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XX 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
一種全自動(dòng)臥式雷管卡口機(jī)設(shè)計(jì)
作者
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
年 月 日
摘 要
目前，國(guó)內(nèi)大部分雷管生產(chǎn)企業(yè)仍采用手工裝配操作，在裝配過(guò)程中，操作工需一手拿基礎(chǔ)雷管管體，另一手拿引火元件，先后放入裝配設(shè)備中進(jìn)行裝配，此時(shí)，因引火元件與吸附在雷管內(nèi)壁的起爆藥發(fā)生摩擦，使卡口工序成為工業(yè)雷管生產(chǎn)當(dāng)中事故發(fā)生概率相當(dāng)高的一道工序。
一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)缺少一種合理、有效的解決方案，安全隱患問(wèn)題困擾著多數(shù)雷管生產(chǎn)企業(yè)。根據(jù)國(guó)家工信部《關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見》及《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)雷管安全生產(chǎn)基礎(chǔ)條件建設(shè)的指導(dǎo)意見》精神,國(guó)家鼓勵(lì)支持采用自動(dòng)卡口機(jī)來(lái)替代手工操作，本設(shè)計(jì)就上述問(wèn)題提出一種通過(guò)PLC控制程序，控制氣缸運(yùn)動(dòng)的全自動(dòng)臥式工業(yè)雷管自動(dòng)卡口機(jī)設(shè)計(jì)方案，替代手工裝配作業(yè)來(lái)避免裝配過(guò)程中危險(xiǎn)品直接與人員接觸從而消除安全隱患，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。
關(guān)鍵詞：雷管，氣動(dòng)，可編程序控制器(PLC)，機(jī)械手。
II
ABSTRACT
At present, the domestic most of detonator production enterprises still use manual assembly operations, in the process of assembly, the operator should be based the detonator tube body in one hand, on the other hand flash components, successively into the assembly equipment for assembly, at this time, because of the fire element and adsorption on the inner wall of the detonator initiation explosive friction, make bayonet process of industrial detonator production accident happened a process with the probability is quite high.
For a long time, the domestic lack of a reasonable and effective solutions, security problem bothering most of detonator production enterprise. According to the national ministry of "about civil explosives industry technology progress guidance" and "on strengthening the industrial detonator production safety guidance for the construction of basic condition" spirit, the state shall encourage support a bayonet machine to replace manual operation, this design is a through the PLC control program for the above problems, the control cylinder movement of automatic horizontal industrial detonator automatic monitoring machine design scheme, replace the manual assembly operations to avoid direct contact with the staff of dangerous goods in the assembly process to eliminate the safety hidden trouble, reduce the labor intensity, improve work efficiency.
Keywords:detonator，air pressure drive, PLC，manipulator.
III
目 錄
第一章 緒 論............................................1
1.1 機(jī)械人簡(jiǎn)介..........................................................................................................................1
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用.......................................................................................................1
1.1.2機(jī)器人的組成.....................................................................................................................4
1.2 機(jī)械手的概述及組成..........................................................................................................6
1.3本設(shè)計(jì)的主要工作................................................................................................................8
第二章 卡口機(jī)的系統(tǒng)概述與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).....................................9
2.1 系統(tǒng)概述............................................................................................................................9
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)....................................................................................................................9
2.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)..................................................................................................................9
2.2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..............................................................................................................11
第三章 自動(dòng)卡口機(jī)的總體結(jié)構(gòu).............................14
3.1卡口機(jī)的組成與工作流程.................................................................................................14
3.2設(shè)計(jì)具體采用方案.............................................................................................................14
第4章 傳動(dòng)方式的選擇..................................17
4.1液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺.................................................................................................................17
4.2氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn).............................................................................................................17
第5章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案.............................19
5.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度....................................................................................................19
5.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)....................................................................................................20
5.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)..................................................................................................20
5.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)..................................................................................................20
5.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)..........................................................................................................20
5.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)..........................................................................................................21
5.7機(jī)械手的主要參數(shù)....................................................................................................................21
5.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表............................................................................................................21
第六章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).................................24
6.1.1手指的形狀和分類....................................................24
6.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題................................................24
6.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)..................................................25
III
6.2氣流負(fù)壓式吸盤........................................................29
第七章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................32
7.1手腕的自由度..........................................................32
7.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算.................................................32
7.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所愉的驅(qū)動(dòng)力矩............................................32
7.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算..............................................35
第八章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................37
8.1手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分................................................37
8.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................................37
8.1.2手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算................................................38
8.2手臂升降和回轉(zhuǎn)部分....................................................39
8.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................................39
8.3手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì)....................................................40
第九章 結(jié)論.............................................44
致謝.....................................................45
參考文獻(xiàn).................................................46
說(shuō)明書附圖...............................................48
IV
XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介
工業(yè)機(jī)器人（英語(yǔ)：industrial robot。簡(jiǎn)稱IR）是廣泛適用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。它們?cè)诒匾闆r下配備有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動(dòng)都是可編程控制的（即在工作過(guò)程中，無(wú)需任何外力的干預(yù)）。它們通常配備有機(jī)械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)[1]?！?
工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了長(zhǎng)期發(fā)展后，已經(jīng)成為制造業(yè)中不可缺少的核心設(shè)備。同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域意外的各個(gè)行業(yè)。這些機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來(lái)居上之勢(shì)，仿形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(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)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。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。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用
1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說(shuō)《羅薩姆的機(jī)器人萬(wàn)能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機(jī)器人”這個(gè)詞。
1939年 美國(guó)紐約世博會(huì)上展出了西屋電氣公司制造的家用機(jī)器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會(huì)說(shuō)77個(gè)字，甚至可以抽煙，不過(guò)離真正干家務(wù)活還差得遠(yuǎn)。但它讓人們對(duì)家用機(jī)器人的憧憬變得更加具體。
1942年 美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出“機(jī)器人三定律”。雖然這只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但后來(lái)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則。
1954年 美國(guó)人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺(tái)可編程的機(jī)器人，并注冊(cè)了專利。這種機(jī)械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。
1956年 在達(dá)特茅斯會(huì)議上，馬文·明斯基提出了他對(duì)智能機(jī)器的看法：智能機(jī)器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問(wèn)題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個(gè)定義影響到以后30年智能機(jī)器人的研究方向。
1959年 德沃爾與美國(guó)發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。隨后，成立了世界上第一家機(jī)器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機(jī)器人之父”。
1962年—1963年 傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性。人們?cè)囍跈C(jī)器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機(jī)器人中加入視覺(jué)傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個(gè)帶有視覺(jué)傳感器，能識(shí)別并定位積木的機(jī)器人系統(tǒng)。
1965年 約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制出Beast機(jī)器人。Beast已經(jīng)能通過(guò)聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀(jì)60年代中期開始，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)興起研究第二代帶傳感器、“有感覺(jué)”的機(jī)器人，并向人工智能進(jìn)發(fā)。
1968年 美國(guó)斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機(jī)器人Shakey。它帶有視覺(jué)傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過(guò)控制它的計(jì)算機(jī)有一個(gè)房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺(tái)智能機(jī)器人，拉開了第三代機(jī)器人研發(fā)的序幕。
1973年 世界上第一次機(jī)器人和小型計(jì)算機(jī)攜手合作，就誕生了美國(guó)Cincinnati Milacron公司的機(jī)器人T3。
1978年 美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。
1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。
1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。
2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能避開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。
2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球。
機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展將很快，應(yīng)用范圍更大，如設(shè)計(jì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、醫(yī)藥、科學(xué)研究等各個(gè)方面。
總的趨勢(shì)是提高工作精度和運(yùn)動(dòng)速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度以提高通用性和靈活性。降低結(jié)構(gòu)自重，逐步采用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊式組合結(jié)構(gòu)，開發(fā)傳感器技術(shù)和機(jī)器人語(yǔ)言，同時(shí)根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息來(lái)控制機(jī)器人，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展正從各個(gè)方面顯露出它的強(qiáng)大勢(shì)頭。從近幾年來(lái)國(guó)際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議上綜合的情況來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)是具有智能的高級(jí)機(jī)器人以及低成本、穩(wěn)定可靠的用于自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)器人。
空間探索、能源問(wèn)題和人工智能是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)三大課題。人工智能主要內(nèi)容之一就是關(guān)于智能機(jī)器人的研究。感受外界信息，理解和記憶信息，規(guī)劃行動(dòng)，人機(jī)對(duì)話，是智能機(jī)器人發(fā)展的四個(gè)主要問(wèn)題。在空間探索領(lǐng)域中，機(jī)器人技術(shù)具有美好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，空間自動(dòng)加工工廠；開發(fā)宇宙空間的高級(jí)自治系統(tǒng)；在空間裝配的自重復(fù)系統(tǒng)等。
本世紀(jì)以來(lái)，人類開始有計(jì)劃地開發(fā)海洋，開發(fā)食物、能源和物質(zhì)來(lái)源。機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果之一。人們常常把新出現(xiàn)的技術(shù)用來(lái)制造機(jī)器人，再將機(jī)器人應(yīng)用到新技術(shù)領(lǐng)域中去。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，人們把大部分智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使之向更高級(jí)的機(jī)器人——智能機(jī)器人發(fā)展，這已成為機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向。
相對(duì)于人來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的工作準(zhǔn)確性高，工作速度高，負(fù)載能力大，耐久力強(qiáng)，重復(fù)性好，所以工業(yè)機(jī)器人獲得了廣泛應(yīng)用，顯示了很好的效能。
從目前情況看，工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和使用者都希望能更加擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，例如：由計(jì)算機(jī)控制的具有適應(yīng)性控制的裝配用機(jī)器人、焊接機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人、清理鑄件的機(jī)器人，建筑用機(jī)器人，地下工作機(jī)器人，消防用機(jī)器人，城市垃圾處理機(jī)器人，看護(hù)病人的機(jī)器入，協(xié)助料理殘廢人生活的機(jī)器人，海洋開發(fā)機(jī)器人，空間開發(fā)機(jī)器人等。
目前，智能機(jī)器人已從基礎(chǔ)研究發(fā)展為應(yīng)用研究，今后逐漸推廣應(yīng)用。具有感覺(jué)和識(shí)別功能（特別是視覺(jué)）的機(jī)器人已經(jīng)用于自動(dòng)檢修和裝配作業(yè)。能在極限作業(yè)環(huán)境中工作的極限作業(yè)機(jī)器人等等都在加緊研究開發(fā)之中。
a. 手部機(jī)構(gòu)的多功能化：日前的工業(yè)機(jī)器人的手大部分只有兩個(gè)手指，相當(dāng)于一種夾持器的功能。機(jī)器人的手將逐漸發(fā)展為多關(guān)節(jié)、多手指并具有人工觸覺(jué)的人造手。
b. 采用并行處理的復(fù)合控制：由于微電子技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的性能大幅提高，從而可以利用多個(gè)微處理器對(duì)各種感覺(jué)(如視覺(jué)、觸覺(jué)等)信息進(jìn)行并行處理，并控制機(jī)器人多功能的手快速地完成更復(fù)雜的工作。
c. 步行機(jī)的研究，它能使機(jī)器人的車輛方式發(fā)展為多關(guān)節(jié)的步行方式。隨著生物工程的迅速發(fā)展，人類步行控制和動(dòng)物步行機(jī)理的研究更為深入，引用這些機(jī)理將使步行機(jī)性能顯著提高。
d. 識(shí)別功能的提高：從識(shí)別物體(或零件)的位置和形狀發(fā)展為識(shí)別物體的姿態(tài)和顏色，并達(dá)到實(shí)用，使機(jī)器人能夠快速地識(shí)別更復(fù)雜的物體。
1.1.2 機(jī)器人的組成
機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，一般由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、傳感器、和驅(qū)動(dòng)器等四部分組成。機(jī)械本體是機(jī)器人實(shí)施作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為對(duì)本體進(jìn)行精確控制，傳感器應(yīng)提供機(jī)器人本體或其所處環(huán)境的信息，控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號(hào)，通過(guò)控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)器，使各臂桿端點(diǎn)按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達(dá)到空間指定的位置。驅(qū)動(dòng)器將控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)變換成大功率的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作[4]。
a. 機(jī)械本體
機(jī)械本體，是機(jī)器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是一臺(tái)機(jī)械手，也稱操作器、或操作手，可以在確定的環(huán)境中執(zhí)行控制系統(tǒng)指定的操作。典型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體一般由手部（末端執(zhí)行器）、腕部、臂部、腰部和基座構(gòu)成。機(jī)械手多采用關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般具有6個(gè)自由度，其中3個(gè)用來(lái)確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個(gè)則用來(lái)確定末端執(zhí)行裝置的方向（姿勢(shì)）。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。
b. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，相當(dāng)于人的大腦功能，負(fù)責(zé)對(duì)作業(yè)指令信息、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)按所需的順序、沿確定的位置或軌跡運(yùn)動(dòng)，完成特定的作業(yè)。從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之分；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)之分。
c. 驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，相當(dāng)于人的心血管系統(tǒng)，一般由驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。因驅(qū)動(dòng)方式的不同，驅(qū)動(dòng)裝置可以分成電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)三種類型。驅(qū)動(dòng)裝置中的電動(dòng)機(jī)、液壓缸、氣缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等幾種類型。
d. 傳感器
傳感器是機(jī)器人的感測(cè)系統(tǒng)，相當(dāng)于人的感覺(jué)器官，是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，包括內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身的狀態(tài)，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供必要的本體狀態(tài)信息，如位置傳感器、速度傳感器等。外部傳感器則用來(lái)感知機(jī)器人所處的工作環(huán)境或工作狀況信息，又可分成環(huán)境傳感器和末端執(zhí)行器傳感器兩種類型；前者用于識(shí)別物體和檢測(cè)物體與機(jī)器人的距離等信息，后者安裝在末端執(zhí)行器上，檢測(cè)處理精巧作業(yè)的感覺(jué)信息。常見的外部傳感器有力覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器等[5]。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(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)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。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。
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。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。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備[6]。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。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”。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)；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(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)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(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用[7]。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。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[8]。
60噸沖床自動(dòng)上料裝置是在一般沖床上改裝沖床曲軸，添加上料機(jī)械手,升料臺(tái)和滑道等裝置，是沖床自動(dòng)連續(xù)工作。該裝置的特點(diǎn)是由上料機(jī)械手來(lái)控制沖床動(dòng)作，能保證沖床有節(jié)奏的，安全的生產(chǎn)[9]。
1.2機(jī)械手概述與組成
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。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。
控制系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
被抓取工件
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
位置檢測(cè)裝置
圖1.1 機(jī)械手的組成方框圖
a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。
(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(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。
附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。
對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。
對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)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(chǎn)生。
用負(fù)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(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。
此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式[10]。
(2) 手腕
是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng).一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)[11]。
(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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。
導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式[12]。
(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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱[13]。
(5) 行走機(jī)構(gòu)
當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置[14]。
(6) 機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用[15]。
b. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式[16]。
c. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)[17]。
d. 位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置[18]。
1.3 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)工作
本設(shè)計(jì)首先確定了卡口機(jī)的總體布局，然后提出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究?jī)?nèi)容有：
1. 用于基礎(chǔ)雷管氣動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)。
2. 連桿、安裝支架、藥頭模具等重要零件的設(shè)計(jì)。
第2章 卡口機(jī)的系統(tǒng)概述與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)概述
該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用氣動(dòng)機(jī)械手，氣壓驅(qū)動(dòng)具有防火、防爆、節(jié)能、高效、無(wú)污染的特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制造成本低等優(yōu)點(diǎn), 并可以根據(jù)各種自動(dòng)化設(shè)備的工作需要, 按照設(shè)定的程序工作。因此其尤其適用于民用爆炸品生產(chǎn)的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線上。鑒于群發(fā)卡口機(jī)的故障率較高，運(yùn)行不穩(wěn)定的缺陷，故該系統(tǒng)采用PLC 控制，氣壓驅(qū)動(dòng)，配合高速抓取裝置的單發(fā)連續(xù)卡口的機(jī)械手設(shè)計(jì)方案。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通常在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，物體的抓放系統(tǒng)需兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)分別完成Y 軸和Z 軸方向上的二自由度運(yùn)動(dòng)（見圖1）。在實(shí)際作業(yè)當(dāng)中，為了提高工效，抓放時(shí)間盡可能的短，就要求驅(qū)動(dòng)器能夠盡可能快的運(yùn)動(dòng)。于是驅(qū)動(dòng)器兩端都需要設(shè)置終端緩沖裝置（兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器需設(shè)置四個(gè)緩沖裝置，圖中四個(gè)圓點(diǎn)為緩沖裝置），以減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程在終端位置時(shí)由于撞擊帶來(lái)的振動(dòng)，從而保持運(yùn)動(dòng)軌跡光滑。由此造成整個(gè)抓放運(yùn)動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)。
如圖2 所示，該自動(dòng)卡口采用高速抓放裝置，高速抓放裝置由一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)，凸輪輪廓曲線是一條等寬的凹槽，從動(dòng)件的滾子置于凹槽內(nèi)以保持從動(dòng)件與凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸。旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿再驅(qū)動(dòng)滾子在凸輪槽里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而來(lái)完成Y 軸和Z 軸方向上的二自由度運(yùn)動(dòng)。由于只設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)單元，所以只需在兩個(gè)終點(diǎn)上分別設(shè)置一個(gè)緩沖器即可，從而極大的縮短了運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此相對(duì)于目前市場(chǎng)上由雙驅(qū)動(dòng)器組成的抓取單元來(lái)說(shuō)，工作效率提高了20 %以上，因此本設(shè)計(jì)中的氣動(dòng)機(jī)械手也采用該高速抓放裝置。
如圖3 所示，該自動(dòng)卡口分為上層抓取裝置和下層抓取裝置。上層抓取基礎(chǔ)雷管至等待位，抓取裝置由1 個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)；下層抓取引火元件至卡口位和抓取成品雷管至轉(zhuǎn)載模，2 個(gè)抓取動(dòng)作可同時(shí)進(jìn)行，在引火元件轉(zhuǎn)載模、卡口位、成品轉(zhuǎn)載模3 個(gè)工作位，進(jìn)行物料抓取和傳送，同樣的下層抓取裝置也由1 個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)，它采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，可使下層兩個(gè)抓取機(jī)構(gòu)的動(dòng)作保持一致。下層抓取裝置安裝在伸縮氣缸作用端上，當(dāng)伸縮氣缸伸出時(shí)下層抓取機(jī)構(gòu)才可進(jìn)行作業(yè)，當(dāng)伸縮氣缸縮回時(shí)，等待位擋板隨之打開，在等待位的基礎(chǔ)雷管順著滑道落入卡口位，這時(shí)伸縮氣缸伸出，下層抓取裝置再進(jìn)行抓取作業(yè)，如此循環(huán)。為避免誤動(dòng)作，在下層抓取裝置的旋轉(zhuǎn)氣缸設(shè)置中位停止，只有旋轉(zhuǎn)氣缸保持中位，伸縮氣缸才動(dòng)作，卡口動(dòng)作依然采用目前多數(shù)所采用的杠桿式卡口原理進(jìn)行卡口。
2.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的氣動(dòng)卡口機(jī)當(dāng)中的氣動(dòng)機(jī)械手是一種具有2 自由度的柱面坐標(biāo)機(jī)械手，各氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由各自的電磁閥控制。各氣缸的氣動(dòng)輸入、輸出端各設(shè)置一個(gè)節(jié)流調(diào)速閥，以控制各個(gè)氣缸動(dòng)作速度。
需要強(qiáng)調(diào)的是，要實(shí)現(xiàn)中位停止功能，高速抓取裝置中的旋轉(zhuǎn)氣缸必須由一個(gè)三位五通閥（中封式）來(lái)控制。原因是在旋轉(zhuǎn)氣缸至中點(diǎn)時(shí)，傳感器感應(yīng)后，電磁閥兩端線圈均失電，此時(shí)閥芯處于中位，因此只有采用中封式電磁閥才能夠保持旋轉(zhuǎn)氣缸此時(shí)靜止不動(dòng)作。詳見圖4 所示的氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖。
在氣缸的兩端各設(shè)置一個(gè)磁性接近開關(guān)作為PLC 的輸入信號(hào)，以輸入信號(hào)作為氣缸動(dòng)作的條件，在卡口位增設(shè)一光電傳感開關(guān)信號(hào)以保證卡口動(dòng)作的準(zhǔn)確性。根據(jù)輸入點(diǎn)數(shù)和輸出點(diǎn)數(shù)，采用具有24 點(diǎn)輸入單元和24 點(diǎn)輸出單元的三菱FX2N-48MR 作為控制核心，其I/O 端口與傳感器和電磁閥線圈連接，PLC 的接線圖如圖5 所示，I/O 分配表如表1 所示。
第3章 自動(dòng)卡口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)
3.1 卡口機(jī)的組成與工作流程
此卡口機(jī)特征在于它由10個(gè)獨(dú)立卡口單元和步進(jìn)模具傳送裝置組成；它包括卡口動(dòng)作氣缸、安裝支架、連桿、藥頭模具、送藥頭氣缸、固定座、傳殼氣缸、管殼盛放盒、送殼氣缸、管殼頂出氣缸、推殼氣缸、擋模氣缸、軸承、管殼導(dǎo)向槽、往復(fù)座、前擋板、后擋板、連桿轉(zhuǎn)軸固定塊、管殼頂出氣缸導(dǎo)軌、通孔芯軸、彈簧夾頭、步進(jìn)氣缸、藥頭模具導(dǎo)軌和擋模氣缸固定板組成；通過(guò)PLC的控制程序來(lái)控制氣缸運(yùn)動(dòng)，完成送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具一系列動(dòng)作，協(xié)調(diào)各個(gè)氣缸之間的動(dòng)作，從而順利實(shí)現(xiàn)雷管卡口。
首先送殼氣缸的活塞桿外伸，將管殼從管殼盛放盒側(cè)壁的小孔中頂出，送入到傳殼氣缸的管殼夾頭孔中，傳殼氣缸回縮，將管殼送至管殼導(dǎo)向槽中，推殼氣缸活塞桿外伸，推動(dòng)管殼頂出氣缸，利用管殼頂出氣缸上的頂桿將管殼送至設(shè)定的卡口位置，同時(shí)送藥頭氣缸將排布在藥頭模具上的雷管藥頭送入雷管管殼中，卡口動(dòng)作氣缸伸縮帶動(dòng)連桿，驅(qū)動(dòng)往復(fù)座運(yùn)動(dòng)徑向擠壓彈簧夾頭，將停留在彈簧夾頭中的雷管管殼與伸入管殼中一定距離的藥頭卡緊，完成雷管卡口。然后管殼頂出氣缸外伸，將已卡口的雷管頂出彈簧夾頭，送至藥頭模具中去，然后各氣缸回至初始位置，同時(shí)擋模氣缸外伸，卡住藥頭模具，通過(guò)步進(jìn)氣缸帶動(dòng)擋模氣缸定位，將藥頭模具傳送至下一個(gè)工位，然后各氣缸回至初始位置，完成一次卡口動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)卡口的過(guò)程。將藥頭模具設(shè)計(jì)成能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證了藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度。往復(fù)傳送裝置由步進(jìn)氣缸和擋模氣缸及其配套滑軌組成，能夠?qū)崿F(xiàn)模具的傳送，形成流水線卡口作業(yè)。其工作流程圖見圖6。
3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案
1、 是采用PLC程序控制，以電磁閥控制氣缸，壓縮空氣作為工作介質(zhì)，通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)送殼、傳殼、送藥頭、卡口、頂出管殼、傳送藥頭模具等一系列動(dòng)作；
2、 是使用氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列的機(jī)械動(dòng)作，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了維修和安裝難度?？删S護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、都得到了很大提高。同時(shí)具有氣動(dòng)控制動(dòng)作迅速，反應(yīng)快；維護(hù)簡(jiǎn)單，工作介質(zhì)清潔等優(yōu)點(diǎn)。而且其工作環(huán)境適應(yīng)性好，無(wú)論是在易燃、易爆、多塵埃、輻射、強(qiáng)磁、振動(dòng)、沖擊等惡劣的環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作都安全可靠；
3、 是將傳統(tǒng)手動(dòng)卡口設(shè)備的立式卡口技術(shù)方式改為臥式卡口技術(shù)，更有利于機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，具有藥頭與管殼對(duì)接精準(zhǔn)，卡口長(zhǎng)度精確控制，藥頭模具能夠?qū)崿F(xiàn)一模10發(fā)的卡口需求，保證藥頭送入時(shí)與雷管管殼的同軸度，可適用于多種不同形狀不同外徑的雷管卡口作業(yè)，方便進(jìn)行生產(chǎn)線布置等優(yōu)點(diǎn)；四是通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的模具和步進(jìn)傳送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)卡口工位按順序依次卡口，每次能完成一模10發(fā)雷管的卡口作業(yè)，且能實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，全程都由PLC程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)化及智能化程度高。
否
是
送殼氣缸頂出管殼
傳殼氣缸傳遞管殼
送模氣缸將管殼頂至卡口位
送藥頭氣缸送入藥頭
卡口
退模氣缸頂出已卡口雷管
傳送裝置傳送模具至下一工位
一模10發(fā)卡口完畢完畢
進(jìn)入下一工序
第4章 傳動(dòng)方式的選擇
4.1液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1、液壓傳動(dòng)能較為方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍大；
2、 在相同功率的情況下，液壓傳動(dòng)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的體積小，重量較輕；
3、 液壓傳動(dòng)工作平穩(wěn)，換向沖擊力小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁的換向；
4、 液壓傳動(dòng)便于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，而且液壓油能夠使傳動(dòng)部位之間實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑，故使用壽命長(zhǎng)；
5、 操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和電氣控制配合使用時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的自循環(huán)工作；
6、 液壓原件能較為方便的實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。
因此現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):
1、液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等)；
2、液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。
3、工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。
4、因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
5、為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。
4.2 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)
氣壓傳動(dòng)以壓縮氣體為工作介質(zhì),靠氣體的壓力傳遞動(dòng)力或信息的流體傳動(dòng)。傳遞動(dòng)力的系統(tǒng)是將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動(dòng)執(zhí)行元件,把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而作功;傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動(dòng)邏輯元件或射流元件以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算等功能,亦稱氣動(dòng)控制系統(tǒng)。
氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
1、介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題.
2、阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。
3、動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。
4、能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。
5、工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。
6、成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。
氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)：
1、 空氣可壓縮性大,載荷變化時(shí),傳遞運(yùn)動(dòng)不夠平穩(wěn)、均勻;
2、 工作壓力不能過(guò)高,傳動(dòng)效率低,不易獲得很大的力或力矩;
3、 有較大的排氣噪聲。
由于本設(shè)計(jì)是用于民用爆破雷管卡口機(jī)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)雷管重量小，易爆炸，要求工作效率高；氣動(dòng)成本底，易于維修和環(huán)境清理。對(duì)比上述傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)選擇氣壓傳動(dòng)。
第五章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它
們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象
(工件)的作業(yè)技術(shù)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(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的
受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;
盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)
柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批
生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。
5.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度
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。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。
下圖所示為機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖
5.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
為了是機(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。
5.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)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。
5.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.5 機(jī)械手的驅(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。
5.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
5.7機(jī)械手的主要參數(shù)
1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。使用吸盤式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。
2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。
該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.2cm/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200°/s，平均移動(dòng)速度為ldm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900°/s。
機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。
定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5～±lmm。
5.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、抓重
10斤 (夾持式手部)
5斤 ( 氣流負(fù)壓式吸盤)
2、自由度數(shù):
3個(gè)自由度
3、座標(biāo)型式:
圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑:
1500mm
5、手臂最大中心高:
1380mm
6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):
伸縮行程 600mm
伸縮速度 500mm/s
升降行程 200mm
升降速度 300mm/s
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 240°
回轉(zhuǎn)速度 90°
7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù):
回轉(zhuǎn)范圍 0°～ 180