三自由度圓柱坐標(biāo)平面關(guān)節(jié)示教型自動(dòng)上下料的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)含CATIA三維及7張CAD圖

三自由度圓柱坐標(biāo)平面關(guān)節(jié)示教型自動(dòng)上下料的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)含CATIA三維及7張CAD圖,自由度,圓柱,坐標(biāo),平面,關(guān)節(jié),示教型,自動(dòng),上下,氣動(dòng),機(jī)械手,設(shè)計(jì),catia,三維,cad 上下料的氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 摘要 隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷突破、制造業(yè)的快速發(fā)展以及改革開放帶來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的 加劇，企業(yè)在如何提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等問題上采取了大量措 施，自動(dòng)化和機(jī)械化在現(xiàn)代企業(yè)中普遍應(yīng)用，這為機(jī)械手的廣泛運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。機(jī)械 手利用機(jī)械技術(shù)、人工智能技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，達(dá)到模仿人 手和臂、實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)作功能的目的，機(jī)械手可以按照設(shè)置好的程序完成抓取動(dòng)作、搬運(yùn) 物件或操作工具，特別是與數(shù)控車床、加工中心組合使用，不僅提高了柔性制造系統(tǒng)的 加工效率，而且將人從反復(fù)、單一的工作中解脫出來，降低了人工成本，保證了產(chǎn)品質(zhì) 量。 本課題是在數(shù)控車床和加工中心基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)的一種抓取柴油機(jī)曲軸毛坯的三自由 度圓柱坐標(biāo)平面關(guān)節(jié)型自動(dòng)上下料氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)，此機(jī)械手主要與數(shù)控車床組合，實(shí) 現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化，即由機(jī)械手完成上料-加工-下料整個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍的過程。此機(jī)械手 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆裝、組合的特點(diǎn)，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)加 工過程的模擬，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解。 關(guān)鍵詞:自動(dòng)化；上下料；機(jī)械手；氣壓傳動(dòng)；PLC Abstract With the continuous breakthrough in science and technology, the rapid development of the manufacturing industry and the intensification of market competition brought by the reform and opening up, a large number of measures have been taken to improve the production efficiency, guarantee the quality of the products and reduce the cost of production. Automation and mechanization are widely used in the present generation enterprises. This is a mechanical hand. The extensive use of the foundation is laid. The manipulator uses mechanical technology, artificial intelligence technology, control technology, sensor technology and computer technology to achieve the purpose of imitating the hands and arms and realizing certain action functions. The manipulator can carry out the grasping, handling, or operating tools according to the set program, especially with the CNC lathe and the machining center. Combined use, not only improves the processing efficiency of the flexible manufacturing system, but also relieves people from repeated and single work, reduces the labor cost and ensures the quality of the product. With the attention to the ecological environment and the breakthrough of science This topic is a kind of teaching type automatic up and down manipulator designed on the basis of CNC lathe and machining center. This manipulator is mainly combined with numerical control lathe to realize the automation of the processing process, that is, the manipulator completes the process of the overall production of the feeding, processing and cutting. This manipulator has the characteristics of simple structure, easy disassembly and combination. At the same time, through the design of the driving system and control system, the simulation of processing process is realized, and the students understanding of professional knowledge is deepened. Key words: automation; loading and unloading; manipulator; pneumatic transmission; PLC 目錄 第 1 章 緒論 .................................................................1 1.1 選題背景 .............................................................1 1.2 設(shè)計(jì)目的 .............................................................1 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) .......................................................1 第 2 章 機(jī)械手的組成 .........................................................3 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) .............................................................3 2.2.1 手部 ............................................................3 2.1.2 腕部 ...........................................................3 2.1.3 手臂 ............................................................4 2.1.4 行走機(jī)構(gòu) .......................................................4 2.1.5 機(jī)座 ...........................................................4 2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) .............................................................4 2.3 控制系統(tǒng) .............................................................5 2.4 位置檢測(cè)系統(tǒng) .........................................................5 第 3 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) .......................................................6 3.1 主要技術(shù)參數(shù) .........................................................6 3.2 主要部件及其運(yùn)動(dòng) .....................................................7 3.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................8 第 4 章 手部設(shè)計(jì) .............................................................9 4.1 確定手部結(jié)構(gòu) .........................................................9 4.2 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 .......................................................9 4.3 手部夾緊力的計(jì)算 ....................................................10 4.4 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................11 4.4.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 ..........................................11 4.4.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 ................................................12 4.4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 ..............................................13 第五章手臂的設(shè)計(jì) ...........................................................15 5.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ......................................................15 5.1.1 氣缸的校核 .....................................................16 5.1.2 活塞桿的計(jì)算 ...................................................16 5.1.3 缸筒壁厚的選擇 .................................................19 5.2 手臂整體結(jié)構(gòu)圖 ......................................................20 第 6 章 機(jī)身的設(shè)計(jì) ..........................................................21 6.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 ....................................................21 6.2 機(jī)身的升降回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ..................................................22 6.2.1 機(jī)身升降運(yùn)動(dòng) ...................................................22 6.2.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ...................................................22 6.2.3 氣壓升降缸設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................23 6.2.4 氣壓擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................25 6.3 機(jī)身整體結(jié)構(gòu)圖 ......................................................30 第 7 章 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................30 7.1 氣壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ........................................................30 7.2 氣壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ....................................................31 7.3 氣壓系統(tǒng)的控制回路設(shè)計(jì) ..............................................31 第 8 章 機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ..............................................31 8.1 機(jī)械手的工藝過程 ....................................................31 8.2 機(jī)械手工作流程 ......................................................33 8.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .................................................35 8.3.1 機(jī)械手動(dòng)作順序表 ..............................................35 8.3.2 現(xiàn)場(chǎng)器件與 PLC 內(nèi)部繼電器對(duì)照表 .................................36 8.3.3 PLC 接線圖 .....................................................36 8.4.4 梯形圖 .........................................................37 8.4.5 指令程序表 ....................................................39 結(jié)論 .......................................................................40 謝辭 .......................................................................41 參考文獻(xiàn) ...................................................................42 1 第 1 章 緒論 1.1 選題背景 隨著人工智能、仿生物技術(shù)、信息和傳感技術(shù)等多學(xué)科的快速發(fā)展和技術(shù)突破，機(jī) 器人的功能變得更加豐富多樣，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓寬，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用相當(dāng) 廣泛，機(jī)械手技術(shù)的不斷更新成熟，為更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合 奠定了良好基礎(chǔ)。氣動(dòng)技術(shù)是在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中蓬勃發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它以壓 縮氣體為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的傳遞。機(jī)械手是新形勢(shì)下，機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物， 是適應(yīng)柔性生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件必不可少的自動(dòng)化裝置，機(jī) 械手的廣泛運(yùn)用，不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，將工人從重復(fù)、沉重的工作中解脫出來， 同時(shí)還能保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人制造技術(shù)水平及其應(yīng)用 規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化水平和國(guó)外還有一定的距離，機(jī)械手的研究程度和開發(fā)情況，直接影響到 我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，因此，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮，對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究都是十 分必要和有意義的。 1.2 設(shè)計(jì)目的 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇以及工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式已經(jīng)滿足不 了現(xiàn)代化企業(yè)的生產(chǎn)要求，跟不上現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和時(shí)代的步伐。為了更好的提高 效率、降低成本，越來越多的企業(yè)將機(jī)械手與機(jī)床設(shè)備組合起來，在原有的柔性加工系 統(tǒng)或柔性制造單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠實(shí)際情況和生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線，進(jìn)一 步完善和提高整個(gè)生產(chǎn)線的加工柔性，這樣不僅為企業(yè)節(jié)省了龐大的工件輸送裝置采購(gòu) 費(fèi)用，還節(jié)省了大量空間，縮短了加工時(shí)間，同時(shí)生產(chǎn)效率更高、適應(yīng)性更強(qiáng)。 本設(shè)計(jì)立足生產(chǎn)實(shí)際，主要應(yīng)用氣壓驅(qū)動(dòng)和可編程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)控機(jī)床特 殊功能、特殊要求的自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的專用性，一是能夠應(yīng)用到工 廠加工車間，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床、加工中心對(duì)工件的加工過程中的上料工序和下料工序，代 替人工，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力，二是為了能讓學(xué)生可以更好的理 解機(jī)械手的工作原理和工作過程，對(duì)機(jī)械手自動(dòng)上下料以及自動(dòng)化生產(chǎn)有更加直觀深刻 的印象，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的目的，特設(shè)計(jì)此機(jī)械手。 2 1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人已經(jīng)成為一個(gè)新浪潮，科研狀態(tài)大體趨勢(shì)如下： 1將機(jī)器人的各基本組成結(jié)構(gòu)按照功能和運(yùn)動(dòng)特性劃分為幾大模塊，這些模塊便是 機(jī)器人新的基本組成，如關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊等，通過對(duì)模塊的規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)以 及將不同功能的模塊重新裝配組合，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)機(jī)器人的效率。機(jī)械 結(jié)構(gòu)模塊化、可重構(gòu)化的發(fā)展有利于模塊化裝配機(jī)器人的推廣和應(yīng)用。 2隨著電器零件集成度的提高以及結(jié)構(gòu)的模塊化，機(jī)器人的控制系統(tǒng)越來越精巧， 正逐漸向開放型可編程控制器方向發(fā)展，不僅改善了設(shè)備的集成度，還提高了機(jī)械系統(tǒng) 的效率和可靠性，方便網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)化， 維修更加方便。 3.多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)器人能夠更好的感知環(huán)境并作出判斷。除傳統(tǒng)的 速度、加速度、位置等傳感器，視覺、聲覺、觸覺、力覺等傳感器也越來越多的應(yīng)用在 機(jī)器人中。 4通過實(shí)現(xiàn)機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化的設(shè)計(jì)；加強(qiáng)機(jī)械手柔性 仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)、伺服軸軌跡、控制系統(tǒng)等研究開發(fā)的程度，更好的提高機(jī)械手的智能化 程度。 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要總結(jié)為兩個(gè)方面，即“兩多三化”：一是傳感器、控制器越 來越多，能夠更好的應(yīng)用先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)和控制算法，使機(jī)器人控制更加精細(xì)化； 二是智能化、模塊化、市場(chǎng)化，隨著智能化和模塊化程度不斷加深，大大降低了機(jī)械手 的生產(chǎn)成本，在滿足生產(chǎn)加工要求的前提下，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)程序和過程，拓寬了機(jī)器人在 不同領(lǐng)域的應(yīng)用，擴(kuò)大推廣規(guī)模，促進(jìn)了機(jī)器人的市場(chǎng)化。 3 第 2 章 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由以下四部分組成，分別是執(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。 2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由手部、手腕、手臂和立柱等部件組成，有的為了使機(jī)械手工作區(qū)域 更廣，還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 2.2.1 手部 手部是機(jī)器人的末端執(zhí)行器，相當(dāng)于我們的人手，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取和松開， 是夾緊工件的部分，與工件直接接觸，按照接觸方式的不同，可分為夾持式和吸附式， 夾持式機(jī)械手是手爪對(duì)工件的抓緊力，主要為回轉(zhuǎn)型和平面型；吸附式機(jī)械手則是機(jī)械 手對(duì)工件的吸附力，主要有負(fù)壓吸盤和電磁吸盤；按夾持方式不同，可以分為外夾式和 內(nèi)撐式兩種。手指一般多為兩指結(jié)構(gòu)，雙指手爪。 機(jī)器人手爪按驅(qū)動(dòng)方式可選為可選為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)；優(yōu)勢(shì)如下： 1. 手爪的運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制，運(yùn)動(dòng)速度用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)； 2. 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本較低，氣動(dòng)元件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛； 3.抓取動(dòng)作靈活，具有一定的柔順性 2.1.2 腕部 手腕是連接手臂和手部的關(guān)節(jié)，起到連接手臂和手的作用，是機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的最 末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)抓握工件的方向，使機(jī)器人手爪更靈活、適應(yīng)性 更強(qiáng)，能夠擴(kuò)大機(jī)械手的作業(yè)范圍，實(shí)現(xiàn)手爪的空間運(yùn)動(dòng)，使手爪按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)軌跡 和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中，在滿足作業(yè)要求的前提下， 應(yīng)使手腕的自由度數(shù)盡可能的少，根據(jù)實(shí)際情況，具體要求具體分析，全面考慮機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)和布局，設(shè)計(jì)多種方案，并選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。 2.1.3 手臂 手臂是是機(jī)器人不可或缺的重要組成部分，其作用是在一定載荷和速度下，支撐手 腕和手完成預(yù)定的空間運(yùn)動(dòng)。 4 手臂運(yùn)行目的：在工作空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)符合運(yùn)動(dòng)軌跡要求的動(dòng)作，一般情況下，手臂 要有三個(gè)自由度以符合工作需求，即水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)、空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂直方向的 提升（或俯仰）運(yùn)動(dòng)，。 手臂一般依靠驅(qū)動(dòng)部件和驅(qū)動(dòng)源來完成手臂預(yù)設(shè)動(dòng)作的運(yùn)行。由于手臂受力復(fù)雜， 除了承受手腕、手部及工件的重量，還要承受彎曲力和扭轉(zhuǎn)力，為了增加手臂的剛性， 一般增加導(dǎo)向裝置以減小手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)減小手臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單，提高其穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn) 確性。 2.1.4 行走機(jī)構(gòu) 為了工業(yè)機(jī)器人能夠在相對(duì)長(zhǎng)的距離上工作或擴(kuò)大其工作區(qū)域時(shí)，可以在機(jī)座上安 裝滾輪、軌道等機(jī)構(gòu)，達(dá)到工業(yè)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)、行走的目的。 2.1.5 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的支承部分，是機(jī)械手的基礎(chǔ)，幾乎承擔(dān)了機(jī)械手的全部重量，比如 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的重量，它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主 要起支撐和連接的作用。 2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成所有動(dòng)作的動(dòng)力裝置、力量來源。沒有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械 手就不能工作，按照驅(qū)動(dòng)方式不同，可分為氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng) 四種，每種驅(qū)動(dòng)方式都有其自己的適用場(chǎng)合和特點(diǎn)，可以根據(jù)生產(chǎn)要求選擇不同的驅(qū)動(dòng) 方式。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，由于動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響 應(yīng)高，主要適合于在承載能力大、慣量大的工作環(huán)境以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī) 器人，但是動(dòng)作慢，構(gòu)造較復(fù)雜，適合短距離操縱，工作噪音較高，設(shè)備維護(hù)要求高， 價(jià)格昂貴，同時(shí)液壓系統(tǒng)的液體泄露也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多適用于在中、小型負(fù)荷的機(jī)器人和程序控制的機(jī)器人。氣壓驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，而且動(dòng)力源來源普遍、不污染環(huán)境、價(jià)格低廉，同時(shí) 環(huán)境適應(yīng)性好、維修方便， 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，它能量不需要轉(zhuǎn)換，使用方便，而且噪聲較低，控制靈活， 所以在機(jī)器人中被大量采用。但是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備維 護(hù)要求較高，相較于液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)，工作壽命短，價(jià)格昂貴，成本上較其他兩種 5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。 2.3 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，是機(jī)械手的神經(jīng)中樞，是控制機(jī)械手完成規(guī)定要求 運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，一般分為兩種組成方式：一是程序控制系統(tǒng)二是電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系 統(tǒng)。 控制系統(tǒng)具有良好的記憶功能和監(jiān)測(cè)功能，不僅能夠記憶人們給予機(jī)械手設(shè)定的指 令程序，并根據(jù)這些程序?qū)?zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，使機(jī)械手按規(guī)定程序運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能對(duì) 機(jī)械手的動(dòng)作執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果機(jī)械手沒有按照既定的軌跡運(yùn)動(dòng)、完成相應(yīng)的動(dòng) 作，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以確保預(yù)定動(dòng)作順利完成。 2.4 位置檢測(cè)系統(tǒng) 位置檢測(cè)系統(tǒng)是確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。它相當(dāng)于一名位置 檢測(cè)員，能夠檢測(cè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，確定各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行到位，并將執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給大腦 -- 控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再通過實(shí)際位置與預(yù)設(shè)位置的比 較結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。 第 3 章 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 考慮到氣動(dòng)機(jī)械手能快速、準(zhǔn)確的抓取和搬運(yùn)工件的基本要求以及具有高精度和一 定的承載力，并能夠快速反應(yīng)等特性，在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)主要考慮到以下三點(diǎn)： 6 1. 從工件的作業(yè)要求出發(fā)，充分分析作業(yè)對(duì)象，滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件影響 的基礎(chǔ)上，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝； 2. 明確工件的結(jié)構(gòu)形狀、材料特性以及定位精度等具體要求，了解機(jī)械手抓取、搬 運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求； 3. 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)組件，以達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程、實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制的目的。 3.1 主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式采用氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為了提高機(jī)械手的適用性、靈活性 和準(zhǔn)確性，采用可編程序控制器(PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行點(diǎn)位控制。當(dāng)機(jī)械手的工作步序、 動(dòng)作流程改變時(shí)，只需重新設(shè)計(jì) PLC 程序并進(jìn)行指令語句的輸入更新，機(jī)械手便可按照 新的預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，方便快捷。 由于采用氣壓傳動(dòng)，機(jī)械手抓重不宜過大，同時(shí)本機(jī)械手主要為教學(xué)用機(jī)械手，所 以本機(jī)械手設(shè)計(jì)擬抓取的工件質(zhì)量為 1 公斤。 主要技術(shù)參數(shù)如表 3-1 所示。 表 3-1 機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型 自由度 3個(gè) 坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo) 回轉(zhuǎn)范圍 0-180 手指夾持范圍 15-30 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 氣壓傳動(dòng) 控制系統(tǒng) 點(diǎn)位控制 抓重 1公斤 伸縮行程 1200mm 升降行程 400mm 3.2 主要部件及其運(yùn)動(dòng) 基于工作環(huán)境及設(shè)計(jì)目的需要，選擇設(shè)計(jì)為平面關(guān)節(jié)型的圓柱坐標(biāo)式機(jī)器手，機(jī)器 手共有三個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)手臂水平方向的伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中垂 直方向上的升降運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過立柱實(shí)現(xiàn)的，手爪在夾緊缸作用下，能夠完成夾 持動(dòng)作，滿足設(shè)計(jì)要求。 7 機(jī)械手主要組成： 1.手部：采用一個(gè)夾緊氣壓缸完成夾持動(dòng)作。 2.手臂：只承受載荷，使用伸縮氣缸并結(jié)合導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。 3.機(jī)身：采用一個(gè)提升缸和一個(gè)齒輪齒條擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人由機(jī)身、手臂、手三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作，整體大部分采用螺栓 固定螺紋連接，易于拆卸，便于學(xué)生理解和操作。機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)配圖如圖 3-1 所示。 圖 3-1 機(jī)械手總裝配圖 第 4 章 手部設(shè)計(jì) 4.1 確定手部結(jié)構(gòu) 按照要求設(shè)計(jì)的手部完整結(jié)構(gòu)如圖所示。 8 圖 4-1 手部結(jié)構(gòu)圖 4.2 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 假定 為手指對(duì)附件的夾緊力，F(xiàn) 為手部夾緊缸活塞桿的牽引力，抓重為 1 公斤。N 由手部結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則 12 由公式 （4-1） 由 得 0yF （4-2） 由 得0)(1FMo （4-3） 由上述可得 （4-4） sin21FcFbNcos1 6.32.9cos5.1in026cosin2bFNsin2bcFPN 9 （4-5） 方程中，b 代表手指旋轉(zhuǎn)中心到滑槽支點(diǎn)之間的間距，b=15.5mm； c 代表夾緊附件的幾何中心到滑槽支點(diǎn)之間的間距,c=50mm； 表示工件被夾緊時(shí)手指連桿與水平方向的夾角， 。 6.39 4.3 手部夾緊力的計(jì)算 附件上的夾緊力是確定手部設(shè)計(jì)的重要根據(jù)。通常，夾緊力必須大于由工件的重力 和由慣性力和慣性矩產(chǎn)生的工件移動(dòng)狀態(tài)引起的摩擦力，確保附件具有可靠的夾持狀態(tài)。 由公式可知手指對(duì)工件的夾緊力為： （4-6）GKFN321 式中，K 1表示安全系數(shù)，取 K11.5； K2代表工件情況數(shù)據(jù)，主要考慮慣性力，取 K21.03； K3代表方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀和手指與工件位置不同進(jìn)行選擇，因?yàn)槭种?水平放置，工件垂直放置，且是 V 型手指夾持圓柱形工件，所以 K 34； G 代表被夾緊附件所受引力（N），由于 m=1kg 所以 G=10N。故： 1.51.024G=61.2N GFN321 （4- 7） 式中 手指?jìng)鬟f效率，取 0.85。 4.4 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.4.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 上述已知，夾緊缸為單作用彈力歸位氣壓缸，假定夾緊附件時(shí)的路程為 15mm，時(shí)間 為 3s，則需要抓握力為： 2.56.139cos02.6s1 bFN Nbc 6.32.9cos5.in06osin理 論 2.384理 論實(shí) 際F 10 （48） 式中： F活塞桿實(shí)際輸出力； P 彈 彈簧壓縮時(shí)的作用力。 其中： （49） 式中： G彈簧材料的剪切模量，對(duì)于鋼材， ；528.10(/)Gkgcm D彈簧的鋼絲直徑（3mm）； DZ彈簧中徑（30mm）； Z彈簧的有效圈數(shù)（18 圈）； L 及 S活塞的行程及彈簧的與預(yù)縮量，L=15mm, S=10mm。 =846.2N<1500NF 查看表作業(yè)壓力取 1 ，為使氣壓缸結(jié)構(gòu)緊密，操作壓力取 2 。aMPaMP 由公式 ： （410） 得： （411） 式中: D氣壓缸內(nèi)徑； P氣壓缸工作壓力； 氣壓缸工作效率， 0.95。 由 QGHJ 標(biāo)準(zhǔn)系列將缸內(nèi)徑圓整為 D70mm，同理查得活塞桿直徑 d20m。 4.4.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 采用缸體 45 號(hào)鐵無縫鋼管，由 JB106867 查得選擇圓筒外徑為 90m，壁厚 10mm 。 1. 氣壓缸額定工作壓力 應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全()NPMa 43)628ZdLSND彈 （ NpF2.8462.3彈實(shí) 際 24FDPmF4.6 11 （412） 式中:D 表示缸筒內(nèi)徑（m）； D1表示缸筒外徑（m）； 表示缸筒材料的屈服點(diǎn)，（45 號(hào)鋼為 340 ）。SMPa 已知工作壓力 ，故安全。aMPN57.392 2.為避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑形變形，氣壓缸的額定壓力 值應(yīng)與塑性變形壓力有N 一定的比例范圍。 （413）1)42.035.(PN 式中： 缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力（ ），1P Ma （414） 計(jì)算可得： （415） 已知實(shí)際工作壓力 ,故安全。MPaPN67.21 4.4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 活塞桿一邊用螺紋與活塞相接連，另一邊也用外螺紋與手指連接，如圖 4-3 所示。 圖 4-3 活塞桿外端部結(jié)構(gòu)圖 活塞桿直徑 d20mm，故取 A40mm （螺紋長(zhǎng)短型）。 活塞桿采用實(shí)心桿，結(jié)構(gòu)如圖 4-4 圖所示。 211lg.DPSaP92.61 57.3909.6.1345.035.022621 DPSN 7.35.0 12 圖 4-4 活塞桿結(jié)構(gòu)圖 桿體原料選擇 35 號(hào)鐵，加工處理到剛性為 229285HBS，如果必要的話，需要高頻 淬火，剛性達(dá) 4555HRC?；钊麠U直徑 d 的圓度公差值，加工密度 8 級(jí)，其圓度公差值， 加工密度 9、10 級(jí)；端面 T 的垂直度公差值應(yīng)加工密度 7 級(jí)；外圓表面毛糙度應(yīng)該在 0.50.9 范圍內(nèi)。m 選取活塞桿的長(zhǎng)度為 68mm，已知活塞桿直徑 20mm 則 屬于短程離活塞桿，關(guān)鍵估算拉伸力度。 （416） 已知 d20mm，故安全。 式中：F氣壓缸最大推力，F(xiàn) 取 1.5846.21269.3； D活塞桿直徑，n s安全系數(shù)，一般取 ns3； 活塞桿材料屈服極限（ ），查資料知 35 號(hào)鋼為 310 。sMPaMPa 643.527.10sFnm52910268dl 13 第五章手臂的設(shè)計(jì) 手臂的伸縮是直線運(yùn)動(dòng)，本機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)活塞氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的直線 往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于水平伸縮氣缸軸向上不承受工作載荷，主要是克服摩擦力矩，徑向上承 受工作載荷，容易產(chǎn)生彎曲變形，所以為了增大水平伸縮氣缸的抗彎能力，同時(shí)采用雙 導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，保證手指的正確運(yùn)動(dòng)方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用， 增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.1 手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)未來自動(dòng)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣 缸，根據(jù)此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求， 采用QGA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為63/63。 5.1.1 氣缸的校核 (1)在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑 ,半徑 的氣缸的尺寸滿足使mD6315.31R 用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng) ，MPa4.0 則驅(qū)動(dòng)力： (5-1)NRF126 （2) 手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和擬為5kg,加速度 ，sa/10 則慣性力 ma01 （3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.kNkF12.51 總受力 （5-2）FFm6010 所以標(biāo)準(zhǔn)QGA型氣缸的尺寸符合實(shí)際使用要求。 5.1.2 活塞桿的計(jì)算 1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L較小時(shí)（L10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)算活 塞桿直徑d 所以有： (5-3) 式中： PFd14 14 按縱向彎曲極限力計(jì)算，氣缸承受軸向壓力以后，會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力 達(dá)KF 到極限力以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝 方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí)nKL85/ 有： （5-4） 當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí)nKL85/ 有： （5-5） 實(shí)心桿 （5-6） 空心桿 （5-7） 實(shí)心桿 （5-8） 空心桿 64/)(04dI （5-9） 實(shí)心桿 空心桿 。安 全 系 數(shù) ， ） ；材 料 的 抗 拉 強(qiáng) 度 （ ） ；（活 塞 桿 材 料 的 許 用 應(yīng) 力） ；氣 缸 的 推 力 （ 4.11SSPaNFbP4 1dAIK4I 214dA 21LnafAFK2/LEINFK4/20d 15 （5-10） 式中 L活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度（m） K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， I活塞桿橫截面慣性矩， 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；0d 活塞桿截面積；1A 系數(shù)；n 材料彈性模量，對(duì)鋼取 ；EPaE10.2 材 料 強(qiáng) 度 實(shí) 驗(yàn) 值 ， 對(duì) 鋼 取 ；f f749 系 數(shù) ， 對(duì) 鋼 取a50/1a 5.1.3缸筒壁厚的選擇 由于缸筒直接承受壓力，所以要有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，所以通?？梢园幢”谕补接?jì)算 （5-11） 式中 氣缸筒的壁厚（m）； 氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）； 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 氣缸工作壓力（Pa）； 缸筒材料許用應(yīng)力（ Pa）； 材料抗拉強(qiáng)度（Pa）； 安全系數(shù)，一般取 常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其 Q235A鋼管、20鋼管，其 鋁合金ZL3，其 ；45鋼，其 本氣缸選用45號(hào)缸, ，其 所以 )(4201dA 16 常用計(jì)算出的缸筒壁厚都相當(dāng)薄，但考慮到機(jī)械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往 往將氣缸筒壁厚作適當(dāng)加厚，且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。因加工等 原因選 =5 mm. 5.2 手臂整體結(jié)構(gòu)圖 圖 5-2 手臂結(jié)構(gòu)圖 520.3.610.9 17 第 6 章 機(jī)身的設(shè)計(jì) 6.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 1.具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 2.運(yùn)動(dòng)要靈活，提升運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度要適宜。 3.結(jié)構(gòu)布置要合理，便于維修。 6.2 機(jī)身的升降回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 6.2.1 機(jī)身升降運(yùn)動(dòng) 圖 6-1 機(jī)身提升回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖 如圖 6-1 所示機(jī)身提升回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖。氣壓提升缸固定在回轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)升降缸上下兩 個(gè)室通過氣體時(shí)，提升缸的活塞做上下運(yùn)動(dòng)。由活塞桿帶動(dòng)機(jī)身上部做升降運(yùn)動(dòng)。 其中 導(dǎo)向桿和軸承固定座共同構(gòu)成升降導(dǎo)軌，使機(jī)身結(jié)構(gòu)既能承受較大的軸向載荷又能具有 一定的抗傾覆性。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用齒輪齒條擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，當(dāng)充入氣體時(shí)，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)。 18 6.2.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)身體運(yùn)動(dòng)的機(jī)體有多種形式，常用的有旋轉(zhuǎn)圓筒、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪驅(qū)動(dòng)機(jī) 制、杠桿機(jī)制等。本機(jī)器人采用齒輪齒條擺動(dòng)氣缸機(jī)制，如圖 6.1 所示。 圖 6.1 齒輪齒條擺動(dòng)氣缸 6.2.3 氣壓升降缸設(shè)計(jì)計(jì)算 1.機(jī)身升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。 機(jī)身作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了克服摩損力矩和慣性力之外，還必須克服機(jī)身運(yùn)行工件的 重力，使得驅(qū)動(dòng)力可被估算如下： （61） 式中, 表示各支承處的摩擦力（N）， ，f=0.16；F件 Ff件件 （6-2） G 表示機(jī)身運(yùn)動(dòng)部件及手臂工件的總重量（N）=490N； 所以有： 490.256.8GvFNgt總慣 NkF6.30718.21, 實(shí) G慣回密摩 =+0.3F件件件件件 19 （6-3） 計(jì)算得： F=1228N 2.結(jié)構(gòu)尺寸的確定。 缸內(nèi)徑計(jì)算： （6-4） 取 D=50mm 根據(jù)強(qiáng)度要求，計(jì)算活塞桿直徑 d。 （6-5） d 取 20mm 在結(jié)構(gòu)上，活塞桿內(nèi)部裝有套筒，可以完成導(dǎo)向作用，同時(shí)可使活塞桿在升降運(yùn)動(dòng) 中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 (1)查表得：臂厚取 。m10 (2)聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算： 取螺釘數(shù)目 Z=4，工作載荷 （6-6） 則： 查手冊(cè)取 ，螺距 P=0.75，材料為 35 號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。16dm =+0.16.30.562.490FFGF件慣件 mFD4.59.0126374mF2.610.374 NZFQ9.764.301mFdQ8.310625.7941 5..8.63201.sn 20 6.2.4 氣壓擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)計(jì)算 1.機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 機(jī)身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)力應(yīng)按照驅(qū)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣力與旋轉(zhuǎn)工件的支承處的摩損力矩來 估算。如果軸承摩損力忽略不計(jì)，則 ，在計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)單估算 可不=M+驅(qū) 慣 件 M件 考慮。直接計(jì)入旋轉(zhuǎn)筒效率中， 則 取 0.9 （68） （6-9） 式中， 表示角速度變化量（rad/s）；w 表示啟動(dòng)過程時(shí)間，0.050.5s,取 ；t 0.1ts 代表手臂旋轉(zhuǎn)元件（包括工件）對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的慣性力矩。0J 根據(jù)分析，如果手臂完全伸展，這時(shí) 達(dá)到高峰，估算此時(shí)回轉(zhuǎn)零件的重心到轉(zhuǎn)軸0J 線的距離為 =150mm,則 （6-10） （6-11） （6-12） （6-13） （6-14） （6-15） M=慣驅(qū) 0=Jwt慣 0 1.92M=J(1.250.8)5.6cwJtt慣 件件.6=.409慣驅(qū) 08.)4.6.(4412323）（工 件 Rm0c件15..522Jc2()7.38pdDM驅(qū) 21 2bdD3db2.回轉(zhuǎn)缸參數(shù)的計(jì)算。 （6-16） 式中：D 表示回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑；d 表示轉(zhuǎn)軸直徑； p 表示回轉(zhuǎn)缸工作壓力； b 表示動(dòng)片寬度。為減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，當(dāng)選擇可移動(dòng)板的寬度（即氣缸寬度）時(shí)，可 選 擇這里 且 D=2d 對(duì)于活塞、導(dǎo)向套和油缸等的回轉(zhuǎn)慣性都必須做詳細(xì)估計(jì)，因?yàn)檫@些組件的體重較 大或回轉(zhuǎn)半徑較大，計(jì)算結(jié)果的總體影響也較大，對(duì)于小工件則可作為重點(diǎn)估計(jì)，其回 轉(zhuǎn)慣性、重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略。 6.3 機(jī)身整體結(jié)構(gòu)圖 圖 6-3 機(jī)身整體結(jié)構(gòu)圖 28bpMDd驅(qū) 22 第 7 章 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.1 氣壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將空氣作為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源，將空氣通過壓縮機(jī)壓縮，壓 縮的氣體經(jīng)過氣體凈化裝置通過管道和一些控制設(shè)備進(jìn)入氣壓缸，通過氣體促進(jìn)活塞桿 的運(yùn)動(dòng)，將氣體壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，如使手指夾緊、手臂的伸縮以 及立柱的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦阻力和將工件夾在手上所需的夾緊力與 氣體壓力和活塞桿的有效工作面積有關(guān)。氣壓缸的容積尺寸決定了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速 度。 7.2 氣壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 機(jī)器人設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)工作范圍較大的圓柱坐標(biāo)形式，手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、立 柱的升降運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及手爪的夾緊運(yùn)動(dòng)組成機(jī)器手臂的全部運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)每個(gè)動(dòng)作 設(shè)計(jì)所需的氣壓控制，由于手指開口小，工件質(zhì)量小，所以使用小負(fù)載小直徑短行程的 方式夾緊氣壓缸控制；手臂只進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，所以采用普通標(biāo)準(zhǔn)的活塞氣壓缸即可；由 于機(jī)身旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)臂工作載荷大沖程大，所以采用大負(fù)載擺動(dòng)氣壓缸，以同樣的方式完成 機(jī)器人升降機(jī)氣壓缸的設(shè)計(jì)，所以使用大負(fù)載大直徑雙向氣壓缸。 7.3 氣壓系統(tǒng)的控制回路設(shè)計(jì) 圖 7.3 氣壓系統(tǒng)控制回路圖 23 第 8 章 機(jī)械手 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了提高機(jī)械手的適用性、靈活性和準(zhǔn)確性，采用可編程序控制器(PLC）對(duì)機(jī)械手 進(jìn)行點(diǎn)位控制。當(dāng)機(jī)械手的工作步序、動(dòng)作流程改變時(shí)，只需重新設(shè)計(jì) PLC 程序并進(jìn)行 指令語句的輸入更新，機(jī)械手便可按照新的預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，方便快捷。 8.1 機(jī)械手的工藝過程 機(jī)械手具有三個(gè)自由度，它的動(dòng)作分別是水平手臂的伸縮、立柱垂直缸的升降、執(zhí) 行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手的所有動(dòng)作均采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，通 過電磁閥控制氣缸，使機(jī)械手完成水平方向的伸縮、垂直方向上的升降、正反旋轉(zhuǎn)以及 機(jī)械手夾緊、松開的動(dòng)作。因此選擇 PLC 的八個(gè)輸入端及其對(duì)應(yīng)的輸出端與電磁閥的 8 個(gè)線圈相連，通過對(duì)動(dòng)作過程的編程設(shè)計(jì)，使電磁閥各線圈能夠按一定序列激勵(lì)，使機(jī) 械手完成相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手能夠按照預(yù)定軌跡工作的目的.如下降電磁閥通電， 機(jī)械手下降；下降電磁閥斷電，機(jī)械手下降停止，在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中，其他電磁閥同 理，只有電磁閥通電，才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作，電磁閥斷電，相應(yīng)動(dòng)作即停止。如果改變工 作步序，導(dǎo)致機(jī)械手的動(dòng)作流程發(fā)生改變，只要重新輸入新的指令程序語句，機(jī)械手就 能按照新的軌跡運(yùn)動(dòng)。同時(shí)為了確保各動(dòng)作到位，在伸出、收縮、上升、下降、正轉(zhuǎn)、 反轉(zhuǎn)六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開關(guān)，如果某動(dòng)作沒有到位，則下一動(dòng)作不能正常完成， 加工停止。 為了更好的滿足生產(chǎn)要求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，同時(shí)便于學(xué)生對(duì)每一工步的理解，機(jī)械 手設(shè)置了手動(dòng)工作和自動(dòng)工作兩種工作模式，其中自動(dòng)工作方式又分為單一操作、單周 期操作和連續(xù)操作三種工作方式。 1） 手動(dòng)工作方式：人通過對(duì)要進(jìn)行的功能進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手每一步動(dòng)作的 控制。例如，按下“下降” 按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，機(jī)械手上升。手動(dòng) 操作可用于調(diào)整工作位置，方便學(xué)生清晰理解每一個(gè)加工動(dòng)作。 2） 單一工作方式：從原點(diǎn)開始，機(jī)械手按照設(shè)定好的自動(dòng)工作的步序工作，每按 一次啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手完成一步動(dòng)作，動(dòng)作完成后自動(dòng)停止。單一工作方式可用于教學(xué) 時(shí)，老師對(duì)加工過程進(jìn)行逐步操作，方便講解和學(xué)生的理解。 3） 單周期工作方式： 每 次 啟 動(dòng) ， 機(jī) 械 手 完 成 一 個(gè) 執(zhí) 行 周 期 ， 即機(jī)械手將從原點(diǎn)出發(fā)，按照 設(shè)定好的工作步序自動(dòng)完成一個(gè)工作周期 ，動(dòng)作完成后機(jī)械手仍返回原點(diǎn)。 24 4） 連續(xù)工作方式： 按下啟動(dòng)按鈕 ， 機(jī) 械 手 將 持 續(xù) 工 作 ， 即 機(jī)械手從原點(diǎn) 開 始 按照設(shè) 定的工作步序自動(dòng)工作，循環(huán)執(zhí)行工作周期，按下停止按鈕后，機(jī)械手在完成最后一個(gè) 工作周期的動(dòng)作后停止運(yùn)動(dòng)，回到原點(diǎn)。 控 制 面 板 設(shè) 計(jì) 圖 如 圖 8-1 所 示 。 圖 8-1 控制面板 8.2 機(jī)械手工作流程 圖 8-2 設(shè) 計(jì) 布 局 圖 25 圖 8-3 機(jī) 械 手 工 作 流 程 圖 上料過程：從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，水平氣缸伸出，碰到前限位開關(guān)后，前伸 停止 下降電磁閥通電，手爪夾緊缸電磁閥通電，機(jī)械手下降，同時(shí)手爪張開，下降 到位后碰到下限位開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，同時(shí)手爪夾緊，抓住工件 上 升電磁閥通電，機(jī)械手上升，時(shí)間繼電器通電，使機(jī)械手保持夾緊狀態(tài)，上升到位后， 碰到上限位開關(guān)，上升停止 收縮電磁閥通電，機(jī)械手水平手臂開始后縮，當(dāng)后縮到 位，碰到后限位開關(guān)時(shí)，后縮停止 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)立柱順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度，碰到限位開關(guān) 后，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng) 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，碰到下限行程開 關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停 機(jī)械手開始水平定位前伸，將工件裝入機(jī)床卡盤，當(dāng) 工件裝入到位后，卡盤收緊，時(shí)間繼電器斷電，夾緊狀態(tài)保持結(jié)束，機(jī)械手松開手爪， 準(zhǔn)備離開 后縮電磁閥通電，機(jī)械手開始后縮，后縮到位后，碰到后限位開關(guān)，后縮 電磁閥斷電，后縮停止 機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上料過程結(jié)束，等待機(jī)床進(jìn)行加工。 下料過程：機(jī)床加工完工件時(shí)，PLC輸出脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手前伸 下降電磁閥通電， 同時(shí)手爪夾緊缸松開電磁閥通電，時(shí)間繼電器通電，使機(jī)械手保持張開狀態(tài) 機(jī)械手 下降到位后碰到下限位開關(guān)，下降停止，夾緊電磁閥通電，時(shí)間繼電器通電，使手爪夾 26 緊已加工好的工件并保持，機(jī)床卡盤松開，機(jī)械手將工件從機(jī)床上取出，準(zhǔn)備運(yùn)走 上升電磁閥通電，機(jī)械手開始上升，上升到位后，上升電磁閥斷電，上升停止 接著 機(jī)械手水平手臂開始后縮，當(dāng)后縮到位時(shí)，后縮停止 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)立柱順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90 度到位后，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng) 下降電磁閥通電，機(jī)械手下降，下降到位后，下降停止 手爪夾緊缸松開電磁閥通電，時(shí)間繼電器斷電，手爪張開，放下工件準(zhǔn)備離開 上 升電磁閥通電，機(jī)械手上升碰到上限位開關(guān)，上升停止同時(shí)手爪也閉合復(fù)原 回轉(zhuǎn)缸 驅(qū)動(dòng)立柱逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180度到位后，機(jī)械手回到原點(diǎn)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，下料過程結(jié)束。 每一個(gè)上下料過程結(jié)束后，機(jī)械手都在原點(diǎn)等待命令，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。 8.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 8.3.1 機(jī)械手動(dòng)作順序表 圖 8-4 機(jī)械手動(dòng)作順序表 27 8.3.2 現(xiàn)場(chǎng)器件與 PLC內(nèi)部繼電器對(duì)照表 ，如圖所示。 圖 8-5 現(xiàn)場(chǎng)器件與PLC內(nèi)部繼電器對(duì)照表 8.3.3 PLC接線圖 圖 8-6 PLC接線圖 28 8.4.4梯形圖 29 圖 8-7 梯形圖 30 8.4.5 指令程序表 圖 8-8 指令程序表 31 結(jié)論 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我了解了許多機(jī)械手方面的知識(shí)，也了解到國(guó)內(nèi)外目前在這方面的 發(fā)展趨勢(shì)和前景，通過對(duì)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又重 新鞏固、梳理了相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，通過這次設(shè)計(jì)，能夠熟練使用 CATIA、CAD 等繪圖軟件， 并且對(duì)氣壓傳動(dòng)和可編程控制的知識(shí)有了更深入的了解，為未來的工作奠定了一定的基 礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)過程中，我也認(rèn)識(shí)到自身的不足，最突出的是專業(yè)知識(shí)的匱乏和知識(shí)掌握不 扎實(shí)，這也為我指出了日后努力的方向。 1.本次設(shè)計(jì)的是上下料的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)加工過程即上料加工 下料的自動(dòng)化。動(dòng)作固定，成本低，專用性比較高。 2.本次設(shè)計(jì)是在數(shù)控車床和加工中心基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)的一種示教型機(jī)械手，為了方便 學(xué)生觀察和理解，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆裝、組合，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，可以對(duì)加工過程進(jìn)行模擬，可以逐步操作也可以連續(xù)控制，靈活度高，適用性強(qiáng)。 我的設(shè)計(jì)還有許多不足的地方，請(qǐng)老師多多指教！ 32 謝辭 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)的最后一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，幾乎涵蓋了整個(gè)四年所學(xué)的知識(shí)， 經(jīng)過幾個(gè)月的緊張準(zhǔn)備，也即將完成。在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，不但檢驗(yàn)了我在大學(xué)期間的 學(xué)習(xí)成果，也讓我重新梳