)向裝置10 平衡裝置104.2 手臂升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核10 尺寸設(shè)計(jì)104.3 手臂回轉(zhuǎn)缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核11 尺寸設(shè)計(jì)11 尺寸校核115 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)135.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖136 機(jī)械手的PLC控制156.1 可編程序控制器的選擇及工作過程15 可編程序控制器的選擇15 工作過程156.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案16 系統(tǒng)簡介16 工業(yè)機(jī)械手的工作流程16 機(jī)械手工作時(shí)序圖16結(jié)論21參考文獻(xiàn)22致謝261 緒論1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成

10、，是一種仿人操作，自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備3。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用1。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。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” 4。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)1。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1.2.1 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所

11、組成4。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。 圖1-1 機(jī)械手組成方框圖1.2.2 機(jī)械手的分類一、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4:（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4。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)1，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上下料機(jī)械手和加工中心3。（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(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手3。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(dòng)化的生產(chǎn)4。二.按驅(qū)動(dòng)方式分（1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手

12、液壓傳動(dòng)機(jī)械手以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手3。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏1。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)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4。（2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手氣壓傳動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手3。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低1。（3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手3。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的1。1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)

13、趨勢(shì):（1）工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元2。（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(cè)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)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(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。1.4 課題的提出及任務(wù)進(jìn)入21世紀(jì)，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

14、量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本課題將要完成的主要任務(wù)如下:(1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；(2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；(3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；（4）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及編程。2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角

15、座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式3。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部，當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.3 機(jī)械手的手腕方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

16、由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。2.5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表一.用途：用于自動(dòng)輸送線的上下料。二.設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):（1）抓重： 0.5（2）自由度數(shù)： 4個(gè)自由度（3）座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo)（4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮行程100mm 伸縮速度40mm/s 升降行程50mm 升降速度100mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 （5）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度（6）手指夾持范圍：棒料: ø5 ø20 （7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度（8）手指夾持范圍： 棒料:（9）定位方式：行程開關(guān)（10）定位精度：（11）驅(qū)動(dòng)方式

17、：氣壓傳動(dòng)（12）控制方式：點(diǎn)位程序控制(采用PLC)3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 手腕的自由度手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸。3.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生

18、的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖3-1所示為手腕受力的示意圖。1.工件 2.手部 3.手腕圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： （3-1）式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩() - 慣性力矩() 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算：（1）手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，則：

19、 （3-2）式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-3）式中： - 工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 工件的重量(N) - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s) - 起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s) 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () （3-4）式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N) - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則3.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 （3-5）式中:

20、，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm) - 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù),得： （3-6） （3-7）同理，根據(jù),得： （3-8） 式中：- 的重量(N) 如圖4-1所示的長度尺寸(cm)4 手臂伸縮、升降回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸計(jì)算和校核4.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核4.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)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(hào)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，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。4.1.2 尺寸校核1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑半徑R=31.5m

21、m的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動(dòng)力： （4-1） 測(cè)定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （4-2） 2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), （4-3） 總受力 （4-4） 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。4.1.3 導(dǎo)向裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置

22、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。4.1.4 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(duì)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。4.2 手臂升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核4.2.1 尺寸設(shè)計(jì)（1）測(cè)定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： （4-5） （2）設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （4-6） 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， （4-7） 總受力 （4-8） 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。4.3 手臂回轉(zhuǎn)缸的尺

23、寸設(shè)計(jì)與校核4.3.1 尺寸設(shè)計(jì)氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸 半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng) （4-9） 4.3.2 尺寸校核測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4-10）（） （4-11） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) （4-12）總驅(qū)動(dòng)力矩： （4-13） 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖圖6-1為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)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）通過快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并

24、聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。圖5-1 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)原理圖表5-1 氣動(dòng)元件 序 號(hào)型 號(hào) 規(guī) 格 名 稱 數(shù) 量1QF-44手動(dòng)截止閥12儲(chǔ)氣缸23QSL-26-S1分水濾氣器14QTY-20-S1減壓閥15QIU-20-S1油霧器16YJ-1壓力繼電器17Q24DH-10-S1二位五通電磁滑閥18Q24D2H-10-S1二位五通電磁滑閥49Q24D2H-15-S1二位五通電磁滑閥110單向節(jié)流閥211LI-25單向節(jié)流閥212快速排氣閥1各執(zhí)行機(jī)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(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

25、近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可以加快啟動(dòng)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。6 機(jī)械手的PLC控制6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程6.1.1 可編程序控制器的選擇

26、目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等11。考慮到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器12。6.1.2 工作過程可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式，具體的工作過程可分為4個(gè)階段12。第一階段是初始化處理：可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的11。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/

27、O狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)12。開機(jī)時(shí)，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。第二階段是處理輸入信號(hào)階段：在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/O狀態(tài)表中存放8。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/O狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響9，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。第三階段是程序處理階段：當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/O狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段8。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/O

28、狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理9，最后將結(jié)果寫入I/O狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。第四階段是輸出處理階段：段CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/O狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中10。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作8。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案6.2.1 系統(tǒng)簡介控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮，豎直方向的上、下，繞豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用氣動(dòng)方

29、式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測(cè)動(dòng)作是否到位，如果某動(dòng)作沒有到位，則出錯(cuò)指示燈亮。6.2.2 工業(yè)機(jī)械手的工作流程此機(jī)械手用于自動(dòng)輸送線的上下料。當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后，

30、機(jī)械手有如下動(dòng)作：先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動(dòng)作(1DT通電) 下降至下限位開關(guān)(5DT通電) 手腕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90 (7DT通電) 手臂伸長至限位開關(guān)(3DT通電) 檢查有無物品，若有物品，手爪抓緊(9DT通電) 手臂收縮至限位開關(guān)(4DT通電) 上升至上限位開關(guān)(6DT通電) 左轉(zhuǎn)至左限位開關(guān)動(dòng)作(2DT通電) 手腕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) (8DT通電) 手臂伸長至最長(3DT通電) 手爪松開(10DT通電) 延時(shí) 手臂收縮最短(4DT通電)。至此，一個(gè)工作循環(huán)完畢。6.2.3 機(jī)械手工作時(shí)序圖1.I/O分配根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的數(shù)目，選用OMRON C28P型PC，它有16個(gè)輸入點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為0000-0015，

31、12個(gè)輸出點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為0500-0511。 表6-1 I/O分配輸入輸出啟動(dòng) 0000手臂左轉(zhuǎn) 0500停止 0001手臂右轉(zhuǎn) 0501手抓抓緊 0002手臂伸長 0502左轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0003手臂收縮 0503右轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0004手臂上升 0504伸長限位開關(guān) 0005手臂下降 0505收縮限位開關(guān) 0006手臂逆轉(zhuǎn) 0506上升限位開關(guān) 0007手臂順轉(zhuǎn) 0507下降限位開關(guān) 0008手臂抓緊 0508逆轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0009手臂放松 0509順轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0010物品檢測(cè) 0011 2.梯形圖設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手的邏輯時(shí)序圖及I/O分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖可以看出：(1)手臂左

32、轉(zhuǎn)的條件：左轉(zhuǎn)不到位(0003為OFF)，收縮到位(0006為ON),上升到位(0007為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON),無右轉(zhuǎn)命令(0501為OFF)。(2)手臂右轉(zhuǎn)的條件：右轉(zhuǎn)不到位(0004為OFF)，上升到位(0007為ON),收縮到位(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF),無左轉(zhuǎn)命令(0500為OFF)。(3)手臂伸長的條件：伸長不到位(0005為OFF)，無收縮命令(0503為OFF)，并且滿足下列條件之一：1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪放

33、松(0002為OFF)； 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪抓緊(0002為ON)。(4)手臂收縮的條件：收縮不到位(0006為OFF)，無伸長命令0502為OFF，并且滿足下列條件之一：1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)； 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)。(5)手臂上升的條件：上升不到位(0007為OFF)，無下降命令(0505為OFF)，收縮到位(0006為O

34、N)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON).(6)手臂下降的條件：下降不到位(0008為OFF)，無上升命令(0504為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪放松(0002為OFF)。(7)手腕逆轉(zhuǎn)的條件：逆轉(zhuǎn)不到位(0009為OFF)，無順轉(zhuǎn)命令(0507為OFF)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，收縮到位(0006為ON)，下降到位(0008為ON),手爪放松(0002為OFF)。(8)手腕順轉(zhuǎn)的條件：順轉(zhuǎn)不到位(0010為OFF)，無逆轉(zhuǎn)命令(0506為OFF)，左轉(zhuǎn)到位(000

35、3為ON)，收縮到位(0006為ON)，上升到位(0007為ON),手爪抓緊(0002為ON)。(9)手爪抓緊的條件：手爪未抓到物品(0002為OFF)，無放松命令(0509為OFF)，并且滿足下列條件之一：1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，伸長到位(0005為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，檢測(cè)到有物品(0011為ON), 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)。(10)手爪放松的條件：手爪抓緊(0002為ON)，無抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件一：1)左轉(zhuǎn)到位(

36、0003為ON)，伸長到位(0005為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)。 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，收縮到位(0006為ON)。另外，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，手臂停止動(dòng)作，即手臂停止在不定的位置。3.機(jī)械手控制程序控制程序如表6-2,6-3表6-2 地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)0000LD00000038AND0007OR1000AND0010AND NOT0001AND0002OUT1000AND NOT0006LD1000OR LDIL(02)AND NOT0502LD NOT0003OUT0503A

37、ND0006LD0006AND0007AND0009AND0009AND0002AND0002AND0004AND NOT0501AND NOT0007OUT0500AND NOT0505LD 0004OUT0504AND0008LD0004AND0009AND0006AND NOT0002AND0010LD0003AND NOT0003AND 0007AND NOT0009AND0010AND NOT0507AND0002OUT0506OR LDLD0003AND NOT0005AND0006AND NOT0503AND0007OUT0502AND NOT0002LD0004AND NOT0

38、010AND0008AND NOT0506AND0009OUT0507AND0002LD0004AND NOT0006AND0005LD0003AND0008表6-3地址指令數(shù)據(jù)地址指令數(shù)據(jù)0076AND0009AND0011LD0003AND0005AND0007AND0010OR LDAND NOT0002AND NOT0509OUT0508LD0003AND0007AND0010AND0002AND0005LD1001OR LDAND NOTTIM(01)OUT1001LD1001TIM00LD0003AND0005AND0007AND0010LD0003AND0007AND0010OR LDAND0002AND NOT0508OU