PLC機(jī)械手臂畢業(yè)設(shè)計.doc

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1、 畢 業(yè) 設(shè) 計 （說 明 書） 題 目：PLC機(jī)械手的設(shè)計 姓 名： 王鵬召 學(xué) 號： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書 姓名 專業(yè)班級 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2014 年 2 月 18 日 設(shè)計（論文）開始日期 2014 年 2 月 25 日 設(shè)計（論文）完成日期 2014 年 4 月 30 日 設(shè)計（論文）題目： 機(jī)械手臂設(shè)計

2、 指 導(dǎo) 教 師 院（部） 主 任  平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計答辯委員會記錄 電力工程 學(xué)院 專業(yè)，學(xué)生 文）答辯。 設(shè)計題目： 機(jī)械手臂設(shè)計 專題（論文）題目： 機(jī)械手臂設(shè)計 指導(dǎo)老師：答辯委員會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委

3、員會討論評定，給予學(xué)生答辯委員會 人，出席 人 答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， , 。 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計評語 第 頁 共 頁 畢業(yè)設(shè)計及答辯評語：

4、

5、 平頂山工業(yè)職業(yè)

6、技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 機(jī)械手的設(shè)計 本文簡要地介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式，氣動技術(shù)的特點，PLC控制的特點及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。 本文對機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時，分別設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu);設(shè)計了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計出了機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。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)械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可

7、編程序控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械手，氣動，可編程序控制器(PLC) 目錄 題 目：機(jī)械手的設(shè)計 I 機(jī)械手的設(shè)計 1 目錄 2 第一章 緒 論 3 1.1機(jī)械手概述 3 1.2機(jī)械手的組成和分類 4 1.2.1機(jī)械手的組成 4 1.2.2機(jī)械手的分類 7 1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 8 1.4課題的提出及主要任務(wù) 10 1.4.1課題的提出 10 1.4.2課題的主要任務(wù) 11 第二章機(jī)械手的設(shè)計方案 13 2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 13 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 14 2.3 機(jī)

8、械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 14 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 14 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 15 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 15 2.7機(jī)械手的主要參數(shù) 15 2.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 16 第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 3.1手指手部結(jié)構(gòu) 19 3.1.1手指的形狀和分類 19 3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題 19 3.2氣流負(fù)壓式吸盤 20 第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 23 4.1手腕的自由度 23 第五章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 5.1手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 24 5.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 5.1.3手臂伸縮驅(qū)動力的計算 25 第六章機(jī)械手的PLC控制設(shè)計

9、27 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 27 6.1.1 可編程序控制器的選擇 27 6.1.2 可編程序控制器的工作過程 27 6.2可編程序控制器的使用步驟 28 6.3機(jī)械手可編程序控制器控制方案 29 第七章結(jié)論 34 致 謝 36 -36 - 第1章 緒 論 1.1機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(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，是一種仿人操作，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

10、分重要的作用。 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人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)和分析判斷能力，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)域不可缺少的自動化設(shè)備. 機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、

11、搬運或操作的自動機(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，制成了能夠獨立的按程序控制實現(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

12、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)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。 圖1-1機(jī)械手的組成方框圖 (一)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部 、手腕、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。由于與物件接觸的形式不同，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)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型

13、手指結(jié)構(gòu)簡單，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，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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)

14、的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式. 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重

15、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)動手臂運動的部件(如油缸、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，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，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)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件 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

16、 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)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動的，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)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運動。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，機(jī)械手執(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，故起支撐和連接的作用。 (二)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)運動的動力裝置

17、，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、電力傳動和機(jī)械傳動。 (三)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)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，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)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制

18、 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)到設(shè)定位置。 1.2.2機(jī)械手的分類 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)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 (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: 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，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

19、有獨立控制系統(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:簡易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(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。 (二)按驅(qū)動方式分 1、 液壓傳動機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾 百公斤以上、傳動平

20、穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油 的泄漏對機(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。若機(jī)械 手采用電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是 電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、 氣壓傳動機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。

21、 3、機(jī)械傳動機(jī)械手 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。 4、電力傳動機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運動速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不

22、能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(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 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，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算機(jī)進(jìn)行控制。 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趨勢: (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)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (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

23、塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(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。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用

24、已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。 我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基

25、本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要

26、求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智

27、能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.4課題的提出及主要任務(wù) 1.4.1課題的提出 隨著 工 業(yè) 自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。 現(xiàn)在的機(jī)械手大多采

28、用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。 鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動，氣動技術(shù)有以下優(yōu)點: (1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方

29、便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)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。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。 (3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，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(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、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與

30、控制系統(tǒng)比機(jī)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(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。 傳統(tǒng) 觀 點 認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(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。雖然氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不少

31、疑慮。 1.4.2課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1)機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對于專用機(jī)械手來說，它的適用面必須更廣. (2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度 (3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，既可以用夾持式手指來抓取棒料工件，又可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。 (6)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計 本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。 第二章機(jī)械手的設(shè)計方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速

32、、準(zhǔn)確地拾一放和搬運物件，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)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的 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)及運行控制的要求; 盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn) 柔性轉(zhuǎn)換和編程控制. 本次設(shè)計的機(jī)械手是通用氣動上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批 生產(chǎn)的、可以改變動作

33、程序的自動搬運或操作設(shè)備，動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。 2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個自由度，為了彌補(bǔ)升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度 圖2-1所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運動示意圖。 圖 2-1 機(jī)械手的運動示意圖 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，

34、把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 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)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈

35、敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7機(jī)械手的主要參數(shù) 1、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、基本參數(shù)運動速度是機(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

36、主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。 該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為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，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。 除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(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)計和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑

37、約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(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0.5～lmm 2.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于 100 噸以上沖床上下料。 二、設(shè)計技術(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) 4個自由度 3、座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑 1500mm 5、手臂最大中心高 1380mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮

38、行程 600mm 伸縮速度 500mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 0～ 240 回轉(zhuǎn)速度 90 7、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍 0～ 180 回轉(zhuǎn)速度 180/s 8、手指夾持范圍 棒料 : 80～150mm 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 點位程序控制(采用PLC) 圖2- 8機(jī)械手的工作范圍

39、 第三章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工 件是棒料時，使用夾持式手部:當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 3.1手指手部結(jié)構(gòu) 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變

40、成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在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。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (

41、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)械手在運動過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動的影響，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)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖

42、所示. 3.2氣流負(fù)壓式吸盤 氣流負(fù)壓式吸盤是利用吸盤(即用橡膠或軟性塑料制成皮腕)內(nèi)形成負(fù)壓將工件吸住。它適用于搬運一些薄片形狀的工件，如薄鐵片、板材、紙張以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形殼體零件等，尤其是玻璃器皿及非金屬薄片，吸附效果更 為明顯。 氣流負(fù)壓式與鉗爪式手部相比較，氣流負(fù)壓式手部具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕， 表面吸附力分布均勻，但要求所吸附表面平整光滑、無孔和無油。 按形成負(fù)壓(或真空)的方法，氣流負(fù)壓式手部可分為真空式、氣流負(fù)壓式和擠壓排氣式吸盤。在本機(jī)械手中，擬采用噴射式氣流負(fù)壓吸盤。 圖 3-2 噴 射 氣 流 原 理 圖 噴射式氣流負(fù)壓吸盤的工作原理如圖3

43、-3所示，根據(jù)流體力學(xué)，氣體在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，單位時間內(nèi)氣體經(jīng)過噴嘴的每一個截面的氣體質(zhì)量均相等。因此，在最簡單的情況下，低流速(高壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有大面積，而高流速(低壓強(qiáng))截面的噴嘴應(yīng)當(dāng)具有小面積。所以，壓縮空氣由噴嘴進(jìn)口處A進(jìn)入后，噴嘴開始一段由大到小逐漸收縮，而氣流速度逐漸增大，當(dāng)沿氣流流動方向截面收縮到最小處X時〔即臨界面積)，流速達(dá)到臨界速度即音速，此時壓力近似為噴嘴進(jìn)口處的壓力之半，即= 0.52 8P,。為了使噴嘴出口處的壓力低于Pk，必須在噴嘴臨界面以后再加一段漸擴(kuò)段，這樣可以在噴嘴出口處獲得比音速還要大的流速即超音速，并在該處建立低壓區(qū)域，使C處的氣體不斷的被高速流體

44、卷帶走，如C處形成密封空腔，就可使腔內(nèi)壓力下降而形成負(fù)壓。當(dāng)在C處連接橡膠皮腕吸盤，即可吸住工件。 圖 3- 4 所示為可調(diào)的噴射式負(fù)壓吸盤結(jié)構(gòu)圖。為了使噴嘴更有效地工作，噴嘴口與噴嘴套之間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)拈g隙，以便將被抽氣體帶走。當(dāng)間隙太小時，噴射氣流和被抽氣體將由于與套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽氣速率;當(dāng)間隙太大時，離噴射氣體越遠(yuǎn)的氣體被帶著向前運動的速度就越低，同時間隙過大，從噴嘴套出口處反流回來的氣體就越多，這就使抽氣速率大大的降低。因此，間隙要適宜，最好使噴嘴與噴嘴套之間的間隙可以調(diào)節(jié)， 以便噴嘴有效地工作。在圖3-4中，噴嘴5與噴嘴套6的相對位置是可以調(diào)節(jié)的，以便改變間隙的大

45、小。 1. 株膠吸盤2.吸盤芯子3.通氣壞打4.吸盤體5.噴嘴6.噴嘴套 圖 3- 3 可 調(diào)噴 射 式 負(fù) 壓 吸 盤 結(jié)構(gòu) 第四章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè) 有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運 動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 4.1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，因而它具有獨立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。 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

46、放置，同時考慮到通用性， 因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。 目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于3600，并且要求嚴(yán)格的密封。 第五章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 5.1手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 5.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的

47、體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ， 氣 壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(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)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 該機(jī) 械 手 的手臂結(jié)構(gòu)如附圖所示，現(xiàn)將其工作過程描述如下: 手臂主要由雙作用式氣缸1、導(dǎo)向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4

48、等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當(dāng)壓縮空氣分別從進(jìn)出氣孔c, e進(jìn)入雙作 用式氣缸1的兩腔時，空心活塞套桿6帶動手腕回轉(zhuǎn)缸5和手部一同往復(fù)移動。 在空心活塞套桿6中通有三根伸縮氣管，其中兩根把壓縮空氣通往手腕回轉(zhuǎn)氣缸 5，一根把壓縮空氣通往手部的夾緊氣缸。在雙作用式氣缸1缸體上方裝置著導(dǎo) 向桿2，用它防止活塞套桿6在做伸縮運動時的轉(zhuǎn)動，以保證手部的手指按正確 的方向運動。為了保證手嘴伸縮的快速運動。在雙作用式氣缸1的兩個接氣管口 c, e出分別串聯(lián)了快速排氣閥.手臂伸縮運動的行程大小，通過調(diào)整兩塊可調(diào)定位塊4的位置而達(dá)到。手臂伸縮運動的緩沖采用液壓緩沖器實現(xiàn). 手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)

49、氣缸5實現(xiàn)，并采用氣缸端部節(jié)流緩沖，其結(jié)構(gòu)見A-A 剖面; 在附圖中所示的接氣管口a、b是接到手腕回轉(zhuǎn)氣缸的;d是接到手部夾緊氣 缸的。直線氣缸1內(nèi)的三根氣管采用了伸縮氣管結(jié)構(gòu)，其特點是機(jī)械手外觀清晰、 整齊，并可避免氣管的損傷，但加工工藝性較差。另外活塞套桿6做成筒狀零件 可增大活塞套桿的剛性，并能減少充氣容積，提高氣缸活塞套桿的運動速度。 5.導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(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)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)

50、和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 目前常采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿等，在本機(jī)械手中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.1.3手臂伸縮驅(qū)動力的計算 手臂作水平伸縮時所需的驅(qū)動力: 圖5-1 手嘴伸出時的受力狀態(tài) 圖4- 3 所示為活塞氣缸驅(qū)動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由 于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅(qū)動力和壓力之間的關(guān)系式不一樣。當(dāng)壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅(qū)使手臂前伸(或縮回)，其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產(chǎn)生的慣

51、性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅(qū)動力計算公式為: P驅(qū) = P慣 + P摩 + P密  + P背 N （5-1） 式中:P慣——手伶在起動過程中的慣性力(N); P摩——摩擦阻力(包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N); P密——密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻 力 不 同 。 P背——氣 缸 非工 作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與 油箱或大氣相連時，則 P背 =0 。 第六章機(jī)械手的PLC控制設(shè)計 考慮到機(jī)械手的通用性，

52、同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制.當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即 可實現(xiàn)，非常方便快捷。 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 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?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造 成本，因此在本次設(shè)計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。 6.1.2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)

53、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個階段。 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對輸入輸出狀態(tài)的詢 問是針對輸入輸出狀態(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. 該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲 器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機(jī)時， 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階段。 在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得

54、的各個輸入端子的 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)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0 狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成 運算結(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)入到第三個階段。在這 個階段中，可編程序控制器對用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān) 指令進(jìn)行運算和處理，最后將結(jié)果寫入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對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)

55、暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 6.2可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程)構(gòu)成一個自動控制系 統(tǒng)時，通常以七個步驟進(jìn)行: (1)系統(tǒng)設(shè)計 即確定被控對象的動作及動作順序。 (2) I/0分配 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應(yīng)的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。 (3)畫梯形圖

56、 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。 (4)助記符機(jī)器程序 相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。 (5)編制程序 即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進(jìn)行。 (6)調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器

57、上修改。程序設(shè)計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。 (7)保存程序 調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。 6.3機(jī)械手可編程序控制器控制方案 1、系統(tǒng)簡介 控制對象為圓柱座標(biāo)氣動機(jī)械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置—機(jī)械手，還可完成抓、放功能。 以上動作均采用氣動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應(yīng)兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手

58、抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化 為旋轉(zhuǎn)運動。 這樣 ，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。 另外 ，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。 2、工業(yè)機(jī)械手的工作流程 此機(jī)械手用于沖床的上下料。 當(dāng)按下機(jī)械手啟動按鈕之后，機(jī)械手有如下動作: 先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動作(1DT通電) →下降至下限位開關(guān)(5DT通電) → 手腕逆時針轉(zhuǎn)動

59、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)動作(2DT通電) →手腕順時針轉(zhuǎn)動90 (8DT通電) →手臂伸長至最長(3DT通電) →手爪松開(IODT通電) →延時T →手臂收縮最短(4DT通電)。至此，一個工作循環(huán)完畢。 3、機(jī)械手工作時序圖如附圖所示。 4, I/0分配 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點的數(shù)目，選用OMRONC 28P型PC，它有16個輸入點， 標(biāo)號為0000^0015; 12個輸出點，標(biāo)號為0500-0511. 5、

60、 梯形圖設(shè)計(如附圖所示) 根據(jù)機(jī)械手的邏輯時序圖及1/0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

61、(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(00

62、07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ON)，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(000

63、4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(0003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)，檢測到有物品(0011為ON), 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)

64、，伸長到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON) (9)手爪放松的條件:手爪抓緊(0002為ON)，無抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件之一:1)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). 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，手臂停止動作，即手臂停止在不定的位置。 6、機(jī)械手控制程序 機(jī)械手控制程序： 第七章結(jié)論 1、 本次設(shè)計的是氣動通用機(jī)械

65、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小型零件，也可供教學(xué)、實驗使用。 3、 采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(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)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，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

66、設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?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)。 參考文獻(xiàn) [1]成大先.機(jī)械設(shè)計圖冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002年 [2]羅洪量.機(jī)械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]（第二版）.高等教育出版社，1986 [3]JJ.杰克（美）.機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理[M]（第一版）.機(jī)械工業(yè)出版社，1985 [4]王玉新.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)[M]（第一版）.天津大學(xué)出版社，1996 [5]張建民.工業(yè)機(jī)器人[B][M].北京理工大學(xué)出版社，1992 [6]馬香峰.機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué)[B][M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991 [7][俄]IO.M.索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊[B][M].機(jī)械工業(yè)出版社，1993 [8]黃繼昌、徐巧魚、張海貴等.實用機(jī)械機(jī)構(gòu)圖冊[B][M].人民郵電出版社，1996 [9]天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)[B][M].天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981 [10]金茂菁.