礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)

礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì),礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì),礦用多工位,氣動(dòng),機(jī)械手,設(shè)計(jì) 大 連 大 學(xué) 本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )開題報(bào)告 論 文 題 目： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 、班 級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)英 144 學(xué) 生 姓 名： 任書文 指導(dǎo)教師（職稱）： 王艷穎（副教授） 2017 年 12 月 31 日填 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告要求 開題報(bào)告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)）的有效保證。為了使這項(xiàng)工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設(shè)計(jì)）題目及研究領(lǐng)域； 2.論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題； 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）； 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）； 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃。 四、 文獻(xiàn)查閱及文獻(xiàn)綜述 學(xué)生應(yīng)根據(jù)所在學(xué)院及指導(dǎo)教師的要求閱讀一定量的文獻(xiàn)資料，并在此基礎(chǔ)上通 過分析、研究、綜合，形成文獻(xiàn)綜述。必要時(shí)應(yīng)在調(diào)研、實(shí)驗(yàn)或?qū)嵙?xí)的基礎(chǔ)上遞交相 關(guān)的報(bào)告。綜述或報(bào)告作為開題報(bào)告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。 五、其他要求 1.開題報(bào)告應(yīng)在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）工作開始后的前四周內(nèi)完成； 2.開題報(bào)告必須經(jīng)學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)審查通過； 3.開題報(bào)告不合格或沒有做開題報(bào)告的學(xué)生，須重做或補(bǔ)做合格后，方能繼續(xù)論 文（設(shè)計(jì)）工作，否則不允許參加答 辯； 4.開題報(bào)告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導(dǎo)教師； 5.開題報(bào)告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊(cè)（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據(jù) 1研究領(lǐng)域 礦 機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制、氣壓傳動(dòng) 2論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值 本設(shè)計(jì) 是對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)輸、夾持電動(dòng)機(jī)械手優(yōu)化。 著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的 多工位的氣動(dòng)機(jī)械手。在遠(yuǎn)程使用機(jī)電裝置控制氣路，使氣成為 主要?jiǎng)恿τ靡则?qū)動(dòng)機(jī) 械手運(yùn)動(dòng) ，具有替代人工，安全，高效，清潔 的特點(diǎn)。 在設(shè)計(jì)過程中，將主要給出機(jī) 械手的主要結(jié)構(gòu)，控制等一系列的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模擬仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。 隨著社會(huì)與科技的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備越來越廣泛應(yīng)用，其中機(jī)械手的誕 生就是基于生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，是現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個(gè)重要技術(shù)。 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、可提高產(chǎn)品加工精度、減少危險(xiǎn)性生 產(chǎn)由人工操 作環(huán)節(jié)，尤其是在一些危險(xiǎn)性大的行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為實(shí)用 。在機(jī)械行業(yè)中 (鑄、鍛、 焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配等 )應(yīng)用也十分廣泛，如在柔性生產(chǎn)線中用氣動(dòng)機(jī) 械手來搬運(yùn)上下料材 。 機(jī)械零件的裝配生 產(chǎn)線中， 也 利用機(jī)械手抓零件與另一零件裝 配在一起。以上種種應(yīng)用極大的減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量，適 合現(xiàn)代化的生產(chǎn)趨勢(shì)，具有較強(qiáng)的生命力。 針對(duì)礦用設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手 ， 主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性氣體 ， 并且 近幾年 礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生，使得設(shè)計(jì)一種可以代替人工進(jìn)行井下工作 的機(jī)械手成為大勢(shì)所趨。這類機(jī)械手通過控制通氣的時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)全方位的物品夾 持與釋放。 這種全氣動(dòng)的機(jī)械手可以幫助人們完成礦井下的一部分危險(xiǎn)的工作，解放了一大 批勞動(dòng)力， 把空氣 做為它的主要驅(qū)動(dòng)源，使得安全可靠，清潔無害成 為了它的突出特 點(diǎn)。并且多工位使得它可以一次完成多個(gè)工件的夾持與釋放，體現(xiàn)出了它的高效節(jié)能。 將這類機(jī)械手運(yùn)用到礦井內(nèi)，必定可以實(shí)現(xiàn)更加自動(dòng)化，安全化，綠色化的工業(yè)現(xiàn)代 化 。 3目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 目前廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有安全、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別是對(duì)易于控制、易維護(hù)、 無環(huán)境污染場(chǎng)合，因此氣動(dòng)技術(shù)常作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。氣動(dòng)機(jī)械手與其它 控制方式的機(jī)械手相比，具有無污染、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積 比高等特點(diǎn)。在機(jī)械 行業(yè)越來越多的自動(dòng)化設(shè)備中采用了機(jī)械手，主要是液壓控制和 氣壓控制兩種方式。其中氣動(dòng)機(jī)械手以其取之不盡、用之不完的氣源，及較低的生產(chǎn) 成本受用戶喜愛，各國對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的研究越來越重視，現(xiàn)已發(fā)展成為滿足生產(chǎn)需要 的一種重要的實(shí)用技術(shù)。 20 年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛 應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方 式更靈活，性能更加可靠 。 氣動(dòng)機(jī)械手柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出 了更多更高的要求 。 微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展 。 現(xiàn)代控制 理論的發(fā)展， 也 使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高 。 由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在 大力開發(fā)研究。 我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚， 但發(fā)展較快。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，氣動(dòng)元件 產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 20%以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、 PLC 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí) 現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過程氣動(dòng)技術(shù)是以 空氣 壓縮機(jī)為動(dòng)力 源，以壓縮空氣為工作 介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)， 是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。 大約開始于 1776 年， Johnwilkimson 發(fā)明能產(chǎn)生 1 個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮 機(jī)。 1880 年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。 20 世紀(jì) 30 年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。 至 50 年代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。 60 年代開始 構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在 70 年代，由于氣動(dòng)技 術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控 制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。 80 年代進(jìn)入氣動(dòng)集成 化、微型化的時(shí)代。 90 年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展， 人們克服了 氣壓 閥的物理尺寸局限，真空技術(shù) 日 趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問 世，智能氣動(dòng)這一概念產(chǎn)生 。 氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位， 智能閥 島 的誕生 十分理想地解決了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。 90 年代 初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院 Bando 教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器 人 -“ 阿基里斯 ” 六腳勘探員，是氣動(dòng)技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的 “ 六足動(dòng)物 ” ， 6 個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有 3 個(gè)自由度， 一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下 ， 一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展 /退回運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之 用。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù) 于一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問題。 目前機(jī)械手的應(yīng)用，絕大多數(shù)應(yīng)用于搬運(yùn)類工作情況下。針對(duì)機(jī)械手的相關(guān)研 究主要集中在以下幾個(gè)方面 : （ 1）模塊化（ 2）重復(fù)高精度（ 3）無給油化（ 4）機(jī)電一體化 未來氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用前景如下： (1)氣動(dòng)機(jī)械手性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠 性、便于操作和維修 )， 而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格將直線下降。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如機(jī)械手執(zhí)行末端和手腕手臂等。 (3)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(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)氣動(dòng)機(jī)械手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(shí)技術(shù)在氣動(dòng)機(jī)械手中的作用已從仿真、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)境中的感覺來操縱氣動(dòng)機(jī)械手。 (6)當(dāng)代遙控氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)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)， 使智能氣動(dòng)機(jī)械手走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 經(jīng)過調(diào)查與多本文獻(xiàn)的參考，氣動(dòng)礦用機(jī)械手還沒有得到 廣泛 的 應(yīng) 用，可以說還 是一個(gè)接近空白的領(lǐng)域，主要原因有以下幾點(diǎn) (1)由于當(dāng)今進(jìn)入大工業(yè)時(shí)代的時(shí)間還不夠長(zhǎng)， 機(jī)械手還沒有普及到各行業(yè)，而 礦井下空間狹小，不適合大型機(jī)械的安裝與工作，大大限制了礦用機(jī)械手的發(fā)展。 (2)氣體的可壓縮性強(qiáng)，氣壓傳動(dòng)等不易控制。并且在氣路中，泄露的事件發(fā)生 率較高。 (3)人們?nèi)匀粺嶂杂陔娏︱?qū)動(dòng)，對(duì)于氣壓的新能源還不能夠在短時(shí)間內(nèi)接受。 正是由于這種針對(duì)礦井下氣動(dòng)機(jī)械手的市場(chǎng)空白，使得本次設(shè)計(jì)在未來具有很好 的發(fā)展前景，也會(huì)成為未來機(jī)械手的一種發(fā)展趨勢(shì)。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1.重點(diǎn)解決的問題 (1)氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 的總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)； (2)基于宇龍控制系統(tǒng)仿真軟件，完成控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與編程。 2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） (1)機(jī)械手 的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； (2)確定控制對(duì)象的 設(shè)計(jì) 參數(shù) ； (3)完成機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； (4)基于宇龍控制系統(tǒng)仿真軟件，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與編程； (5)繪制安裝接線圖； (6)氣動(dòng)機(jī)械手 總裝圖繪制； (7)完成相關(guān)外文文獻(xiàn)的翻譯 。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 (1)完成并繪制礦用氣動(dòng)機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)圖； (2)基于宇龍仿真的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及調(diào)試； (3)運(yùn)用 三維 制圖 軟件對(duì) 機(jī)械手 設(shè)計(jì)進(jìn)行建模； (4)編寫 10000 字以上的說明書。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） （ 1） 通過理論設(shè)計(jì)，完成礦用氣動(dòng)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并繪制圖紙 通過使用宇龍仿真軟件，控制氣動(dòng)機(jī)械手完成其預(yù)期工作 （ 2）設(shè)計(jì)參數(shù) 最大工作半徑 :1000mm 回轉(zhuǎn)范圍 : 0-180 2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 （ 1） 氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 相關(guān)資料查詢并進(jìn)行 總體構(gòu)想 第 1 2 周 （ 2）完成一篇外文文獻(xiàn)翻譯并完成開題報(bào)告 第 3 4 周 （ 3）總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及 結(jié)構(gòu)圖完成 第 5 6 周 （ 4） 電氣元件的選擇及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 7 8 周 （ 5）基于宇龍仿真軟件的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與編程 第 9 周 （ 6）設(shè)計(jì)大體完成并撰寫說明書 第 10 周 （ 7）完成設(shè)計(jì)說明書，交導(dǎo)師審閱修改 第 11 12 周 （ 8）設(shè)計(jì)完成，答辯 第 13 14 周 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) 01 德伯特 ,斯托爾著 . 氣動(dòng)技術(shù)低成本綜合自動(dòng)化 M. 李 寶仁 ,譯 .機(jī)械工業(yè)出版社 ,1999; 02 王田苗 ,丑武勝 . 機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用 M. 北京 :清華大學(xué)出版社 ,2003:第二版 ; 03 鮑燕偉 ,吳玉蘭 . 一種通用氣動(dòng)機(jī)械手的控制設(shè)計(jì) J. 機(jī)床與液 壓 ,2006:9,2527; 04 張萍萍 . 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) D. 西安 :電子科技大學(xué) ,2013:183; 05 高凌云 . 基于 PLC 的氣動(dòng)自動(dòng)生產(chǎn)線的研 究 D. 成都 :西南石油大學(xué) ,2011: 178; 06 王雄耀 . 近代氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展及應(yīng)用 J. 液壓氣動(dòng)與密封 1999:5,1316; 07 汪歡歡 ,胡國清 ,周青輝 . 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 J. 液壓與氣動(dòng) . 2012:9,3840; 08 謝靖 ,谷敏 . 氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 電路的設(shè)計(jì)淺析 J. 電子測(cè)試 . 2017:4,2829; 09 趙彤 . 氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展及在新領(lǐng)域中的應(yīng)用 J. 液壓氣動(dòng)與密封 . 2004:5,3537; 10 胡志剛 . 基于 S7-200 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J. 機(jī)械工程師 . 2014:3,120121; 11 林立仁 . 基于 PLC 氣動(dòng)式機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) J. 儀表技術(shù)與傳感器 . 2015:11,5961; 12 成經(jīng)平 ,孫穎 . 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用 J. 湖北理工工學(xué)院學(xué)報(bào) . 2016:05,13; 13 Zhi-li Zhao, Zhi-cheng Qiu,Xian-min Zhang,Jian-da Han. Vibration control of a pneumatic driven piezoelectric flexible manipulator using self-organizing map based multiple models.2016:10,345372; 14 Jihong Wang,Junsheng Pu,Philip Moore.Accurate Position Control of Servob Penumatic Actuator Systems: a Application to Food Packaging.Control Engmeering Practice.1999： 05, 255257; 15 A. REZOUG, F. HAMERLAIN, M. HAMERLAIN. Application of Fuzzy Sliding Mode to control of Manipulator Robot actuated by Pneumatic artificial Muscles.2009:09,580585; 16 M.Yu. Rachkov, M. Crisstomo, L. Marques, A.T. de Almeida. Positional control pneumatic manipulators for construction tasks. 2002:9,655665; 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 機(jī)械手是在智能物流裝備中被廣泛應(yīng)用的一種工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品 ,其主要功能是抓 取工件并搬運(yùn)到生產(chǎn)線上。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手作為一種典型的機(jī)電一體化裝置，其優(yōu)點(diǎn) 是 :結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、成本低、節(jié)能環(huán)保等，它的出現(xiàn)將產(chǎn)品的機(jī)械化大生產(chǎn)推 向了又一個(gè)新的高度。機(jī)械手能代替人類做很多事情 ,有的是人類能完成但比較枯燥 或勞動(dòng)強(qiáng)度特別大的，也有的是比較危險(xiǎn)的，如高溫、高壓的惡劣環(huán)境。氣動(dòng)機(jī)械手 的應(yīng)用愈來愈廣泛，目前多數(shù)應(yīng)用在物料等輸送過程中，主要是在有關(guān)機(jī)械的 零部件 生產(chǎn)中負(fù)責(zé)裝卸、搬運(yùn)所要加工的毛坯或成品。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、適用性強(qiáng)，適合中、 小批量生產(chǎn) 。 傳統(tǒng)機(jī)器人的自動(dòng)定位一直是依靠何服電機(jī)、步進(jìn)馬達(dá)或液壓伺服定位系統(tǒng)來完 成的 ,而 Tron-X 電子氣動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的則是 SPC-100氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)。通過查閱資 料可知 ,在氣動(dòng)伺服閉環(huán)定位系統(tǒng)的控制下，它的運(yùn)行速度在 5m/s 的情況下，定位精 度可達(dá)士 0.1- 0.2， 盡管它的精度比起伺服電機(jī)和步進(jìn)馬達(dá)要差一個(gè)等級(jí) ,但它結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 ,速度高 ,抗環(huán)境污染及抗千擾性強(qiáng) ,價(jià)格要比伺服電機(jī)和步進(jìn)馬達(dá)便宜得多。因 此 ,氣動(dòng)伺服定位技術(shù) 一經(jīng)出現(xiàn) ,便受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視 ,同時(shí)為氣動(dòng)機(jī)器 人、氣動(dòng)機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。 【 9】 氣動(dòng)技術(shù) 氣動(dòng)技術(shù)被稱為工業(yè)自動(dòng)化的“肌肉”，其應(yīng)用靈活，夾持工件的重量越來越重， 在各種機(jī)械加工行業(yè)和制造行業(yè)中，尤其在有毒的環(huán)境下作業(yè)等其應(yīng)用程序越來越受 重視，并得到相應(yīng)廣泛使用。隨著科技不斷日新月異發(fā)展，自動(dòng)化控制技術(shù)也不斷更 新，在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展形勢(shì)下，氣動(dòng)技術(shù)不斷技術(shù)創(chuàng)新， 以工程實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，不斷取得巨大的進(jìn)步 【 4】 。 在煤礦開采的礦井中，氣動(dòng)機(jī)械手 可搬運(yùn)輕小的貨物， 原因是全氣動(dòng)可避免密閉礦井中因甲烷濃度過高使電火花引起爆 炸的風(fēng)險(xiǎn)。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看， 近 30 多年來氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。 20 世紀(jì) 70 年代 液壓與氣動(dòng)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(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日 本等國家，該比例已達(dá)到 6:4,甚至接近 5:5【 6】 。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷應(yīng)用、電子技術(shù)不斷精細(xì)化、更多的高技術(shù)附加于機(jī)械手， 促進(jìn)機(jī)械手的智能化水平更高，完成人類許多工作。作為機(jī)械制造行業(yè)的柔性制造生 產(chǎn)將更大范圍應(yīng)用，比如上海摩恩電氣公司新開工的廠區(qū)均引入了最先進(jìn)的生產(chǎn)線， 原來十個(gè)人的生產(chǎn)線現(xiàn)只需要二人，大量減少了人力。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件： (1) 普通氣缸 普通氣缸由缸筒，前后缸蓋，活塞，活塞桿，密封件和緊固件等零件組成 (2) 無桿氣缸 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地實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 行程為 L的有活塞桿氣缸，沿行程方向的實(shí)際占有安裝空間約為 2.2L。沒有活塞桿， 則占有安裝空間僅為 1.2L，且行程缸徑比可達(dá) 50 100。沒有活塞桿，還能避免由于 活塞桿及桿密封圈的損傷而帶來的故障。而且由于沒有活塞桿，活塞兩側(cè)受壓面積相 等雙向行程具有同樣的推力有利于提高定位 精度。這種氣缸的最適用于小缸徑、長(zhǎng)行 程的場(chǎng)合 ， 最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了安裝空間 。 (3) 擺動(dòng)氣缸 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。擺動(dòng)氣缸目前在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，多用于安裝位置受到限制或轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于 360 的回轉(zhuǎn)工作部件，其動(dòng)作原理也是將壓縮空的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。常用的擺動(dòng)氣缸 的最大擺動(dòng)角度分為 90、 180、 270 三種規(guī)格。 (4) 氣爪 氣爪能實(shí)現(xiàn)各種抓取功能，是現(xiàn)代氣動(dòng)機(jī)械手的關(guān)鍵部件。 【 6】 PLC 的發(fā)展及其功用 PLC 是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 ，是在順序控制器基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。 以前所用的繼電接觸器控制系統(tǒng)，以繼電器簡(jiǎn)單、實(shí)用而廣泛使用，但因設(shè)備體積龐 大、動(dòng)作慢、功能少，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，特別是在工藝發(fā)生變化時(shí)，需要重 新設(shè)計(jì)、布線、裝配與調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)主要指以生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與 PLC 編程 元件的對(duì)照表為依據(jù)，根據(jù)程序設(shè)計(jì)思想，繪出流程圖，然后以編程指令為基礎(chǔ)，畫 出程序梯形圖，編寫程序注釋 【 10】 。 PLC 控制成本相對(duì)較低，采用高速的氣缸構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線上工件的自動(dòng)裝 卸。 基于氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 電路的程序特點(diǎn)，能夠借助模塊化設(shè)計(jì)理念 ,將氣動(dòng)機(jī)械手 PLC電路程序設(shè)計(jì)為手動(dòng)程度與自動(dòng)程序 ,在程序編程的過程中，需要科學(xué)設(shè)計(jì)條件跳 轉(zhuǎn)指令 ,實(shí)現(xiàn)合理選擇 ,提升編程的效率 ,保證氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)行的運(yùn)行效率，真正發(fā) 揮氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 電路程序設(shè)計(jì)的價(jià)值。 自 80年代以來工業(yè)控制軟件隨著 PC機(jī)的發(fā)展獲得了空前發(fā)展，主要有人機(jī)界面 軟件、基于 PC 的控制的軟件及生產(chǎn)管理軟件等。前些年國外的應(yīng)用軟件占?jí)艛嗟匚唬?經(jīng)一些年的研究開發(fā)部分軟件具有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、先進(jìn)的控制軟 件、過程優(yōu)化軟件等。應(yīng)用于化工、工業(yè) 控制等產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 我國在 70 年代中期開始引進(jìn) PLC 技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在可以生產(chǎn)一些小中型產(chǎn)品 。 在產(chǎn)品的發(fā)展上隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展會(huì)有更多成果應(yīng)用于 PLC上，甚至部分學(xué)者認(rèn)為 可能會(huì)被計(jì)算機(jī)所取代 【 7】 。 PLC硬件主要由中央處理單元 CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、電源、 I/O 擴(kuò)展接 口 、 外部設(shè)備接 口 、編程器等幾個(gè)主要部分構(gòu)成。 (1) CPU CPU作為整個(gè) PLC 的核心 ， 起著總指揮的作用，是 PLC 的運(yùn)算和控制中心。它的 主要任務(wù)是 : 1診斷 PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯(cuò)誤 ； 2 采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存 入 輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器 中的錯(cuò)誤 ; 3在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，編譯解釋后完成各種運(yùn)算和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)相應(yīng)數(shù)據(jù)， 并更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容 ; (2) 存儲(chǔ)器 用以存放系統(tǒng)程序。另外 PLC 內(nèi)部的存儲(chǔ)器有兩類 :一類是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，另 一類是用戶存儲(chǔ)器，包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) ; (3) 輸入輸出接口 輸入接口通過光電耦合器件連接 PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備 (如限位開關(guān)、 操作按鈕、光電開關(guān)、溫度開關(guān)等 )的控制信號(hào)，并 將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 所能接受 和處理的數(shù)字信號(hào)。 【 11】 隨著 PLC的推廣與普及，其產(chǎn)品與數(shù)量越來越多，功能也日趨完善。不同系列、 不同型號(hào)的 PLC其結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等不盡相同，根據(jù)不 同的場(chǎng)合各有側(cè)重。因此選擇硬件時(shí)主要從以下幾方面考慮 : 1、 PLC機(jī)型選擇 : 主要從結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一 、 功能與任務(wù)相適應(yīng) 、 響應(yīng)速度等方面進(jìn)行考慮 ; 2、 PLC容量選擇 : 1) I/O 點(diǎn)數(shù)選擇 根據(jù)被控對(duì)象的輸入輸出設(shè)備對(duì)所需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，開關(guān)量輸入點(diǎn) 與輸出點(diǎn)之比一般可按 3:2估算。在滿足要求的前 提下盡量使用最少的 I/O點(diǎn)，但要 留一定的 余 量 (通常是所用總點(diǎn)數(shù)的 15%左右 )。 (2) 存儲(chǔ)內(nèi)容估算 用戶程序所需要的存儲(chǔ)容量不僅與 PLC系統(tǒng)的輸入與輸出點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算處理量、程 序結(jié)構(gòu)、控制要求等有關(guān)，且與功能實(shí)現(xiàn)方法、程序編寫水平有關(guān)。通常采用經(jīng)驗(yàn)估 算法來統(tǒng)計(jì)所需程序容量：存儲(chǔ)容量 (字節(jié) )= 開關(guān) I/O點(diǎn)數(shù) 10+模擬量 I/O 通道數(shù) 100。 【 4】 在應(yīng)用 PLC 技術(shù)編程時(shí)注意以下幾點(diǎn) :其一是認(rèn)真分析氣動(dòng)機(jī)械手控制要求， 用 功能流程圖的形式表示程序設(shè)計(jì)思想，為編程做準(zhǔn)備 ； 其二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與 PLC 外 部電路接線、流程圖 進(jìn)行程序編制 ； 其三是嚴(yán)格遵守梯形圖、指令語句表的格式規(guī)則、 編寫程序。 經(jīng)過對(duì)多部文獻(xiàn)的參考閱讀，本次的礦用氣動(dòng)機(jī)械手是以氣動(dòng)技術(shù)為主，以機(jī)械 結(jié)構(gòu)，控制手段，傳感技術(shù)等為輔的機(jī)電氣一體化的機(jī)電產(chǎn)品，能夠跟好的適應(yīng)現(xiàn)代 化發(fā)展的工業(yè)需求，更好的解決在生產(chǎn)過程中的安全，便利等問題，具有良好的發(fā)展 前景。 審 核 意 見 指導(dǎo)教師評(píng)閱意見 （對(duì)選題情況、研究?jī)?nèi)容、工作安排、文獻(xiàn)綜述等方面進(jìn) 行評(píng)閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)意見 簽字： 年 月 日 公章： 大連大學(xué) 2018 屆畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 題目名稱： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 所 在 學(xué)院 ： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)（班級(jí)）： 機(jī)英 144 學(xué)生姓名 ： 任書文 指導(dǎo)教師 ： 王艷穎 評(píng)閱人 ： 院 長(zhǎng) ： 吳 蒙 華 DALIAN UNIVERSITY 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 總計(jì)：畢 業(yè)論 文： 37 頁 表 格： 8 表 插 圖： 15 幅 指導(dǎo)教師： 王艷穎 評(píng) 閱 人： 完成時(shí)間： 2018.5.20 I 摘 要 基于現(xiàn)階段在充滿可燃?xì)怏w的場(chǎng)所內(nèi)的搬運(yùn)問題的研究和分析，并結(jié)合實(shí)際用途和 機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性，通過對(duì)力和工作效率的計(jì)算下，設(shè)計(jì)一種工作效率高，實(shí)用性強(qiáng)， 并且是全氣動(dòng)的 礦用機(jī)械手 。氣動(dòng)技術(shù)使用氣體為動(dòng)力傳輸介質(zhì)。氣源來源廣泛，可直 接從空氣中汲取，廉價(jià)便捷。其次，氣動(dòng)傳動(dòng)迅速，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量也較其 他機(jī)構(gòu)更輕。在末端執(zhí)行效果來看，使用氣動(dòng)可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有很好的柔性，這樣在 使 用過程中更加的安全，對(duì)所工作對(duì)象的損傷也較小。另外，由于氣體無害，清潔，其在 維修、檢查等方面都較為方便。 本氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 適用于多種場(chǎng)合和各種貨物的運(yùn)輸，特別是在充滿了瓦斯氣體的 礦井下，具有良好的實(shí)用價(jià)值。 本此設(shè)計(jì)中主要是通過機(jī)械設(shè)計(jì)的方式，完成對(duì) 礦用機(jī)械手 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中 重要部件進(jìn)行校核 ,其中包括手指，腕部，手臂及機(jī)械底盤的設(shè)計(jì) 。完成選型后使用 Solidworks 對(duì) 礦用機(jī)械手 進(jìn)行三維建模。 在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后根據(jù)其特性在加上氣路設(shè) 計(jì)，增加氣壓元件完成各執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)。 并在后期對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而且 使用宇 龍仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其可行性。 關(guān)鍵詞：礦用機(jī)械手， 機(jī)械設(shè)計(jì)，氣壓傳動(dòng)， Solidworks 三維建模， PLC II ABSTRACT Based on the research and analysis of the handling problem in the place of combustible gas at the present stage, and combining the practical use and the feasibility of the mechanical structure, a kind of mine manipulator with high efficiency and practicability is designed by calculating the force and working efficiency. The pneumatic technology uses gas as a dynamic transmission medium. The source of gas is extensive and can be directly drawn from the air, which is cheap and convenient. Secondly, pneumatic transmission is fast, stable and reliable, simple in structure and lighter in quality than other institutions. In the end effect, the use of pneumatic can make the actuator have a good flexibility, so that it is more safe in the process of use and less damage to the working object. In addition, because gas is harmless and clean, it is more convenient in maintenance and inspection. The pneumatic mine manipulator is suitable for various occasions and the transportation of various goods, especially in mines full of gas and gas, and has good practical value. In this design, the design of the mechanical hand structure of the mine is completed by the mechanical design, and the important parts are checked, including the design of the finger, wrist, arm and mechanical chassis. After completing the selection, 3D modeling of mine manipulator is carried out by using Solidworks. After completing the structural design, plus pneumatic design according to its characteristics, the pneumatic components are added to complete the movement of each actuator. The control system was designed in the later stage, and the simulation of the control system was carried out using Yulong simulation software to verify its feasibility. Key Words： Mine manipulator, Mechanical design, Pneumatic transmission, Solidworks 3D modeling, PLC 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 1. 緒 論 . - 1 - 1.1 論文背景、研究意義 . - 1 - 1.2 氣動(dòng)礦用機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . - 1 - 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 . - 2 - 2. 礦用機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) . - 3 - 2.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . - 3 - 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . - 4 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) . - 5 - 3. 礦用機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . - 6 - 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 . - 6 - 3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì) . - 7 - 3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 . - 9 - 3.4 軸的載荷分析和計(jì)算 . - 11 - 3.5 軸的材料的選擇 . - 12 - 3.6 銷連接的設(shè)計(jì) . - 12 - 4 礦用機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . - 13 - 4.1 腕部結(jié)構(gòu)的選擇 . - 13 - 4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 . - 13 - 4.3 手臂典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) . - 15 - 4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 . - 15 - 5 礦用機(jī)械手底盤設(shè)計(jì) . - 19 - 5.1 底盤的整體設(shè)計(jì) . - 19 - 5.2 底盤各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 . - 19 - 6 PLC 控制程序的設(shè)計(jì) . - 22 - 6.1 PLC 簡(jiǎn)介 . - 22 - 6.2 礦用機(jī)械手控制程序編寫 . - 22 - 7 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) . - 30 - 7.1 氣壓元 件的選用 . - 30 - 7.2 氣路的設(shè)計(jì) . - 30 - 結(jié)論 . - 33 - 致謝 . - 34 - 參考文獻(xiàn) . - 35 - 附錄 1：外文原文 . - 36 - 附錄 2：中文翻譯 . - 42 - 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 1 - 1. 緒 論 1.1 論文背景、研究意義 1.1.1 論文的背景與研究意義 目前就我國的氣動(dòng)行業(yè)的發(fā)展來看，我國作為發(fā)展中國家，該行業(yè)發(fā)展迅速。并且 由于氣動(dòng)本身就具有節(jié)能、高效、無污染、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等各種優(yōu)點(diǎn)，因此，本月 愛越多的運(yùn)用在不同的領(lǐng)域上。其中，工業(yè)機(jī)器人中氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展尤為迅速。并且在 上世紀(jì) 90 年代后期，微型處理器 PLC 的出現(xiàn)使得控制方面的領(lǐng)域一下子擴(kuò)大了很多， 而氣動(dòng)行業(yè)也伴隨著微型控制器的崛起迅速發(fā)展了起來。 本項(xiàng)目是適用于煤礦下各種工具、零件、貨物的夾持工具，通過全氣動(dòng)的過程控制， 避免因可燃性氣體濃度過大， 引起的安全問題。流水線上的夾持設(shè)備是根據(jù)各種工件形 狀、支撐位置設(shè)計(jì)的，都具有簡(jiǎn)捷實(shí)用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅捷。本設(shè)計(jì) 是對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)輸、夾持電動(dòng) 礦用機(jī)械手 優(yōu)化。著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的多工位的 氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 。在遠(yuǎn)程使用機(jī)電裝置控制氣路，使氣成為主要?jiǎng)恿τ靡则?qū)動(dòng) 礦用機(jī)械 手 運(yùn)動(dòng)，具有替代人工，安全，高效，清潔的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，將主要給出 礦用機(jī) 械手 的主要結(jié)構(gòu)，控制等一系列的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模擬仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。 1.1.2 論文要求 整個(gè)礦用機(jī)械手的設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)計(jì)，理論力學(xué)，動(dòng)力分析，三維設(shè)計(jì) ，控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)等方面的專業(yè)知識(shí)，需要設(shè)計(jì)者將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)相結(jié)合。本論文將介紹設(shè)計(jì) 礦用機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)并做以力學(xué)校核。通過對(duì) PLC 的學(xué)習(xí)對(duì)控制線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同 時(shí)進(jìn)行程序的編制。力求貫徹機(jī)電一體化的概念，完成一整套的礦用機(jī)械手整體的設(shè)計(jì)。 1.2 氣動(dòng)礦用機(jī)械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有安全、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別是對(duì)易于控制、易維護(hù)、無 環(huán)境污染場(chǎng)合，因此氣動(dòng)技術(shù)常作為 礦用機(jī)械手 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 與 其它控 制方式的 礦用機(jī)械手 相比，具有無污染、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功 率體積比高等特點(diǎn)。在機(jī)械行業(yè)越來越多的自動(dòng)化設(shè)備中采用了 礦用機(jī)械手 ，主要是液 壓控制和氣壓控制兩種方式。 氣壓傳動(dòng)以清潔能源氣作為傳遞介質(zhì)，取之不盡用之不竭， 而且價(jià)格低廉，環(huán)保。無論是在成本還是在維修等方面都占有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此在能源 正逐漸枯竭的今天，氣壓傳動(dòng)正在作為一種新的傳動(dòng)方式而崛起。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 2 - 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近 20 多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。 20 世紀(jì) 70 年代， 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為 9： 1。 40 多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美 、 日本 等國家，該比 例已達(dá) 5:5。 由于氣動(dòng)元件的單價(jià)比液壓元件便宜，在相同產(chǎn)值的情況下， 氣動(dòng)元件的使用量及使用范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了液壓行業(yè)。從地區(qū)劃分，可以說美洲 (以美 國為中心 )、歐洲 (歐洲各工業(yè)發(fā)達(dá)國家 )和亞太地區(qū) (以日本為中心 )三分天下。作為氣動(dòng) 行業(yè)的知名企業(yè)，有日本的 SMC、德國的 FESTO、英國的 NORGREN 和美國的 PARKER 等。 SMC 公司在世界 30 個(gè)國家建有海外子公司和海外生產(chǎn)工廠。氣動(dòng)元件的基本生產(chǎn) 品種達(dá) 9100 種及 53000 種不同的規(guī)格。 中國改革開放以來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。 1986 年至 1993 年間，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年 遞增率達(dá) 24.2%，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率 10.5% 的水平。 1996 年全國氣 動(dòng)行業(yè)的產(chǎn)值約在 6000 萬美元左右。雖然中國的基礎(chǔ)工業(yè)離世界先進(jìn)工業(yè)國家還有一 定的差距，但在氣動(dòng)行業(yè)同行的努力下，中國的氣動(dòng)技術(shù)正在得到很快發(fā)展和提高。 礦用機(jī)械手 的組成部分一般為驅(qū)動(dòng)部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，和控制系統(tǒng)。 礦用機(jī)械手 的手 部是末端執(zhí)行器，也是直接和工件接觸的部分。一般的它是根據(jù)被夾持工件的形狀、材 料、質(zhì)量，或者工作條件等特定條件設(shè)計(jì)的，都具有特定性等。 礦用機(jī)械手 臂部分是連 接 礦用機(jī)械手 手 部的部分其主要功能是為了控制 礦用機(jī)械手 能夠自由的到達(dá)合適的空 間坐標(biāo)之內(nèi)，并且能夠控制 礦用機(jī)械手 末端的仰俯、旋轉(zhuǎn)等一下裂的動(dòng)作。為了抓取物 體在任何位置和方向上的空間，必須有 6 個(gè)自由度。自由度是指 礦用機(jī)械手 在空間內(nèi)運(yùn) 動(dòng)的自由程度，并將其以精確地?cái)?shù)字表達(dá)出來，以顯示其靈活成度。自由度越高，那么 礦用機(jī)械手 的可用性及其靈活性也會(huì)大大的提高。最后 礦用機(jī)械手 逇控制系統(tǒng)是指通過 各種各樣的控制硬件并配合其相應(yīng)的軟件編程，合理的完成對(duì)相應(yīng)的控制部件的控制。 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 本篇論文 針對(duì)礦用設(shè)計(jì)氣動(dòng) 礦用機(jī)械手 ，主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性 氣體，并且近幾年礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生，使得設(shè)計(jì)一種可以代替人工進(jìn)行 井下工作的 礦用機(jī)械手 成為大勢(shì)所趨。這類 礦用機(jī)械手 通過控制通氣的時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn) 全方位的物品夾持與釋放。 再論文中涉及到的有礦用機(jī)械手整體的框架涉及，力學(xué)理論 計(jì)算，三維設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序編制。 論文中第二章主要是對(duì)礦用機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案的確定，包括結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)形式， 控制方案等。從第二章起，一直到第五章是計(jì)算部分，分別對(duì)礦用機(jī)械手的手指，手腕， 手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核。第六章是對(duì)礦用機(jī)械手運(yùn)動(dòng)底盤的設(shè)計(jì) 。第七章主要是針對(duì)控制 系統(tǒng)，編程等方面的介紹。其后八、九章是對(duì)礦用機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)的介紹。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 3 - 2. 礦用機(jī)械手 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在本次實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了能夠滿足礦用機(jī)械手可以在情況多變的礦井下使用，因此 盡可能多得增加它的自由度。并且該礦用機(jī)械手的目標(biāo)用途范圍較廣，既可以夾持零部 件又可以夾持工具，因此工作范圍較為廣泛。綜上所述，并根據(jù)以上對(duì)各類礦用機(jī)械手 的特點(diǎn)的介紹，此次設(shè)計(jì)選用關(guān)節(jié)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 為了擴(kuò)大礦用機(jī)械手的工作范圍和符合本設(shè)計(jì)的根本理念， 模擬人體手指關(guān)節(jié)自由 活動(dòng)， 同時(shí)完成礦用機(jī) 械手的旋轉(zhuǎn)與夾持動(dòng)作，末端執(zhí)行器的兩邊采用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)， 以便于在抓貸物的過程中達(dá)到力的均勻分布，并且在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與礦用機(jī)械手臂以一 個(gè)氣缸連接，這樣就可以達(dá)到末端機(jī)構(gòu)可以橫向抓貸物的目的，并配合礦用機(jī)械手臂的 運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)礦用機(jī)械手的貨物搬運(yùn)的過程。 為了使機(jī)械于能夠在任意的場(chǎng)所隨意的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種全向輪底座配合使用 。 并 且為了符合全氣動(dòng)的現(xiàn)念，設(shè)計(jì)時(shí)將能 量 轉(zhuǎn) 換 機(jī)構(gòu)從普通的電動(dòng)電機(jī)改為氣動(dòng) 馬達(dá) 使用， 且在每個(gè)輪子上都加上一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，進(jìn)行分別控制，使每個(gè)輪子都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通 過控制輪子的轉(zhuǎn)速使輪子存在不同的速 度差，以速度合成的方式以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，從 而做到底盤的全向運(yùn)動(dòng)。并且在每個(gè)輪子與底盤的連接處都是用彈簧進(jìn)行減震，是之能 夠適應(yīng)較大的起伏地面，滿足室外環(huán)境的要求。 根據(jù)各部分機(jī)構(gòu)的選擇，可得機(jī)械手裝配總圖如下： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 4 - 圖 2.1 機(jī)械手總裝圖 如上圖所示，機(jī)械手整體大致由三部分組成： （ 1） 機(jī)械手手部 利用機(jī)械原理等完成對(duì)所要夾持件的夾緊和放松 ； （ 2） 機(jī)械手主體 這包括有機(jī)械手腕部及機(jī)械臂兩部分結(jié)構(gòu)，其都是帶動(dòng)手部運(yùn) 動(dòng)，完成工件的空間上的移動(dòng)； （ 3） 機(jī)械手底 盤 主要是為了擴(kuò)大機(jī)械手工作空間，增多機(jī)械手的工作性能。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 考慮到該礦用機(jī)械手的用途的廣泛性，在控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要 求： （ 1） 控制元件應(yīng)簡(jiǎn)單易學(xué)； （ 2） 控制元件應(yīng)該有較強(qiáng)的互換性，應(yīng)是模塊化設(shè)計(jì)，這樣既便于維修，也大大 的降低了程序設(shè)計(jì)時(shí)的難度； （ 3） 控制程序應(yīng)該簡(jiǎn)單易學(xué)，這樣可以使得礦用機(jī)械手大規(guī)模推廣。 因此，綜上所述，再對(duì)控制硬件進(jìn)行選擇。并且根據(jù)近幾年 PLC 的應(yīng)用越來越廣 泛，功能方面的開發(fā)越來越完善，滿足我們對(duì)本礦用機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件方面的要求。 因此硬件方面選用 PLC 進(jìn)行控制， 并結(jié)合其匯編語言進(jìn)行編程。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 5 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力來源，是任何一個(gè)機(jī)器都不可缺少的部分。并且機(jī)械設(shè)備的價(jià)格 及其應(yīng)用范圍等也在很大程度上受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制。在工業(yè)上，一般的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有電 動(dòng)、氣動(dòng)以及液動(dòng)。在不同的工作條件下選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式。其中 使用電力 為使用最 為廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。而此次根據(jù)實(shí)際情況，本 礦用機(jī)械手 是要在充滿易燃易爆的瓦斯氣 體的礦井下使用，因此擬采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 其中為了能夠?qū)崿F(xiàn)礦用機(jī)械手逇直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，在對(duì)驅(qū)動(dòng) 元件選擇時(shí)，選擇可以為運(yùn)動(dòng)部件直接提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)元 件。 根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ，設(shè) 計(jì)氣壓系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 是 對(duì) 驅(qū)動(dòng)氣缸等執(zhí)行元件的直接驅(qū)動(dòng)器 氣路的設(shè)計(jì)。 在本次設(shè)計(jì)中，擬采用 10 個(gè)各類氣缸元件，因此為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，也選用 10 個(gè) 電磁閥進(jìn)行控制，并且為了能夠方便的控制氣缸的兩個(gè)腔室，使其可以前后兩腔室同樣 工作，使用三位四通電磁換向閥，每個(gè)換向閥上都帶有兩個(gè)電磁線圈，可以控制閥芯兩 向運(yùn)動(dòng) 。這樣一共會(huì)有這樣的分支氣路 10 路，再由總氣路供氣。而整體則有氣泵作為 供氣源。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 6 - 3. 礦用機(jī)械手 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的常用手部結(jié)構(gòu) 劃分 ，機(jī)械手手部一般 分為吸附類和夾持類 。 而根 據(jù)本次設(shè)計(jì)的需求來看，各種各樣的夾持元件及工具，顯然吸附類的手部結(jié)構(gòu)顯然不適 用，因此選用夾持類的手部結(jié)構(gòu)。 如下圖所示為幾種加持時(shí)礦用機(jī)械手的類型 圖 3.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型 圖 （ a）是單點(diǎn)式夾持手指，其兩根手指皆繞著右側(cè)一點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但 也限制了其運(yùn)用范圍。圖（ b）為雙點(diǎn)式加持手指，其上下兩根手指分別繞著兩個(gè)支點(diǎn) 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)較（ a）復(fù)雜點(diǎn)，但是也大大的增加了它的實(shí)用性。（ c）為移動(dòng)式夾 持礦用機(jī)械手，它是使用手指的直線運(yùn)動(dòng) ，將工件夾持，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占范圍也 較前兩種大，對(duì)工作條件要求高，并且，它的加工制造也較為復(fù)雜，成本高，但是其定 位精度高。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 7 - 因此綜上，為能夠適應(yīng)礦井下惡劣的工作條件，并且又要使礦用機(jī)械手能夠如期的 完成預(yù)想的工作，選用第二種雙點(diǎn)式夾持礦用機(jī)械手。 3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì) 在 3.1 中介紹了幾種基本形式的手部，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用了雙點(diǎn)式夾鉗手指， 下面將對(duì)夾鉗式手部進(jìn)行詳細(xì)的介紹及設(shè)計(jì)。 3.2.1 手部的類型及夾緊裝置 由 3.1 分析得出結(jié)論可知本次手部設(shè)計(jì)擬采用雙點(diǎn)式夾持方式。且使用滑槽杠桿機(jī) 構(gòu)。 如圖所 示 3 2 1 圖 3.2 滑槽杠桿式手部原理圖 圖示為雙點(diǎn)式夾持手指結(jié)構(gòu)。圖中 1 為手指， 2 為滑動(dòng)圓柱， 3 為氣缸桿， 在圓柱 體用于傳動(dòng)氣缸桿的動(dòng)力到手指上 。當(dāng)氣缸桿向前運(yùn)動(dòng)時(shí)手指開始繞著其支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)， 同時(shí)滑動(dòng)圓柱與手指之間的相對(duì)位置也發(fā)生變化，因此，在手指上有一條槽型滑道可以 允許滑動(dòng)圓柱在其中運(yùn)動(dòng)，以保證手指部位不是卡死的狀態(tài)。 3.2.2 手爪的力學(xué)分析 如圖 3.3 所示，其為本次設(shè)計(jì)選用的滑槽式杠桿手部結(jié)構(gòu)原 理圖： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 8 - F 氣缸桿對(duì)手部連接件的拉力 ； ， 2 為兩根手指對(duì)滑動(dòng)圓柱的方向作用力 FN 手部的夾緊力 ； a 手指回轉(zhuǎn)軸線與手部中軸線之間的距離 ； b 手指回轉(zhuǎn)軸線到夾持部位中軸線距離 ； 圖 3.3 手部結(jié)構(gòu)受力分析原理圖 由平衡條件計(jì)算公式 12 cosFF （ 3.1） 得 1 2cosFF （ 3.2） 由 01( ) 0MF 得， 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 9 - 1 NFh F b （ 3.3） 1 N FhF b （ 3.4） cos ah （ 3.5） 21()2 cosN aFFb （ 3.6） 由上述計(jì)算得， 隨之 的增大 ， 其所需要的工作里雨大 ， 但是隨著夾角的擴(kuò)大 ， 氣 缸活塞的行程也會(huì)隨之增加加長(zhǎng) ， 導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)整體尺寸增加 。 因此建議 30 40 。 3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指部位的計(jì)算是整個(gè)礦用機(jī)械手的重要計(jì)算過程。在所有的工業(yè)機(jī)器人中，對(duì)手 部的設(shè)計(jì)計(jì)算都是至關(guān)重要的 。 手部夾緊力公式可查閱資料得 1 2 3NF K K K G （ 3.7） K1 安全系數(shù)，通常取 1.22.0； K2 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 其中 K3 空間位置系數(shù)。 氣缸的 工作力計(jì)算： 22()4F D d p拉 （ 3.8） 其中 D 氣缸內(nèi)壁直徑 （ m） 。 d 氣缸桿直徑 （ m） 。 P 氣壓缸工作壓力 （ pa）。 根據(jù)要求，就袖手最大夾持重物重量為 6Kg。 因此可得 如下計(jì)算 ： 其中 取 K1=1.5 并且取 max 0.1 ms ， 0.5響 ts，得 m a x 2 0 . 10 . 51 1 1 1 . 0 2 9 . 8 taK gg 響 （ 3.9） 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 10 - 根據(jù)礦用機(jī)械手在使用過程中的實(shí)際環(huán)境分析，取 K3=4.0 由式 3.2 得 1 2 3 1 . 5 1 . 0 2 4 . 0 6 0 9 . 8 3 5 9 8 . 5 6NF K K K G N （ 3.10） 由 22 cos NbFFa （ 3.11） 將已知條件 ， 35 ， 帶入，得 222 2 90c os c os 35 3598.56 4575.1695NbF F Na （ 3.12） 取 0.85 得 4575.16 5382.540.85F 實(shí) 際 F N （ 3.13） 表 3.1 夾緊氣缸工作壓力 如 表 3.1 所示， 5 0 0 0 5 3 8 2 . 5 4 1 0 0 0 0N F N N 實(shí) 際 ，取 p=2MPa 如圖 3.4， 當(dāng)前腔室進(jìn)氣時(shí)，活塞直徑查 閱資料 可得公式 ： 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p （ 3.14） P2=0， 因可得 11 4 1.13FFD PP （ 3.15） 當(dāng)后腔室進(jìn)氣時(shí)，活塞直徑查閱資料可得 公式 ： 2 2 4FDdP （ 3.16） 式中 F 氣缸工作力 。 用在活塞上外 力 F（ N） 氣缸 工作壓力 （ MPa） 作用在活塞上 外力（ N） 氣缸 工作壓力 （ MPa） 小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0 500010000 1.52.0 3000050000 4.05.0 1000020000 2.53.0 大于 50000 5.07.0 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 11 - 氣缸 的工作壓力 。 氣缸總效率。 d 活塞桿直徑 。 有 1dD （ 3.17） 表 3.2 夾緊氣缸的工作壓力與速比 根 據(jù)上表查詢可得 ，取 1.33 ， 代入到上述公式 。 得 （ 3.18） 將以上已知條件代入式 3.5 得 ： 1 1 5 3 8 2 .5 41 .1 3 1 .1 3 5 7 .9 30 .9 5 2FD m mP （ 3.19） 2222 2 4 4 53 82 .5 4 ( 0. 49 8 ) 60 .03. 14 0. 95 2FD d DP （ 3.20） 取最大值，得： D=50mm d=30mm 圖 3.4 夾緊缸示意圖 3.4 軸的載荷分析和計(jì)算 氣缸 工作壓力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 12 - 根據(jù)手部的分析，礦用機(jī)械手手部的軸應(yīng)為拉緊軸，所受力為兩端的拉緊力，對(duì)于 夾持式手部的結(jié)構(gòu)分析，軸中由開槽平頭緊定螺釘固定。因此，拉緊軸僅受彎矩影響， 受力分析圖及其彎矩圖如圖 3-4 所示。由已知夾緊力為 5382.54N，根據(jù)參數(shù)以及手部結(jié) 構(gòu)的參數(shù)，取夾緊力距離軸為 195mm，根據(jù)彎矩公式 M=Fl 得出彎矩為 1049.595Nm。 圖 3.5 軸的受力分析及其彎矩圖 如上圖所示， F1=F3=5382.84N， F2=10765.68N，所以 軸所受最大載荷即為 1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設(shè)計(jì)公式 0.1Md （ 3.21） 其中 M 為 1049.595Nm，由前文可知，許用應(yīng)力 =2MPa，因此可得出軸的直徑 d 6.8mm，取整則為 8mm。由于這為拉緊軸，因此不需要分段，僅需一段即可。 3.5 軸的材料的選擇 由于礦用機(jī)械手手部 在抓取物體時(shí)會(huì)在手抓處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì) 產(chǎn)生大量的熱量，需要具有抗氧化性和足夠的高溫強(qiáng)度以及良好的耐熱性能。為了手部 抓取不產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，保證抓取的可靠性，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性。因此選用經(jīng)過耐熱鋼作 為軸的材料。 3.6 銷連接的設(shè)計(jì) 銷按用途分為用于定位的定位銷，用來進(jìn)行零件連接的連接銷等。前者用來個(gè)別固 定零件對(duì)于整體零件的相對(duì)位置，它是組合加工和裝配時(shí)很重要的零件；后者用于連接， 也可以傳遞較小的載荷。 銷的類型有很多，例如圓錐銷，圓柱銷，槽銷等，這些銷都是 標(biāo)準(zhǔn)件，因此可直接選用。本設(shè)計(jì)采用圓柱銷，由 于圓柱銷需要進(jìn)行過盈配合從而固定 在銷的孔內(nèi)，所以選擇過盈配合連接。在裝配前，需要對(duì)其相關(guān)精度進(jìn)行復(fù)查。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 13 - 4 礦用機(jī)械手 主體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕部分是用于連接手部和手臂部分的結(jié)構(gòu)。在這里為了盡可能多的增加 礦用機(jī)械 手 手部的自由度，將手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩部分。一部分是用于控制 礦用機(jī)械手 手部的旋 轉(zhuǎn)，使 礦用機(jī)械手 能在是水平方向上能夠更加方便的夾持工件。另一部分是用于控制手 部的仰俯，所起作用是使 礦用機(jī)械手 在手指方向上便于 礦用機(jī)械手 的夾持。 4.1 腕 部結(jié)構(gòu)的選擇 手腕的動(dòng)作雖然不多，但它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。 本次設(shè)計(jì)的礦用機(jī)械手 需要較大的自由度，因此將其設(shè)計(jì)為兩處回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一處是 控制手部沿自身軸線回轉(zhuǎn)。另一個(gè)方向上是實(shí)現(xiàn)手部可以進(jìn)行仰俯運(yùn)動(dòng)。 4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)需要克服以下幾種性質(zhì)的力 ： （ 1） 回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力 矩 M摩 0.1總摩 MM （ 4.1） （ 2） 由于重力引起的彎矩 M偏 1偏 M Ge （ 4.2） （ 3）動(dòng)量引起的慣性力矩 M慣 ()慣 工 件 啟 M J J t （ 4.3） 式中 工 件J 工件 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (Nms2)。 J 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (Nms2)。 角速度 (1/s)。 啟t 啟動(dòng)過程所需要的時(shí)間。 因此可求得總力矩 M總 總 摩 偏 慣 M M M M （ 4.4） 4.2.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 將手腕與手指整體近似簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，高 ， 直徑 高 ， 質(zhì)量為 6kg。 4.2.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 （ 1） 0.1 總摩 MM （ 4.5） 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 14 - （ 2） ()慣 工 件 啟M J J t （ 4.6） 式中 2 2 21 0.5 132.01 0.07 0.3232J m R N ms 腕 腕 （ 4.7） 2 2 2 2 211( 3 ) 60 ( 0.1 3 0.0 5 ) 0.0 87 512 12J m l R N ms 件 件 件 件 （ 4.8） 代入公式，有 3 . 5 1( ) ( 0 . 3 2 3 0 . 0 8 7 5 ) 7 . 2 00 . 2M J J N mt 慣 工 件 啟 （ 4.9） （ 3） 理想的工作位置為將工件夾持在手部中心位置 ，所以 M0偏 。 （ 4）總力矩 0 . 1 8 . 8 6 0總 總摩 慣 偏 M M M M M （ 4.10） 因此 7.20 8.00.9M 總 （ 4.11） 由于回旋氣缸所能提供的力矩要大與驅(qū)動(dòng)力拒 總M ， 因此 22()2 總P b R rMM （ 4.12） 又 22 2()總 MP b R r （ 4.13） 式中 P 回旋氣缸工作壓力 ； R 氣缸內(nèi)壁半徑 ； r 氣缸輸出軸半徑 ； b 氣缸片寬度 。 由 圖 可得 R=110mm， r=55mm， b=70mm， 得 2 2 2 2 2 2 8 . 0 0 . 0 2 5 2( ) 0 . 0 7 (0 . 1 1 0 . 0 5 5 )MP M P ab R r 總 （ 4.14） 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 15 - 以上為礦用機(jī)械手腕部的回旋氣缸的尺寸設(shè)計(jì) ， 在手腕的后半部分 ， 還安裝有控制 手部仰俯得的一個(gè)仰俯氣缸 ， 其所起作用與手部回旋氣缸大致相同 ， 因此在這里不做詳 細(xì)計(jì) 算 ，選用與手部回旋氣缸一樣的型號(hào)的回旋氣缸既可。 4.3 手臂典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂的運(yùn)動(dòng)一般都是直線運(yùn)動(dòng)，其中也有一部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中直線運(yùn)動(dòng) 形式 一 般有手臂的伸縮 ，平行移動(dòng) 。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有沿自身軸線回轉(zhuǎn)，也有 礦用機(jī)械手 的上下擺動(dòng)， 左右搖動(dòng)。 為了使礦用機(jī)械手具有足夠多的自由度，能在情況復(fù)雜的礦井下如期的完 成指定的運(yùn)動(dòng)，因此將礦用機(jī)械手設(shè)計(jì)為多關(guān)節(jié)的多自由度礦用機(jī)械手，使用三組氣缸 分別完成礦用機(jī)械手的大臂的仰俯，伸縮以及小臂的仰俯。 4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 氣壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 回密 慣 F F F F （ 4.15） 式中 密F 密封圈與氣缸內(nèi)壁摩擦力 。 回F 氣缸氣體造成壓力 。 慣F 啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的慣性力 。 4.4.1 氣缸所需驅(qū)動(dòng)力大小 如圖所示： G F 1 圖 4.1 軸的受力分析及其彎矩圖 將機(jī)械小臂及手部重量簡(jiǎn)化至杠桿的左端 G=650N，由三角函數(shù)關(guān)系式可得 F1=963N 4.4.2 手臂密封裝置阻力的分析與計(jì)算 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 16 - 在氣缸內(nèi)壓力小于 1MPa 時(shí)， O 型密封圈與氣缸內(nèi)圈形成的摩擦力計(jì)算公式為 0.03密FF （ 4.16） 4.4.3 手臂慣性力的分析與計(jì)算 手臂慣性力的計(jì)算公式為： 總慣 GF gt （ 4.17） 式中 總G 部件總重力。 g 重力加速度。 臂部所需伸縮速度。 t 啟動(dòng)時(shí)間。 本設(shè)計(jì)中 取 0.233=s 0.2=st ， 因此將數(shù)值帶入公式 ，得 7 0 0 0 . 2 3 38 3 . 29 . 8 0 . 2總慣 GFNgt （ 4.18） 取 0.05回 =FF， 可 得 110 .0 3 0 .0 5 8 3 .2 F F F （ 4.19） 則 160.24FN 4.4.4 氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 由 上述計(jì)算可得氣壓缸所提供的驅(qū)動(dòng)力大小為 F=260.24N。經(jīng)查表可得，就近選擇 氣壓缸的工作壓力為 P=0.8MPa 經(jīng)過計(jì)算，確定了氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力 F=260.24N，根據(jù) 表 3.1，選擇氣壓缸的工作壓 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 17 - 圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖 當(dāng)氣缸后腔室進(jìn)氣時(shí) ， 氣缸內(nèi)壁直徑計(jì)算公式查閱資料可得： 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p （ 4.20） 由于 P2=0，所以 11 4 1.13FFD PP （ 4.21） 當(dāng)氣缸前腔室進(jìn)氣時(shí)，氣缸內(nèi)壁直徑計(jì)算公式查閱資料可得 ： 2 2 4FDdP （ 4.22） 式中 F 氣缸工作力。 總機(jī)械效率。 d 氣缸內(nèi)桿直徑 ， 因此 有 1dD （ 4.23） 表 4.1 氣壓缸的工作壓力與速比 根據(jù)上述表格進(jìn)行參數(shù)選擇 ，取 1.33 ， 帶入式中可得： d=0.636D （ 4.24） 1 1 160.241. 13 1. 13 11 .5 70. 95 1. 6 FD P （ 4.25） 2222 2 4 4 1 6 0 .2 4 ( 0 .4 9 8 )3 .1 4 0 .9 5 1 .6 FD d DP （ 4.26） 計(jì)算得到 取其 中的最大值，因此各尺寸為： 氣壓缸工作壓 力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 18 - 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 19 - 5 礦用機(jī)械手底盤設(shè)計(jì) 5.1 底盤的整體設(shè)計(jì) 底盤設(shè)計(jì)是為了使礦用機(jī)械手整體可以完成在工作場(chǎng)地內(nèi)的任意坐標(biāo)的移動(dòng)，擴(kuò)大 了礦用機(jī)械手的工作范圍。因此將礦用機(jī)械手安置在一個(gè)可全方位移動(dòng)的底盤上?？紤] 到礦井下的空間及地形等惡劣條件，這里主要對(duì)底盤的設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)的要求： （ 1） 為了能夠更好地適應(yīng)礦井下凸凹不平的地形，為使礦用機(jī)械手能夠更加平穩(wěn)的夾 持工件，礦用機(jī)械手底盤應(yīng)具有較好的減震效果； （ 2） 礦井下地方狹小，底盤在轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能的減小； （ 3） 底盤的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)應(yīng)該充分的適應(yīng)地況不平的工作環(huán)境； 5.2 底盤各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 5.2.1 全向輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 為了使礦用機(jī)械手整體可以在工作場(chǎng)地內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，最理想的狀況就是可以使 其轉(zhuǎn)彎半徑減小至零。因此為了實(shí)現(xiàn)這一目的，在這里選用全向輪作為本全向底盤的輪 子。 這里使用雙排的全向輪，可以使礦用機(jī)械手的震動(dòng)更加的減小。如下圖所示，為全 向底盤的三維結(jié)構(gòu)示意圖 圖 5.1 底盤三維設(shè)計(jì)圖 底盤分為上 中下三層，最上面一層用以安置礦用機(jī)械手，以作為礦用機(jī)械手整體支 撐表面。第二層處則連接全向輪，為礦用機(jī)械手整體與地面接觸層，并與第一層相連接。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 20 - 全向輪因?yàn)楣δ芴厥?，因此安裝的方法與普通輪子的安裝方法不同，它是將各全向 輪的軸線相較于一點(diǎn)，這樣既可通過控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的不同轉(zhuǎn)速，來完成礦用機(jī)械手 整體的轉(zhuǎn)向。 5.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 為了能夠符合本此設(shè)計(jì)全氣動(dòng)礦用機(jī)械手的主題，底盤的驅(qū)動(dòng)方式也選擇為了氣動(dòng) 驅(qū)動(dòng)，并且為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，這里使用氣動(dòng)馬達(dá)來作為底盤的驅(qū)動(dòng)裝置。 氣動(dòng)馬達(dá)也是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件的一種，使用氣體作為其 動(dòng)力傳輸?shù)慕橘|(zhì)，將氣體的內(nèi) 能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置 ，其中裝有葉片，使用其中特有的氣路用氣體推動(dòng)葉片沿中軸旋 轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)矩。 其中氣動(dòng)馬達(dá)相對(duì)于普通電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn) （ 1） 體積小，功率高； （ 2） 所需能源清潔 ； （ 3） 噪聲小，可進(jìn)行無極調(diào)速，且調(diào)速控制方便，只需要控制其進(jìn)氣的流量既可； （ 4） 安全可靠，不產(chǎn)生電火花 ，不會(huì)過熱，爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)； 5.2.3 減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 底盤在經(jīng)過礦井下凸凹不平的地面時(shí)，多多少少的都會(huì)引起 礦用機(jī)械手 本身的震動(dòng)， 因此為了減少這一部分的震動(dòng)，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)既節(jié)約成本，這里使用彈簧對(duì) 礦用機(jī)械手 整體進(jìn)行減 震，如圖所示： 將礦用機(jī)械手的第一層和第二層之間使用彈簧相連 。并且設(shè)置了四個(gè)彈簧，這樣既 可以達(dá)到減震的效果，又能起到支撐礦用機(jī)械手的作用。 這樣 ， 就相當(dāng)于將礦用機(jī)械手 整體與全向輪之間以柔性連接 ， 很好的起到了減震的效果 ， 就相當(dāng)于懸掛減震 。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 21 - 圖 5.2 底盤減震機(jī)構(gòu) 5.2.4 平穩(wěn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使礦用機(jī)械手底盤能夠平穩(wěn)的在凸凹不平的地面上仍然能夠保持四個(gè)車輪全 部著地 ，特此設(shè)計(jì)了一個(gè)使用鉸鏈連接的底盤，這種底盤不同于普通的運(yùn)動(dòng)底盤。它在 安裝有全向輪的底盤第二層實(shí)際上是有兩塊對(duì)稱的板組成，每一塊板上都裝有兩 個(gè)全向 輪。而這兩部分則是由中間的一組鉸鏈連接，其工作原理是三點(diǎn)定一面，當(dāng)?shù)孛娌黄绞牵?如果是普通的底盤，必定會(huì)有一個(gè)輪子懸空，這樣會(huì)導(dǎo)致控制程序的混亂以及整個(gè)礦用 機(jī)械手的晃動(dòng)，而設(shè)計(jì)這種機(jī)構(gòu)可以保證在遇到不平的地面時(shí)，鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，使四個(gè)輪子 始終保持全部著地，這樣就彌補(bǔ)了由于不確定情況而造成的控制結(jié)果的混亂。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 22 - 6 PLC 控制程序的設(shè)計(jì) 6.1 PLC 簡(jiǎn)介 隨著計(jì)算機(jī)的逐漸發(fā)展 ， 人們不再局限于使用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制各種元件進(jìn)行工 作 ， 因此有人開始將微型計(jì)算機(jī)與各種繼電器相結(jié)合 ， 做成了一種更加油針對(duì)性的 ， 模 塊化 的計(jì)算機(jī)設(shè)備 ， 及 PLC。 PLC 作為一種可編程控制器，是將計(jì)算機(jī)與各種繼電器巧妙結(jié)合的微型計(jì)算器，其 內(nèi)部是由中央處理器，電源，觸點(diǎn)等部分組成。是人們?cè)诓粩嗟卦O(shè)計(jì)研究中不斷地升級(jí) 所得到的一種模塊化的，使用便捷，簡(jiǎn)單大眾化的控制硬件。并且在使用過程中不斷地 進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，使得 PLC 的使用范圍更加的廣泛，功能更加強(qiáng)大。其使用的領(lǐng)域現(xiàn)在 越來越多，汽車、輪船、礦用機(jī)械手以及各種自動(dòng)化的設(shè)備上。其中 PLC 的軟件設(shè)計(jì) 比較通俗易懂，是通過控制要求制定流程圖，再將之轉(zhuǎn)化為與 PLC 相匹配的梯形圖， 最后編寫程序注釋，由輸入端輸入信 號(hào)，內(nèi)部處理器處理，有輸出端輸出信號(hào)，以完成 整個(gè)控制過程。 6.2 礦用機(jī)械手控制程序編寫 6.2.1 控制程序任務(wù) 根據(jù) PLC 的工作機(jī)制完成接線及程序編制。其中 PLC 的工作原理為： PLC 是由微 型處理器與繼電器相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以根據(jù)程序員編寫的 T 形圖完成程序流程，模擬 現(xiàn)實(shí)電路的運(yùn)行，完成其中各繼電器的得電及開關(guān)的閉合，并最終輸出正確的模擬結(jié)果。 其輸出的結(jié)果即可以控制所連接繼電器的得失電，進(jìn)而控制主電路的通斷電。 礦用機(jī)械手 的整體驅(qū)動(dòng)部分是由各個(gè)氣缸組成，其控制元件則選擇電磁閥，為了簡(jiǎn) 化控制程序的編寫， 電 磁閥的類型皆選用三位四通電磁閥 ，每個(gè)電磁閥只控制一個(gè)氣缸 的一個(gè)氣腔的通放氣（尤其主要注意的是當(dāng)氣缸的一個(gè)氣腔進(jìn)氣時(shí)，必須在編程中控制 另外一個(gè)氣缸處于放氣狀態(tài)，否則，氣缸將不能工作）?？刂撇糠质褂萌?PLC。 驅(qū)動(dòng)元件分別為手部夾持氣缸，手部回旋氣缸，手部仰俯氣缸，小臂仰俯氣缸，大 臂伸縮氣缸，大臂仰俯氣缸以及底盤上作為輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件氣動(dòng)馬達(dá)。 氣源為氣泵，由總氣管輸入氣體，經(jīng)由 PLC 控制的電磁閥，按照順序先后輸送給 各個(gè)驅(qū)動(dòng)元件。 按照指導(dǎo)老師意見 ， 編寫可以控制驅(qū)動(dòng)元件完成以下的動(dòng)作的控制順序 ， 即大臂抬 起 （ 大臂仰俯氣缸伸出） -大臂伸出 （大臂伸縮氣缸伸出） -小臂下降（小臂仰俯氣缸 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 23 - 伸出） -手指張開（手指夾持氣缸收縮） -手指夾持（手指夾持氣缸伸出） -小臂上升 （小臂仰俯氣缸收回），即完成工件的夾持。 以上完成的動(dòng)作為設(shè)定的一系列的礦用機(jī)械手所完成的加持動(dòng)作 ， 此時(shí)礦用機(jī)械手 為工件的夾持狀態(tài) 。 再經(jīng)過底座上氣動(dòng)馬達(dá)速度合成 （此次設(shè)計(jì)是為了模擬底盤的運(yùn)動(dòng)， 因此將設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的底盤運(yùn)動(dòng)路徑）。底盤上連接有四個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，這次設(shè)計(jì)預(yù)定是 使礦用機(jī)械手原地旋轉(zhuǎn) 90，因此根據(jù)全向輪的設(shè)計(jì)特性，應(yīng)使四個(gè)啟動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)向相 同， 轉(zhuǎn)速相同，這樣，可以趨使礦用機(jī)械手整體圍繞自身的 Z 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可完成工件在 水平面上的移動(dòng)（以上可知若要完成更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，可通過控制氣動(dòng)馬達(dá)完成）。 之后在完成工件的放下動(dòng)作，即大臂下降（大臂仰俯氣缸收回） -大臂 收縮（大 臂伸縮氣缸收回） -小臂下降（小臂仰俯氣缸伸出） -手指張開（手指夾持氣缸收縮）， 即完成整個(gè)礦用機(jī)械手夾放工件的動(dòng)作。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 24 - 6.2.2 宇龍仿真軟件與程序編寫 宇龍仿真軟件是一款在電腦上就可以完成各種電路的實(shí)際模擬的軟件。 根據(jù)控制欲求選擇元器件。 熔斷器熔體電流根據(jù)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 選擇。根據(jù)公式 , = (1.52.5) 其中 = 2.57A 求得 = (3.876.34)A 故取熔體電流為 6A 對(duì)于熱繼電器的電流，根據(jù)公式 = 0.951.051ed 取 = =2.57A。每個(gè)氣缸都需要控制前后兩個(gè)腔室的進(jìn)氣與出氣， 因此選用三位四通電磁換向閥?？刂戚敵鲇?20 個(gè)線圈，因此在 PLC 硬件上需要有大與 20個(gè)輸出點(diǎn)可以使用，因此 PLC選用三菱 FX2N-48MR-D其上有 24個(gè)輸出 點(diǎn)可以使用。 表 6.1 宇龍機(jī)電控制仿真軟件元件 元件名稱 元件型號(hào) 數(shù)量 元件相關(guān)參數(shù) 直流電源 220V 直流流電源 2 電壓 220V 低壓斷路器 DZ47-60-D5 2 熔斷器 NT0 5 額定電壓 220V 額定電流 125A 電磁閥 10 額定電壓 220V 熱繼電器 HR-1 2 額定電流 100A 按鈕開關(guān) BS-1 1 氣泵 1 額定電壓 220V 直線氣缸 4 回旋氣缸 6 PLC FX2N-48MR-D 1 導(dǎo)線 若干 氣管 若干 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 25 - 表 6.2 輸出、輸入信號(hào)接口 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 名稱 代號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 名稱 代號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.0 電磁閥 KM1 Y1 電磁閥 KM2 Y2 電磁閥 KM3 Y3 電磁閥 KM4 Y4 電磁閥 KM5 Y5 電磁閥 KM6 Y6 電磁閥 KM7 Y7 電磁閥 KM8 Y11 電磁閥 KM9 Y12 電磁閥 KM11 Y13 電磁閥 KM12 Y14 電磁閥 KM13 Y15 電磁閥 KM14 Y16 電磁閥 KM15 Y17 電磁閥 KM16 Y18 電磁閥 KM17 Y19 電磁閥 KM18 Y20 電磁閥 KM19 Y22 電磁閥 KM20 Y23 上表中包含了在設(shè)計(jì)中所有輸出端每個(gè)接觸器代表的都是一個(gè)線圈。下表為每個(gè)線 圈通電后所能完成的氣缸動(dòng)作。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 26 - 表 6.3 各線圈得電所完成的動(dòng)作 線圈代號(hào) 完成動(dòng)作 KM1 手部夾持氣缸伸出 KM2 手部夾持氣缸收縮 KM3 手部回旋氣缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM4 手部回旋氣缸 逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM5 手部仰俯氣缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM6 手部仰俯氣缸 逆 時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM7 小臂仰俯氣缸伸出 KM8 小臂仰俯氣缸收縮 KM9 大臂伸縮氣缸伸出 KM10 大臂伸縮氣缸收縮 KM11 大臂仰俯氣缸伸出 KM12 大臂仰俯氣缸收縮 KM13 氣動(dòng)馬達(dá) 1 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM14 氣動(dòng)馬達(dá) 1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM15 氣動(dòng)馬達(dá) 2 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM16 氣動(dòng)馬達(dá) 2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM17 氣動(dòng)馬達(dá) 3 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM18 氣動(dòng)馬達(dá) 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM19 氣動(dòng)馬達(dá) 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM20 氣動(dòng)馬達(dá) 4 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 接線圖使用 1 個(gè)輸入接口分別控制 1 個(gè)按鈕開關(guān)和，并有 20 個(gè)輸出接口連接電 磁閥，如圖所為 PLC 的外部接線圖： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 - 27 - I0. 0 SB 1 1M Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 1 Y1 2 Y1 3 Y1 4 Y1 5 Y1 6 Y1 7 Y1 8 Y1 9 Y2 0 Y2 1 Y2 2 Y2 3 24 V 220 V KM 1 KM 2 KM 3 KM 4 KM 5 KM 6 KM 7 KM 8 KM 9 KM1 0 KM1 1 KM1 2 KM1 3 KM1 4 KM1 5 KM1 6 KM1 7 KM1 8 KM1 9 KM2 0 圖 6.1PLC 的外部接線圖 由 PLC 外部接線圖，在宇龍仿真軟件上連接元件進(jìn)行工作原理模擬運(yùn)行，控制接 線圖如下圖所示： 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -31- 圖 6.2 PLC 控制接線圖 根據(jù)工作順序的要求，使用三菱 PLC 進(jìn)行程序編制梯形圖，如圖所示： 圖 6.3 PLC 程序圖 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -32- 圖 6.4 PLC 程序圖 2 圖 6.5 PLC 程序圖 3 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -33- 7 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本章主要介紹礦用機(jī)械手的整體氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括氣壓元件的選用， 氣路的設(shè)計(jì)等 7.1 氣壓元件的選用 根據(jù)前幾章的介紹，機(jī)械手總體的可以完成的動(dòng)作有手指的開合，手部的旋轉(zhuǎn)，手 部的仰俯，機(jī)械手小臂的仰俯，大臂的伸縮，大臂的仰俯及底盤上的四個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)。 根據(jù)上面的各關(guān)節(jié)的自由度要求，分別對(duì)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行選擇，手指開合，小 臂仰俯，大臂仰俯，大臂伸縮，這些都可以以直線氣缸來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而在手腕部結(jié)構(gòu)空 間小，且要求回旋運(yùn)動(dòng)，因此選用回旋氣缸。 7.2 氣路的設(shè)計(jì) 為了使氣路控制較為簡(jiǎn)單，并且 氣壓元件 盡 可能的少。因此每一個(gè)氣缸都 有 一個(gè)三 位四通電磁換向閥控制，并有 PLC 控制其線圈的得失電。其控制原理圖如下 10 54321 6 7 9 8 氣動(dòng)馬達(dá)2 氣動(dòng)馬達(dá)4氣動(dòng)馬達(dá)3 氣動(dòng)馬達(dá)1大臂仰俯氣缸 手指開合氣缸 大臂伸縮氣缸 小臂仰俯氣缸 手部仰俯氣缸手部旋轉(zhuǎn)氣缸 2 0DT1 9 DT1 8 DT1 7 DT 16 DT15 DT14 DT13 DT 11 DT 12 DT9 DT 10 DT 6 DT5 DT4 DT3 DT 7DT 8 DT1 DT 2 DT 圖 7.1 氣壓原理圖 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -34- 其工原理是 ， 由氣泵供氣 ， 通過開啟截流閥 ， 再經(jīng)濾氣器等氣路元件將氣體供給各 個(gè)執(zhí)行元件 。 其中在總氣路上有溢流閥 ， 氣壓表等氣路配件 。 由各個(gè)電磁換向閥控制各 個(gè)氣缸的有桿腔或者無桿腔進(jìn)氣或者出氣 。 圖 7.2 直線氣缸與氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)原理圖 如圖所示 ， 由進(jìn)氣 口進(jìn)氣 ， 為整個(gè)氣路提供動(dòng)力源 ， 再經(jīng)過截流器 （控制總氣 路的通斷），蓄氣器（儲(chǔ)存一定量的壓力氣體，以作為備用氣源），濾氣器（過濾氣體 中的雜志，以保護(hù)氣管及通氣元件通暢），之后氣路中還包括由溢流閥和壓力表。溢流 閥在這里做為安全閥使用，當(dāng)氣路中的氣壓達(dá)到溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥開啟，將 氣體排出，以達(dá)到保護(hù)氣路的作用。而為了方便操作者能夠更加直觀的觀察整個(gè)氣路中 1-截流器 2-蓄氣器 3-濾 氣 器 4-調(diào)速閥 5-油霧器 6-壓力表開關(guān) 7-壓力表 8-單向調(diào)速器 9-直線氣缸 10-氣動(dòng)馬達(dá) 11-三位四通電磁換向閥 12-溢流閥 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -35- 的氣壓變化，在這里有做出一個(gè)支路直連氣壓表。經(jīng)過這樣一套主氣路的設(shè)計(jì)及各種輔 助元器件的使用后，進(jìn)入到對(duì)各驅(qū)動(dòng)元件直接連接的各支路中的設(shè)計(jì)中來，并就以一組 小 臂仰俯氣缸和一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)做詳細(xì)介紹。 如圖所示 ， 直線氣缸的連接線路上有一個(gè)三位四通電磁換向閥以及一個(gè)單向調(diào)速閥 ， 其中電磁換向閥是用來控制是前腔室進(jìn)氣還是后腔室進(jìn)氣又或者兩腔室都不工作，在電 磁換向閥的兩側(cè)有兩塊電磁鐵，分別控制閥芯向左移動(dòng)還是向右移動(dòng)（說明：這里當(dāng)電 磁鐵的電時(shí)是將閥芯推出去而不是吸過來）。比如說，如上圖若 12DT 得電，則將閥芯 向左推，因此將右腔室放在了工作位置，則前腔室通氣，右腔室出氣， 11DT 得電 則反之。 以上是對(duì)直線氣缸的工作機(jī)制的介紹，回旋氣缸的工作過程及控制氣路與其大 致相同，也是由電磁 換向閥控制其旋轉(zhuǎn)方向，由調(diào)速閥控制其旋轉(zhuǎn)速度。 以上介紹的為小臂仰俯氣缸和氣動(dòng)馬達(dá) 1 的氣壓設(shè)計(jì)，而其他的是指開合，大臂伸 縮，大臂仰俯與小臂仰俯工作機(jī)制相同。手部回旋，手部仰俯及氣動(dòng)馬達(dá) 2、 3、 4 與氣 動(dòng)馬達(dá) 1 的工作機(jī)制相同。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -36- 結(jié)論 通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，成功的將各種氣壓驅(qū)動(dòng)元件及各種零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)拼接，組 成了一個(gè)符合本次課題的礦用氣動(dòng)機(jī)械手。根據(jù)其完全氣動(dòng)的工作機(jī)制，可以將它運(yùn)用 在充滿可燃?xì)怏w的礦井下使用而不用擔(dān)心會(huì)在工作過程中產(chǎn)生火花而引起瓦斯氣體爆 炸。并且其擁有全方位運(yùn)動(dòng)底盤，并且可以自己調(diào)整輪子的 著地，可以使機(jī)械手整體在 礦井下各種不平的地面上自由移動(dòng)。 在設(shè)計(jì)過程中，通過實(shí)際研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手具有以 下幾種優(yōu)點(diǎn)及改進(jìn)之處。 優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 全氣動(dòng)的運(yùn)行可在礦井等危險(xiǎn)工作環(huán)境下安全使用； （ 2） 使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，柔性較強(qiáng)，對(duì)機(jī)械手本身或工件造成的傷害較小； （ 3） 結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)多，自由度大，可靈活操作。 缺點(diǎn)： （ 1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)多，控制復(fù)雜； （ 2） 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，改進(jìn)空間大。 在能源逐漸枯竭，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，氣動(dòng)行業(yè)的發(fā)展將會(huì)越來越好，也會(huì) 有越來越多的設(shè)備使用氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，氣動(dòng)機(jī)械手的普及指日可待。 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 -37- 致謝 通過這五個(gè)月的時(shí)間，畢業(yè)設(shè)計(jì)即將告一段落。在各老師的諄諄教導(dǎo)下，在同學(xué)們 的熱心幫助下和自己的不懈鉆研努力下，我終于順利地完成了這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅學(xué)習(xí)到了一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程應(yīng)該如何思考并設(shè)計(jì)計(jì) 算，同時(shí)也溫習(xí)了曾經(jīng)自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，例如機(jī)械設(shè)計(jì)，工程制圖， PLC 等。 在我看來，作為一個(gè)機(jī)械專業(yè)本科的學(xué)生，這些專業(yè)知識(shí)是十分重要的，而且這些學(xué)科 也是十分嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的，標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)格，無論是標(biāo)準(zhǔn)件還是非標(biāo)準(zhǔn)件，都需要嚴(yán)格按照國 家標(biāo)準(zhǔn)來選取零件，非標(biāo)準(zhǔn)件也需要進(jìn)行