畢業(yè)設計(論文)-plc控制氣動機械手設計管理資料

摘要 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進行操作。 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 而氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題. (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(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。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，反應靈敏。。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、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。 本課題擬開發(fā)物料搬運用氣動機械手，機械手可以實現(xiàn)在X、Z兩個坐標方向上的移動、繞Z軸的回轉，手部可以加緊的執(zhí)行機構?？刂品矫?，采用X-D圖法設計了控制該機械手動作的氣動控制系統(tǒng)。這是一個開放的氣動控制系統(tǒng)平臺。 該氣動機械手的設計主要分為三個部分：總體方案設計，結構設計計算及元件選型和機械手氣動控制系統(tǒng)的設計。由于時間倉促和個人水平限制，我的設計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學能夠給予批評指正并予以解決。ABSTRACTInmodernindustry,theproductionprocessmechanizationandautomationhasbecomeaprominenttheme.Withthefurtherdevelopmentofindustrialmodernization,automationhasbecomeanimportantpillarofthemodernenterprise,noshop,noproductionlines,etc.,havebeeneverywhere.Meanwhile,modernproduction,thereareavarietyofproductionenvironments,suchashightemperature,radiation,toxicgases,harmfulgasesandunderwateroperations,andotheroccasions,theharshproductionenvironmentisnotconducivetomanualoperation.

Modernindustrialrobotsareappearinginthefieldofautomaticcontrolofanewtechnology,moderncontroltheoryandpracticeofindustrialautomationproductofthecombination,andtobecomeamodernmachinerymanufacturingproductionsystemsisanimportantcomponent.Industrialmanipulatoristoimprovetheproductionprocessautomation,improveworkingconditions,improveproductqualityandproductionefficiencyoftheeffectivemeans.Especiallyinthehigh-temperature,highpressure,dust,noiseandpollutionwithradioactiveandoccasions,morewidelyapplied.InChina,recentyearshaveTherobotisacompressedairpressuredrivethepressuretodrivetherobotactuatormovement.Itsmainfeaturesare:themediaisveryconvenientsource,theoutputforceissmall,pneumaticandpromptaction,simplestructureandlowcost.However,becauseairhascompressiblecharacteristics,operatingspeedisunstable,theimpactoflargeandlowpressuregassource,focusgenerally30kgweight,weightTiaojianarrestedunderthesamehydraulicmanipulatorthanthestructureoflarge,Soforhigh-speed,lightload,hightemperatureanddustyworkenvironment.

Pneumatictechnologyhasthefollowingadvantages:

(1)mediaextractionandprocessingconvenience.Lowpressurepneumatictransmissionwork,theworkingmediumextractedeasily,andthendischargedintotheatmosphere,convenient,generallydonotsettherecoverypipesandcontainers:themediaclean,easytoplugexistingmediapipelinedeteriorationandsupplemented.

(2)smallresistancelossandleakageinthedeliveryofcompressedairprocess,theresistancelossissmall(generallynotwaterplugBUonlyonethousandthofoil),airsupplyandeasytofocusonlong-distancetransport.Hydraulicfluidleakswillnotbeasforeignaspressuredecreasedsignificantlyandseriouspollution.

(3)actionquicklyresponsive.Pneumaticsystemsusuallyrequireonlytoestablishthedesiredpressureandspeed.Pneumaticsystemcanalsoachieveoverloadprotection,easytoautomaticcontrol.

(4)energycanbestored.Compressedaircanbestoredinthetank,andtherefore,theoccurrenceofsuddenpowerfailureoccurs,Machineanditsprocesswillnotbesuddenlyinterrupted.

(5)workingenvironmentandgoodadaptability.Flammable,explosive,andmoredust,magnetic,strongradiation,vibrationandotherharshenvironments,pneumaticdriveandcontrolsystemthanthemechanical,electricalandhydraulicsystemissuperior,andtemperaturechangeswillnotaffectthetransmissionandcontrolperformance.

(6)lowcost.Sincetheworkoflowpressurepneumaticsystem,therebyreducingaerodynamicelement,accessoriesprecisionmaterialsandprocessing,manufacturingiseasy,lowcost.

Thetopictobedevelopedpneumaticmaterialhandlingrobot,therobotcanbeachievedintheX,ZdirectionoftwocoordinatesthemovementofrotationaroundtheZaxis,thehandcanstepuptheenforcementagency.Control,theuseofXDdiagrammethoddesignedtocontrolthemovementofthepneumaticmanipulatorcontrolsystem.Thisisanopenpneumaticcontrolsystemplatform.

Thedesignofthepneumaticmanipulatorisdividedintothreeparts:theoveralldesign,structuraldesigncalculationsandcomponentselectionandroboticpneumaticcontrolsystemdesign.

Owingtotimeconstraintsandlimitedpersonallevel,Ihavenothadtimetodesign,therearemanyproblems,Ihopethemajorityofteachersandstudentscanbecriticizedandcorrectedandtobeaddressed.目錄摘要……………1ABSTRACT………………………一.緒論………………………1.課題來源、目的及意義………………2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………3.研究內(nèi)容、擬解決的問題及設計要求………………二.總體方案設計……………1.功能分解及結構示意圖………………2.氣動執(zhí)行元件簡介……………………3.氣缸類型的選擇及總體方案的確定…………………三.設計計算及元件設計選型………………1.手部夾緊氣缸的設計....……………2.水平氣缸的計算及選型………………3.垂直氣缸的計算及選型………………4.齒輪齒條缸的設計計算………………5.軸的結構設計、強度校核及軸承的壽命校核………四.機械手氣動控制系統(tǒng)的設計……………1.氣動機械手的動作過程……………2.機械手的控制要求…………………3..氣壓驅動系統(tǒng)設計4.PLC的選擇和I/O口的分配五工作總結………………………六致謝………………參考文獻……………一.緒論1.課題來源、目的及意義 由于現(xiàn)在在外面實習，也去了幾家的工廠，很多工廠工作環(huán)境差，條件有限對于這種惡劣環(huán)境下工人們需要人工控制或者利用其他一些方法作為工具來搬運重物，而且都是一些機械的工作，我們完全可以利用機械手等機械來代替工人，從而高效率可靠的完成任務而且減輕工人的勞動強度。鑒于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作[6]。而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點，因此很適合在工業(yè)領域特別是那些環(huán)境比較差溫度高，多震動、噪聲大，灰塵多以及輻射等不適于人類長期工作的環(huán)境中工作。這樣一來不僅提高了生產(chǎn)力，而且為生產(chǎn)力大大減輕了勞動強度和難度，為生產(chǎn)提供了基本保障。本課題是設計一個氣動機械手裝置，用以搬運體積大，重量大，溫度高，有輻射等工業(yè)生產(chǎn)原材料或成品。在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：（1）可以高生產(chǎn)過程的自動化程度。應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。（2）可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機械手技術也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán) 隨著工業(yè)的機械化和自動化的發(fā)展和氣動技術本身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 80年代以來，氣動技術的運用領域快速擴展，特別是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。 目前在世界上日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手方面最為領先。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。由于氣動機械手有結構簡單、易實現(xiàn)無級調速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點，氣動機械手將越來越廣泛地進人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領域。3研究內(nèi)容，擬解決的問題及設計要求(1)本課題的研究內(nèi)容①確定機械手的總體方案 根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布局以及氣動機械手的特點，確定設計的的總體方案，分析并解決存在的技術難題。最后根據(jù)考慮的技術方案確定機械手的總體結構、功能和預期完成的動作。②設計機械手各執(zhí)行機構 可采用模塊化的設計方式，將機械手分為若干個模塊，對各個模塊進行設計，然后把這些模塊拼裝起來組成機械手。根據(jù)功能和尺寸要求匹配合適的氣缸，設計機械手基座、各氣缸之間連接關節(jié)等裝置。③氣動控制系統(tǒng)設計 包括氣動回路的設計，繪出動作程序圖，X-D線圖，邏輯原理圖，氣動回路原理圖。 (2)擬解決的問題解決機械手的機械結構的設計問題，要求機械手結構簡單、經(jīng)濟并具具體有：氣缸的計算及選型，氣動控制，PLC程序的設計與編寫。(3)設計要求①：②工件的材質是鋼。③，行程為200mm，緩沖長度為20mm。④、下降動作，行程為300mm，緩沖長度為20mm。⑤抓手夾緊、。⑥抓手與工件之間的摩擦系數(shù)為u=?？傮w方案設計 在總體方案里，氣動機械手將模擬人手的部分動作，按預先給定的程序、軌跡和工藝要求實現(xiàn)自動抓取、搬運，完成工件的上料或卸料。這些動作歸結起來可分解成以下幾個基本動作：（1）水平方向手臂的伸縮移動（2）垂直方向高度的上升、下降移動（3）繞某一個軸線（如Z軸）的回轉運動（4）手腕的旋轉（5）手指的夾緊，放松：氣動機械手框架圖 系統(tǒng)共有四個氣缸，從下到上，從左到右依次是：旋轉氣缸，該氣缸是立柱的回轉缸，他實際上是個組合氣缸，是由兩個氣缸的組合中間以齒輪條杠連接兩缸的活塞，然后再主立軸的下端套上一個直齒圓柱齒輪，與氣缸齒輪條杠嚙合，把活塞的直線運動改變成立柱的旋轉運動，從而實現(xiàn)立柱的回轉。左上的伸縮氣缸是機械手手臂的伸縮缸，用以實現(xiàn)手臂的伸長與縮回。右上的升降氣缸是機械手升降缸，用以實現(xiàn)機械手的上升與下降。夾緊氣缸，機械手抓的夾緊與放松，用以實現(xiàn)機械手的手爪取放物件。氣動執(zhí)行元件是將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能的裝置。它包括氣缸和氣馬達。(1)氣缸氣缸的分類及典型結構氣缸是將壓縮空氣的壓縮能轉換成直線運動并做功的執(zhí)行元件。氣缸按結構形式分為兩大類：活塞式和膜片式。其中活塞式又分為單活塞式和雙活塞式，單活塞式有有活塞桿和無活塞桿兩種。下面簡單介紹幾種典型氣缸的結構與特點。①普通氣缸圖5為普通型單活塞桿雙作用氣缸的結構圖。氣缸由缸筒，前后缸蓋，活塞，活塞桿，密封件和緊固件等零件組成。缸筒在前后缸蓋之間由四根拉桿和螺母將其連接鎖緊（圖中未畫出）?；钊c活塞桿相連，活塞上裝有密封圈、導向環(huán)及磁性環(huán)。為防止漏氣和外部粉塵的侵入，前缸蓋上裝有活塞桿用防塵組合密封圈。磁性環(huán)用來產(chǎn)生磁場，使活塞接近磁性開關時發(fā)生信號，即在普通氣缸上安裝磁性開關就成為可以檢測氣缸活塞位置的開關氣缸。普通型單活塞桿雙作用氣缸②無活塞桿氣缸無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接或間接實現(xiàn)直線運動，無桿氣缸由缸筒，防塵和抗壓密封件，無桿活塞，左右端蓋，傳動舌片，導架等組成。拉制而成鋁氣缸筒沿軸向方向開槽，為防止內(nèi)部壓縮空氣泄露和外部雜物侵入，槽被內(nèi)部抗壓密封件和外部防塵密封件密封。內(nèi)、外密封件都是塑料擠壓成形件，且互相夾持固定。無桿活塞的兩端帶有唇形密封圈。活塞兩端分別進、排氣，活塞將在缸筒內(nèi)往復移動。該運動通過缸筒槽的傳動舌片被傳遞到承受負載的導架上。此時，傳動舌片將防塵密封件與抗壓密封件擠開，但它們在缸筒的兩端仍然是互相夾持的。因此，傳動舌片與導架組件在氣缸上移動時無壓縮空氣泄露。無桿氣缸缸徑范圍為25-63mm，行程可達10mm。這種氣缸最大的有點是節(jié)省了安裝空間，特別適用于小缸徑長行程的場合。在自動化系統(tǒng)、氣動機器人中或得大量應用。③膜片式氣缸膜片式氣缸由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。它可以是單作用式，也可以是雙作用式。其膜片有盤形膜片和平膜片兩種，多數(shù)采用夾織物橡膠材料。膜片式氣缸與活塞式氣缸相比，具有結構緊湊、簡單、制造容易、成本低、維修方便、壽命長、泄露少、效率高等優(yōu)點，但膜片的變形量有限，其行程較短。這種氣缸適用于氣動夾具、自動調節(jié)閥及短行程的工作場合。④沖擊氣缸沖擊氣缸是把壓縮空氣的壓力能轉化為活塞組件的動能，利用此動能去做功的執(zhí)行元件。沖擊氣缸有缸筒、中蓋、活塞和活塞桿等主要零件組成。中蓋與缸筒固定，它和活塞把氣缸分割成三部分，即蓄能腔、活塞腔和活塞桿腔。中蓋的中心開有噴嘴口。沖擊氣缸整個工作行程可簡單地分成三個階段：復位段，儲能段，沖擊段。沖擊氣缸的用途廣泛，可用于鍛造、沖壓、鉚接、下料、壓配、破碎等多種作業(yè)。⑤擺動氣缸擺動氣缸是由一個雙作用葉片式馬達和一個普通雙作用氣缸組成?；钊囊粋仁菆A形活塞桿，另一側是方形活塞桿。方形活塞桿能在擺動馬達的葉片軸槽里滑動，即葉片的擺動通過方形活塞桿來傳動。采用這種雙活塞桿結構的擺動氣缸，結構簡單，能同時分別實現(xiàn)直線和擺動運動。氣缸的活塞上裝有一個永久磁環(huán)，用行程開關可對氣缸直線行程位置進行檢測。擺動角度有電感式傳感器檢測。擺動角度在0°-270°之間無級可調，氣缸行程范圍為1-100mm。因擺動氣缸的可調擋塊裝置和葉片之間是分開的，所以作用在擋塊上的沖擊力可由固定擋塊或自調式緩沖器吸收。另外，葉片在行程終端也由彈性緩沖墊緩沖。為了便于調節(jié)，角度標尺安裝在背面。擺動氣缸的活塞桿有中空雙活塞桿型的，可用于真空、噴射等。活塞桿端部有連接其它元件的內(nèi)螺紋和半圓鍵。擺動氣缸常用作氣動機械手的手臂，在其上連接氣動手指。(2)氣馬達氣馬達的分類及特點氣馬達是利用壓縮空氣的能量實現(xiàn)旋轉運動的機械。按結構形式可分為：葉片式、活塞式、齒輪式等。最為常用的是葉片式氣馬達和活塞式其馬達。葉片式氣馬達制造簡單，結構緊湊，但低速啟動轉矩小，低速性能不好，適宜性能要求低或中功率的機械。目前在礦山機械及風動工具中應用普遍?；钊綒怦R達在低速情況下有較大的輸出功率，它的低速性能好，適宜載荷較大和要求低速轉矩大的機械，如起重機、絞車絞盤、拉管機等。由于使用壓縮空氣作為工作介質，氣馬達有以下特點：①有過載保護作用。過載時，轉矩降低或停車，過載消除后立即恢復正常工作，不會產(chǎn)生故障②可以無級調速?？刂七M氣流量，就能調整馬達的功率和轉速。額定轉速從每分鐘幾十轉到幾萬轉。③具有較高的啟動轉矩，可直接帶負載啟動。④與同類電動機相比，重量只有電動機的三分之一到十分之一，因此，其慣量小，啟動停止快。⑤適宜于惡劣環(huán)境使用，具有防火、防爆，耐潮濕、粉塵及振動的優(yōu)點。⑥結構簡單，維修容易⑦輸出功率相對較小，最大只有20KW左右。⑧耗氣量大，效率低，噪聲大。(3)氣動機械手手指及真空吸盤氣動機械手抓取動作最終是由手指來完成的。手指主要有手指氣缸和真空吸盤兩種結構，在抓取異型、特殊工件時也有用膜片夾緊氣缸、氣囊來抓取工件的。①手指氣缸手指氣缸俗稱抓手，是目前氣動機械手在抓取技術中應用最普遍的方式之一。它有平行手指HGP，擺動手指HGW，旋轉手指HGR及三點手指HGD。它的優(yōu)點有：，與抓手連接十分簡便抓取方式有：主要技術參數(shù)：，最大抓取力：390N；合攏/打開時間：，最大抓取力：530N；合攏/打開時間：，最大抓取力：250N；合攏/打開時間：，最大抓取力：320N；合攏/打開時間：②真空吸盤目前，在傳輸和裝配生產(chǎn)線上，使用真空吸盤來抓取物體的例子越來越多，應用真空技術可很方便地實現(xiàn)諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運功能。需要說明的是，這里提到的真空不是指由電動機、真空泵等一系列輔助設備所組成的真空系統(tǒng)，而是指有壓縮空氣進入真空發(fā)生器的噴嘴后，按照文丘里原理在真空發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的負壓（最高可達-88KPa）。因此，它是一種十分經(jīng)濟簡便的真空系統(tǒng)，尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。真空吸盤可以吸持平整光滑的工件表面，它的最小直徑為1mm，最大直徑為125mm（可以制作大于125mm的吸盤）。吸盤形狀一般分圓盤形和波紋形。圓盤真空吸盤一般用于吸取平整的工件，而波紋形真空吸盤吸取的工件表面允許有輕微不平、彎曲或傾斜。，最大吸力可達606N。真空吸盤由丁晴橡膠、聚氨酯或硅橡膠等材料組成，其中硅橡膠真空吸盤可用于食品工業(yè)。它們工作溫度范圍分別為-20°到+80°，-20°到+60°，-40°到+200°。氣動機械手在抓取物體時，究竟是選抓手，還是選真空吸盤，是沒有嚴格規(guī)定的，一般根據(jù)具體工況而定。對于平板的抓取，通常較多使用真空吸盤，而對于長方形、圓形物體，既可采用抓手又可采用真空吸盤來完成。抓手在抓取工件時，還應考慮到抓手張開的角度不能影響相鄰工件。水平方向的伸縮移動，、下降移動都可選擇普通型單活塞桿雙作用氣缸或無桿氣缸，但是考慮到無桿氣缸能夠節(jié)省安裝空間，又適合于小缸徑長行程的場合，定位精度高，于是在本方案里選用無桿氣缸。（如Z軸）的回轉運動可選擇齒輪齒條缸或擺動氣缸，但擺動氣缸一般是用作氣動機械手的手臂，在其上連接氣動手指，而本方案的回轉運動是立柱的回轉運動，考慮到齒輪齒條缸定位精度較高，結構簡單，于是選用齒輪齒條缸。D.手指的夾緊，放松可選擇平行手指氣缸，擺動手指氣缸，旋轉手指氣缸，三點手指氣缸和真空吸盤。手指的選擇，是沒有嚴格規(guī)定的，一般是根據(jù)具體工況條件而定。對于平板的抓取，通常較多使用真空吸盤，而對于方形、圓形的物體，通常使用手指氣缸來完成?？紤]到工件的形狀是圓柱體，宜采用手指氣缸，手指氣缸里平行手指氣缸結構簡單，功能明確，兩個手指夾持圓柱形工件的兩個端面，接觸面積大，抓取穩(wěn)定，于是采用兩手指的闊形氣動手指氣缸。綜合以上分析，執(zhí)行元件的初步選擇如下表1：表1執(zhí)行元件的初步選擇方案所要實現(xiàn)的功能初選執(zhí)行元件類型水平方向的伸縮移動無桿氣缸垂直方向的上升、下降移動無桿氣缸繞某一個軸線（如Z軸）的回轉運動齒輪齒條缸手指的夾緊，放松平行手指氣缸由以上初選的執(zhí)行元件類型，：總體方案圖粗略圖三.設計計算及元件設計選型1、手部驅動力計算：其工件重量G=10公斤，手指的活動角度，,摩擦系數(shù)為(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:所以機械手爪圖(3)實際驅動力:、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:所以所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為。、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:式中:-活塞桿上的推力，N-彈簧反作用力，N-氣缸工作時的總阻力，N-氣缸工作壓力，Pa彈簧反作用按下式計算:Gf=式中:-彈簧剛度，N/m-彈簧預壓縮量，m-活塞行程，m-彈簧鋼絲直徑，m-彈簧平均直徑，.-彈簧有效圈數(shù).-彈簧材料剪切模量，一般取在設計中，必須考慮負載率的影響，則:由以上分析得單向作用氣缸的直徑:代入有關數(shù)據(jù)，可得所以:查有關手冊圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中，[]，則:滿足實際設計要求。、缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:式中:6-缸筒壁厚，mm-氣缸內(nèi)徑，mm-實驗壓力，取,Pa材料為:ZL3,[]=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:二．水平無桿氣缸的計算及選型無桿氣缸與普通氣缸的結構與工作原理并不相同。普通氣缸有圓柱形的活塞桿，并且其動力的輸出也是通過活塞桿與外界相連來實現(xiàn)的，于是普通氣缸的設計計算選型有它的一整套的流程：①由工況來確定氣缸的實際負載：②由氣缸的運動速度來確定氣缸負載率；③由公式算出氣缸的理論輸出力；④由公式計算出氣缸的缸徑；⑤查表按推薦值取活塞桿的直徑。而無桿氣缸的設計計算選型則是按照另一套流程：①按圖8力矩及負載示意圖計算出相應的力矩及負載；②根據(jù)計算所得出的力矩及負載查樣本《SMC氣動元件》，選型無桿氣缸；③列出無桿氣缸的基本參數(shù)，以供后面使用。(1)負載計算及氣缸選型水平無桿氣缸所受負載（暫不考慮連接組件的重量）根據(jù)，查《SMC氣動元件》（），選型如下表2：表2水平無桿氣缸選型結果元件名稱及型號機械接觸式無桿氣缸（基本型）MY1B50G-200缸徑50mm最大負載W1=700N，W2=140N，W3=200N最大容許力矩M1=78N·m,M2=·m,M3=·m接管方式單邊接管行程200mm，無調程裝置接管口徑3/8(2)動作時間計算(3)耗氣量計算該機械接觸式無桿氣缸為取自SMC公司的外購件，其具體部件圖詳見《SMC氣動元件》（），這里不再贅述。(1)負載計算及氣缸選型水平無桿氣缸的重量在選型參數(shù)里沒有提供，估算為根據(jù)查《SMC氣動元件》（）選型如下表3：表3垂直無桿氣缸選型結果元件名稱及型號機械接觸式無桿氣缸（基本型）：MY1B63G-200缸徑63mm最大負載W1=830N，W2=166N，W3=290N最大容許力矩M1=160N·m,M2=19N·m,M3=48N·m接管方式單邊接管行程200mm，無調程裝置接管口徑3/8(2)動作時間計算該機械接觸式無桿氣缸為取自SMC公司的外購件，其具體部件圖詳見《SMC氣動元件》（），這里不再贅述。上文中多次出現(xiàn)的符號W1,W2,W3,M1,M2,M3分別是負載和力矩的表示符號具體所表達的意義如所示：（1）負載分析齒輪齒條缸的負載力W在Y-Z平面內(nèi)垂直向下，負載力矩在Y-Z平面內(nèi)順時針方向和X-Z平面逆時針方向。而齒輪齒條缸則圖力矩及負載示意圖提供的是X-Y平面內(nèi)的驅動力矩，負載力矩在X-Y平面內(nèi)的分量為0。齒輪齒條缸只需克服摩擦力和摩擦力矩等。（2）結構尺寸設計設定齒條前進、,齒輪齒條缸的緩沖長度為10mm。設定軸所傳遞的功率為P=60W=，則所以，齒輪齒條缸的軸向負載力又齒輪齒條缸的平均速度v=,查《氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設計》表2-8，選負載率理論輸出力齒輪齒條缸的氣缸缸徑故選取齒輪齒條缸的缸徑為保證齒輪齒條的強度，取它們的模數(shù)取齒輪的齒數(shù)則齒輪的分度圓直徑而左回轉或右回轉的轉角所以，齒輪齒條缸的行程取齒輪的齒寬系數(shù)為于是，齒輪的齒寬為.1齒輪齒條缸的齒輪圖齒輪齒條缸的齒輪（3）密封設計在氣動元件中所采用的密封大致分為兩類：動密封和靜密封。類似缸筒和缸蓋等固定部分所需的密封成為靜密封，至于活塞在缸筒里作往復運動及旋轉所需的密封成為動密封。以下分別介紹氣缸各種基本密封以及本方案的選擇。①缸蓋和缸筒連接的密封一般采用O形密封圈安裝在缸蓋與缸筒配合的溝槽內(nèi)，構成靜密封。有時也采用橡膠等平墊圈安裝在連接止口上，構成平面密封。本方案里選用的O形密封圈安裝在缸蓋與缸筒配合的溝槽內(nèi)。②活塞的密封活塞有兩處地方需要密封：一處是活塞與缸筒間的動密封，除了用O型密封圈和唇形圈外，也有用W形密封圈，它是把活塞與橡膠硫化成一體的一種密封結構，W形密封是雙向密封，軸向尺寸小。另一處是活塞與活塞桿連接處的靜密封，一般用O形密封圈。本方案里活塞與缸筒間的動密封選用U形密封圈，活塞與活塞桿連接處的靜密封選用O形密封圈。③活塞桿的密封一般在缸蓋的溝槽里放置唇形密封圈和防塵圈，或防塵組合圈，保證活塞桿往復運動的密封和防塵。本方案里選用的是O形密封圈和防塵組合密封圈。④緩沖密封圈有兩種方法：一種是采用孔用唇形密封圈安裝在緩沖柱塞上；另一種是采用氣缸緩沖專用密封圈，它是用橡膠和一個圓形鋼圈硫化成一體構成，壓配在缸蓋上作緩沖密封。這種緩沖專用密封的性能比前者好。本方案選用的是后者。（4）動作時間計算（5）緩沖性能校核氣缸活塞運動到行程終端位置時，為避免活塞與缸蓋產(chǎn)生機械碰撞而造成機件變形、損壞及極強的噪聲，氣缸必須采用緩沖裝置。通常缸徑小于16mm的氣缸采用彈性緩沖墊，缸徑大于16mm的氣缸采用氣墊結構。由于本方案里所選擇的氣缸的缸徑大于16mm，故所采用的是氣墊緩沖結構。氣缸的緩沖裝置由緩沖柱塞、節(jié)流閥和緩沖腔室等構成，。在活塞高速向右運動時，活塞右腔的空氣經(jīng)缸蓋柱塞孔和進排氣口排向大氣。在氣缸活塞桿行程進入終端前，緩沖柱塞依靠緩沖密封圈將缸蓋柱塞孔堵住。于是，封閉在活塞和缸蓋之間的環(huán)形腔室內(nèi)的空氣只能通過節(jié)流閥排向大氣。由于節(jié)流閥流通面積很小，環(huán)形腔室內(nèi)的空氣背壓升高形成氣墊作用，迫使活塞迅速減速，最后停下來。改變節(jié)流閥的開度，就可以調節(jié)緩沖速度。緩沖結構該齒輪齒條缸是自制件，其部件圖詳見圖紙。 5．軸的結構設計、強度校核及軸承的壽命校核在本方案里軸是起立柱的作用，將齒輪齒條缸產(chǎn)生的回轉通過軸傳給垂直氣缸，為實現(xiàn)這個動作，首先必須實現(xiàn)齒輪齒條缸的齒輪與軸的連接，以及軸和垂直氣缸的連接，其次就是軸的支承。齒輪齒條缸與軸的連接可以通過鍵來實現(xiàn)，而借助一個法蘭，就能很好地將軸和垂直氣缸連接起來了。軸的支承采用一對滑動軸承，由于軸既承受軸向載荷，又承受徑向載荷，而角接觸球軸承正好能夠承受這種載荷，并且采用一對角接觸球軸承，結構簡單實用，易于實現(xiàn)，故本方案里采用了一對角接觸球軸承，并且采取反裝的安裝形式，為了避免兩個軸承之間同心的問題，選取了兩個大小不同軸承，一個是7206C,一個是7207C。軸的結構及軸上零件的布置軸的結構和軸上零件的布置該軸的軸上零件有齒輪、軸承、套筒、法蘭。其中，齒輪是齒輪齒條缸的一部分，是與齒條相嚙合的。而齒條的速度前面已經(jīng)給定，齒輪的分度圓直徑為則而在機械手回轉帶動立柱回轉的過程中，工件、手指氣缸、水平無桿氣缸、垂直無桿氣缸的重心均沒有升高或降低，而是保持在原來的高度。所以，在此過程中，軸并沒有傳遞有效功率。但事實上，在立柱回轉的過程中還是消耗了功，比如克服摩擦做功，像滾動軸承與軸之間的摩擦及滾動軸承自身的摩擦，還有齒輪齒條缸的緩沖過程也有功的損耗?？傊?，在此，為校核軸的強度，可設定軸上傳遞的功率P=。綜上所述，現(xiàn)設計機械手立柱軸。初始條件為：傳遞功率P=，轉速n=，齒輪的齒寬B=36mm，齒數(shù)Z=30，模數(shù)m=3mm，軸端裝有法蘭。以下是設計及校核過程。（1）選擇軸的材料選擇軸的材料為45鋼，經(jīng)調質處理，其機械性能由《機械設計》表6-1查得：（2）初步計算軸徑選C=110考慮到軸端法蘭需開鍵槽，將其軸徑增加5%，故取軸的最細軸端直徑為（3）軸的結構設計軸工作要求，軸上所支承的零件主要有齒輪、軸端法蘭以及滑動軸承。參考軸的結構設計要求，可確定軸的各段尺寸，又為便于裝拆方便與軸的生產(chǎn)加工，軸的結構尺寸（4）按彎扭合成校核①畫出受力簡圖（如圖12軸的受力分析，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖）畫出軸的受力簡圖，求出支反力，對于零件作用于軸上的分布載荷或轉矩（因軸上零件如齒輪、法蘭等均有寬度）可當作集中力作用于軸上零件的寬度中點。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異，可查軸承樣本。②軸受力分析軸上傳遞的轉矩齒輪的圓周力③計算作用于軸上的支反力④計算軸的彎矩，并畫出彎矩圖、轉矩圖（，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖）⑤計算并畫出當量彎矩圖軸的受力分析，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖⑥校核軸的強度一般而言，軸的強度是否滿足要求只需對危險截面校核即可，而軸的危險截面多發(fā)生在當量彎矩最大或當量彎矩較大且軸的直徑較小處。根據(jù)軸的結構尺寸和當量彎矩圖可知：a-a截面彎矩最大且截面尺寸也非最大，屬于危險截面；b-b截面當量彎矩較大且截面尺寸最小，也屬于危險截面。a-a處的當量彎矩為b-b處的當量彎矩為強度校核：查表得，所以，軸的強度滿足要求。（5）軸承的壽命校核軸承壽命校核的初始條件如下：軸承部件受載荷示意圖。軸承的受力平穩(wěn)，轉速n=;軸承1的軸頸直徑d=35mm，軸承2的軸頸直徑d=30mm,要求軸承的使用壽命（即軸承預期壽命）為10000h。軸承的軸向載荷為軸承部件受載荷示意圖以下是壽命校核的過程：軸承1：30207，軸承2：30206查《機械設計課程設計》滾動軸承樣本得，由《機械設計》表8-8查得，①計算派生軸向力S1,S2由《機械設計》表8-9查得30200型軸承派生軸向力S=，則可求得軸承1，2的派生軸向力為：②計算軸承所受的軸向載荷因為，軸承2被“壓緊”，軸承2被“放松”。由此可得，③計算當量動載荷軸承1：由《機械設計》表8-7經(jīng)插值得，軸承2；由《機械設計》表8-7經(jīng)插值得，④軸承壽命計算軸承1：由《機械設計》表8-7經(jīng)插值得，軸承2：所以，軸承1，2的壽命都滿足要求。 四.機械手氣動控制系統(tǒng)的設計1.氣動機械手的動作過程氣動機械手的動作過程所示由夾緊，升降兩個液壓缸完成工件的夾緊和提升的動作，夾緊缸通過一個單電兩位四通電磁換向閥控制工件的夾緊、放松，升降缸通過一雙電兩位四通電磁閥控制機械手的升降；伸縮缸實現(xiàn)機械手的移動。旋轉缸是兩個氣缸通過齒輪齒條的嚙合，通過雙電兩位四通電磁閥控制兩氣缸同時動作，以實現(xiàn)機械手真反轉。所有機械手的動作均由氣壓驅動，機械手臂的伸出、回縮、提升、下降等動作的轉換時在電磁閥換向閥和限位開關的控制下進行的。2.機械手的控制要求為了便于生產(chǎn)加工、維修、調整設置的工作方式選擇開關。分為手動和自動操作，其中自動操作中包括了：單步、單周期、連續(xù)；手動操作包括手動和回原位的操作。手動操作：供維修用，即用按鈕對機械手的每一步動作單獨控制。例如，當選擇手動操作時，按下上升/下降按鈕，機械手在滿足條件情況下即執(zhí)行相應的動作，其它動作以此類推?；卦唬寒斢捎跀嚯娀蚱渌驅е聶C械手運行中途停止時，再次通電將操作方式選擇置于回原位位置，按下復位按鈕，機械手即可按最短路徑的原則返回到原點位置。單步運行：供試用，即沒按一次啟動按鈕機械手向前執(zhí)行一個動作后停止。單周期運行：供首次檢驗用，當機械手在原點時按下啟動按鈕，機械手自動執(zhí)行一個周期后停止在原點位置④連續(xù)運行：正常使用，當機械手在原點并按下啟動按鈕時，機械手周而復始的執(zhí)行各工步動作。該機械手在自動工作狀態(tài)時，應先將其工作方式選擇開關放在“返回原位”，并按下返回原位按鈕，對狀態(tài)器進行置位，然后再將工作方式選擇開關放置自動工作方式下。若自動工作狀態(tài)解除，則硬件工作方式選擇開關放置于“手從操作”位置。氣壓驅動系統(tǒng)設計：氣壓驅動系統(tǒng)安排圖 1：手動截止閥2：儲氣缸3：分水濾氣器4：減壓閥5：油霧器6、7、8、9：節(jié)流閥加單向閥10、11、12、13：雙電兩位三通電控閥工作方式伸縮，上下，夾緊與旋轉部分：電磁線圈3Y2得電，手臂伸出。伸出到3QS2處伸出停止；電磁線圈3Y1得電，手臂回縮，縮到3QS1是縮回停止；電磁線圈2Y1得電，手臂上升，直到2QS1時上升停止；電磁線圈2Y2得電，手臂下降，直到2QS2時下降停止，同理線圈1Y1得電手爪夾緊，失電則放松。當電磁線圈4Y1的電視主軸逆時針旋轉，直到4QS1處，旋轉停止，反轉即使4Y1得電，到4QS2處時，停止旋轉。4.PLC的選擇和I/O口的分配機械手的工作需要24個輸入端子，輸出端子需要七個，根據(jù)控制要求即端子數(shù)選用FX2n-48MR型PLC。FX2n-48MR輸入輸出皆有24個點，滿足控制要求而又節(jié)約成本，I/：I/O口端子接線圖輸入輸出觸點分配及使用如圖標注所示。5.PLC控制程序設計X7、10、11、12、13、14同時只能有一個處于ON狀態(tài)，必須使用轉換開關，以保證控制方式的單一性。以免發(fā)生錯誤和危險。機械手系統(tǒng)PLC程序的總體結構：.1PLC程序總體結構（1）公用程序:公用程序(如下圖所示)用于自動程序和手動程序相互切換的處理。左限位開關X4、上限位開關X2的常開觸點和表示機械手松開的Y1的常閉觸點的電路接通是，表示“原為條件”的輔助繼電器變?yōu)镺N。當機械手處于原位是，在開始執(zhí)行用戶程序（M8002為ON），系統(tǒng)處于手動狀態(tài)或者回原位狀態(tài)（X7、X10為ON），初始步M0被置位，為進入單步，單周期和連續(xù)工作方式做好準備。如果此時機械手不在原位，M0將被復位，初始步不為活動步，系統(tǒng)不能在單步，單周期，連續(xù)方式下工作。但系統(tǒng)處于手動工作狀態(tài)時，必須將初始步以外的各步對應的輔助繼電器復位。同時將表示連續(xù)工作狀態(tài)的M11復位，否則系統(tǒng)從自動工作方式切換到手動工作方式然后又返回自動方式時，可能會出現(xiàn)同時有兩個活動步的異常情況，引起錯誤動作。