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壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),咨詢Q 197216396 或 11970985 摘 要 基于現(xiàn)階段在充滿可燃?xì)怏w的場(chǎng)所內(nèi)的搬運(yùn)問(wèn)題的研究和分析，并結(jié)合實(shí)際用途和機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性，通過(guò)對(duì)力和工作效率的計(jì)算下，設(shè)計(jì)一種工作效率高，實(shí)用性強(qiáng)， 并且是全氣動(dòng)的礦用機(jī)械手。氣動(dòng)技術(shù)使用氣體為動(dòng)力傳輸介質(zhì)。氣源來(lái)源廣泛，可直接從空氣中汲取，廉價(jià)便捷。其次，氣動(dòng)傳動(dòng)迅速，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量也較其他機(jī)構(gòu)更輕。在末端執(zhí)行效果來(lái)看，使用氣動(dòng)可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有很好的柔性，這樣在使用過(guò)程中更加的安全，對(duì)所工作對(duì)象的損傷也較小。另外，由于氣體無(wú)害，清潔，其在維修、檢查等方面都較為方便。 本氣動(dòng)礦用機(jī)械手適用于多種場(chǎng)合和各種貨物的運(yùn)輸，特別是在充滿了瓦斯氣體的礦井下，具有良好的實(shí)用價(jià)值。 本此設(shè)計(jì)中主要是通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)的方式，完成對(duì)礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中重要部件進(jìn)行校核,其中包括手指，腕部，手臂及機(jī)械底盤(pán)的設(shè)計(jì)。完成選型后使用Solidworks 對(duì)礦用機(jī)械手進(jìn)行三維建模。在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后根據(jù)其特性在加上氣路設(shè)計(jì)，增加氣壓元件完成各執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)。并在后期對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而且使用宇龍仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其可行性。 關(guān)鍵詞：礦用機(jī)械手，機(jī)械設(shè)計(jì)，氣壓傳動(dòng)，Solidworks 三維建模，PLC II ABSTRACT Based on the research and analysis of the handling problem in the place of combustible gas at the present stage, and combining the practical use and the feasibility of the mechanical structure, a kind of mine manipulator with high efficiency and practicability is designed by calculating the force and working efficiency. The pneumatic technology uses gas as a dynamic transmission medium. The source of gas is extensive and can be directly drawn from the air, which is cheap and convenient. Secondly, pneumatic transmission is fast, stable and reliable, simple in structure and lighter in quality than other institutions. In the end effect, the use of pneumatic can make the actuator have a good flexibility, so that it is more safe in the process of use and less damage to the working object. In addition, because gas is harmless and clean, it is more convenient in maintenance and inspection. The pneumatic mine manipulator is suitable for various occasions and the transportation of various goods, especially in mines full of gas and gas, and has good practical value. In this design, the design of the mechanical hand structure of the mine is completed by the mechanical design, and the important parts are checked, including the design of the finger, wrist, arm and mechanical chassis. After completing the selection, 3D modeling of mine manipulator is carried out by using Solidworks. After completing the structural design, plus pneumatic design according to its characteristics, the pneumatic components are added to complete the movement of each actuator. The control system was designed in the later stage, and the simulation of the control system was carried out using Yulong simulation software to verify its feasibility. Key Words：Mine manipulator, Mechanical design, Pneumatic transmission, Solidworks 3D modeling, PLC 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1. 緒 論................................................... - 1 - 1.1 論文背景、研究意義..........................................................................- 1 - 1.2 氣動(dòng)礦用機(jī)械手國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀......................................................- 1 - 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排..............................................................- 2 - 2. 礦用機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)................................... - 3 - 2.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................................- 3 - 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...................................................................................- 4 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)......................................................................................- 5 - 3. 礦用機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)................................... - 6 - 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類(lèi).......................................................................................- 6 - 3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì)..................................................................................- 7 - 3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算......................................................................- 9 - 3.4 軸的載荷分析和計(jì)算........................................................................- 11 - 3.5 軸的材料的選擇.................................................................................- 12 - 3.6 銷(xiāo)連接的設(shè)計(jì)....................................................................................- 12 - 4 礦用機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)................................... - 13 - 4.1 腕部結(jié)構(gòu)的選擇.................................................................................- 13 - 4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算................................................................................- 13 - 4.3 手臂典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu).............................................................................- 15 - 4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算................................................................................- 15 - 5 礦用機(jī)械手底盤(pán)設(shè)計(jì)...................................... - 19 - 5.1 底盤(pán)的整體設(shè)計(jì).................................................................................- 19 - 5.2 底盤(pán)各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案....................................................................- 19 - 6 PLC 控制程序的設(shè)計(jì) ...................................... - 22 - 6.1 PLC 簡(jiǎn)介..........................................................................................- 22 - 6.2 礦用機(jī)械手控制程序編寫(xiě)................................................................- 22 - 7 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)............................................. - 30 - 7.1 氣壓元件的選用................................................................................- 30 - 7.2 氣路的設(shè)計(jì).........................................................................................- 30 - 結(jié)論....................................................... - 33 - 致謝....................................................... - 34 - 參考文獻(xiàn)................................................... - 35 - 附錄 1：外文原文 ........................................... - 36 - 附錄 2：中文翻譯 ........................................... - 42 - 礦用多工位氣動(dòng)機(jī)械手 1. 緒 論 1.1 論文背景、研究意義 1.1.1 論文的背景與研究意義 目前就我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)的發(fā)展來(lái)看，我國(guó)作為發(fā)展中國(guó)家，該行業(yè)發(fā)展迅速。并且由于氣動(dòng)本身就具有節(jié)能、高效、無(wú)污染、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等各種優(yōu)點(diǎn)，因此，本月愛(ài)越多的運(yùn)用在不同的領(lǐng)域上。其中，工業(yè)機(jī)器人中氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展尤為迅速。并且在上世紀(jì) 90 年代后期，微型處理器 PLC 的出現(xiàn)使得控制方面的領(lǐng)域一下子擴(kuò)大了很多， 而氣動(dòng)行業(yè)也伴隨著微型控制器的崛起迅速發(fā)展了起來(lái)。 本項(xiàng)目是適用于煤礦下各種工具、零件、貨物的夾持工具，通過(guò)全氣動(dòng)的過(guò)程控制， 避免因可燃性氣體濃度過(guò)大，引起的安全問(wèn)題。流水線上的夾持設(shè)備是根據(jù)各種工件形狀、支撐位置設(shè)計(jì)的，都具有簡(jiǎn)捷實(shí)用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅捷。本設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)輸、夾持電動(dòng)礦用機(jī)械手優(yōu)化。著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的多工位的氣動(dòng)礦用機(jī)械手。在遠(yuǎn)程使用機(jī)電裝置控制氣路，使氣成為主要?jiǎng)恿τ靡则?qū)動(dòng)礦用機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，具有替代人工，安全，高效，清潔的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將主要給出礦用機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)，控制等一系列的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行模擬仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。 1.1.2 論文要求 整個(gè)礦用機(jī)械手的設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)計(jì)，理論力學(xué)，動(dòng)力分析，三維設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，需要設(shè)計(jì)者將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)相結(jié)合。本論文將介紹設(shè)計(jì)礦用機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)并做以力學(xué)校核。通過(guò)對(duì) PLC 的學(xué)習(xí)對(duì)控制線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行程序的編制。力求貫徹機(jī)電一體化的概念，完成一整套的礦用機(jī)械手整體的設(shè)計(jì)。 1.2 氣動(dòng)礦用機(jī)械手國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前廣泛使用的氣壓技術(shù)以壓縮空氣為介質(zhì)，具有安全、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別是對(duì)易于控制、易維護(hù)、無(wú)環(huán)境污染場(chǎng)合，因此氣動(dòng)技術(shù)常作為礦用機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。氣動(dòng)礦用機(jī)械手與其它控制方式的礦用機(jī)械手相比，具有無(wú)污染、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高等特點(diǎn)。在機(jī)械行業(yè)越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備中采用了礦用機(jī)械手，主要是液壓控制和氣壓控制兩種方式。氣壓傳動(dòng)以清潔能源氣作為傳遞介質(zhì)，取之不盡用之不竭， 而且價(jià)格低廉，環(huán)保。無(wú)論是在成本還是在維修等方面都占有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此在能源正逐漸枯竭的今天，氣壓傳動(dòng)正在作為一種新的傳動(dòng)方式而崛起。 - 27 - 從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，近 20 多年來(lái)，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20 世紀(jì) 70 年代， 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為 9：1。40 多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國(guó)家，該比例已達(dá) 5:5。由于氣動(dòng)元件的單價(jià)比液壓元件便宜，在相同產(chǎn)值的情況下， 氣動(dòng)元件的使用量及使用范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了液壓行業(yè)。從地區(qū)劃分，可以說(shuō)美洲(以美國(guó)為中心)、歐洲(歐洲各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家)和亞太地區(qū)(以日本為中心)三分天下。作為氣動(dòng)行業(yè)的知名企業(yè)，有日本的 SMC、德國(guó)的 FESTO、英國(guó)的 NORGREN 和美國(guó)的PARKER 等。SMC 公司在世界 30 個(gè)國(guó)家建有海外子公司和海外生產(chǎn)工廠。氣動(dòng)元件的基本生產(chǎn)品種達(dá) 9100 種及 53000 種不同的規(guī)格。 中國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。1986 年至 1993 年間，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 24.2%，高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率 10.5% 的水平。1996 年全國(guó)氣動(dòng)行業(yè)的產(chǎn)值約在 6000 萬(wàn)美元左右。雖然中國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)離世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家還有一定的差距，但在氣動(dòng)行業(yè)同行的努力下，中國(guó)的氣動(dòng)技術(shù)正在得到很快發(fā)展和提高。 礦用機(jī)械手的組成部分一般為驅(qū)動(dòng)部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，和控制系統(tǒng)。礦用機(jī)械手的手部是末端執(zhí)行器，也是直接和工件接觸的部分。一般的它是根據(jù)被夾持工件的形狀、材料、質(zhì)量，或者工作條件等特定條件設(shè)計(jì)的，都具有特定性等。礦用機(jī)械手臂部分是連接礦用機(jī)械手手部的部分其主要功能是為了控制礦用機(jī)械手能夠自由的到達(dá)合適的空間坐標(biāo)之內(nèi)，并且能夠控制礦用機(jī)械手末端的仰俯、旋轉(zhuǎn)等一下裂的動(dòng)作。為了抓取物體在任何位置和方向上的空間，必須有 6 個(gè)自由度。自由度是指礦用機(jī)械手在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的自由程度，并將其以精確地?cái)?shù)字表達(dá)出來(lái)，以顯示其靈活成度。自由度越高，那么礦用機(jī)械手的可用性及其靈活性也會(huì)大大的提高。最后礦用機(jī)械手逇控制系統(tǒng)是指通過(guò)各種各樣的控制硬件并配合其相應(yīng)的軟件編程，合理的完成對(duì)相應(yīng)的控制部件的控制。 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 本篇論文針對(duì)礦用設(shè)計(jì)氣動(dòng)礦用機(jī)械手，主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性氣體，并且近幾年礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生，使得設(shè)計(jì)一種可以代替人工進(jìn)行井下工作的礦用機(jī)械手成為大勢(shì)所趨。這類(lèi)礦用機(jī)械手通過(guò)控制通氣的時(shí)間長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)全方位的物品夾持與釋放。再論文中涉及到的有礦用機(jī)械手整體的框架涉及，力學(xué)理論計(jì)算，三維設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及程序編制。 論文中第二章主要是對(duì)礦用機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案的確定，包括結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)形式， 控制方案等。從第二章起，一直到第五章是計(jì)算部分，分別對(duì)礦用機(jī)械手的手指，手腕， 手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核。第六章是對(duì)礦用機(jī)械手運(yùn)動(dòng)底盤(pán)的設(shè)計(jì)。第七章主要是針對(duì)控制系統(tǒng)，編程等方面的介紹。其后八、九章是對(duì)礦用機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)的介紹。 2. 礦用機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 2.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在本次實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了能夠滿足礦用機(jī)械手可以在情況多變的礦井下使用，因此盡可能多得增加它的自由度。并且該礦用機(jī)械手的目標(biāo)用途范圍較廣，既可以?shī)A持零部件又可以?shī)A持工具，因此工作范圍較為廣泛。綜上所述，并根據(jù)以上對(duì)各類(lèi)礦用機(jī)械手的特點(diǎn)的介紹，此次設(shè)計(jì)選用關(guān)節(jié)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 為了擴(kuò)大礦用機(jī)械手的工作范圍和符合本設(shè)計(jì)的根本理念，模擬人體手指關(guān)節(jié)自由活動(dòng)，同時(shí)完成礦用機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)與夾持動(dòng)作，末端執(zhí)行器的兩邊采用完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)， 以便于在抓貸物的過(guò)程中達(dá)到力的均勻分布，并且在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與礦用機(jī)械手臂以一個(gè)氣缸連接，這樣就可以達(dá)到末端機(jī)構(gòu)可以橫向抓貸物的目的，并配合礦用機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)完成整個(gè)礦用機(jī)械手的貨物搬運(yùn)的過(guò)程。 為了使機(jī)械于能夠在任意的場(chǎng)所隨意的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種全向輪底座配合使用。并 且為了符合全氣動(dòng)的現(xiàn)念，設(shè)計(jì)時(shí)將能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)從普通的電動(dòng)電機(jī)改為氣動(dòng)馬達(dá)使用， 且在每個(gè)輪子上都加上一個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，進(jìn)行分別控制，使每個(gè)輪子都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通 過(guò)控制輪子的轉(zhuǎn)速使輪子存在不同的速度差，以速度合成的方式以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，從 而做到底盤(pán)的全向運(yùn)動(dòng)。并且在每個(gè)輪子與底盤(pán)的連接處都是用彈簧進(jìn)行減震，是之能 夠適應(yīng)較大的起伏地面，滿足室外環(huán)境的要求。 根據(jù)各部分機(jī)構(gòu)的選擇，可得機(jī)械手裝配總圖如下： 圖 2.1 機(jī)械手總裝圖 如上圖所示，機(jī)械手整體大致由三部分組成： （1） 機(jī)械手手部—利用機(jī)械原理等完成對(duì)所要夾持件的夾緊和放松； （2） 機(jī)械手主體—這包括有機(jī)械手腕部及機(jī)械臂兩部分結(jié)構(gòu)，其都是帶動(dòng)手部運(yùn)動(dòng)，完成工件的空間上的移動(dòng)； （3） 機(jī)械手底盤(pán)—主要是為了擴(kuò)大機(jī)械手工作空間，增多機(jī)械手的工作性能。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 考慮到該礦用機(jī)械手的用途的廣泛性，在控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求： （1） 控制元件應(yīng)簡(jiǎn)單易學(xué)； （2） 控制元件應(yīng)該有較強(qiáng)的互換性，應(yīng)是模塊化設(shè)計(jì)，這樣既便于維修，也大大的降低了程序設(shè)計(jì)時(shí)的難度； （3） 控制程序應(yīng)該簡(jiǎn)單易學(xué)，這樣可以使得礦用機(jī)械手大規(guī)模推廣。 因此，綜上所述，再對(duì)控制硬件進(jìn)行選擇。并且根據(jù)近幾年 PLC 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，功能方面的開(kāi)發(fā)越來(lái)越完善，滿足我們對(duì)本礦用機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件方面的要求。因此硬件方面選用 PLC 進(jìn)行控制，并結(jié)合其匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。 2.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力來(lái)源，是任何一個(gè)機(jī)器都不可缺少的部分。并且機(jī)械設(shè)備的價(jià)格及其應(yīng)用范圍等也在很大程度上受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制。在工業(yè)上，一般的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、氣動(dòng)以及液動(dòng)。在不同的工作條件下選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式。其中使用電力為使用最為廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。而此次根據(jù)實(shí)際情況，本礦用機(jī)械手是要在充滿易燃易爆的瓦斯氣體的礦井下使用，因此擬采用氣壓驅(qū)動(dòng)。 其中為了能夠?qū)崿F(xiàn)礦用機(jī)械手逇直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，在對(duì)驅(qū)動(dòng)元件選擇時(shí)，選擇可以為運(yùn)動(dòng)部件直接提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)元件。根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)驅(qū)動(dòng)氣缸等執(zhí)行元件的直接驅(qū)動(dòng)器氣路的設(shè)計(jì)。 在本次設(shè)計(jì)中，擬采用 10 個(gè)各類(lèi)氣缸元件，因此為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，也選用 10 個(gè)電磁閥進(jìn)行控制，并且為了能夠方便的控制氣缸的兩個(gè)腔室，使其可以前后兩腔室同樣工作，使用三位四通電磁換向閥，每個(gè)換向閥上都帶有兩個(gè)電磁線圈，可以控制閥芯兩向運(yùn)動(dòng) 。這樣一共會(huì)有這樣的分支氣路 10 路，再由總氣路供氣。而整體則有氣泵作為供氣源。 3. 礦用機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部結(jié)構(gòu)分類(lèi) 根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的常用手部結(jié)構(gòu)劃分，機(jī)械手手部一般分為吸附類(lèi)和夾持類(lèi)。而根據(jù)本次設(shè)計(jì)的需求來(lái)看，各種各樣的夾持元件及工具，顯然吸附類(lèi)的手部結(jié)構(gòu)顯然不適用，因此選用夾持類(lèi)的手部結(jié)構(gòu)。 如下圖所示為幾種加持時(shí)礦用機(jī)械手的類(lèi)型 圖 3.1 礦用機(jī)械手結(jié)構(gòu)類(lèi)型 圖（a）是單點(diǎn)式夾持手指，其兩根手指皆繞著右側(cè)一點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但也限制了其運(yùn)用范圍。圖（b）為雙點(diǎn)式加持手指，其上下兩根手指分別繞著兩個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)較（a）復(fù)雜點(diǎn)，但是也大大的增加了它的實(shí)用性。（c）為移動(dòng)式夾持礦用機(jī)械手，它是使用手指的直線運(yùn)動(dòng)，將工件夾持，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所占范圍也較前兩種大，對(duì)工作條件要求高，并且，它的加工制造也較為復(fù)雜，成本高，但是其定位精度高。 因此綜上，為能夠適應(yīng)礦井下惡劣的工作條件，并且又要使礦用機(jī)械手能夠如期的完成預(yù)想的工作，選用第二種雙點(diǎn)式夾持礦用機(jī)械手。 3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì) 在 3.1 中介紹了幾種基本形式的手部，并且根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用了雙點(diǎn)式夾鉗手指， 下面將對(duì)夾鉗式手部進(jìn)行詳細(xì)的介紹及設(shè)計(jì)。 3.2.1 手部的類(lèi)型及夾緊裝置 由 3.1 分析得出結(jié)論可知本次手部設(shè)計(jì)擬采用雙點(diǎn)式夾持方式。且使用滑槽杠桿機(jī)構(gòu)。如圖所示 圖 3.2 滑槽杠桿式手部原理圖 圖示為雙點(diǎn)式夾持手指結(jié)構(gòu)。圖中 1 為手指，2 為滑動(dòng)圓柱，3 為氣缸桿， 在圓柱體用于傳動(dòng)氣缸桿的動(dòng)力到手指上。當(dāng)氣缸桿向前運(yùn)動(dòng)時(shí)手指開(kāi)始繞著其支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)， 同時(shí)滑動(dòng)圓柱與手指之間的相對(duì)位置也發(fā)生變化，因此，在手指上有一條槽型滑道可以 允許滑動(dòng)圓柱在其中運(yùn)動(dòng)，以保證手指部位不是卡死的狀態(tài)。 3.2.2 手爪的力學(xué)分析 如圖 3.3 所示，其為本次設(shè)計(jì)選用的滑槽式杠桿手部結(jié)構(gòu)原理圖： F —?dú)飧讞U對(duì)手部連接件的拉力； ， 2 — 為兩根手指對(duì)滑動(dòng)圓柱的方向作用力 FN —手部的夾緊力； a —手指回轉(zhuǎn)軸線與手部中軸線之間的距離； b —手指回轉(zhuǎn)軸線到夾持部位中軸線距離； 圖 3.3 手部結(jié)構(gòu)受力分析原理圖 由平衡條件計(jì)算公式 得  F = 2F1 c oas  （3.1） F = F 由?M01 (F ) = 0 得， 1 2 cosa （3.2） F 'h = F b 1 N F 'h （3.3） FN = 1 b （3.4） h = a c o as  （3.5） FN = a ( 1 2b cosa )2 F  （3.6） 由上述計(jì)算得，隨之a(chǎn) 的增大，其所需要的工作里雨大，但是隨著夾角的擴(kuò)大，氣 缸活塞的行程也會(huì)隨之增加加長(zhǎng)，導(dǎo)致手部結(jié)構(gòu)整體尺寸增加。因此建議a = 30 ~ 40 。 3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指部位的計(jì)算是整個(gè)礦用機(jī)械手的重要計(jì)算過(guò)程。在所有的工業(yè)機(jī)器人中，對(duì)手部的設(shè)計(jì)計(jì)算都是至關(guān)重要的。 手部夾緊力公式可查閱資料得 K1 — 安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0； FN 3 K1K2 K3G （3.7） K2 — 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。其中 K3 — 空間位置系數(shù)。氣缸的工作力計(jì)算： F拉 其中 D — 氣缸內(nèi)壁直徑（m）。 d —?dú)飧讞U直徑（m）。 = p (D2 - d 2 ) p 4 （3.8） P —?dú)鈮焊坠ぷ鲏毫Γ╬a）。 根據(jù)要求，就袖手最大夾持重物重量為 6Kg。因此可得如下計(jì)算： 其中取 K1=1.5 并且取 n max = 0.1ms ， t響 = 0.5s ，得 n m a x  0 . 1 K = 1+ a = 1+ 2 g g t響 = 1+ 0 . 5= 1 . 9 . 8  （3.9） 根據(jù)礦用機(jī)械手在使用過(guò)程中的實(shí)際環(huán)境分析，取 K3=4.0 由式 3.2 得 FN = K1 K2 由 K3 G=1 . 5′ 1 . 0′2 4′. 0 F = 2b c o 2sa F ′6 0 =9 . 8 3  （3.10） a N （3.11） 將已知條件 ，a = 35， 帶入，得 F = 2b cos2 a F = 2 ′ 90 ′ cos2 35 ′ 3598.56 = 4575.16N a N 取得 F = F 95 h = 0.85 =4575. 1=6 N5 （3.12） 實(shí)際 h 0.85 5382. （3.13） 表 3.1 夾緊氣缸工作壓力 用在活塞上外 力F（N） 氣缸工作壓力 （MPa） 作用在活塞上 外力（N） 氣缸工作壓力 （MPa） 小于 5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 大于 50000 5.0~7.0 如表 3.1 所示， 5000N ￡ F實(shí)際 = 5382.54N ￡10000N ，取 p=2MPa 如圖 3.4，當(dāng)前腔室進(jìn)氣時(shí)，活塞直徑查閱資料可得公式： D =  （3.14） P2=0，因可得  D = = 1.13  （3.15） 當(dāng)后腔室進(jìn)氣時(shí)，活塞直徑查閱資料可得公式： D =  （3.16） 式中 F —?dú)飧坠ぷ髁Α? — 氣缸的工作壓力。 h — 氣缸總效率。 d — 活塞桿直徑。 有 d = D （3.17） 表 3.2 夾緊氣缸的工作壓力與速比 氣缸工作壓力 P1(MPa) ≤10 10~20 >20 速比φ 1.33 1.46~2 2 根據(jù)上表查詢可得，取f = 1.33 ，代入到上述公式。得 （3.18） 將以上已知條件代入式 3.5 得： = = F D 1 . 1 3 1 . 1′ 5 3 8 2 . 5 4=  5m7 m. 1 h P 3 ′5 2 取最大值，得：  D2 = 1 0 . 9 = D=50mm d=30mm  = 60.0 （3.19） （3.20） 圖 3.4 夾緊缸示意圖 3.4 軸的載荷分析和計(jì)算 根據(jù)手部的分析，礦用機(jī)械手手部的軸應(yīng)為拉緊軸，所受力為兩端的拉緊力，對(duì)于夾持式手部的結(jié)構(gòu)分析，軸中由開(kāi)槽平頭緊定螺釘固定。因此，拉緊軸僅受彎矩影響， 受力分析圖及其彎矩圖如圖 3-4 所示。由已知夾緊力為 5382.54N，根據(jù)參數(shù)以及手部結(jié)構(gòu)的參數(shù)，取夾緊力距離軸為 195mm，根據(jù)彎矩公式 M=Fl 得出彎矩為 1049.595Nm。 圖 3.5 軸的受力分析及其彎矩圖 如上圖所示，F(xiàn)1=F3=5382.84N，F(xiàn)2=10765.68N，所以軸所受最大載荷即為 1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設(shè)計(jì)公式 d 3 M 0 . 1s[] （3.21） 其中 M 為 1049.595Nm，由前文可知，許用應(yīng)力[s ] =2MPa，因此可得出軸的直徑d 3 6.8mm，取整則為 8mm。由于這為拉緊軸，因此不需要分段，僅需一段即可。 3.5 軸的材料的選擇 由于礦用機(jī)械手手部在抓取物體時(shí)會(huì)在手抓處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要具有抗氧化性和足夠的高溫強(qiáng)度以及良好的耐熱性能。為了手部抓取不產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，保證抓取的可靠性，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性。因此選用經(jīng)過(guò)耐熱鋼作為軸的材料。 3.6 銷(xiāo)連接的設(shè)計(jì) 銷(xiāo)按用途分為用于定位的定位銷(xiāo)，用來(lái)進(jìn)行零件連接的連接銷(xiāo)等。前者用來(lái)個(gè)別固定零件對(duì)于整體零件的相對(duì)位置，它是組合加工和裝配時(shí)很重要的零件；后者用于連接， 也可以傳遞較小的載荷。銷(xiāo)的類(lèi)型有很多，例如圓錐銷(xiāo)，圓柱銷(xiāo)，槽銷(xiāo)等，這些銷(xiāo)都是標(biāo)準(zhǔn)件，因此可直接選用。本設(shè)計(jì)采用圓柱銷(xiāo)，由于圓柱銷(xiāo)需要進(jìn)行過(guò)盈配合從而固定在銷(xiāo)的孔內(nèi)，所以選擇過(guò)盈配合連接。在裝配前，需要對(duì)其相關(guān)精度進(jìn)行復(fù)查。 4 礦用機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕部分是用于連接手部和手臂部分的結(jié)構(gòu)。在這里為了盡可能多的增加礦用機(jī)械手手部的自由度，將手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩部分。一部分是用于控制礦用機(jī)械手手部的旋轉(zhuǎn)，使礦用機(jī)械手能在是水平方向上能夠更加方便的夾持工件。另一部分是用于控制手部的仰俯，所起作用是使礦用機(jī)械手在手指方向上便于礦用機(jī)械手的夾持。 4.1 腕部結(jié)構(gòu)的選擇 手腕的動(dòng)作雖然不多，但它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。 本次設(shè)計(jì)的礦用機(jī)械手需要較大的自由度，因此將其設(shè)計(jì)為兩處回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一處是控制手部沿自身軸線回轉(zhuǎn)。另一個(gè)方向上是實(shí)現(xiàn)手部可以進(jìn)行仰俯運(yùn)動(dòng)。 4.2 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 腕部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)需要克服以下幾種性質(zhì)的力： （1） 回轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩M摩 （2） 由于重力引起的彎矩M偏 （3） 動(dòng)量引起的慣性力矩M慣 M摩 = 0 . M1 總 M偏 = G1  （4.1） （4.2） 式中 J工件 —工件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Nms2)。 J — 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Nms2)。 w —角速度(1/s)。 M慣 = (J + J工件 ) w （4.3） t啟 t啟 — 啟動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間。 因此可求得總力矩M總  M總 = M摩 + M偏 + M慣  （4.4） 4.2.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 將手腕與手指整體近似簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，高 ，直徑高 ，質(zhì)量為 6kg。 4.2.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 （1） M摩 = 0.1M總 （4.5） （2） 式中  w t M慣 = (J + J工件) 啟  （4.6） J = 1 m R2 =0 . 5′ 1 3 2 . 0′ 1 20 . =0 7 N0 m. 2 腕 腕 （4.7） J = 1 m (l 2 + 3R 2) = 1 ′ 60 ′ (0.1 2+ 3′ 0.05 )2= 0.0875Nms 件 12 件 件 件 12 （4.8） 代入公式，有 M = ( J + w = ( 0 . 3 2+ 3′. 5 1 = N 慣 工J 件 ) t啟 3 0 . 0 8 7 5 ) 0 . 2 （4.9） （3） 理想的工作位置為將工件夾持在手部中心位置，所以M偏 = 0 。 （4） 總力矩 M總 = M摩 因此 + M慣 + M偏 =0 . 1 總M +8 . 8 6  （4.10） M = 7.20 = 8.0 總 0.9 （4.11） 由于回旋氣缸所能提供的力矩要大與驅(qū)動(dòng)力拒M總，因此 Pb(R2 - r2 ) M = 2 又 P 3 2M總 b(R2 - r2 ) 3 M總  （4.12） （4.13） 式中 P — 回旋氣缸工作壓力； R —?dú)飧變?nèi)壁半徑； r —?dú)飧纵敵鲚S半徑； b — 氣缸片寬度。 由圖可得R=110mm，r=55mm，b=70mm， 得 P 3 2M總 = ?2′ 8 . 0 =0 . 0 2 5M2 P b( R2 - r2 ) 0 . 0′7 ( 02.-1 1 02 . 0 5 5 ) （4.14） 以上為礦用機(jī)械手腕部的回旋氣缸的尺寸設(shè)計(jì)，在手腕的后半部分，還安裝有控制手部仰俯得的一個(gè)仰俯氣缸，其所起作用與手部回旋氣缸大致相同，因此在這里不做詳細(xì)計(jì)算，選用與手部回旋氣缸一樣的型號(hào)的回旋氣缸既可。 4.3 手臂典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂的運(yùn)動(dòng)一般都是直線運(yùn)動(dòng)，其中也有一部分的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中直線運(yùn)動(dòng)形式一般有手臂的伸縮，平行移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有沿自身軸線回轉(zhuǎn)，也有礦用機(jī)械手的上下擺動(dòng)， 左右搖動(dòng)。 為了使礦用機(jī)械手具有足夠多的自由度，能在情況復(fù)雜的礦井下如期的完成指定的運(yùn)動(dòng)，因此將礦用機(jī)械手設(shè)計(jì)為多關(guān)節(jié)的多自由度礦用機(jī)械手，使用三組氣缸分別完成礦用機(jī)械手的大臂的仰俯，伸縮以及小臂的仰俯。 4.4 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 氣壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算θ F = F密 + F回 + F慣 式中  （4.15） F密 —密封圈與氣缸內(nèi)壁摩擦力。 F回 —?dú)飧讱怏w造成壓力。 F慣 —啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的慣性力。 4.4.1 氣缸所需驅(qū)動(dòng)力大小如圖所示： G 圖 4.1 軸的受力分析及其彎矩圖 將機(jī)械小臂及手部重量簡(jiǎn)化至杠桿的左端 G=650N，由三角函數(shù)關(guān)系式可得 F1=963N 4.4.2 手臂密封裝置阻力的分析與計(jì)算 在氣缸內(nèi)壓力小于 1MPa 時(shí)，O 型密封圈與氣缸內(nèi)圈形成的摩擦力計(jì)算公式為 F密 = 0.03F （4.16） 4.4.3 手臂慣性力的分析與計(jì)算 手臂慣性力的計(jì)算公式為： F 慣 =  G總Du gDt  （4.17） 式中 G總 —部件總重力。 g — 重力加速度。 Du —臂部所需伸縮速度。 Dt — 啟動(dòng)時(shí)間。 本設(shè)計(jì)中取Du=0.233s Dt=0.2s，因此將數(shù)值帶入公式，得 F = G總Du =7 0 0′ 0 . 2 3=3 取 F回=0.05F ，可得 慣 gDt 9 . 8′ 8 3 .N2 0 . 2 （4.18） 則 F =160.24N F = 0.03F1 + 0.05F1 + 83.2  （4.19） 4.4.4 氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)尺寸的確定 由上述計(jì)算可得氣壓缸所提供的驅(qū)動(dòng)力大小為 F=260.24N。經(jīng)查表可得，就近選擇氣壓缸的工作壓力為 P=0.8MPa 經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定了氣壓缸的驅(qū)動(dòng)力 F=260.24N，根據(jù)表 3.1，選擇氣壓缸的工作壓 圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖 當(dāng)氣缸后腔室進(jìn)氣時(shí)，氣缸內(nèi)壁直徑計(jì)算公式查閱資料可得： D =  （4.20） 由于 P2=0，所以  D = = 1.13  （4.21） 當(dāng)氣缸前腔室進(jìn)氣時(shí)，氣缸內(nèi)壁直徑計(jì)算公式查閱資料可得： D =  （4.22） 式中 F — 氣缸工作力。 h —總機(jī)械效率。 d —?dú)飧變?nèi)桿直徑， 因此有  d = D  （4.23） 表 4.1 氣壓缸的工作壓力與速比 氣壓缸工作壓 力 P1(MPa) ≤10 10~20 >20 速比φ 1.33 1.46~2 2 根據(jù)上述表格進(jìn)行參數(shù)選擇，取f = 1.33 ，帶入式中可得： d=0.636D （4.24） 計(jì)算得到 D1 D2 = = 1.13 = 1.13′ = 11.57 = （4.25） （4.26） 取其中的最大值，因此各尺寸為： 5 礦用機(jī)械手底盤(pán)設(shè)計(jì) 5.1 底盤(pán)的整體設(shè)計(jì) 底盤(pán)設(shè)計(jì)是為了使礦用機(jī)械手整體可以完成在工作場(chǎng)地內(nèi)的任意坐標(biāo)的移動(dòng)，擴(kuò)大了礦用機(jī)械手的工作范圍。因此將礦用機(jī)械手安置在一個(gè)可全方位移動(dòng)的底盤(pán)上?？紤]到礦井下的空間及地形等惡劣條件，這里主要對(duì)底盤(pán)的設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)的要求： （1） 為了能夠更好地適應(yīng)礦井下凸凹不平的地形，為使礦用機(jī)械手能夠更加平穩(wěn)的夾持工件，礦用機(jī)械手底盤(pán)應(yīng)具有較好的減震效果； （2） 礦井下地方狹小，底盤(pán)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能的減??； （3） 底盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分的適應(yīng)地況不平的工作環(huán)境； 5.2 底盤(pán)各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 5.2.1 全向輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 為了使礦用機(jī)械手整體可以在工作場(chǎng)地內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，最理想的狀況就是可以使其轉(zhuǎn)彎半徑減小至零。因此為了實(shí)現(xiàn)這一目的，在這里選用全向輪作為本全向底盤(pán)的輪子。 這里使用雙排的全向輪，可以使礦用機(jī)械手的震動(dòng)更加的減小。如下圖所示，為全向底盤(pán)的三維結(jié)構(gòu)示意圖 圖 5.1 底盤(pán)三維設(shè)計(jì)圖 底盤(pán)分為上中下三層，最上面一層用以安置礦用機(jī)械手，以作為礦用機(jī)械手整體支撐表面。第二層處則連接全向輪，為礦用機(jī)械手整體與地面接觸層，并與第一層相連接。 全向輪因?yàn)楣δ芴厥?，因此安裝的方法與普通輪子的安裝方法不同，它是將各全向輪的軸線相較于一點(diǎn)，這樣既可通過(guò)控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的不同轉(zhuǎn)速，來(lái)完成礦用機(jī)械手整體的轉(zhuǎn)向。 5.2.2 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 為了能夠符合本此設(shè)計(jì)全氣動(dòng)礦用機(jī)械手的主題，底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)方式也選擇為了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并且為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，這里使用氣動(dòng)馬達(dá)來(lái)作為底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)裝置。 氣動(dòng)馬達(dá)也是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件的一種，使用氣體作為其動(dòng)力傳輸?shù)慕橘|(zhì)，將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，其中裝有葉片，使用其中特有的氣路用氣體推動(dòng)葉片沿中軸旋轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)矩。 其中氣動(dòng)馬達(dá)相對(duì)于普通電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn) （1） 體積小，功率高； （2） 所需能源清潔； （3） 噪聲小，可進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，且調(diào)速控制方便，只需要控制其進(jìn)氣的流量既可； （4） 安全可靠，不產(chǎn)生電火花，不會(huì)過(guò)熱，爆炸等危險(xiǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)； 5.2.3 減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 底盤(pán)在經(jīng)過(guò)礦井下凸凹不平的地面時(shí)，多多少少的都會(huì)引起礦用機(jī)械手本身的震動(dòng)， 因此為了減少這一部分的震動(dòng)，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)既節(jié)約成本，這里使用彈簧對(duì)礦用機(jī)械手 整體進(jìn)行減震，如圖所示： 將礦用機(jī)械手的第一層和第二層之間使用彈簧相連。并且設(shè)置了四個(gè)彈簧，這樣既可以達(dá)到減震的效果，又能起到支撐礦用機(jī)械手的作用。這樣，就相當(dāng)于將礦用機(jī)械手整體與全向輪之間以柔性連接，很好的起到了減震的效果，就相當(dāng)于懸掛減震。 圖 5.2 底盤(pán)減震機(jī)構(gòu) 5.2.4 平穩(wěn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使礦用機(jī)械手底盤(pán)能夠平穩(wěn)的在凸凹不平的地面上仍然能夠保持四個(gè)車(chē)輪全部著地，特此設(shè)計(jì)了一個(gè)使用鉸鏈連接的底盤(pán)，這種底盤(pán)不同于普通的運(yùn)動(dòng)底盤(pán)。它在安裝有全向輪的底盤(pán)第二層實(shí)際上是有兩塊對(duì)稱(chēng)的板組成，每一塊板上都裝有兩個(gè)全向輪。而這兩部分則是由中間的一組鉸鏈連接，其工作原理是三點(diǎn)定一面，當(dāng)?shù)孛娌黄绞牵?如果是普通的底盤(pán)，必定會(huì)有一個(gè)輪子懸空，這樣會(huì)導(dǎo)致控制程序的混亂以及整個(gè)礦用機(jī)械手的晃動(dòng)，而設(shè)計(jì)這種機(jī)構(gòu)可以保證在遇到不平的地面時(shí)，鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，使四個(gè)輪子始終保持全部著地，這樣就彌補(bǔ)了由于不確定情況而造成的控制結(jié)果的混亂。 6 PLC 控制程序的設(shè)計(jì) 6.1 PLC 簡(jiǎn)介 隨著計(jì)算機(jī)的逐漸發(fā)展，人們不再局限于使用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制各種元件進(jìn)行工作，因此有人開(kāi)始將微型計(jì)算機(jī)與各種繼電器相結(jié)合，做成了一種更加油針對(duì)性的，模塊化的計(jì)算機(jī)設(shè)備，及 PLC。 PLC 作為一種可編程控制器，是將計(jì)算機(jī)與各種繼電器巧妙結(jié)合的微型計(jì)算器，其內(nèi)部是由中央處理器，電源，觸點(diǎn)等部分組成。是人們?cè)诓粩嗟卦O(shè)計(jì)研究中不斷地升級(jí)所得到的一種模塊化的，使用便捷，簡(jiǎn)單大眾化的控制硬件。并且在使用過(guò)程中不斷地進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，使得 PLC 的使用范圍更加的廣泛，功能更加強(qiáng)大。其使用的領(lǐng)域現(xiàn)在越來(lái)越多，汽車(chē)、輪船、礦用機(jī)械手以及各種自動(dòng)化的設(shè)備上。其中 PLC 的軟件設(shè)計(jì)比較通俗易懂，是通過(guò)控制要求制定流程圖，再將之轉(zhuǎn)化為與 PLC 相匹配的梯形圖， 最后編寫(xiě)程序注釋?zhuān)奢斎攵溯斎胄盘?hào)，內(nèi)部處理器處理，有輸出端輸出信號(hào)，以完成整個(gè)控制過(guò)程。 6.2 礦用機(jī)械手控制程序編寫(xiě) 6.2.1 控制程序任務(wù) 根據(jù) PLC 的工作機(jī)制完成接線及程序編制。其中 PLC 的工作原理為：PLC 是由微型處理器與繼電器相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以根據(jù)程序員編寫(xiě)的 T 形圖完成程序流程，模擬現(xiàn)實(shí)電路的運(yùn)行，完成其中各繼電器的得電及開(kāi)關(guān)的閉合，并最終輸出正確的模擬結(jié)果。其輸出的結(jié)果即可以控制所連接繼電器的得失電，進(jìn)而控制主電路的通斷電。 礦用機(jī)械手的整體驅(qū)動(dòng)部分是由各個(gè)氣缸組成，其控制元件則選擇電磁閥，為了簡(jiǎn)化控制程序的編寫(xiě)，電磁閥的類(lèi)型皆選用三位四通電磁閥，每個(gè)電磁閥只控制一個(gè)氣缸的一個(gè)氣腔的通放氣（尤其主要注意的是當(dāng)氣缸的一個(gè)氣腔進(jìn)氣時(shí)，必須在編程中控制另外一個(gè)氣缸處于放氣狀態(tài)，否則，氣缸將不能工作）。控制部分使用三菱 PLC。 驅(qū)動(dòng)元件分別為手部夾持氣缸，手部回旋氣缸，手部仰俯氣缸，小臂仰俯氣缸，大臂伸縮氣缸，大臂仰俯氣缸以及底盤(pán)上作為輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件氣動(dòng)馬達(dá)。 氣源為氣泵，由總氣管輸入氣體，經(jīng)由 PLC 控制的電磁閥，按照順序先后輸送給各個(gè)驅(qū)動(dòng)元件。 按照指導(dǎo)老師意見(jiàn)，編寫(xiě)可以控制驅(qū)動(dòng)元件完成以下的動(dòng)作的控制順序，即大臂抬起（大臂仰俯氣缸伸出）---大臂伸出（大臂伸縮氣缸伸出）---小臂下降（小臂仰俯氣缸 伸出）---手指張開(kāi)（手指夾持氣缸收縮）---手指夾持（手指夾持氣缸伸出）--小臂上升 （小臂仰俯氣缸收回），即完成工件的夾持。 以上完成的動(dòng)作為設(shè)定的一系列的礦用機(jī)械手所完成的加持動(dòng)作，此時(shí)礦用機(jī)械手為工件的夾持狀態(tài)。再經(jīng)過(guò)底座上氣動(dòng)馬達(dá)速度合成（此次設(shè)計(jì)是為了模擬底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)， 因此將設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單的底盤(pán)運(yùn)動(dòng)路徑）。底盤(pán)上連接有四個(gè)氣動(dòng)馬達(dá)，這次設(shè)計(jì)預(yù)定是使礦用機(jī)械手原地旋轉(zhuǎn) 90°，因此根據(jù)全向輪的設(shè)計(jì)特性，應(yīng)使四個(gè)啟動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)速相同，這樣，可以趨使礦用機(jī)械手整體圍繞自身的 Z 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可完成工件在水平面上的移動(dòng)（以上可知若要完成更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)控制氣動(dòng)馬達(dá)完成）。 之后在完成工件的放下動(dòng)作，即大臂下降（大臂仰俯氣缸收回） 大臂收縮（大 臂伸縮氣缸收回）---小臂下降（小臂仰俯氣缸伸出） 手指張開(kāi)（手指夾持氣缸收縮）， 即完成整個(gè)礦用機(jī)械手夾放工件的動(dòng)作。 6.2.2 宇龍仿真軟件與程序編寫(xiě) 宇龍仿真軟件是一款在電腦上就可以完成各種電路的實(shí)際模擬的軟件。根據(jù)控制欲求選擇元器件。 熔斷器熔體電流根據(jù)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇。根據(jù)公式, = (1.5~2.5) 其中 = 2.57A 求得 = (3.87~6.34)A 故取熔體電流為 6A 對(duì)于熱繼電器的電流，根據(jù)公式 = 0.95~1.051ed 取 = =2.57A。每個(gè)氣缸都需要控制前后兩個(gè)腔室的進(jìn)氣與出氣， 因此選用三位四通電磁換向閥。控制輸出有 20 個(gè)線圈，因此在 PLC 硬件上需要有大與20 個(gè)輸出點(diǎn)可以使用，因此PLC 選用三菱FX2N-48MR-D 其上有24 個(gè)輸出點(diǎn)可以使用。 表 6.1 宇龍機(jī)電控制仿真軟件元件 元件名稱(chēng) 元件型號(hào) 數(shù)量 元件相關(guān)參數(shù) 直流電源 220V 直流流電源 2 電壓 220V 低壓斷路器 DZ47-60-D5 2 熔斷器 NT0 5 額定電壓 220V 額定電流 125A 電磁閥 10 額定電壓 220V 熱繼電器 HR-1 2 額定電流 100A 按鈕開(kāi)關(guān) BS-1 1 氣泵 1 額定電壓 220V 直線氣缸 4 回旋氣缸 6 PLC FX2N-48MR -D 1 導(dǎo)線 若干 氣管 若干 表 6.2 輸出、輸入信號(hào)接口 輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 名稱(chēng) 代號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 名稱(chēng) 代號(hào) 輸入點(diǎn)編號(hào) 啟動(dòng)按鈕 SB1 I0.0 電磁閥 KM1 Y1 電磁閥 KM2 Y2 電磁閥 KM3 Y3 電磁閥 KM4 Y4 電磁閥 KM5 Y5 電磁閥 KM6 Y6 電磁閥 KM7 Y7 電磁閥 KM8 Y11 電磁閥 KM9 Y12 電磁閥 KM11 Y13 電磁閥 KM12 Y14 電磁閥 KM13 Y15 電磁閥 KM14 Y16 電磁閥 KM15 Y17 電磁閥 KM16 Y18 電磁閥 KM17 Y19 電磁閥 KM18 Y20 電磁閥 KM19 Y22 電磁閥 KM20 Y23 上表中包含了在設(shè)計(jì)中所有輸出端每個(gè)接觸器代表的都是一個(gè)線圈。下表為每個(gè)線圈通電后所能完成的氣缸動(dòng)作。 表 6.3 各線圈得電所完成的動(dòng)作 線圈代號(hào) 完成動(dòng)作 KM1 手部夾持氣缸伸出 KM2 手部夾持氣缸收縮 KM3 手部回旋氣缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM4 手部回旋氣缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) KM5