氣動機械手的設計.doc

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廣東石油化工學院成人教育 畢業(yè)論文(設計、作業(yè)) 題 目： 氣動上下料機械手的設計 學生姓名： 楊景雄 層次： 本科 所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班級： 2012級 指導老師： 職稱： 2015 年 03 月 20 日廣東石油化工學院成人教育畢業(yè)論文(設計、作業(yè))評語表 指 導　 教　 師　 評　 語 評定成績：________分 簽 名：______________ 年 月 日 評 閱　　教　　師　 評　 語 評定成績：________分 簽 名：_______________ 年 月 日 答辯結論 評定成績：________分 簽 名：_______________ 年 月 日 總 評 評定等級：________ 簽 名：_______________ 年 月 日 廣東石油化工學院成人教育畢業(yè)論文（設計、作業(yè)） 原 創(chuàng) 承 諾 書 我承諾所呈交的畢業(yè)論文（設計、作業(yè)） 氣動上下料機械手的設 計 是本人在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。若本論文（設計、作業(yè)）及資料與以上承諾內容不符，本人愿意承擔一切責任。 畢業(yè)論文（設計、作業(yè)）作者簽名： 日期： 年 月 日 廣東石油化工學院成人教育畢業(yè)論文(設計、作業(yè))任務書 發(fā)給學員　　　　　　　 1、畢業(yè)設計（論文、作業(yè)）題目：　氣動上下料機械手的設計 　　　 2、學員完成設計（論文、作業(yè)）時間：　　 　年　 　　月　　 日 3、畢業(yè)設計（論文、作業(yè)）課題要求：　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4、實驗（上機、調研）部分要求內容： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 5、文獻查閱要求： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 6、發(fā)出日期：　　　　　年　　　　月　　　日 7、學員完成日期：　　　　　年　　　　月　　　日 系（教研室）意見： 簽名： 指導教師簽名： 學 生 簽 名： 摘 要 本文對機械手進行了總體方案設計，確定了機械手的座標型式和自由度，確定了機 械手的技術參數(shù)。同時，分別設計了機械手的夾持式手部結構以及吸附式手部結構設計 了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉氣缸的驅動力矩設計 了機械手的手臂結構，設計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉用液壓緩沖器。 設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞：工業(yè)機械手，機械手，氣動，可編程序控制器(PLC) 目 錄 摘要........................................................................... Ⅰ 第1章緒論.............................................................. .......1 1.1機械手概述..................................................................1 1.2機械手的組成和分類..........................................................1 1.2.1機械手的組成.............................................................1 1.2.2機械手的分類..........................................................3 1.3國內外發(fā)展狀況..............................................................4 1.4課題的提出及主要任務課題的主要任務...........................................5 第2章設計方案..................................................................6 2.1機械手的座標型式與自由度.....................................................6 2.2 機械手的手部結構方案設計.....................................................6 2.3 機械手的手腕結構方案設計.....................................................6 2.4 機械手的手臂結構方案設計.....................................................6 2.5 機械手的驅動方案設計........................................................7 2.6 機械手的控制方案設計.........................................................7 第3章手部結構設計................................................................7 3.1手指的形狀和分類..............................................................7 3.2設計時考慮的幾個問題...........................................................7 第4章手腕結構設計................................................................8 第5章手臂結構設計................................................................8 5.1.結構設計......................................................................8 第6章氣動系統(tǒng)設計................................................................8 6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖.........................................................8 第7章機械手PLC控制系統(tǒng)設計......................................................10 7.1 機械手的工藝過程..............................................................10 7.2 PLC控制系統(tǒng)...................................................................10 7.3 PLC控制系統(tǒng)程序設計...........................................................12 結束語.............................................................................16 參考文獻...........................................................................17 第1章緒論 1.1機械手概述 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現(xiàn)安全生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用. 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。 圖1-1機械手的組成方框圖 （一）執(zhí)行機構 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式. 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置. 工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.2.2機械手的分類 工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。 (一)按用途分 機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種: 1、專用機械手 它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機械手。 2、通用機械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。 通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以 “開一關”式控制定位，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅動方式分 1、 液壓傳動機械手 是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2、 氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。 3、機械傳動機械手 即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。 4、電力傳動機械手 即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點位控制 它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。 1.3國內外發(fā)展狀況 國外機械手領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機械手整機;國外已有模塊化裝配機械手產品問市。 (3)工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機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、焊接機械手還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機械手中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機械手操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機械手。 (6)當代遙控機械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機械手的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機械手走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機械手就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 (7)機械手化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的工業(yè)機械手從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機械手操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機械手關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機械手;其中有130多臺套噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機械手己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品；機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機械手約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機械手產業(yè)，當前我國的機械手生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程.我國的智能機械手和特種機械手在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機械手，6000m水下無纜機械手的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機械手、雙臂協(xié)調控制機械手、爬壁機械手、管道機械手等機種:在機械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機械手、智能裝配機械手、機械手化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 1.4課題的提出及主要任務課題的主要任務 設計技術要求： 1、 工件形狀 2、 工件重量50g，為塑料件；運動部件總重6Kg 3、動作要求 單元一：提升機構：零件從振動料斗落料到20mm高的平臺上，首先對其進行檢測，檢測到零件合格，則該將零件從20mm高處提升至40mm高處，便于物料轉移機構進行抓取；如果檢測到零件不合格，則將零件推入廢料箱中，不進行提升動作。 單元二：物料轉移機構：檢測裝置檢測到平臺上有零件，則將提升機構提升起來的零件轉運至距離該處440mm處，待裝配。 該機構的氣動系統(tǒng)工作循環(huán)為：懸臂伸出→氣爪下行→抓取工件→氣爪上行→懸臂回縮→旋轉合適的角度（小于180）→懸臂伸出→氣爪下行→松開工件（放到指定的工作臺上），完成一個自動工作循環(huán)。 本課題將要完成的主要任務如下: (1)機械手為專用機械手 (2)選取機械手的座標型式和自由度 (3)設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:氣爪，氣缸的設計。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設計 本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并繪出氣動原理圖。 (6)機械手的控制系統(tǒng)的設計 本機械手擬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，根據機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。 第2章 設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制. 2.1機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮，無旋轉，因此，可采用直角座標型式。 2.2 機械手的手部結構方案設計 本課題要抓取的是一圓柱形物體，所以可采用夾持式手部，直接采取氣爪即可。 2.3 機械手的手腕結構方案設計 被抓取工件是水平放置，手腕無需設有回轉運動。因此，手腕設計并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。 2.4 機械手的手臂結構方案設計 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、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為 手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 2.5 機械手的驅動方向設計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機械手的控制方案設計 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程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 第3章 手部結構設計 3.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)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型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，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，能適應不同直徑的工件。 3.2設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，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (二)手指間應具有一定的開閉角 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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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)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，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。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，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是左右兩指弧形夾持氣爪。（為了牢固抓取，將氣爪部位，加裝與零件外形較為接近的爪子） 第4章 手腕結構設計 被抓取工件是水平放置，手腕無需設有回轉運動。因此，手腕設計并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。 第5章 手臂結構設計 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、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 5.1.結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復運動采用的是氣壓驅動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。同時 ，氣壓驅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，在設計手臂結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它應根據手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。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。 第6章 氣動系統(tǒng)設計 6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖6- 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，經分水過濾器、調壓閥、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6-1 機械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 各執(zhí)行機構的調速，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)流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，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)流閥以調節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側的排氣節(jié)流，可用來調整回轉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來確定的。 第7章 機械手PLC控制系統(tǒng)設計 7.1 機械手的工藝過程 機械手的工作均由電機驅動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅動螺紋絲桿旋轉來完成的。 分析工藝過程機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，機械手將原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點,動作完成一個工作周期。機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉換，是由相應的限位開關來控制的，而加緊、放松動作的轉換是有時間來控制的。 為了確保安全，機械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機械手應自動暫停，等待。為此設置了一個光電開關，以檢測“無工件”信號。 為了滿足生產要求，機械手設置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。 1） 手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降” 按鈕，機械手下降；按下“上升”按鈕，機械手上升。手動操作可用于調整工作 位置和緊急停車后機械手返回原點。 2） 單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。 3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，機械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點后停止。 4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，機械手從原點，按步序自動反復連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設置兩種停車狀態(tài)： 正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復位按鈕，機械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機。 緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機械手停止 在當前狀態(tài)。當故障排除后，需手動回到原點。 7.2 PLC控制系統(tǒng) 1．確定輸入/輸出點數(shù)并選擇 PLC 型號 1）輸入信號 位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關，需要 4 個輸入端 子?！盁o工件檢測”信號：用光電開關作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x擇開關：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。 手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。 自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。 2）輸出信號 PLC 的輸出用于控制機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個電動機轉速的控制等，共需要 11 個輸出點。機械手從原點開始工作，需要一個原點指示燈，也需要 1 個輸出點。所以，至少需要 6 個輸出點。 由于機械手的控制屬于開關量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據所需的 I/O 總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。 2．分配 PLC 的輸入/輸出端子PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 7-2 所示。 圖 7-2 輸入/輸出分配接線圖 7.3 PLC控制系統(tǒng)程序設計 為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨立的程序段，用跳轉指令進行選擇，控制系統(tǒng)程序結構框圖，如圖 7-3 所示。選擇手動方式時，X3 接同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動程序。 圖 7-3 總程序結構框圖 （1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進行動作，所以可按普通繼電器程序來設計。手動操作的梯形圖，如圖 7-4 所示， 圖 7-4 手動程序 手動按鈕 X20-X25 分別控制圖 7-4 手動程序下降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進行， 設置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入 X11 作上限連鎖，這是 因為機械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。 （2） 自動程序 自動程序如圖7-5 所示。 圖7-5 自動程序 1）連續(xù)及單周期操作。當機械手在原點時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下降動作。當下降到下限位開關時，X10 接通，又接通下一個狀態(tài) S21，接著執(zhí)行 下一步動作。當執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關時，X13 接 通，如果是單周期操作，則 M0 斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則 M0 接通， 狀態(tài)轉移至 S20，又開始下一個周期的循環(huán)。 在運行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復位，機械手的動作繼續(xù)執(zhí) 行完一個周期后，回到初始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則 X2 接通，狀態(tài) S0~S33 全部復位，機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將機械手移回原點，才能 再次進行自動操作。 2）單步操作。當自動操作程序采用步進指令設計時，單步操作程序用“禁止狀態(tài)轉移”標志器 M8040 來實現(xiàn)，如圖7-6 所示。該繼電器線圈接通時，禁進狀態(tài)轉移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉移。 在單步操作方式下，利用啟動按鈕 X0 作為單步操作信號，X4 接通。不按啟動按鈕時，X0 斷開，其常閉接點閉合，M8040 接通，狀態(tài)轉移被禁止。 圖 7-6 用“禁止狀態(tài)轉移”設計的單步操作梯形圖 當完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0 接通，，其常閉接點將 M8040 斷開，狀態(tài)轉移到下一步。 將如圖 7-6 所示的單步操作梯形圖連接在如圖 7-5 所示的自動程序上端，就得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內的整個自動操作的梯形圖。 至此，機械手的控制程序分段設計完畢。根據圖 7-3 所示的總程序結構框圖，將手動作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。 結束語 在此我要謝謝我的指導老師，他的教誨和幫助是我完成這次設計的基礎和動力。還要衷心感謝三年來幫助過我的班主任，還有同學、朋友們。感謝公司里幫助我的同事跟領導。班主任嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，忘我的工作精神，樸實無華的為人，寬廣大度的胸襟和誨人不倦的風范將是我永遠學習的榜樣。同事跟領導兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度，果斷的處事態(tài)度都是我要學習的。值此論文完成之際，感謝老師對我孜孜不倦的教導。感謝學校的領導和老師對我2年來的培養(yǎng)，謝謝各位老師，愿各位老師工作順利，身體健康！。 參考文獻 [1] 王承義．機械手及其應用．北京：機械工業(yè)出版社，1981，12-25 [2] 廖常初．可編程控制器的編程方法與工業(yè)應用．重慶：重慶大學出版社，2001，26-37 [3] 郭洪紅．工業(yè)機器人技術．西安：西安電子科技大學出版社，2006年，20-28 [4] 王承義．機械手及其應用．北京：機械工業(yè)出版社，1981，8-25 [5] 張鳳珊．電器控制及可編程序控制器．北京：中國輕工業(yè)出版社．1999，62-79 [6] 楊長能，張興毅．可編程序控制器基礎及應用．重慶：重慶大學出版社．1992，31-52 [7] 袁秀英．組態(tài)軟件技術．北京：電子工業(yè)出版社．2003，6-37，154-159 [8] 楊存智.PLC在自動化生產機械手中的應用［M］.機床電器.2006.33（1）：38～40. 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