送料機械手畢業(yè)設(shè)計

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1、 學 號 000000000 畢業(yè)設(shè)計 設(shè)計題目： 送料機械手 學 院： 0000 000 專 業(yè)：000000000 班 級 0000 姓 名： 0000000 指導教師： 00000000 日 期： 年 月 日 誠信聲明 本論文是我個人在老師指導下，

2、按任務(wù)書要求，自己撰寫的論文。該論文凡引用他人的文章或成果之處都在論文中注明，并表示了謝意。除此之外都是自己的工作成果。 若本論文及資料與以上聲明不符，本人承擔一切責任。 本人簽名： 日 期： 年 月 日 設(shè)計任務(wù)書 班級：0000000000 學生：000000000 學號：0000000000 設(shè)計題目：送料機械手 摘要：設(shè)計一個送料機械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生

3、產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。 設(shè)計內(nèi)容及要求： 1. 采用氣動驅(qū)動方式 2. 選取至少3個-4個運動自由度，設(shè)計出機械手的各執(zhí)行機構(gòu)，包括:手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計。 3．設(shè)計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖 4．采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖 5.技術(shù)參數(shù) (1) 抓重：8kg (2) 自由度數(shù)：4個自由度 (3) 最大工作半徑：150

4、0mm (4) 工件直徑尺寸： (5) 氣動原理圖 1張（A2） 氣缸裝配圖 1張（A0） 夾持機械手零件圖 3張（A3、A4） 指導老師（簽字）： 年 月 日 前 言 近20年來，氣動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈

5、活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達的歐美、日本國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20％

6、以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 學生簽名： 年 月 日 摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危及生命。自從機械手問世以來，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。機械手可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，

7、適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。機械手一般由耐高溫，抗腐蝕的材料制成，以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。機械手是工業(yè)機器人的重要組成部分，在很多情況下它就可以稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。可編程控制器是繼電器控制和計算機控制出上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成以微器處理為核心把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。本文應(yīng)用三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器FX系列PLC，實現(xiàn)機械手搬運控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了可編程控制器（PLC

8、）控制功能。使該系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，時期功能范圍得到廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 機械手 PLC 氣動控制 自動化 第一章 各執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 1.1 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(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，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，

9、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。 1.1.1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。 (三)

10、保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，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)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的 慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應(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)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(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)如附圖所示

11、. 1.1.2手部夾緊氣缸的設(shè)計 1、手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，其工件重量G=8公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=24mm,摩擦系數(shù)為f=0.10 。 圖1-1 齒輪齒條式手部 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 所以： =490（N） (3) 實際驅(qū)動力: 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取=0.94 ，并取=

12、1.5. 若被抓取工件的最大加速度取a=g 時，則: 所以： 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1563N。 2、氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中: ——活塞桿上的推力，N ——彈簧反作用力，N ——氣缸工作時的總阻力，N P——氣缸工作 壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算:

13、 式中: —— 彈簧剛度，N/m L—— 彈簧預(yù)壓縮量，m S——活塞行程，m d——彈簧鋼絲直徑，m D——彈簧平均直徑，m D——彈 簧外徑，m n —— 彈 簧 有效 圈數(shù) G—— 彈簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 護Pa 在設(shè)計中，必須考慮負載率幾的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：

14、 所以： 查有關(guān)手冊圓整，得D=65 mm 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞桿直徑:d=(0.2～0.3)D=13～19.5 mm 圓整后，取活塞桿直徑d=18 mm 校核，按公式 有: 其中=120MPa, F=750N 則:d (4490/120) =2.28 18 滿足設(shè)計要求。 3、缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有

15、一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中: 6—— 缸筒壁厚 mm D——氣缸內(nèi) 徑 ，咖 P——實驗壓力，取P=1.5PPa 材料為 : ZL3,[] =3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: = =6.5 mm 取=7.5 mm，則缸筒外徑為:D=65+7.52 =80 mm。 1.2手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計 考慮到機械手的通用性，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

16、求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 1.2.1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，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。 手腕自由度的選用與機械手的通用性、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)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，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，并且要求嚴格的密封。 1.2.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算 手

17、腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。圖1-2所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.手腕 圖1-2 手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: M= M+ M+ M+Mcm (4-1) 式中 : M——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Kg﹒cm); M—— 慣性力矩(Kg﹒cm); M—— 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)

18、動 軸 線 所 產(chǎn)生 的 偏 重 力 矩 (Kg﹒cm),. M—— 手 腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg﹒cm); M—— 手 腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (Kg﹒cm ); 下面以圖1-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: 1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的 時間為△t，則: M= (N.cm) 若手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所轉(zhuǎn)過的角度為△，則: M= (N.cm)

19、 式中: J——參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ncms); J——工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ncms);。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量J,為: J——工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量(Ncms); G——工件的重量(N); ——工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)-, ——手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s); ——起動過程所需的時間(S); ——起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M M= 式中 : G——手腕轉(zhuǎn)動件的重量(

20、N); e——手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm). 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則=0 . 3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩M M= 式中: d、d——手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm); f——軸承摩擦系數(shù)，對于滾動軸承f=0.01 ，對于滑動軸承f=0.1; R、R——軸頸處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，根據(jù)得: Rl+Gl=Gl+ Gl 同理，根據(jù)得: R= 式中: G——手部的重量(N) 1、1、l、l——如圖4-1所示的長度尺寸(cm).

21、4、回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M，與選用 的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 1.2.3回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的二理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉J氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為: 或： 圖1-3回

22、轉(zhuǎn)氣缸簡圖 式中: M- 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩(N﹒cm); P- 回 轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(N﹒cm); R- 缸 體 內(nèi)壁 半徑(cm); r- 輸 出 軸半 徑(cm); b— 動 片 寬度 (cm). 上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。 1.3手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機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)。 1.3.1手

23、臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分結(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。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ， 氣 壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(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?shù)膶蜓b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。在本機械手中，采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。 該機 械 手

24、 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、導向桿2、定位拉桿3和兩個可調(diào)定位塊4等組成。雙作用式氣缸1的缸體固定，當壓縮空氣分別從進出氣孔c, e進入雙作 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 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

25、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)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.導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮(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

26、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?shù)膶蜓b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。 目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 1.3.2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1-4 手嘴伸出時的受力狀態(tài) 圖1-4 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

27、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 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 。

28、 1.3.3手臂升降和回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 其結(jié)構(gòu)如附圖所示。手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱1、升降缸活塞軸2、升降缸體3, 碰鐵4、可調(diào)定位塊5、定位拉桿6、緩沖撞鐵7、定位塊聯(lián)接盤13和導向桿14 等組成。轉(zhuǎn)柱1上鉆有a, b, c, d, e和f六條氣路，在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣 管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸(用a, b氣路)，手部夾緊氣缸(用d氣路) 和手臂伸縮氣缸(用c, e氣路)，轉(zhuǎn)柱下端的f氣路，將壓縮空氣引到升降缸上 腔，當壓縮空氣進入上腔后，推動升降缸體3上升，并由兩個導向桿14進行導 向，同時碰鐵4隨升降缸體3一同上移，當碰觸上邊的可調(diào)定位塊5后，即帶動 定位拉桿6,

29、緩沖撞鐵7向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進行緩沖。當J, K兩 面接觸時而定位。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊5來實現(xiàn)。最大可調(diào)行程為 170mm,緩沖行程根據(jù)抓重和手臂移動速度的要求亦可調(diào)整，其范圍為15-30mm, 故上升行程最大值為200mm。手臂下降靠自重實現(xiàn)。 實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體10、轉(zhuǎn)軸11(它與動片焊接成一體，見E-E剖面)、定片12、回轉(zhuǎn)定位塊8、回轉(zhuǎn)中間定位塊9和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖)等組成。當壓縮空氣通過管路分別進入手臂回轉(zhuǎn)氣缸

30、的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運動。 手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工 精度也易于保證。 手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊8和回轉(zhuǎn)中間定位塊9的位置而定。 1.3.4手臂升降氣缸的設(shè)計 1．驅(qū)動力計算 根據(jù)手臂伸縮運動的驅(qū)動力公式:F=Ff + 其中，由于手臂運動從靜止開始，所以△v=v, 摩攘系數(shù):設(shè)計氣缸材料為ZL3

31、，活塞材料為45鋼，查有關(guān)手冊可知f=0.17.質(zhì)量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉(zhuǎn)氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質(zhì)量為70kg，放松物件后其質(zhì)量為55kg.接觸面積:S=O.5m2 則上料時： F=F + = =1540（N） 下料時： F=

32、F + = =935(N) 考慮安全因素，應(yīng)乘以安全系數(shù)K=1.2 則上料時: F=15401.2=1850 (N) 下料時: F=9351.2=1120 (N) 2、氣缸的直徑 根據(jù)雙作用氣缸的計算公式: 其中: F——活塞桿伸出時的推力，N F——活塞桿縮入時的拉力 d——活塞直徑，mm P——氣缸工作壓力，Pa 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: 當推力做功時:

33、 = =108.5(mm) 當拉力做功時: D=(1.01～1.09)(4F/ =(1.01～1.09) =92.12(mm) 圓整后，取D=100mm 3、活塞桿直徑的計算 根據(jù)設(shè)計要求,此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內(nèi)將裝有3根伸縮氣管。因此，活塞桿內(nèi)徑要盡可能大，假設(shè)取d=70mm, d=56mm. 校核如下:(按縱向彎

34、曲極限力計算) 氣缸承受縱向推力達到極限力F以后，活塞桿會產(chǎn)生軸向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載F與工作總阻力F之和)小于極限力F。 該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。有關(guān)公式為: 式中: L——活塞桿計算長度，m K——活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，空心桿，m d——空心活塞桿內(nèi)孔直徑，m A——活塞桿橫截面面積，空心桿，m f——材料強度實驗值，對鋼取f=2.110Pa a——系數(shù)，對鋼a=1/5000 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得:

35、 = =573(KN) 推力負載為: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得: = =3142(N) << 所以，安全。設(shè)計符合要求。 4,缸筒壁厚計算 根據(jù)公式： 式中P為實驗壓力，取P=1.5P=0.610Pa 材料為ZL3，則[]=3MPa，則： = =10 mm 取12 mm. 第二章 氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

36、2.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖2- 1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(排氣壓力大于0.4～0.6M Pa) 通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖2-1 機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 各執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安 裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮 氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速 度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自 重下

37、降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送 器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這 樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。 電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣 流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。 第三章 機械手的PLC控制設(shè)計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即 可

38、實現(xiàn)，非常方便快捷。 3.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 3.1.1 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。 3.1.2 可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)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

39、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。開機時， CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入 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)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的 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

40、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。 當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這 個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān) 指令進行運算和處理，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)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)備進行各種相應(yīng)的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下

41、一個循環(huán)的掃描周期。 3.2可編程控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象(機器、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 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LC

42、D或CRT)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，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)助記符機器程序 相當于微機的助記符程序，是面向機器的(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行。如IBM-PC機，只

43、要這個機器配有相應(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。 3.3機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氣動機械手。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，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作。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PL

44、C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，從而使機械手按預(yù)先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，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)機械手的工作流程 此機械手用于沖床的上下料。 當按下機械手啟動按鈕之后，機械手有如下動作: 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(9

45、DT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， 標號為0000^0015; 12個輸出點，標號為0500-0511. 輸入 輸出 啟動0000 手臂左轉(zhuǎn)0500 停止0001 手臂右轉(zhuǎn)0501 手爪抓緊00

46、02 手臂伸長0502 左轉(zhuǎn)限位開關(guān)0003 手臂收縮0503 右轉(zhuǎn)限位開關(guān)0004 手臂上升0504 伸長限位開關(guān)0005 手臂下降0505 收縮限位開關(guān)0006 手腕逆轉(zhuǎn)0506 上升限位開關(guān)0007 手腕順轉(zhuǎn)0507 下降限位開關(guān)0008 手爪抓緊0508 逆轉(zhuǎn)限位開關(guān)0009 手爪放松0509 順轉(zhuǎn)限位開關(guān)0010 物品檢測0011 5、梯形圖設(shè)計(如附圖所示) 根據(jù)機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

47、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(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

48、(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(0007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(000

49、2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(0004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

50、)，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)，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(0

51、005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、機械手控制程序 地址 指令 數(shù)據(jù) 19 AND NOT 0500 38 LD 0003 1 LD 0000 20 OUT 0501 39 AND 0007 2 OR 1000 21 LD 0004 40 AND 0010 3 AND NOT 0001 22 AND

52、 0008 41 AND 0002 4 OUT 1000 23 AND 0009 42 AND NOT 0006 5 LD 1000 24 AND NOT 0002 43 OR LD 6 IL(02) 25 LD 0003 44 AND NOT 0502 7 LD NOT 0003 26 AND 0007 45 OUT 0503 8 AND 0006 27 AND 0010 46 LD 0006 9 AND 0007 28 AND 0002 47 AND 0009 10

53、AND 0009 29 OR LD 48 AND 0002 11 AND 0002 30 AND NOT 0005 49 AND 0004 12 AND NOT 0501 31 AND NOT 0503 50 AND NOT 0007 13 OUT 0500 32 OUT 0502 51 AND NOT 0505 14 LD NOT 0004 33 LD 0004 52 OUT 0504 15 AND 0007 34 AND 0008 53 LD 0004 16 AND 0006

54、 35 AND 0009 54 AND 0006 17 AND 0010 36 AND 0002 55 AND 0010 18 AND NOT 0002 37 AND NOT 0006 56 AND NOT 0002 57 AND NOT 0008 76 AND 0008 95 OUT 1001 58 AND NOT 0504 77 AND 0009 96 LD 1001 59 OUT 0505 78 AND 0011 97 TIM00 60 LD 0004 79 LD 0003

55、 98 LD 0003 61 AND 0006 80 AND 0005 99 AND 0005 62 AND 0008 81 AND 0007 100 AND 0007 63 AND NOT 0003 82 AND 0010 101 AND 0010 64 AND NOT 0009 83 OR LD 102 LD 0003 65 AND NOT 0507 84 AND NOT 0002 103 AND 0007 66 OUT 0506 85 AND NOT 0509 104 AND

56、 0010 67 LD 0003 86 OUT 0508 105 OR LD 68 AND 0006 87 LD 0003 106 AND 0002 69 AND 0007 88 AND 0007 107 AND NOT 0508 70 AND NOT 0002 89 AND 0010 108 OUT 0509 71 AND NOT 0010 90 AND 0002 109 LD NOT TIM00 72 AND NOT 0506 91 AND 0005 110 AND 1001 7

57、3 OUT 0507 92 LD 1001 111 OR LD 74 LD 0004 93 OR LD 112 ILC(03) 75 AND 0005 94 AND NOT TIM(01) 113 END(01) 感想 畢業(yè)設(shè)計是對我們這兩年來學習成果的考驗，要求我們能夠?qū)⑺鶎W到的知識融會貫通、熟練應(yīng)用，并且能夠理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)我們的綜合運用能力以及解決實際問題的能力。一開始選過設(shè)計題目后，我就考慮機械手大致運動軌跡，確定它的自由度......通過各種方式去了解機械手的結(jié)構(gòu)和控制方

58、式；在這個過程中我曾多次想過要更換設(shè)計題目，因為起初對這個題目比較感興趣并沒有認識到它對于我來說是有一定難度的，剛接到設(shè)計任務(wù)書的時候，我是一頭霧水，不知道該如何下手；后來通過吳老師的講解，使我對這個設(shè)計題目有了一個大體的理解。最終通過從圖書館找的一些相關(guān)的設(shè)計資料，在網(wǎng)上找的一些設(shè)計案例以及自己這兩年學到的知識完成了這份設(shè)計。 一個人要只有不斷否定自己，不斷戰(zhàn)勝自己，才能不斷完善自己。總之，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多東西，意外收獲也很大。不僅進一步學習了電氣控制的一些重要知識，增強了自己動手的能力，而且，還讓自己學到了平時所學不到的東西，那就是——只要自己有信心，肯努力，一切皆有可能。 參考文獻 1 鄭堤,唐可洪.機電一體化設(shè)計基礎(chǔ).北京:機械工業(yè)出版社,1997. 2 張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京:北京理工大學出版社,1996. 3 魏俊民,周硯江.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.北京:中國紡織出版社,1998. 4 《機械設(shè)計手冊》編委會.機械設(shè)計手冊，氣壓傳動與控制.北京:機械工業(yè)出版社,2007.2. 5 鄭洪生.氣壓傳動及控制，第2版[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992. 6 鄭洪生.實用氣動系統(tǒng)及裝置[M].沈陽:東北大學出版社,1993. - ３１ -