氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 題目名稱：氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 具體要求：（原始數(shù)據(jù)、試驗(yàn)方案、手段及預(yù)期結(jié)果） 結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，查閱相關(guān)書籍及資料，深入理解設(shè)計(jì)課題的要求，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，具體要求如下： 1. 收集相關(guān)資料，氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理，確定總體設(shè)計(jì)方案，做開題報(bào)告，翻譯一篇與該課題有關(guān)的不少于5000個(gè)英文字符的外文資料。 2. 位置檢測(cè)精度達(dá)到毫米。伸縮行程100mm，升降行程50mm。旋轉(zhuǎn)。 3. 抓握零件直徑，最大重量0.5kg。 4. 總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯，按照論文撰寫規(guī)范書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，并做好答辯前的準(zhǔn)備工作。 基本內(nèi)容如下： 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)； (2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； (3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； (4) PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及編程。 其中： 參考文獻(xiàn)篇數(shù)： 說(shuō)明書字?jǐn)?shù)： 圖紙張數(shù)： 10篇以上 6 000字以上 折合A0圖紙3張，其中至少1張裝配圖 專業(yè)負(fù)責(zé)人意見(jiàn) 簽名： 年 月 日 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。 本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)出了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，對(duì)氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制進(jìn)行了研究，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的工作時(shí)序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。 關(guān)鍵詞　工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)；PLC  Pneumatic manipulator arm structure design Abstract This paper briefly introduces the concept of industrial robot manipulator, the composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates, pneumatic technology of PLC control, the characteristics of the development of both at home and abroad. This paper makes an overall manipulator, the design scheme of the manipulator coordinates and freedom, the technical parameters of the robot. At the same time, the design of clamping manipulator hand structure, the design of the structure of the manipulator wrist, calculates the wrist curls when driving torque and rotary cylinder driving torque. The design of manipulator arm structure. Design a robot manipulator, pneumatic system, pneumatic system working principle of pneumatic system principle diagram of parameterized drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings. Using manipulator programmable controller, the control of PLC suitable model, according to the working process of the manipulator programmable controller has formulated the control scheme, the work of the manipulator, and draws the sequential diagram PLC control procedures. Design meets the design target. Keywords　 Industrial robot; Manipulator ; Air pressure drive; PLC 目錄 摘要 Abstract 1 緒論 1 1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述 1 1.2 機(jī)械手的組成和分類 1 1.2.1 機(jī)械手的組成 1 1.2.2 機(jī)械手的分類 1 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.4 課題的提出及任務(wù) 2 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 4 2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 4 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4 2.3 機(jī)械手的手腕方案設(shè)計(jì) 4 2.4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 4 2.5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表 4 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 3.1 手腕的自由度 6 3.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 6 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩 6 4 手臂伸縮、升降回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸計(jì)算和校核 9 4.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 9 4.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 9 4.1.2 尺寸校核 9 4.1.3 導(dǎo)向裝置 10 4.1.4 平衡裝置 10 4.2 手臂升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 10 4.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 10 4.3 手臂回轉(zhuǎn)缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 11 4.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 11 4.3.2 尺寸校核 11 5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 5.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 13 6 機(jī)械手的PLC控制 15 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 15 6.1.1 可編程序控制器的選擇 15 6.1.2 工作過(guò)程 15 6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 16 6.2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 16 6.2.2 工業(yè)機(jī)械手的工作流程 16 6.2.3 機(jī)械手工作時(shí)序圖 16 結(jié)論 21 參考文獻(xiàn) 22 致謝 26 . . 1 緒論 1.1 氣動(dòng)機(jī)械手概述 氣動(dòng)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備[3]。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用[1]。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” [4]。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率:可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)[1]。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2 機(jī)械手的組成和分類 1.2.1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成[4]。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。 圖1-1 機(jī)械手組成方框圖 1.2.2 機(jī)械手的分類 一、按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種[4]: （1）專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置[4]。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)[1]，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上下料機(jī)械手和加工中心[3]。 （2）通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手[3]。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)[4]。 二.按驅(qū)動(dòng)方式分 （1）液壓傳動(dòng)機(jī)械手 液壓傳動(dòng)機(jī)械手以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手[3]。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏[1]。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作[4]。 （2）氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手[3]。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低[1]。 （3）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手[3]。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的[1]。 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì): （1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元[2]。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 （3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。 1.4 課題的提出及任務(wù) 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)； (2) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路設(shè)計(jì)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； (3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械伸縮、回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算； （4）PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及編程。 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式[3]。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度。 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部，當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 2.3 機(jī)械手的手腕方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)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(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 2.4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。 2.5 機(jī)械手技術(shù)參數(shù)列表 一.用途： 用于自動(dòng)輸送線的上下料。 二.設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): （1）抓重： 0.5 （2）自由度數(shù)： 4個(gè)自由度 （3）座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo) （4）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 伸縮行程100mm 伸縮速度40mm/s 升降行程50mm 升降速度100mm/s 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 （5）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 （6）手指夾持范圍：棒料: 5~ 20 （7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 （8）手指夾持范圍： 棒料: （9）定位方式：行程開關(guān) （10）定位精度： （11）驅(qū)動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng) （12）控制方式：點(diǎn)位程序控制(采用PLC) 3 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 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(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸。 3.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 3.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖3-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.手腕 圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： （3-1） 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩() - 慣性力矩() 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩() 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算： （1）手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣 若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則： （3-2） 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-3） 式中： - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 工件的重量(N) - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s) - 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s) — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度) （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () （3-4） 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N) - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 3.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 （3-5） 式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm) - 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承 ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù),得： （3-6） （3-7） 同理，根據(jù),得： （3-8） 式中：- 的重量(N) — 如圖4-1所示的長(zhǎng)度尺寸(cm) 4 手臂伸縮、升降回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸計(jì)算和校核 4.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。 4.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動(dòng)力： （4-1） 測(cè)定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （4-2） 2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), （4-3） 總受力 （4-4） 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。 4.1.3 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 4.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 4.2 手臂升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.2.1 尺寸設(shè)計(jì) （1）．測(cè)定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： （4-5） （2）．設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （4-6） 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， （4-7） 總受力 （4-8） 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。 4.3 手臂回轉(zhuǎn)缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 4.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸 半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng) （4-9） 4.3.2 尺寸校核 測(cè)定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （4-10） （） （4-11） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) （4-12） 總驅(qū)動(dòng)力矩： （4-13） 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 圖6-1為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過(guò)快換接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，經(jīng)分水過(guò)濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。 圖5-1 機(jī)械手氣壓傳動(dòng)原理圖 表5-1 氣動(dòng)元件 序 號(hào) 型 號(hào) 規(guī) 格 名 稱 數(shù) 量 1 QF-44 手動(dòng)截止閥 1 2 儲(chǔ)氣缸 2 3 QSL-26-S1 分水濾氣器 1 4 QTY-20-S1 減壓閥 1 5 QIU-20-S1 油霧器 1 6 YJ-1 壓力繼電器 1 7 Q24DH-10-S1 二位五通電磁滑閥 1 8 Q24D2H-10-S1 二位五通電磁滑閥 4 9 Q24D2H-15-S1 二位五通電磁滑閥 1 10 單向節(jié)流閥 2 11 LI-25 單向節(jié)流閥 2 12 快速排氣閥 1 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個(gè)快速排氣閥，可以加快啟動(dòng)速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，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(lái)完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡(jiǎn)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調(diào)節(jié)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(jì)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(lái)確定的。 6 機(jī)械手的PLC控制 6.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 6.1.1 可編程序控制器的選擇 目前，國(guó)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(guó)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[11]?？紤]到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器[12]。 6.1.2 工作過(guò)程 可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)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(guò)程可分為4個(gè)階段[12]。 第一階段是初始化處理： 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的[11]。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/O狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)[12]。開機(jī)時(shí)，CPU首先使I/O狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 第二階段是處理輸入信號(hào)階段： 在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/O狀態(tài)表中存放[8]。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/O狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響[9]，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段： 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/O狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段[8]。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/O狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理[9]，最后將結(jié)果寫入I/O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： 段CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/O狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中[10]。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作[8]。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。 6.2 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 6.2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)及逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過(guò)編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開關(guān)，以檢測(cè)動(dòng)作是否到位，如果某動(dòng)作沒(méi)有到位，則出錯(cuò)指示燈亮。 6.2.2 工業(yè)機(jī)械手的工作流程 此機(jī)械手用于自動(dòng)輸送線的上下料。當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后，機(jī)械手有如下動(dòng)作： 先右轉(zhuǎn)至右限位開關(guān)動(dòng)作(1DT通電) 下降至下限位開關(guān)(5DT通電) 手腕逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90 (7DT通電) 手臂伸長(zhǎng)至限位開關(guān)(3DT通電) 檢查有無(wú)物品，若有物品，手爪抓緊(9DT通電) 手臂收縮至限位開關(guān)(4DT通電) 上升至上限位開關(guān)(6DT通電) 左轉(zhuǎn)至左限位開關(guān)動(dòng)作(2DT通電) 手腕順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) (8DT通電) 手臂伸長(zhǎng)至最長(zhǎng)(3DT通電) 手爪松開(10DT通電) 延時(shí) 手臂收縮最短(4DT通電)。至此，一個(gè)工作循環(huán)完畢。 6.2.3 機(jī)械手工作時(shí)序圖 1.I/O分配 根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的數(shù)目，選用OMRON C28P型PC，它有16個(gè)輸入點(diǎn)， 標(biāo)號(hào)為0000-0015， 12個(gè)輸出點(diǎn)，標(biāo)號(hào)為0500-0511。 表6-1 I/O分配 輸入 輸出 啟動(dòng) 0000 手臂左轉(zhuǎn) 0500 停止 0001 手臂右轉(zhuǎn) 0501 手抓抓緊 0002 手臂伸長(zhǎng) 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(zhǎng)限位開關(guān) 0005 手臂下降 0505 收縮限位開關(guān) 0006 手臂逆轉(zhuǎn) 0506 上升限位開關(guān) 0007 手臂順轉(zhuǎn) 0507 下降限位開關(guān) 0008 手臂抓緊 0508 逆轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0009 手臂放松 0509 順轉(zhuǎn)限位開關(guān) 0010 物品檢測(cè) 0011 2.梯形圖設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械手的邏輯時(shí)序圖及I/O分配，畫出控制梯形圖，如附圖所示。由梯形圖可以看出： (1)手臂左轉(zhuǎn)的條件：左轉(zhuǎn)不到位(0003為OFF)，收縮到位(0006為ON),上升到位(0007為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON),無(wú)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(wú)左轉(zhuǎn)命令(0500為OFF)。 (3)手臂伸長(zhǎng)的條件：伸長(zhǎng)不到位(0005為OFF)，無(wú)收縮命令(0503為OFF)，并且滿足下列條件之一：1)右轉(zhuǎn)到位(0004為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪放松(0002為OFF)； 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，手爪抓緊(0002為ON)。 (4)手臂收縮的條件：收縮不到位(0006為OFF)，無(wú)伸長(zhǎng)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(wú)下降命令(0505為OFF)，收縮到位(0006為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，手爪抓緊(0002為ON)，右轉(zhuǎn)到位(0004為ON). (6)手臂下降的條件：下降不到位(0008為OFF)，無(wú)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(wú)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(wú)逆轉(zhuǎn)命令(0506為OFF)，左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，收縮到位(0006為ON)，上升到位(0007為ON),手爪抓緊(0002為ON)。 (9)手爪抓緊的條件：手爪未抓到物品(0002為OFF)，無(wú)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(zhǎng)到位(0005為ON)，下降到位(0008為ON)，手腕逆轉(zhuǎn)到位(0009為ON)，檢測(cè)到有物品(0011為ON), 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長(zhǎng)到位(0005為ON)，上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)。 (10)手爪放松的條件：手爪抓緊(0002為ON)，無(wú)抓緊命令(0508為OFF),并且滿足下列條件一：1)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON)，伸長(zhǎng)到位(0005為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)。 2)左轉(zhuǎn)到位(0003為ON),上升到位(0007為ON)，手腕順轉(zhuǎn)到位(0010為ON)，收縮到位(0006為ON)。另外，當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，手臂停止動(dòng)作，即手臂停止在不定的位置。 3.機(jī)械手控制程序 控制程序如表6-2,6-3 表6-2 地址 指令 數(shù)據(jù) 地址 指令 數(shù)據(jù) 0000 LD 0000 0038 AND 0007 OR 1000 AND 0010 AND NOT 0001 AND 0002 OUT 1000 AND NOT 0006 LD 1000 OR LD IL(02) AND NOT 0502 LD NOT 0003 OUT 0503 AND 0006 LD 0006 AND 0007 AND 0009 AND 0009 AND 0002 AND 0002 AND 0004 AND NOT 0501 AND NOT 0007 OUT 0500 AND NOT 0505 LD 0004 OUT 0504 AND 0008 LD 0004 AND 0009 AND 0006 AND NOT 0002 AND 0010 LD 0003 AND NOT 0003 AND 0007 AND NOT 0009 AND 0010 AND NOT 0507 AND 0002 OUT 0506 OR LD LD 0003 AND NOT 0005 AND 0006 AND NOT 0503 AND 0007 OUT 0502 AND NOT 0002 LD 0004 AND NOT 0010 AND 0008 AND NOT 0506 AND 0009 OUT 0507 AND 0002 LD 0004 AND NOT 0006 AND 0005 LD 0003 AND 0008 表6-3 地址 指令 數(shù)據(jù) 地址 指令 數(shù)據(jù) 0076 AND 0009 AND 0011 LD 0003 AND 0005 AND 0007 AND 0010 OR LD AND NOT 0002 AND NOT 0509 OUT 0508 LD 0003 AND 0007 AND 0010 AND 0002 AND 0005 LD 1001 OR LD AND NOT TIM(01) OUT 1001 LD 1001 TIM00 LD 0003 AND 0005 AND 0007 AND 0010 LD 0003 AND 0007 AND 0010 OR LD AND 0002 AND NOT 0508 OUT 0509 LD NOT TIM00 AND 1001 OR LD 0111 ILC(03) 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 . . 結(jié)論 （1）本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)通用機(jī)械手，相對(duì)于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。 （2）采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會(huì)污染環(huán)境,同時(shí)成本低廉。 （3）通過(guò)對(duì)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度,節(jié)省了 大量時(shí)間和避免了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。 （4）機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是進(jìn)行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過(guò)設(shè)定PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。 參考文獻(xiàn) [1] 張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988. 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[14] Magnus Boman(1999),Agent Programming in RoboCup 99.AgentLink NewsLetter,(4),November 1999. 畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)審意見(jiàn)表A 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ): 建議成績(jī)： 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)審意見(jiàn)表B 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 評(píng)閱人評(píng)語(yǔ): 建議成績(jī)： 評(píng)閱人（姓名、職稱）: 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)審意見(jiàn)表B 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 評(píng)閱人評(píng)語(yǔ): 建議成績(jī)： 評(píng)閱人（姓名、職稱）: 年 月 日 . 答辯委員會(huì)意見(jiàn): 答辯委員會(huì)(教師姓名、職稱)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)： 千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。