機(jī)械手修訂稿板

第一章氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)（課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)）PAGEPAGE46目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一章氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 21.題目的介紹與要求 21.1機(jī)械手發(fā)展概述 21.2本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 32.搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案 32.1搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作 32.2機(jī)械手的控制過(guò)程 62.3機(jī)械手的控制要求 73.氣動(dòng)系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì) 73.1氣壓與其它傳動(dòng)方式的比較 73.2氣動(dòng)系統(tǒng)原理 83.3氣動(dòng)系統(tǒng)附件的選擇 113.3.1空氣過(guò)濾器 113.3.2油霧器 123.3.3減壓閥 133.3.4消聲器 143.3.5管道與接頭 153.3.6方向閥 153.3.7單向節(jié)流閥 174.機(jī)械手重要部件的設(shè)計(jì)與校核 174.1氣動(dòng)執(zhí)行原件的選擇 174.1.1氣動(dòng)手抓的設(shè)計(jì) 174.1.2氣缸的選擇 194.1.3水平氣缸的導(dǎo)向裝置與平衡裝置 244.2橫向與縱向氣缸的計(jì)算與校核 244.2.1氣缸的計(jì)算 244.2.2氣缸的校核 264.3手抓爪的計(jì)算與校核 314.4回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算與校核 325.電氣控制部分的設(shè)計(jì) 335.1控制器的選擇與工作過(guò)程 335.2PLC硬件的設(shè)計(jì) 345.2.1PLC選型 345.2.2I/O地址分配圖 365.2.3設(shè)計(jì)電源電路 375.3軟件的設(shè)計(jì) 375.3.1編制PLC控制邏輯圖 375.3.2操作面板及動(dòng)作說(shuō)明 395.3.3編制PLC梯形圖 40參考文獻(xiàn) 45第一章氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)1.題目的介紹與要求1.1機(jī)械手發(fā)展概述機(jī)械手：mechanicalhand，也被稱為自動(dòng)手，autohand能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造冶金部門(mén)。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)越多、自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門(mén)操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤(pán)吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過(guò)程的高度自動(dòng)化，堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用。1.2本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求“氣動(dòng)機(jī)械手”課程設(shè)計(jì)是在完成該門(mén)課的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的，目的在于訓(xùn)練學(xué)生面對(duì)具體的工程問(wèn)題時(shí)，學(xué)會(huì)分析其工藝流程與控制要求、擬定控制方案、選型氣動(dòng)元?dú)饧蚉LC以及設(shè)計(jì)電氣控制電路、程序編制與調(diào)試運(yùn)行等方面的實(shí)戰(zhàn)能力，從而能應(yīng)用氣動(dòng)電氣控制與PLC技術(shù)來(lái)解決以順序、開(kāi)關(guān)邏輯控制為主的機(jī)電工程的應(yīng)用與設(shè)計(jì)問(wèn)題。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括以下幾方面：1、機(jī)械方面設(shè)計(jì)機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)搬運(yùn)重量要求，選擇合適的氣缸，在保證搬運(yùn)重量的條件下，盡量提高運(yùn)動(dòng)速度，減少耗氣量。工件形狀，可自選為：圓柱體、長(zhǎng)方體等，要根據(jù)工件重量，設(shè)計(jì)合適的手抓。以上設(shè)計(jì)，都要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，作為設(shè)計(jì)依據(jù)。2.、氣動(dòng)方面1）設(shè)計(jì)氣動(dòng)原理圖，編制電磁鐵動(dòng)作表，運(yùn)行狀態(tài)流程圖。2）選擇氣源處理裝置、執(zhí)行氣缸、氣動(dòng)閥、氣動(dòng)管接頭與管路等。3、電氣方面1）PLC選型，設(shè)計(jì)PLC輸入/輸出控制回路。2）編制PLC程序，包括手動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)循環(huán)。3）設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)總圖，包括操作面板圖，電源與驅(qū)動(dòng)電路等。4、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)本設(shè)計(jì)的主要目的包括以下幾方面：（1）熟悉步進(jìn)順控指令的編程方法（2）掌握單流程程序的編制（3）掌握機(jī)械手的程序設(shè)計(jì)及其外部接線2.搬運(yùn)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案2.1搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、控制方案可以有多種形式。常見(jiàn)的有以下幾種方式：1．手臂式直線水平搬運(yùn)機(jī)械手，結(jié)構(gòu)如上圖。主要部件有：左右移動(dòng)氣缸帶橫向手臂，上下移動(dòng)氣缸帶上下手臂，夾緊氣缸帶機(jī)械手抓。如圖2.1。1.機(jī)身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手圖2.1氣動(dòng)機(jī)械手示意圖該機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)，選用品質(zhì)精良的氣動(dòng)元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度，由機(jī)身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動(dòng)作，可以方便的通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)。機(jī)械臂用2個(gè)氣缸控制，即橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸。2．門(mén)式直線水平搬運(yùn)機(jī)械手，橫向移動(dòng)是由裝在門(mén)式框架橫梁上的磁性氣缸（或繩索氣缸）帶動(dòng)的，其他部分與1基本一致。門(mén)式機(jī)械手與手臂式機(jī)械手相比，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，搬運(yùn)重量大。如下圖2.2。1.垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機(jī)座5.導(dǎo)軌圖2.2氣動(dòng)機(jī)械手示意圖3．手臂式180度水平搬運(yùn)機(jī)械手，橫向移動(dòng)是由回轉(zhuǎn)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖1中的A點(diǎn)與B點(diǎn)，是在機(jī)械手底座的兩側(cè)，機(jī)械手底座內(nèi)裝有回轉(zhuǎn)氣缸。其他部分與1基本一致。如圖2.3。圖2.3回轉(zhuǎn)機(jī)械手示意圖本文以第一種方案為例，詳細(xì)介紹氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程。該裝置還要求具備的功能有：系統(tǒng)具備低壓保護(hù)，如果氣壓過(guò)低則不能啟動(dòng)；工作臺(tái)面上左右兩端各有一個(gè)檢測(cè)工件的光電開(kāi)關(guān)能自動(dòng)判斷是否有工件；每個(gè)動(dòng)作，都能手動(dòng)調(diào)整；具有半自動(dòng)、全自動(dòng)功能，并有原位狀態(tài)指示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2.4。圖2.4機(jī)械手的結(jié)構(gòu)機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程如圖2.5。原位原位wei下降夾緊上升伸長(zhǎng)下降放松上升收縮圖2.5機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程典型的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2.6。圖2.6典型的運(yùn)動(dòng)示意圖2.2機(jī)械手的控制過(guò)程如圖2.6所示由手臂氣缸和抓手氣缸兩個(gè)氣壓缸完成工件的提升和夾緊的動(dòng)作，手臂氣缸通過(guò)一個(gè)雙電控二位五通電磁換向閥控制工件的上升和下降，抓手氣缸通過(guò)一個(gè)雙電控二位五通電磁換向閥控制抓手的夾緊與放松；當(dāng)機(jī)械手準(zhǔn)備開(kāi)始工作時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，手臂氣缸活塞桿收進(jìn)，帶動(dòng)機(jī)械手下降，下降至抓手中間橫梁上的接觸式傳感器與工件相碰，與抓手夾鉗相連的抓手氣缸活塞桿伸出，抓手將工件夾緊；當(dāng)工件夾緊到位時(shí)，安裝于抓手“指尖”的兩接觸式傳感器同時(shí)觸發(fā)，手臂氣缸的活塞桿收進(jìn)，把工件提升；當(dāng)工件提升到最高位置時(shí)碰壓行程開(kāi)關(guān)SQ1，啟動(dòng)橫向氣缸水平移動(dòng)；當(dāng)懸臂移動(dòng)設(shè)定的行程時(shí)，碰壓行程開(kāi)關(guān)SQ2時(shí)橫向氣缸停止運(yùn)動(dòng)，手臂氣缸活塞桿伸出，帶動(dòng)機(jī)械手下降，下降一定高度是觸發(fā)安裝于工作臺(tái)上的接近開(kāi)關(guān)，抓手氣缸活塞桿收進(jìn)，抓手將工件放開(kāi)，觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)SQ3，手臂氣缸的活塞桿收進(jìn)，達(dá)最高點(diǎn)時(shí)碰壓行程開(kāi)關(guān)SQ1，啟動(dòng)橫向氣缸反向移動(dòng)設(shè)定值，回到原點(diǎn)，碰壓行程開(kāi)關(guān)SQ4，若狀態(tài)為自動(dòng)則繼續(xù)循環(huán)動(dòng)作，若為半自動(dòng)狀態(tài)則停止動(dòng)作。2.3機(jī)械手的控制要求為了便于生產(chǎn)加工、維修、調(diào)整設(shè)置的工作方式選擇開(kāi)關(guān)。手動(dòng)操作：供維、調(diào)試修用，即用按鈕對(duì)機(jī)械手的每一步動(dòng)作單獨(dú)控制。例如，當(dāng)選擇手動(dòng)操作時(shí)，按下上升/下降按鈕，機(jī)械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，其它動(dòng)作以此類推。單步運(yùn)行：供調(diào)試用，即每按一次啟動(dòng)按鈕機(jī)械手向前執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作后停止。連續(xù)運(yùn)行：正常使用，當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)并按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手周而復(fù)始的執(zhí)行各工步動(dòng)作。該機(jī)械手在自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)先對(duì)狀態(tài)器進(jìn)行置位，然后再將工作方式選擇開(kāi)關(guān)放置自動(dòng)工作方式下。若自動(dòng)工作狀態(tài)解除，則硬件工作方式選擇開(kāi)關(guān)放置于“手動(dòng)操作”位置。3.氣動(dòng)系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)3.1氣壓與其它傳動(dòng)方式的比較表3.1氣壓與其它傳動(dòng)方式的比較比較項(xiàng)目操作力動(dòng)作快慢環(huán)境

要求構(gòu)造載荷變化影響遠(yuǎn)距離操縱無(wú)級(jí)

調(diào)速工作

壽命維護(hù)價(jià)格氣壓控制中等較快適應(yīng)

性好簡(jiǎn)單較大中距離較好長(zhǎng)一般便宜液壓控制最大

較慢不怕

振動(dòng)復(fù)雜有一些短距離良好一般要求高稍貴電控

制電氣中等快要求高稍復(fù)雜幾乎

沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好較短要求

較高稍貴電子最小最快要求

特高最復(fù)雜沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好短要求

更高最貴機(jī)械控制較大一般一般一般沒(méi)有短距離較困難一般簡(jiǎn)單一般自動(dòng)線高節(jié)拍的運(yùn)動(dòng)控制中很多采用了氣動(dòng)技術(shù)。就機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、電氣等眾多控制技術(shù)而言，究竟應(yīng)該選用哪一門(mén)技術(shù)驅(qū)動(dòng)控制，首先應(yīng)考慮從信號(hào)輸入到最后動(dòng)力輸出的整個(gè)系統(tǒng)，盡管在考慮某個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)往往會(huì)覺(jué)得采用某一門(mén)技術(shù)較合適，但最終決定選用那一個(gè)控制技術(shù)還需要基于諸多因素的總體考慮，如：成本、系統(tǒng)的建立和掌握程度的難易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其是對(duì)力和速度的無(wú)極控制等因素。除此之外，系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)也是不可忽略的因素之一。目前很多制造廠商要求自己的生產(chǎn)流水線對(duì)市場(chǎng)變化響應(yīng)時(shí)間要快，即要允許在自己的生產(chǎn)流水線上方便改動(dòng)某些部件或在短時(shí)間內(nèi)重新設(shè)置其少量部件后，便能很快的投入生產(chǎn)，使產(chǎn)品生產(chǎn)商在短時(shí)間或在該商品的市場(chǎng)數(shù)量要求不是很大的情況下，也能保證市場(chǎng)需求，保證新增產(chǎn)品的供應(yīng)。3.2氣動(dòng)系統(tǒng)原理氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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公斤氣動(dòng)系統(tǒng)組成按照控制過(guò)程分，包括氣源、信號(hào)輸入、信號(hào)處理及最后的命令執(zhí)行四個(gè)步驟，見(jiàn)圖3.1。1.氣源部分是以空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐開(kāi)始。一些氣動(dòng)專業(yè)人員接觸更多的是氣源處理單元(過(guò)濾、干燥、排氣、減壓和油霧這一工序)。2.信號(hào)輸入部分主要考慮被控對(duì)象能采用的信號(hào)源。在簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，其中手動(dòng)按鈕操作閥可作為控制運(yùn)動(dòng)起始的主要手段。在復(fù)雜的氣動(dòng)控制系統(tǒng)中，壓力開(kāi)關(guān)、傳感器的信號(hào)、光電信號(hào)和某些物理量轉(zhuǎn)換信號(hào)等都列入信號(hào)輸入這一部分。3.信號(hào)處理有兩種方式氣控和電控。氣控以氣動(dòng)邏輯元件為主題，通過(guò)梭閥、雙壓閥或順序閥組成邏輯控制回路。有些氣動(dòng)制造廠商已制造出氣動(dòng)邏輯控制器,更多地使用PLC或工控機(jī)控制。目前大多數(shù)氣動(dòng)制造廠商通過(guò)內(nèi)置PLC的閥島產(chǎn)品把信號(hào)處理和命令執(zhí)行合并作為一個(gè)控制程序。列入這部分的氣動(dòng)輔助件有消聲器、氣管、接頭等。4.命令執(zhí)行主要包括方向控制閥和驅(qū)動(dòng)器。這里提到的方向控制閥是指接受了信號(hào)處理命令去控制驅(qū)動(dòng)器，與信號(hào)處理過(guò)程中的方向控制閥原理是一致的，只是所處地位不同。驅(qū)動(dòng)器是氣動(dòng)控制系統(tǒng)中最后要完成的主要目標(biāo)，包括氣缸、無(wú)桿氣缸、擺動(dòng)氣缸、馬達(dá)、氣爪及其真空吸盤(pán)。這部分的附件有控制氣缸速度的流量控制閥、快排閥，其它輔件有液壓緩沖器和磁性開(kāi)關(guān)。處理元件方向控制閥氣爪馬達(dá)真空吸盤(pán)雙壓閥梭閥方向控制閥無(wú)桿氣缸二位三通氣控/電磁閥氣障手動(dòng)換向閥機(jī)控?fù)Q向閥壓力順序閥壓力開(kāi)關(guān)過(guò)濾器干燥器排水器氣源空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐潤(rùn)滑元件油霧器信號(hào)輸入執(zhí)行命令工控機(jī)接近開(kāi)關(guān)壓力元件快排閥光電傳感器感應(yīng)傳感器增壓閥減壓閥流量控制閥安全閥真空發(fā)生器處理元件方向控制閥氣爪馬達(dá)真空吸盤(pán)雙壓閥梭閥方向控制閥無(wú)桿氣缸二位三通氣控/電磁閥氣障手動(dòng)換向閥機(jī)控?fù)Q向閥壓力順序閥壓力開(kāi)關(guān)過(guò)濾器干燥器排水器氣源空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐潤(rùn)滑元件油霧器信號(hào)輸入執(zhí)行命令工控機(jī)接近開(kāi)關(guān)壓力元件快排閥光電傳感器感應(yīng)傳感器增壓閥減壓閥流量控制閥安全閥真空發(fā)生器驅(qū)動(dòng)器輸入元件輸入元件擺動(dòng)氣缸擺動(dòng)氣缸二位五通氣控/電磁閥二位五通氣控/電磁閥三位五通氣控/電磁閥三位五通氣控/電磁閥順序器、氣動(dòng)步進(jìn)器順序器、氣動(dòng)步進(jìn)器信號(hào)處理信號(hào)處理氣動(dòng)輔件氣動(dòng)輔件氣管PLC驅(qū)動(dòng)器的輔件氣管PLC驅(qū)動(dòng)器的輔件接頭消聲器液壓緩沖器接頭消聲器液壓緩沖器順序閥順序閥氣控單向閥氣控單向閥磁性開(kāi)關(guān)磁性開(kāi)關(guān)圖3.1氣動(dòng)系統(tǒng)的組成及控制過(guò)程氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)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，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題.(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小(一般阻力僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。(4)能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)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(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。以本文的設(shè)計(jì)要求為例，圖3.2為其氣動(dòng)原理示意圖圖3.2氣動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖選取工作壓力為0.4MPa，與氣源連接的壓力表上安裝有氣壓傳感器，當(dāng)氣源壓力不足時(shí)，氣壓傳感器將此信號(hào)傳給PLC，同時(shí)通過(guò)PLC控制，使得面板上的啟動(dòng)按鈕不能啟動(dòng)，使得機(jī)械手無(wú)法啟動(dòng)，起到了低壓保護(hù)的作用；當(dāng)氣源壓力充足時(shí)，機(jī)械手可以正常啟動(dòng)。每個(gè)氣缸的輸入輸出端都裝有調(diào)速閥，控制氣流流出的速度。在每個(gè)排氣口處都安裝有消音器，以消除氣流噴出帶來(lái)的噪音。每個(gè)氣缸擁有3種工作狀態(tài)既活塞桿的伸出、收縮和停止，所以采用二位五通的電磁換向閥。表3-1為不同動(dòng)作時(shí)電磁鐵的狀態(tài)表。表3.2電磁鐵動(dòng)作表動(dòng)作名稱電磁鐵工作狀態(tài)QV1QV2QV3QV4QV5QV6手臂下降--+手爪夾緊+手臂上升+--正向旋轉(zhuǎn)+-反向旋轉(zhuǎn)+手爪放松-+自動(dòng)復(fù)位-+-+-+暫停或停止3.3氣動(dòng)系統(tǒng)附件的選擇3.3.1空氣過(guò)濾器空氣過(guò)濾器又名分水濾氣器、空氣濾清器，空氣過(guò)濾器的作用是濾除壓縮空氣的水分、油滴及雜質(zhì)，以達(dá)到氣動(dòng)系統(tǒng)所要求的凈化程度?？諝膺^(guò)濾器屬于二次過(guò)濾器，大多與減壓閥，油霧器一起構(gòu)成氣動(dòng)三聯(lián)件，安裝在氣動(dòng)系統(tǒng)的入口處。如圖3.3所示為分水濾氣器結(jié)構(gòu)原理圖。其工作原理是：間隙過(guò)濾、離心分離。壓縮空氣從入口流入，經(jīng)導(dǎo)流片5的切線方向缺口強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，液態(tài)油、水及固態(tài)雜質(zhì)受離心作用，被甩到水杯8內(nèi)壁上，流至杯底，除去液態(tài)油水和較大雜質(zhì)的壓縮空氣，再通過(guò)濾芯6進(jìn)一步除去微小固態(tài)顆粒而從出口流出。擋水板7用來(lái)防止水杯底部液態(tài)油、水被卷回氣流中。按動(dòng)按鈕1時(shí)可將杯底液態(tài)油、水排出。1—按鈕2—閥芯3—錐形彈簧4—卡圏5—導(dǎo)流片6—濾芯7—擋水板8—水杯9—保護(hù)罩10—復(fù)位彈簧圖3.3分水過(guò)濾器結(jié)構(gòu)原理3.3.2油霧器油霧器是一種特殊的注油裝置，它以壓縮空氣為動(dòng)力，將潤(rùn)滑油噴射成霧狀并混合于壓縮空氣中，使壓縮空氣具有潤(rùn)滑氣動(dòng)元件的能力，滿足潤(rùn)滑的需要。目前氣動(dòng)控制閥、氣缸和氣馬達(dá)主要是靠這種帶有油霧的壓縮空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑的，其優(yōu)點(diǎn)是方便、干凈、潤(rùn)滑質(zhì)量高。普通油霧器（也稱一次油霧器）的結(jié)構(gòu)原理如圖3.4所示。壓縮空氣由輸入口輸入后，通過(guò)噴嘴組件8起引射作用，并通過(guò)組件前小孔進(jìn)入閥座12的腔內(nèi)。閥座12與鋼球10，彈簧11組成一個(gè)所泄漏的特殊單向閥，如圖3.4所示。初始通過(guò)時(shí)鋼球被壓下（見(jiàn)圖3.4c），由于此單向閥密封不嚴(yán)，壓縮空氣會(huì)漏入存油杯13中，使其內(nèi)部壓力升高。結(jié)果鋼球10上下壓差減小，在彈簧11的作用下使鋼球處于中間位置（見(jiàn)圖3.4b）。這樣壓縮空氣通過(guò)閥座12上小孔進(jìn)入存油杯13的上腔C，油面受壓，潤(rùn)滑油經(jīng)吸油管1將鋼球2頂起，油便不斷地經(jīng)節(jié)流閥9流入滴油管，再滴入噴嘴組件8中，被主通道中氣流射出，霧化后從輸出口輸出，送入氣動(dòng)系統(tǒng)。1—吸油管2、10—鋼球3—視油器4—螺母螺釘5—密封圈6—油塞7—密封墊8—噴嘴組件9—節(jié)流閥11—彈簧12—閥座13—存油杯圖3.4普通油霧氣3.3.3減壓閥氣動(dòng)減壓閥也稱調(diào)壓閥。同液壓減壓閥一樣也是以出口壓力為控制信號(hào)的。現(xiàn)以調(diào)壓閥（減壓閥）為例介紹調(diào)壓閥的工作原理。減壓閥按調(diào)節(jié)方式分為直動(dòng)式和先異式，按壓力調(diào)節(jié)方式可分為溢流式、非溢流式和恒量排氣三種。如圖3.5所示為QTA型直動(dòng)型調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其工作原理是：閥工作時(shí)，壓縮空氣從左側(cè)入口P1流入，經(jīng)閥口8后再?gòu)拈y出口P2流出。當(dāng)順時(shí)針?lè)较蛘{(diào)整手柄1時(shí)，調(diào)壓彈簧2、推動(dòng)膜片4下凹，再通過(guò)閥芯5下移，打開(kāi)進(jìn)氣閥口8，壓縮空氣通過(guò)閥口8的節(jié)流作用，使輸出壓力低于輸入壓力；以實(shí)現(xiàn)減壓作用。與此同時(shí)，有一部分氣流經(jīng)阻尼孔7進(jìn)入膜片室，在膜片下部產(chǎn)生一向上的推力。當(dāng)推力與彈簧的作用相互平衡后，閥口開(kāi)始穩(wěn)定在某一值上，減壓閥就輸出一定壓力的氣體。閥口8開(kāi)度越小，節(jié)流作用越強(qiáng)，從而使閥口8的開(kāi)度減小，節(jié)流作用增強(qiáng)。使輸出壓力降低到調(diào)定值為止。反之，若輸入壓力下降，則輸出壓力也隨之下降，膜片下移，閥口開(kāi)度增大，節(jié)流作用降低，使輸出壓力回升到調(diào)定壓力，以維持壓力穩(wěn)定。調(diào)節(jié)手柄1以控制閥口開(kāi)度的大小，即可控制輸出壓力的大小。1—調(diào)整手柄2—調(diào)壓彈簧3—下彈簧座4—膜片5—閥芯6—閥套7—阻尼孔8—閥口9—復(fù)位彈簧圖3.5直動(dòng)型調(diào)壓閥3.3.4消聲器氣動(dòng)系統(tǒng)一般不設(shè)排氣回路，用后的壓縮空氣通常經(jīng)方向閥直接排入大氣。消聲器的作用是排除壓縮氣體高速通過(guò)氣動(dòng)元件排到大氣時(shí)產(chǎn)生的刺耳噪聲污染。氣動(dòng)系統(tǒng)中的消聲器主要有吸收型、膨脹干涉型、膨脹干涉吸收型?，F(xiàn)以如圖3.6所示的膨脹干涉型消聲器為例說(shuō)明其工作原理。氣流經(jīng)過(guò)對(duì)稱斜孔分成多束，進(jìn)入擴(kuò)散室A后膨脹。減速后與反射套碰撞，然后反射到B室，在消聲器中心處，氣流束互相撞擊、干涉。進(jìn)一步減速，而使“噪聲減弱”。最后氣流經(jīng)過(guò)吸聲材料從側(cè)壁的許多小孔排入大氣，噪聲再一次削弱。在氣動(dòng)元件上使用的消聲器，可按氣動(dòng)元件排氣口的通徑選擇相應(yīng)的型號(hào)，但應(yīng)注意消聲器的排氣阻力不宜過(guò)大，應(yīng)以不影響控制閥的切換速度為宜。圖3.6膨脹型消音器3.3.5管道與接頭（a）直通終端管接頭；（b）直通穿板管接頭；（c）三通管接頭；（d）四通管接頭；（終端回轉(zhuǎn)管接頭）圖3.7常見(jiàn)的管接頭本次設(shè)計(jì)選用軟管，由于聚氨酯管是高性能聚氨酯制品，彈性極像橡膠，彎曲半徑可非常小，具有很好的耐彎曲疲勞特性，允許的溫度范圍在-35℃~~60℃，適用于大多數(shù)的氣動(dòng)系統(tǒng)場(chǎng)合。管道內(nèi)徑尺寸：，v=10m/s,q=0.004m3/s,求得d=22.6mm壁厚尺寸δ=pdn2σb，p=0.4MPa,d=22.6mm,n=8,求得=3mm選擇24mm，壁厚3mm的聚氨酯管管接頭選擇快插式管接頭，快插式管接頭具有以下特點(diǎn)：1、對(duì)管接頭的加工質(zhì)量要求較嚴(yán)格。2、有直角、直通、三通、四通等各種結(jié)構(gòu)形式，是軟管接頭中應(yīng)用最廣的一種。3、主要用于氣動(dòng)回路中小直徑的軟管連接。3.3.6方向閥閥的切換狀態(tài)是由閥芯的工作位置決定的，詳見(jiàn)表3.8閥芯具有兩個(gè)工作位置的閥稱為二位閥；閥芯具有三個(gè)工作位置的閥稱為三位閥。對(duì)于兩個(gè)位置的閥而言，有兩個(gè)通口的二位閥稱為二位二通閥，它可以實(shí)現(xiàn)氣路的通或斷。有三個(gè)通口的二位閥稱為二位三通閥，在不同的工作位置，可實(shí)現(xiàn)PA相通，或AR相通。常用的還有二位四通閥和二位五通閥。對(duì)于三個(gè)位置的閥而言，當(dāng)閥芯處于中間位置時(shí)，各通口呈關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，被稱為中封式三位五通閥。如供氣口與兩個(gè)輸出口相通，兩個(gè)排氣口封閉，被稱為中間加壓式三位五通閥。如供氣口與兩個(gè)輸出口、兩個(gè)排氣口都相同，被稱為中間泄壓式三位五通閥。各通口之間的通斷狀態(tài)分別表示在一個(gè)長(zhǎng)方塊的各方塊上，就構(gòu)成了換向閥的圖形符號(hào)。表3.8閥的通路數(shù)和切換位置的綜合表示方法通路數(shù)二位三位中間密封中間加壓中間泄壓二通三通四通五通兩種表示方法的比較氣口數(shù)字表示字母表示氣口數(shù)字表示字母表示輸入口1P排氣口5R輸出口2B輸出信號(hào)清零控制口10Z排氣口3S控制口12Y輸出口4A控制口14Z這里需說(shuō)明，閥的氣口可用字母表示，也可用數(shù)字表示（符合ISO5599標(biāo)準(zhǔn)）氣口用字母表示氣口用數(shù)字表示（二位五通閥或三為五通閥）ABC輸出口（工作口）1輸入口（進(jìn)氣口）P輸入口（進(jìn)氣口）24輸出口（工作口）RSI排氣口35排氣口L泄露口1214控制口XYZ控制口10輸出信號(hào)清零的控制口8191外部控制口8284控制氣路排氣口3.3.7單向節(jié)流閥如圖3.9所示為圓柱斜切型節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)。壓縮空氣由P1進(jìn)入，經(jīng)過(guò)節(jié)流后，由A口流出。旋轉(zhuǎn)閥芯螺桿，就可改變節(jié)流口的開(kāi)度，這樣就調(diào)節(jié)了壓縮空氣的流量。由于這種節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，故應(yīng)用范圍較廣。在液壓系統(tǒng)中，單向節(jié)流閥通常放在液壓缸的入口處。而在氣動(dòng)系統(tǒng)中，單向節(jié)流閥放在氣缸的出口處，原因在于，如果把節(jié)流閥放在氣缸入口處，由于氣體的可壓縮性和活塞與氣缸間的靜摩擦與動(dòng)摩擦的關(guān)系，當(dāng)承受一定載荷時(shí)，活塞會(huì)在氣缸內(nèi)部做爬行運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)動(dòng)發(fā)生喘動(dòng)。圖3.9節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖4.機(jī)械手重要部件的設(shè)計(jì)與校核4.1氣動(dòng)執(zhí)行原件的選擇4.1.1氣動(dòng)手抓的設(shè)計(jì)手抓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，在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(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(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。圖4.1幾種常見(jiàn)氣爪設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。(二)手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角兩手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)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(duì)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(dòng)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(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)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(jiǎn)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(duì)象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)，兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。機(jī)械抓手細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖4.2圖4.2機(jī)械手抓的結(jié)構(gòu)示意圖本次設(shè)計(jì)采用的是夾持式手爪，屬于回轉(zhuǎn)型。當(dāng)手爪加緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。4.1.2氣缸的選擇氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。它是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的裝置。與液壓缸比較，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作壓力低和動(dòng)作迅速等特點(diǎn)。故應(yīng)用十分廣泛。如圖4.3圖4.3氣缸實(shí)物氣缸種類很多，結(jié)構(gòu)各異、分類方法也多，常用的有以下幾種。（1）按壓縮空氣在活塞端面作用力的方向不同分為單作用氣缸和雙作用氣缸。（2）按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同分為活塞式、薄膜式、柱塞式、擺動(dòng)式氣缸等。（3）按安裝方式可分為耳座式、法蘭式、軸銷式和凸緣式、嵌入式、回轉(zhuǎn)式氣缸等。（4）按功能分為普通式、緩沖式、氣—液阻尼式、沖擊、步進(jìn)氣缸等。氣缸的選擇要點(diǎn)：

氣缸可根據(jù)主機(jī)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，但盡量直接選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸。

（1）輸出力的大小

根據(jù)工作機(jī)構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力和拉力，從而確定氣缸內(nèi)徑。

氣缸由于其工作壓力較?。?.4～0.6MPa），其輸出力不會(huì)很大，一般在10000N（不超過(guò)20000N）左右，輸出力過(guò)大其體積（直徑）會(huì)太大，因此在氣動(dòng)設(shè)備上應(yīng)盡量采用擴(kuò)力機(jī)構(gòu)，以減小氣缸的尺寸。

（2）氣缸行程

氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用來(lái)夾緊等機(jī)構(gòu)，為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加10～20mm的行程余量。

（3）氣缸的運(yùn)動(dòng)速度

氣缸的運(yùn)動(dòng)速度主要由所驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)的需要來(lái)決定。

要求速度緩慢、平穩(wěn)時(shí)，宜采用氣液阻尼缸或采用節(jié)流調(diào)速。節(jié)流調(diào)速的方式有：水平安裝推力載荷推薦用排氣節(jié)流；垂直安裝升舉載荷推薦用進(jìn)氣節(jié)流；具體回路見(jiàn)基本回路一節(jié)。用緩沖氣缸可使缸在行程終點(diǎn)不發(fā)生沖擊現(xiàn)象，通常緩沖氣缸在阻力載荷且速度不高時(shí)，緩沖效果才明顯。如果速度高，行程終端往往會(huì)產(chǎn)生沖擊。

普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖4.4。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5其他一些零件組成。圖4.4普通氣缸結(jié)構(gòu)圖

1—組合防塵圈；—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒；

6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調(diào)節(jié)閥；9—后端蓋氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結(jié)構(gòu)特征和安裝方式來(lái)分類。氣缸的類型及安裝形式見(jiàn)表4.1。表4.1氣缸的類型類別名稱簡(jiǎn)圖特點(diǎn)單作用氣缸柱塞式氣缸壓縮空氣只能使柱塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位活塞式氣缸壓縮空氣只能使活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位壓縮空氣只能使活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助彈簧力復(fù)位；用于行程較小場(chǎng)合薄膜式氣缸以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復(fù)位；行程短；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無(wú)彈簧，用壓縮空氣復(fù)位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長(zhǎng)的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風(fēng)箱）式氣缸。雙作用氣缸普通氣缸利用壓縮空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，活塞行程可根據(jù)實(shí)際需要選定，雙向作用的力和速度不同雙活塞桿氣缸壓縮空氣可使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且其速度和行程都相等不可調(diào)緩沖氣缸設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點(diǎn)時(shí)減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整可調(diào)緩沖氣缸緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整特殊

氣缸差動(dòng)氣缸氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣雙活塞氣缸兩個(gè)活塞同時(shí)向相反方向運(yùn)動(dòng)多位氣缸活塞桿沿行程長(zhǎng)度方向可在多個(gè)位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個(gè)位置串聯(lián)氣缸在一根活塞桿上串聯(lián)多個(gè)活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力沖擊氣缸利用突然大量供氣和快速排氣相結(jié)合的方法得到活塞桿的快速?zèng)_擊運(yùn)動(dòng)，用于切斷、沖孔、打入工件等數(shù)字氣缸將若干個(gè)活塞沿軸向依次裝在一起，每個(gè)活塞的行程由小到大，按幾何級(jí)數(shù)增加磁性開(kāi)關(guān)氣缸是指在氣缸的活塞上裝有一個(gè)永久磁環(huán)，而將磁性開(kāi)關(guān)裝在氣缸的缸筒外側(cè)。其余和一般氣缸并無(wú)兩樣。氣缸可以是各種型號(hào)的氣缸，但缸筒必須是導(dǎo)磁性弱、隔磁性強(qiáng)的材料。圖4.5帶磁性開(kāi)關(guān)氣缸的工作原理圖1-動(dòng)作指示燈2-保護(hù)電路3-開(kāi)關(guān)外殼4-導(dǎo)線5-活塞6-磁環(huán)（永久磁鐵）7-缸筒8-舌簧開(kāi)關(guān)擺動(dòng)氣缸是出力軸被限制在某個(gè)角度內(nèi)做往復(fù)擺動(dòng)的一種氣缸，又稱為旋轉(zhuǎn)氣缸。常用的擺動(dòng)氣缸的最大擺動(dòng)角度分為900、1800、2700三種規(guī)格。圖4.6回轉(zhuǎn)氣缸筒圖式中：M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩（N·cm） P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力（N·cm） R—缸體內(nèi)壁半徑（cm） R—輸出軸半徑（cm） B—?jiǎng)悠瑢挾龋╟m）緩沖氣缸對(duì)于接近行程末端時(shí)速度較高的氣缸，不采取必要措施，活塞就會(huì)以很大的力（能量）撞擊端蓋，引起振動(dòng)和損壞機(jī)件。為了使活塞在行程末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。在氣缸兩端加設(shè)緩沖裝置，一般稱為緩沖氣缸。緩沖氣缸見(jiàn)圖4.7，主要由活塞桿、活塞、緩沖柱塞、單向閥、節(jié)流閥、端蓋等組成。其工作原理是：當(dāng)活塞在壓縮空氣推動(dòng)下向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸右腔的氣體經(jīng)柱塞孔及缸蓋上的氣孔排出。在活塞運(yùn)動(dòng)接近行程末端時(shí)，活塞右側(cè)的緩沖柱塞將柱塞孔堵死、活塞繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，封在氣缸右腔內(nèi)的剩余氣體被壓縮，緩慢地通過(guò)節(jié)流閥及氣孔排出，被壓縮的氣體所產(chǎn)生的壓力能如果與活塞運(yùn)動(dòng)所具有的全部能量相平衡，即會(huì)取得緩沖效果，使活塞在行程末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生沖擊。調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口開(kāi)度的大小，即可控制排氣量的多少，從而決定了被壓縮容積（稱緩沖室）內(nèi)壓力的大小，以調(diào)節(jié)緩沖效果。若令活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，從氣孔輸入壓縮空氣，可直接頂開(kāi)單向閥，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)。如節(jié)流閥閥口開(kāi)度固定，不可調(diào)節(jié)，即稱為不可調(diào)緩沖氣缸。圖4.7

緩沖氣缸緩沖結(jié)構(gòu)圖氣缸所設(shè)緩沖裝置種類很多，上述只是其中之一，當(dāng)然也可以在氣動(dòng)回路上采取措施，達(dá)到緩沖目的。鋼索式氣缸見(jiàn)圖4.8，是以柔軟的、彎曲性大的鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸?；钊c鋼絲繩連在一起，活塞在壓縮空氣推動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩帶動(dòng)載荷運(yùn)動(dòng)，安裝兩個(gè)滑輪，可使活塞與載荷的運(yùn)動(dòng)方向相反。這種氣缸的特點(diǎn)是可制成行程很長(zhǎng)的氣缸，如制成直徑為25mm，行程為6m左右的氣缸也不困難。鋼索與導(dǎo)向套間易產(chǎn)生泄漏。

圖4.8

鋼索式氣缸4.1.3水平氣缸的導(dǎo)向裝置與平衡裝置氣壓驅(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(lái)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(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。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)，減少手爪一側(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橫向與縱向氣缸的計(jì)算與校核橫向氣缸的計(jì)算校核與縱向氣缸的計(jì)算校核類似。首先以橫向氣缸為例，計(jì)算校核的整個(gè)過(guò)程如下。4.2.1氣缸的計(jì)算經(jīng)過(guò)對(duì)手爪的靜力分析與計(jì)算可得氣缸所要承受的理論負(fù)載為30Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機(jī)械爪的質(zhì)量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率β：設(shè)氣缸的行程為S=250mm，動(dòng)作時(shí)間t=2s，工作壓力0.5MPa氣缸的平均速度：V=S/t=125mm/s由下表得：表4.2氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率阻性負(fù)載慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度<100mm/s100~500mm/s>500mm/sβ=0.8≤0.65≤0.5≤0.3查表取β=0.5設(shè)機(jī)械抓手、固定在懸臂上的氣缸及工件的總重為30kg，考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k=0.2,則水平手臂的負(fù)載為：由公式D=可得氣缸的直徑：活塞桿直徑的確定由d=0.3D估取活塞桿直徑根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選定d=12mm.由表格數(shù)據(jù)選擇32×250mmSSC標(biāo)準(zhǔn)氣缸SSC標(biāo)準(zhǔn)氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程：25，50，75，100，125，150，175，200，250，300，350，400，450，500，600，700，800，900，1000（mm）圖4.9氣缸尺寸圖表4.3SSC標(biāo)準(zhǔn)氣缸參數(shù)表(1)缸徑ABCDEFGHIJKL32140479328321527.522176M10×1.25M6×140142499332341527.524177M12×1.25M6×150150579338421527.532238M16×1.5M6×163153579638421527.532238M16×1.5M8×1.25801827510747542133402610M16×1.5M10×1.51001897511347542133402610M16×1.5M10×1.51252309313760682540544113.5M27×2M1216030812818065903850725518M36×2M16×2表4.4SSC標(biāo)準(zhǔn)氣缸參數(shù)表(2)缸徑MNOPQRSTVW329.513.7G1/83.57.5745331210409.513.7G1/468.2950371614509.513.7G1/48.58.2962472017639.513.7G3/878.28.5755620178011.516.5G3/8109.5149470252210011.516.5G1/2119.51411284252212520G1/2140110322716025G3/417814040364.2.2氣缸的校核1.懸臂的校核懸臂采用30X20X2.5mm的方鋼管制成，長(zhǎng)度為250mm。設(shè)機(jī)械抓手、固定在懸臂上的氣缸及工件的總重為30kg，對(duì)懸臂進(jìn)行抗彎強(qiáng)度校核。查得σb-1=80MPa，由GB/T6728-2002得W=1.15cm圖4.10懸臂受力示意圖M=F×L=300×0.25=75N·M所以懸臂設(shè)計(jì)符合要求。2.水平力的校核,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng),則驅(qū)動(dòng)力：測(cè)定手腕質(zhì)量為20kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),總受力所以標(biāo)準(zhǔn)SSC氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。3.氣缸筒的壁厚的確定:式中氣缸材料的許用拉應(yīng)力n為安全系數(shù)取值在6~8σb缸材料的抗拉強(qiáng)度C–考慮到剛度、加工制造的裕度。我們的缸體的材料選擇45鋼，σb=600MPa，.按照表4.5，氣缸筒的壁厚推薦表取表4.5氣缸筒的壁厚mm材料氣缸直徑5080100125160200250320壁厚鑄鐵HT15-3378101012141616銅A3,455788991112鋁合金L8~1212~1414~174.氣缸耗氣量的計(jì)算：5.氣缸進(jìn)排氣口直徑d0表4.6氣缸進(jìn)排氣口直徑mm氣缸內(nèi)徑D進(jìn)排氣口直徑d408506310801001251514016018020所以取氣缸排氣口直徑為8Q——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3V——空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=10~25）6.活塞桿的校核：氣缸的活塞行程越長(zhǎng)，則活塞桿伸出的距離也越長(zhǎng)，對(duì)于長(zhǎng)行程的氣缸，活塞桿的長(zhǎng)度將受到限制。若在活塞桿上承受軸向推力負(fù)載達(dá)到極限力之后，活塞桿就會(huì)出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)生彎曲變形。因此，必須進(jìn)行活塞干的穩(wěn)定性驗(yàn)算，其穩(wěn)定條件為：F≤式中F—活塞桿承受的最大軸向壓力，N；Fknk極限力Fk不僅與活塞桿材料、直徑、安裝長(zhǎng)度有關(guān)，還與氣缸安裝支承條件決定的末端因素m有關(guān)，m值見(jiàn)下表表4.7安裝長(zhǎng)度L和末端因數(shù)m當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比Lk≥85F式中m—末端因數(shù) E—材料彈性模量，鋼材E=2.1× J—活塞桿橫截面慣性矩，m L—?dú)飧椎陌惭b長(zhǎng)度，m空心圓桿J=實(shí)心圓桿J=式中d—活塞桿直徑，md0當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比Lk≤85F式中f—材料抗壓強(qiáng)度，鋼材f=4.8×1 A—活塞桿橫截面積，m 空心圓桿A=實(shí)心圓桿A=式中—實(shí)驗(yàn)常數(shù)，鋼材α=15000—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，m空心圓桿k=實(shí)心圓桿k=由于本例所選活塞桿的長(zhǎng)度L>10d，所以不但要校核強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行穩(wěn)定性校核?；钊麠U材料選擇45鋼強(qiáng)度校核：，其中，我們的缸體的材料選擇45鋼σb=600MPa，n為安全系數(shù)取值在6~8σb缸材料的抗拉強(qiáng)度所以強(qiáng)度滿足要求穩(wěn)定性校核:活塞可承受的最大外載荷可按下式計(jì)算: K--活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)直徑--活塞桿橫截面積--材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼a--因數(shù)，對(duì)鋼n--因數(shù)，n=1所以活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足。橫向運(yùn)動(dòng)的氣缸受到的拉伸與壓縮力不大，但是它受到的撓性力較大，要求活塞桿要有一定的撓度。對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)的氣缸來(lái)說(shuō)，由氣爪抓取的重物的重量所形成的活塞桿的拉伸了較大，要求活塞桿要有一定的抗拉強(qiáng)度。4.3手抓爪的計(jì)算與校核圖4.11手抓爪受力分析圖尺寸和N1需求出傳動(dòng)力P1，在這種狀態(tài)下，其每個(gè)手指的靜力矩平衡條件一樣，均為:(P1方向與長(zhǎng)槽方向垂直）通過(guò)滑銷及拉桿（連接或一個(gè)剛體）在P1方向的靜力平衡條件得將P1和C值代入上式則得：故再將公式代入上式使可求得4.4回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算與校核氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng),則力矩：測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量m1=20kg,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（）考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),總驅(qū)動(dòng)力矩：設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。5.電氣控制部分的設(shè)計(jì)5.1控制器的選擇與工作過(guò)程目前，國(guó)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(guó)西門(mén)子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)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(guò)程可分為四個(gè)階段。第一階段是初始化處理?？删幊绦蚩刂破鞯妮斎攵俗硬皇侵苯优c主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門(mén)存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0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/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0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，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/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。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/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫(xiě)入I/0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。CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。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。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。5.2PLC硬件的設(shè)計(jì)5.2.1PLC選型(1)PLC容量估算①估算I/O點(diǎn)數(shù)(開(kāi)關(guān)量與模擬量分別統(tǒng)計(jì))。在實(shí)際點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上再加上15-20％的備用量，以備工藝改進(jìn)和擴(kuò)充需要。②估算存儲(chǔ)量小型PLC內(nèi)存約2KB，中型約2KB-8kB，大型則8KB以上。內(nèi)存容量經(jīng)驗(yàn)估算方法如下：開(kāi)關(guān)量輸入：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)=輸入點(diǎn)數(shù)×10；開(kāi)關(guān)量輸出：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)=輸入點(diǎn)數(shù)×8；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)=定時(shí)器/計(jì)數(shù)器數(shù)量輸入點(diǎn)數(shù)×2；模擬量：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)=模擬量通道數(shù)×100；通信接口：存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)=通信接口數(shù)目×300。由于用戶程序的編制與系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度以及算法、程序結(jié)構(gòu)等因素，使得PLC容量的估算很難精確，一般要加大15-20％的余量。(2)PLC功能選擇各公司生產(chǎn)的PLC功能配置不盡相同，應(yīng)以“夠用”為原則去選擇，一般工業(yè)順序控制只需要具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等基本功能就可完成任務(wù)。如果是工業(yè)過(guò)程控制或數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等控制，則需要選A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、PID控制模塊或運(yùn)動(dòng)控制定位模塊。這些模塊位數(shù)愈多，其分辨率與精度愈高，價(jià)格也就愈高。至于掃描速度、指令功能、抗干擾功能等隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)一般中小型工業(yè)控制都能滿足要求，根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一般8位就夠用了。(3)選擇I/0模塊I/0模塊的價(jià)格占到PLC總價(jià)的一半以上，不同的I/0模塊的性能及電路均不同，必須根據(jù)需要合理選擇。①輸入模塊的選擇。輸入模塊分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N，數(shù)字量又分直流、交流和脈沖三種；模擬量輸入則分為電壓和電流兩種。PLC工作電壓一般為5V，以數(shù)字方式(二進(jìn)制)工作。所以從外部輸入的模擬信號(hào)必須先轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（0~10mA、4~20mA、0-l0V），再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入PLC。如果模擬量點(diǎn)數(shù)多，還要通過(guò)掃描采樣開(kāi)關(guān)電路，再接入A／D轉(zhuǎn)換器，以節(jié)約硬件資源、提高可靠性。②輸出模塊選擇。輸出模塊分為三種方式：繼電器輸出(R)、晶體管輸出(T)和雙向晶閘管(S)輸出。要根據(jù)驅(qū)動(dòng)的最終負(fù)載特性進(jìn)行選擇。例如，一般電動(dòng)機(jī)或電磁閥啟停、開(kāi)關(guān)控制，控制頻率不太高的可選擇繼電器輸出模塊；若驅(qū)動(dòng)的是變頻調(diào)速、頻繁正反轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，因其控制頻率較高，則需選擇晶體管輸出模塊。綜合上述原則機(jī)械手控制系統(tǒng)主機(jī)為西門(mén)子的S7-200。SIMATICS7-200系列PLC是德國(guó)西門(mén)子（Siemens）公司生產(chǎn)的具有很高性能價(jià)格比的微型可編程控制器。西門(mén)子是世界上最大的電氣和電子公司之一。西門(mén)子的中國(guó)業(yè)務(wù)是其亞太地區(qū)業(yè)務(wù)的主要支柱，活躍在中國(guó)的信息與通訊、自動(dòng)化與控制、電力、交通、醫(yī)療、照明以及家用電器等各個(gè)行業(yè)中，其核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和工業(yè)解決方案。S7-200作為西門(mén)子SIMATICPLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，多年來(lái)一直廣泛服務(wù)于國(guó)內(nèi)的各行各業(yè)。由于它具有結(jié)構(gòu)小巧，運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉及多功能多用途等特點(diǎn)，因此在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。主機(jī)為S7-200中的CPU226，內(nèi)置40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可擴(kuò)充到248路數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O。電源為220V交流電。圖5.1西門(mén)子S7-200CPU226型PLC5.2.2I/O地址分配圖該機(jī)械手控制系統(tǒng)所采用的PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200CPU226。下圖即為S7-200CPU226輸入/輸出端子分配圖。該機(jī)械手控制系統(tǒng)共使用了18個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)圖5.2PLCI/O分配圖5.2.3設(shè)計(jì)電源電路圖5.3電源電路5.3軟件的設(shè)計(jì)5.3.1編制PLC控制邏輯圖本次設(shè)計(jì)一共6個(gè)動(dòng)作，分3組，即上升/下降，左移/右移