氣動機械手升降臂結構設計,氣動,機械手,升降,結構設計 北京信息科技大學 畢業(yè)設計(論文) 題 目: 氣動機械手升降臂結構設計，面板操縱式 （有動力）點位示教部分控制軟件設計 學 院: 機 電 工 程 學 院 專 業(yè): 機械設計制造及其自動化(機電方向) 學生姓名: 班 級/學 號 指導老師/督導老師: 起止時間: 摘 要 本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成和分類，氣動技術的特點，PLC控制的特點,觸摸屏的特點及國內(nèi)外的發(fā)展狀況。 本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，設計計算了機械手的升降臂和回轉臂結構，設計了機械手的手部結構。 本文系統(tǒng)地研究了機械手的氣動系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質量。 利用可編程序控制器（PLC）對機械手進行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，對機械手的面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件進行了設計。 關鍵詞:工業(yè)機器人；機械手；氣動；可編程序控制器；觸摸屏；示教 Abstract This thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration. This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part. This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting. With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) - Point Demonstration part. Keywords: ?industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen; Demonstration 目 錄 摘要(中文) -----------------------------------------------------------I (英文) -----------------------------------------------------------II 第一章 緒 論 1.1工業(yè)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 ---------------------------------------------------------- 2 1.3 PLC與觸摸屏概述 ----------------------------------------------------------- 3 1.4國內(nèi)外發(fā)展狀況 ------------------------------------------------------------- 3 1.5課題的提出及主要任務 ------------------------------------------------------- 4 1.5.1課題的提出 ------------------------------------------------------------ 4 1.5.2課題的主要任務 -------------------------------------------------------- 5 第二章 機械手的設計方案 2.1機械手的類型和自由度的選擇 ------------------------------------------------- 6 2.2機械手的驅動方案設計-------------------------------------------------------- 6 2.3機械手的控制方案設計-------------------------------------------------------- 6 2.4機械手的手部結構方案確定---------------------------------------------------- 6 2.5 機械手的手臂結構方案設計-------------------------------------------- ------- 6 2.6機械手的主要參數(shù) ----------------------------------------------------------- 7 2.7機械手的技術參數(shù)列表 ------------------------------------------------------- 7 第三章 手部結構的選擇,手臂伸縮的選擇，升降、回轉氣缸的設計與校核 3.1 夾持式手部結構 ------------------------------------------------------------ 9 3.1.1 手指的形狀和分類 ------------------------------------------------------ 9 3.1.2 設計時注意的問題 ------------------------------------------------------ 9 3.2升降缸的尺寸設計與校核和伸縮缸的選擇 --------------------------------------- 9 3.2.1 氣缸的分類 ------------------------------------------------------------ 9 3.2.2 升降缸的尺寸設計與校核 ------------------------------------------------ 11 3.2.3 伸縮缸的選擇 ---------------------------------------------------------- 16 3.3 回轉氣缸的尺寸設計與校核 -------------------------------------------------- 16 第四章 氣動系統(tǒng)設計 ------------------------------------------------------ 20 第五章 機械手的PLC控制設計 5.1可編程序控制器的選擇 ------------------------------------------------------- 21 5.2機械手可編程序控制器控制方案 ----------------------------------------------- 21 5.2.1 系統(tǒng)簡介 -------------------------------------------------------------- 21 5.2.2可編程序控制器的工作流程設計 ------------------------------------------- 21 5.2.3 可編程序控制器的存儲區(qū)設計 -------------------------------------------- 22 5.3硬件、軟件的設計與調試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.1 系統(tǒng)硬件設計與組態(tài) ---------------------------------------------------- 23 5.3.2 軟件設計 -------------------------------------------------------------- 23 5.3.3 硬件調試與系統(tǒng)調試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.4 梯形圖設計 ------------------------------------------------------------ 23 5.3.5 機械手控制程序 -------------------------------------------------------- 23 第六章 觸摸屏上位機設計 --------------------------------------------------- 25 第七章??結論 ---------------------------------------------------------------- 28 結束語 ----------------------------------------------------------------------- 29 參考文獻 --------------------------------------------------------------------- 30 III 機械升降臂結構設計,面板操縱式(有動力)點位示教部分控制軟件設計 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機械手的概述 工業(yè)機器人是能模仿人體某些器官的功能(主要是動作功能)、有獨立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動操作裝置。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。 “機器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說家、劇作家恰佩克在他寫的科學幻想戲劇《羅素姆萬能機器人》中第一次使用了機器人一詞。此后被歐洲各國語言所吸收而成為專門名詞。20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，采用伺服機構和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置，并將其稱為工業(yè)機器人； 60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。由于工業(yè)機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機器人由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè)機器人有 3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作；圓柱坐標型工業(yè)機器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節(jié)型的臂部有多個轉動關節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶等信息載體，輸入已編好的程序。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執(zhí)行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執(zhí)行機構再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環(huán)境，并自動完成更為復雜的工作。 1.2 機械手的組成及分類 1.2.1機械手的分類 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。如下示意圖1-1. 圖1-1 機械手示意圖 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(nèi)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 專用機械手是附屬于主機的、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(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手等。 2、通用機械手 通用機械手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。格性能范圍內(nèi)，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(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。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:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，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 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 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 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，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。 4、電力傳動機械手 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 點位控制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 連續(xù)軌跡控制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 PLC與觸摸屏概述 PLC(Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎，綜合了現(xiàn)代計算機技術、自動控制技術和通信技術發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能強、程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱(即PLC、機器人和CAD/CAM)之一。 人機界面是在操作人員和機器設備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機械設備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設備目前的狀況，使操作變的簡單生動`，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設備。使用人機界面還可以使機器的配線標準化、簡單化，同時也能減少PLC控制器所需的I/O點數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設備的附加價值。 觸摸屏作為一種新型的人機界面，從一出現(xiàn)就受到關注，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應用非常廣泛，比如:自動化停車設備、自動洗車機、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會議室聲光控制、溫度調整。 隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機界面， PLC控制器強大的功能及復雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡便的人機的出現(xiàn)，觸摸屏的應運而生無疑是21世紀自動化領域里的一個巨大的革新。 1.4 國內(nèi)外發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。 (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器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)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)機器人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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、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(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 (6)當代遙控機器人系統(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器人的人機交互控制，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)，使智能機器人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”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 1.5課題研究內(nèi)容 1.5.1課題的提出 現(xiàn)在的機械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點: (1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。 (2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。 (4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動， 氣動技術有以下優(yōu)點: (1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器:介質清潔，管道不易堵存在介質變質及補充的問題. (2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 (3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。 (4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。 (5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。 (6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面;發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件, 使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC, 而閥島技術的發(fā)展, 又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手。 1.5.2課題的主要任務 1、進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設計； 2、對氣動機械手氣路了解，進行關鍵部件的研究，完成氣動閥座零件圖。 本課題采用的是南通大學電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺， 3、設計氣動機械升降臂回轉臂部分結構，進行關鍵部件的設計計算；完成氣動機械手升降臂結構裝配圖、氣動機械手回轉臂結構裝配圖。 設計的氣動機械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉180度；抓握零件直徑?5~ ?20，最大重量0.5KG 。 4、完成面板操縱式（有動力）點位示教部分控制軟件設計與上位監(jiān)控系統(tǒng)設計 要求界面友好,本課題所用操作版面是eview軟件操作版面，其版面可簡約成如下示意圖 機械手的操作版面如圖1-2所示； 示教 圖1-2 操作版面 5、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型號為西門子S7-200，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC示教程序，要求程序可讀性好。 第二章 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-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.本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，是一種模擬大中型場合工作的機械搬運設備?？梢愿淖儎幼鞒绦虻淖詣影徇\或操作設備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調各有關驅動器之間的運動的同時，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關設備之間的信息傳遞和協(xié)調工作，使各關節(jié)能按預定運動規(guī)律運動。 2.1機械手主要類型和自由度的選擇 手臂的機構基本上決定了操作機的工作空間范圍，按機械手手臂運動的不同運動的坐標形式和形態(tài)來進行分類，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。（1）直角坐標型具有三個移動關節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個互相垂直的獨立位移。由于其運動方程可獨立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡單等特點，但操作靈活性較差，運動速度低的特點。（2）圓柱坐標型具有兩個移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)（PPR），受部的坐標為(z，r，θ)。這種操作機的優(yōu)點是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結構簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點是手部外伸離中心軸愈遠，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運機器人。（3）球座標型具有兩個轉動關節(jié)和一個移動關節(jié)（RRP），優(yōu)點是結構緊湊，所占空間尺寸小，但目前應用較少。（4）關節(jié)型是模擬人的上肢而構成的。它具有三個轉動關節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉動和繞兩個平行于水平面的軸轉動。具有結構緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點，用于復雜設備當中。 由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，在操作機中主動關節(jié)的數(shù)目應等于操作機的自由度，因此，采用圓柱座標型式，相應的機械手具有三個自由。 2.2 機械手的驅動方案設計 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。本系統(tǒng)采用南通大學的WQK-III電子氣動控制系統(tǒng)實驗臺實現(xiàn)對機械手的控制。 2.3 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。本機械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進行編程控制。 2.4 機械手的手部結構方案確定 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。本文設計的是抓握直徑為?5~ ?20的零件。 2.5 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)。手臂的伸縮、升降運動由伸縮氣缸來實現(xiàn)，回轉由回轉氣缸實現(xiàn)。 2.6 機械手的主要參數(shù) 1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計要求抓取的工件質量為0.5KG。 2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。 2.7 機械手的技術參數(shù)列表 一、用途: 用于教學實驗、課程設計等內(nèi)容研究。 二、設計技術參數(shù): 1、抓重 2、自由度數(shù) 3個自由度 3、座標型式 圓柱座標 4、最大工作半徑 5、手臂運動參數(shù) 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉范圍 回轉速度 8、手指夾持范圍 棒料: 9、定位方式 行程開關 10、定位精度 11、驅動方式 氣壓傳動 12、控制方式 點位程序控制(采用PLC) 圖2-1 機械手的模型 第三章 手部結構的選擇，手臂伸縮， 升降、回轉氣缸的設計與校核 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部；如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構。 3.1夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1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(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。 3.1.2設計時注意的問題 (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(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(jù)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(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(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構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。 3.2升降缸的尺寸設計與校核和伸縮缸的選擇 3.2.1 氣缸的分類 普通氣缸的結構組成見圖3-1。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5 其他一些零件組成。 圖3-1普通氣缸的結構組成 1—組合防塵圈；—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒； 6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調節(jié)閥；9—后端蓋 氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結構特征和安裝方式來分類。 氣缸的類型 （1）單作用氣缸 柱塞式氣缸：壓縮空氣只能使柱塞向一個方向運動；借助外力或重力復位 活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個方向運動；借助外力或重力復位（或借助彈簧力復位；用于行程較小場合） 薄膜式氣缸：以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復位；行程短；結構簡單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無彈簧，用壓縮空氣復位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風箱）式氣缸。 （2）雙作用氣缸 普通氣缸：利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動，活塞行程可根據(jù)實際需要選定，雙向作用的力和速度不同 雙活塞桿氣缸：壓縮空氣可使活塞向兩個方向運動，且其速度和行程都相等 不可調緩沖氣缸：設有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點時減速，防止沖擊，緩沖效果不可調整 可調緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調整 （3）特殊氣缸 差動氣缸：氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復運動，工作時活塞桿側始終通以壓縮空氣 雙活塞氣缸：兩個活塞同時向相反方向運動 多位氣缸：活塞桿沿行程長度方向可在多個位置停留，圖示結構有四個位置 串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力 沖擊氣缸：利用突然大量供氣和快速排氣相結合的方法得到活塞桿的快速沖擊運動，用于切斷、沖孔、打入工件等 數(shù)字氣缸：將若干個活塞沿軸向依次裝在一起，每個活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加 回轉氣缸：進排氣導管和導氣頭固定而氣缸本體可相對轉動。用于機床夾具和線材卷曲裝置上 伺服氣缸：將輸入的氣壓信號成比例地轉換為活塞桿的機械位移。用于自動調節(jié)系統(tǒng)中。撓性氣缸缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長的場合，缸筒可適當彎曲 鋼索式氣缸：以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長行程的場合 （4）組合氣缸 增壓氣缸：活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體 氣-液增壓缸：液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅動大活塞，小活塞便可輸出相應比例的高壓液體 氣-液阻尼缸：利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點，獲得活塞桿的穩(wěn)速運動 3.2.2升降氣缸的尺寸設計與校核 (1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計算 本課題中采用的是雙作用氣缸,單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸,因其只在活塞一側有活塞桿,所以壓縮空氣作用在活塞兩側的有效面積不等.活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力,活塞右行時產(chǎn)生拉力。 （3-1） （3-2） 式中 活塞桿的推力(N); 活塞桿的拉力(N); 活塞直徑(m); 活塞桿直徑(m); 氣缸工作壓力(Pa); 氣缸工作總阻力(N); 氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關,如運動部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.以上因素可以載荷率的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,則計入載荷率后 （3-3） （3-4） 計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其載荷率一般取,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運動,其載荷率可取。根據(jù)要求本次設計中,我們?nèi)　；钊麠U拉力為克服機械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力為 由式（3-3，3-4）可求得氣缸直徑D。 當推力作功時 （3-5） （3-6） 用式（3-6）計算時，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預先估定，詳細計算見活塞的計算。估定活塞桿直徑可按 計算（必要時也可取0.4）。若將代入式（3-6），則可得 （3-7） 式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。 以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應圓整為標準值。參考表3-1得 根據(jù)可估算得 表3-1 缸筒內(nèi)徑系列 （mm） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 320 400 500 630 注：無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用者 3-2 活塞桿直徑系列 （mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 （2）活塞桿的計算 1）按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d （3-8） 式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應力(Pa), 材料的抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，S≥1.4。 按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。 當長細比 時 （3-9） 當長細比 時 （3-10） 式中 活塞桿計算長度（m），見表3-3 活塞桿橫截面回轉半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/5000 安裝方式為鉸支---鉸支,根據(jù)表3-3得知取n=1,由于活塞桿長度L=10cm(行程為5mm),活塞桿桿橫截面回轉半徑(實心桿) 所以長細比 所以 若縱向推力載荷（總載荷）超過極限力，就應采取相應措施。在其他條件（行程、安裝方式）不變的前提下，多以加大活塞桿直徑d來解決。 表3-3 活塞桿計算長度L及系數(shù)n n 安裝方式 (3)缸筒壁厚的計算 缸筒直接承受壓力，需有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，所以通?？梢园幢”谕补接嬎? （3-11） 式中 氣缸筒的壁厚（m）； 氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）； 氣缸試驗壓力，一般取 氣缸工作壓力（Pa）； 缸筒材料許用應力（Pa）； 材料抗拉強度（Pa）； 安全系數(shù)，一般取 常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其Q235A鋼管、20鋼管，其鋁合金ZL3，其；45鋼，其 本氣缸選用45號缸, ，其 所以 常用計算出的缸筒壁厚都相當薄，但考慮到機械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往往將氣缸筒壁厚作適當加厚，且盡量選用標準內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。表3-4所列缸筒壁厚值可供參考。 因加工等原因如表3-4選=5 mm. 表3-4 氣缸筒壁厚 (mm) 材料 氣缸直徑 鑄鐵HT150 50 80 100 125 160 200 250 320 壁 厚 7 8 10 10 12 14 16 16 鋼Q235A、45、20號無縫管 5 6 7 7 8 8 10 10 鋁合金ZL3 8--12 12--14 14--17 3.2.3 伸縮缸的選擇 根據(jù)機械手的總體的受力,伸縮缸的選擇可以和升降缸使用相同的尺寸。 3.3 回轉氣缸的尺寸設計與校核 1、工件的轉動慣量計算 當工件為Φ20時， R=10＞? J的計算取R＞?情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算： 當工件為Φ5時， J的計算取R=10＞?情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計算： 因為，J工件（ф20）＞J工件（ф5）， 所以，J工件取J工件（ф20）=計算。 2、手部的轉動慣量計算 根據(jù)手部結構，查表3-5可知，按長方體計算。 因為，m手部總=1.5（kg） 表3-5 （續(xù)表3-5） 伸縮轉動慣量 3、旋轉的轉動慣量計算 4、旋轉回轉力矩的計算： ⑴克服啟動慣性所需的力矩M慣： ??????????? 式中：ω——手腕回轉過程的角速度（1/s） t啟——啟動過程中所需的時間（s） t啟=0.1 s 圖3-6 那么， ⑵腕部回轉所屬的總力矩M總： 由于手夾持在工件重心（中心）位置轉動， M偏=0，腕部與手部聯(lián)接使用非軸承元件，所生 的摩擦力矩M摩不大，為了簡化計算可以將M慣 適當放大，而省略掉M偏、M摩，這時M總=1.5×M慣 那么，M總=1.5×M慣=0.45(Nm) 查《機械設計手冊》第4版資料，選擇齒輪齒條轉擺動氣缸（缸徑為50mm）型號：DRQ-PPVJ-A。 在0.5Mpa時，轉矩為6Nm，大于M總?（安全）。 第四章 氣動系統(tǒng)設計 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 1． 基本氣動系統(tǒng)的組成部分（生產(chǎn)系統(tǒng)、消耗系統(tǒng)）及主要元器件的功能； 1） 生產(chǎn)系統(tǒng) —— 壓縮機、壓力開關、儲氣罐、單向閥、自動排水器、安全閥、壓力表等； 2） 消耗系統(tǒng) —— 空氣過濾組合、集束分流、匯流板、方向控制閥、速度控制元件、執(zhí)行氣缸等； 圖4-1氣動系統(tǒng)圖 V1a V1b V2a V2b V3a V3b V1 V2 V3 V4 氣動機械手的氣動原理見圖4-1,雙電控換向閥可以保證電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時,機械手動作不變。兩位五通閥可以使手臂回轉實現(xiàn)多點定位。各氣缸的到位信號由磁性開關產(chǎn)生，控制器檢測到信號后控制電磁閥做出下一部動作。只要更改控制程序，機械手就可勝任不同任務。 單向節(jié)流閥直接安裝在氣缸上?，F(xiàn)有的氣動元件基本上是無油潤滑，可以不用油霧器。 第五章 機械手的PLC控制設計 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。 5. 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。本次設計中選擇了SIMATIC公司的S7-200的可編程序控制器。 S7-200不同的CPU模塊的性能有較大的差別,在選擇CPU模塊時,應考慮到開關量、模擬量模塊的擴展能力,程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的容量,通信接口的個數(shù),本機I/O點的點數(shù)等,當然還要考慮性能價格比,在滿足要求的前提下盡量降低硬件成本。本機選用S7-200 CPU 224CN的型號。 5.2 機械手可編程序控制器控制方案 5.2.1 系統(tǒng)簡介 本系統(tǒng)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及逆時針方向旋轉。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用氣動方式驅動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制五個氣缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉及機械手抓放動作。其中旋轉運動用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運動轉化為旋轉運動。這樣，可用PLC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。 5.2.2可編程序控制器的工作流程設計 可編程序控制器是根據(jù)用戶需要來完成各種不同控制任務的。進入界面以后,先進行初始化,使機械手的各個位置處于未工作狀態(tài)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 當進入手動程序后，用戶可根據(jù)自己的需要選擇機械手的工作方式。當進入自動以后，按下開始示教后，PLC內(nèi)部就記錄下用戶所操作的內(nèi)容，當結束示教的時候，PLC停止記錄數(shù)據(jù)