氣動(dòng)機(jī)械手升降臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),氣動(dòng),機(jī)械手,升降,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 北京信息科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題 目: 氣動(dòng)機(jī)械手升降臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，面板操縱式 （有動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì) 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(機(jī)電方向) 學(xué)生姓名: 班 級/學(xué) 號 指導(dǎo)老師/督導(dǎo)老師: 起止時(shí)間: 摘 要 本文簡要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，PLC控制的特點(diǎn),觸摸屏的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。 本文對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算了機(jī)械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)。 本文系統(tǒng)地研究了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，對氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進(jìn)行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。 利用可編程序控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取了合適的PLC型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，對機(jī)械手的面板操縱式（有動(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)；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(jī)械手概述 ------------------------------------------------------------- 1 1.2機(jī)械手的組成和分類 --------------------------------------------------------- 1 1.2.1機(jī)械手的組成 --------------------------------------------------------- 1 1.2.2機(jī)械手的分類 ---------------------------------------------------------- 2 1.3 PLC與觸摸屏概述 ----------------------------------------------------------- 3 1.4國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ------------------------------------------------------------- 3 1.5課題的提出及主要任務(wù) ------------------------------------------------------- 4 1.5.1課題的提出 ------------------------------------------------------------ 4 1.5.2課題的主要任務(wù) -------------------------------------------------------- 5 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.1機(jī)械手的類型和自由度的選擇 ------------------------------------------------- 6 2.2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------- 6 2.3機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------- 6 2.4機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定---------------------------------------------------- 6 2.5 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)-------------------------------------------- ------- 6 2.6機(jī)械手的主要參數(shù) ----------------------------------------------------------- 7 2.7機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ------------------------------------------------------- 7 第三章 手部結(jié)構(gòu)的選擇,手臂伸縮的選擇，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核 3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) ------------------------------------------------------------ 9 3.1.1 手指的形狀和分類 ------------------------------------------------------ 9 3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 ------------------------------------------------------ 9 3.2升降缸的尺寸設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與校核 ------------------------------------------------ 11 3.2.3 伸縮缸的選擇 ---------------------------------------------------------- 16 3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 -------------------------------------------------- 16 第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------ 20 第五章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計(jì) 5.1可編程序控制器的選擇 ------------------------------------------------------- 21 5.2機(jī)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(shè)計(jì) ------------------------------------------- 21 5.2.3 可編程序控制器的存儲區(qū)設(shè)計(jì) -------------------------------------------- 22 5.3硬件、軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與組態(tài) ---------------------------------------------------- 23 5.3.2 軟件設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------------- 23 5.3.3 硬件調(diào)試與系統(tǒng)調(diào)試 ---------------------------------------------------- 23 5.3.4 梯形圖設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------------ 23 5.3.5 機(jī)械手控制程序 -------------------------------------------------------- 23 第六章 觸摸屏上位機(jī)設(shè)計(jì) --------------------------------------------------- 25 第七章??結(jié)論 ---------------------------------------------------------------- 28 結(jié)束語 ----------------------------------------------------------------------- 29 參考文獻(xiàn) --------------------------------------------------------------------- 30 III 機(jī)械升降臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),面板操縱式(有動(dòng)力)點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì) 第一章 緒 論 1.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 工業(yè)機(jī)器人是能模仿人體某些器官的功能(主要是動(dòng)作功能)、有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動(dòng)操作裝置。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、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(jī)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(yùn)或工藝操作。 “機(jī)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(xué)幻想戲劇《羅素姆萬能機(jī)器人》中第一次使用了機(jī)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(jì)50年代末，美國在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其稱為工業(yè)機(jī)器人； 60年代初，美國研制成功兩種工業(yè)機(jī)器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動(dòng)生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)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(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機(jī)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(dòng)控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過程的同時(shí)，工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。示教輸入程序的工業(yè)機(jī)器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。 1.2 機(jī)械手的組成及分類 1.2.1機(jī)械手的分類 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)以及位置檢測裝置等所組成。如下示意圖1-1. 圖1-1 機(jī)械手示意圖 1.2.2 機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 (一)按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1、專用機(jī)械手 專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手等。 2、通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)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(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)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(jī)械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動(dòng)方式分 1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，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(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 4、電力傳動(dòng)機(jī)械手 電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (三)按控制方式分 1、點(diǎn)位控制 點(diǎn)位控制的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 連續(xù)軌跡控制的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)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(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它擁有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)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(jī)器人和CAD/CAM)之一。 人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)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(yīng)付隨時(shí)可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機(jī)械設(shè)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(jī)界面能夠明確指示并告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡單生動(dòng)`，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(gè)機(jī)器設(shè)備。使用人機(jī)界面還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化，同時(shí)也能減少PLC控制器所需的I/O點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時(shí)由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價(jià)值。 觸摸屏作為一種新型的人機(jī)界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡單易用，強(qiáng)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(yīng)用非常廣泛，比如:自動(dòng)化停車設(shè)備、自動(dòng)洗車機(jī)、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(diào)整。 隨著科技的飛速發(fā)展，越來越多的機(jī)器與現(xiàn)場操作都趨向于使用人機(jī)界面， PLC控制器強(qiáng)大的功能及復(fù)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(jī)的出現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運(yùn)而生無疑是21世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域里的一個(gè)巨大的革新。 1.4 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢: (1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 1.5課題研究內(nèi)容 1.5.1課題的提出 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)在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場地，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。 (2)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。 (3)因液壓脈動(dòng)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(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)， 氣動(dòng)技術(shù)有以下優(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，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)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(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動(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)過載保護(hù)，便于自動(dòng)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(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。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)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(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。 由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件, 使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)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(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。 1.5.2課題的主要任務(wù) 1、進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)； 2、對氣動(dòng)機(jī)械手氣路了解，進(jìn)行關(guān)鍵部件的研究，完成氣動(dòng)閥座零件圖。 本課題采用的是南通大學(xué)電子氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺， 3、設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械升降臂回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；完成氣動(dòng)機(jī)械手升降臂結(jié)構(gòu)裝配圖、氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖。 設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手伸縮行程10CM，升降行程5CM，旋轉(zhuǎn)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(dòng)力）點(diǎn)位示教部分控制軟件設(shè)計(jì)與上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)械手的操作版面如圖1-2所示； 示教 圖1-2 操作版面 5、機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì):本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號為西門子S7-200，根據(jù)機(jī)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(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-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，簡化設(shè)計(jì)制造過程，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，是一種模擬大中型場合工作的機(jī)械搬運(yùn)設(shè)備?？梢愿淖儎?dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，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(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 2.1機(jī)械手主要類型和自由度的選擇 手臂的機(jī)構(gòu)基本上決定了操作機(jī)的工作空間范圍，按機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)形式和形態(tài)來進(jìn)行分類，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。（1）直角坐標(biāo)型具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個(gè)互相垂直的獨(dú)立位移。由于其運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡單等特點(diǎn)，但操作靈活性較差，運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn)。（2）圓柱坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為(z，r，θ)。這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較高的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運(yùn)機(jī)器人。（3）球座標(biāo)型具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞兩個(gè)平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對工作空間大等特點(diǎn)，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。 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)，在操作機(jī)中主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目應(yīng)等于操作機(jī)的自由度，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。 2.2 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。本系統(tǒng)采用南通大學(xué)的WQK-III電子氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制。 2.3 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。本機(jī)械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進(jìn)行編程控制。 2.4 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。本文設(shè)計(jì)的是抓握直徑為?5~ ?20的零件。 2.5 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)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(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)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運(yùn)動(dòng)由伸縮氣缸來實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)。 2.6 機(jī)械手的主要參數(shù) 1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求抓取的工件質(zhì)量為0.5KG。 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)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過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。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、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?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(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,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(jī)械手的定位精度為。 2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途: 用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容研究。 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1、抓重 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 5、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 8、手指夾持范圍 棒料: 9、定位方式 行程開關(guān) 10、定位精度 11、驅(qū)動(dòng)方式 氣壓傳動(dòng) 12、控制方式 點(diǎn)位程序控制(采用PLC) 圖2-1 機(jī)械手的模型 第三章 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮， 升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部；如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)。 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)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(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 (二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 (三)保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。 (四)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (五)考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。 3.2升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核和伸縮缸的選擇 3.2.1 氣缸的分類 普通氣缸的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位 活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位（或借助彈簧力復(fù)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(fù)位；行程短；結(jié)構(gòu)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(fù)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(fēng)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，活塞行程可根據(jù)實(shí)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(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且其速度和行程都相等 不可調(diào)緩沖氣缸：設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點(diǎn)時(shí)減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整 可調(diào)緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整 （3）特殊氣缸 差動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣 雙活塞氣缸：兩個(gè)活塞同時(shí)向相反方向運(yùn)動(dòng) 多位氣缸：活塞桿沿行程長度方向可在多個(gè)位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個(gè)位置 串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個(gè)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(jié)合的方法得到活塞桿的快速?zèng)_擊運(yùn)動(dòng)，用于切斷、沖孔、打入工件等 數(shù)字氣缸：將若干個(gè)活塞沿軸向依次裝在一起，每個(gè)活塞的行程由小到大，按幾何級數(shù)增加 回轉(zhuǎn)氣缸：進(jìn)排氣導(dǎo)管和導(dǎo)氣頭固定而氣缸本體可相對轉(zhuǎn)動(dòng)。用于機(jī)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(zhuǎn)換為活塞桿的機(jī)械位移。用于自動(dòng)調(diào)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(dāng)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(qū)動(dòng)大活塞，小活塞便可輸出相應(yīng)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(diǎn)，獲得活塞桿的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng) 3.2.2升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 (1) 活塞桿上輸出力和缸徑的計(jì)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(cè)有活塞桿,所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等.活塞左行時(shí)活塞桿產(chǎn)生推力,活塞右行時(shí)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(shí)的總阻力與眾多因素有關(guān),如運(yùn)動(dòng)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(jì)入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,則計(jì)入載荷率后 （3-3） （3-4） 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特征.若氣缸動(dòng)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(shí)取小值,速度低時(shí)取大值.若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運(yùn)動(dòng),其載荷率可取。根據(jù)要求本次設(shè)計(jì)中,我們?nèi)??；钊麠U拉力為克服機(jī)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(dāng)推力作功時(shí) （3-5） （3-6） 用式（3-6）計(jì)算時(shí)，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定，詳細(xì)計(jì)算見活塞的計(jì)算。估定活塞桿直徑可按 計(jì)算（必要時(shí)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(shí)取小值，缸徑較小時(shí)取大值。 以上公式計(jì)算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算 1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長度L較小時(shí)（L≤10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)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(yīng)力(Pa), 材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）； 安全系數(shù)，S≥1.4。 按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)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(guān)。 當(dāng)長細(xì)比 時(shí) （3-9） 當(dāng)長細(xì)比 時(shí) （3-10） 式中 活塞桿計(jì)算長度（m），見表3-3 活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑， 實(shí)心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實(shí)心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實(shí)心桿 空心桿 系數(shù)，見表3-3 材料彈性模量，對鋼取 材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)半徑(實(shí)心桿) 所以長細(xì)比 所以 若縱向推力載荷（總載荷）超過極限力，就應(yīng)采取相應(yīng)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(jì)算長度L及系數(shù)n n 安裝方式 (3)缸筒壁厚的計(jì)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 ，所以通常可以按薄壁筒公式計(jì)算 （3-11） 式中 氣缸筒的壁厚（m）； 氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）； 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 氣缸工作壓力（Pa）； 缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）； 材料抗拉強(qiáng)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(jì)算出的缸筒壁厚都相當(dāng)薄，但考慮到機(jī)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(dāng)加厚，且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 1、工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 當(dāng)工件為Φ20時(shí)， R=10＞? J的計(jì)算取R＞?情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計(jì)算： 當(dāng)工件為Φ5時(shí)， J的計(jì)算取R=10＞?情況下的公式，查表3-5可知，按圓柱體計(jì)算： 因?yàn)?，J工件（ф20）＞J工件（ф5）， 所以，J工件取J工件（ф20）=計(jì)算。 2、手部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，查表3-5可知，按長方體計(jì)算。 因?yàn)?，m手部總=1.5（kg） 表3-5 （續(xù)表3-5） 伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3、旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 4、旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算： ⑴克服啟動(dòng)慣性所需的力矩M慣： ??????????? 式中：ω——手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度（1/s） t啟——啟動(dòng)過程中所需的時(shí)間（s） t啟=0.1 s 圖3-6 那么， ⑵腕部回轉(zhuǎn)所屬的總力矩M總： 由于手夾持在工件重心（中心）位置轉(zhuǎn)動(dòng)， 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(jì)算可以將M慣 適當(dāng)放大，而省略掉M偏、M摩，這時(shí)M總=1.5×M慣 那么，M總=1.5×M慣=0.45(Nm) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第4版資料，選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸（缸徑為50mm）型號：DRQ-PPVJ-A。 在0.5Mpa時(shí)，轉(zhuǎn)矩為6Nm，大于M總?（安全）。 第四章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 1． 基本氣動(dòng)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(jī)、壓力開關(guān)、儲氣罐、單向閥、自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)圖 V1a V1b V2a V2b V3a V3b V1 V2 V3 V4 氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)原理見圖4-1,雙電控?fù)Q向閥可以保證電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),機(jī)械手動(dòng)作不變。兩位五通閥可以使手臂回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位。各氣缸的到位信號由磁性開關(guān)產(chǎn)生，控制器檢測到信號后控制電磁閥做出下一部動(dòng)作。只要更改控制程序，機(jī)械手就可勝任不同任務(wù)。 單向節(jié)流閥直接安裝在氣缸上?，F(xiàn)有的氣動(dòng)元件基本上是無油潤滑，可以不用油霧器。 第五章 機(jī)械手的PLC控制設(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. 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(shè)計(jì)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(shí),應(yīng)考慮到開關(guān)量、模擬量模塊的擴(kuò)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(gè)數(shù),本機(jī)I/O點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)等,當(dāng)然還要考慮性能價(jià)格比,在滿足要求的前提下盡量降低硬件成本。本機(jī)選用S7-200 CPU 224CN的型號。 5.2 機(jī)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(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手。它的手臂具有三個(gè)自由度，即水平方向的伸、縮;豎直方向的上、下;繞豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置— 機(jī)械手，還可完成抓、放功能。以上各動(dòng)作均采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，即用五個(gè)二位五通電磁閥(每個(gè)閥有兩個(gè)線圈，對應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作)分別控制五個(gè)氣缸，使機(jī)械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變機(jī)械手的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。 5.2.2可編程序控制器的工作流程設(shè)計(jì) 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(wù)的。進(jìn)入界面以后,先進(jìn)行初始化,使機(jī)械手的各個(gè)位置處于未工作狀態(tài)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。 當(dāng)進(jìn)入手動(dòng)程序后，用戶可根據(jù)自己的需要選擇機(jī)械手的工作方式。當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)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(dāng)結(jié)束示教的時(shí)候，PLC停止記錄數(shù)據(jù)