1、 畢 業 設 計論 文設計(論文)題目：氣動機械手姓 名 學 號 系 部 專 業 年 級 指導教師 _ 2010 年04月15日摘 要伴隨著機電一體化在各個領域的應用，機械設備的自動控制成分顯得越來越重要，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強度，甚至于危機生命。因此機械手就在這樣誕生了,機械手是工業機器人系統中傳統的任務執行機構，是機器人的關鍵部件之一。其中的工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它的開展是由于其積極作用正日益為人們所認識：它能局部地代替人工操作；能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；能制作

2、必要的機具進行焊接和裝配從而大大改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。本設計采用三菱Q系列PLC作為控制機對工業機械手進行控制及監控。關鍵詞：可編程控制器PLC; 機械手; 氣動 ABSTRACTFollows the integration of machinery in each domain application, the mechanical device automatic control ingredient is appearing more and more importantly, industry manipulator is a

3、 new technology which in the modern automatic control domain appears, its development is because its positive role was knowing day by day for the people: It can the partial zones for the manual control; Can defer to the production craft the request, follows the certain procedure, the time and the po

4、sition completes the work piece the transmission and loading and unloading; Can manufacture the essential machines and tools to carry on the welding and the assembly thus greatly improves workers work condition, remarkably enhances the labor productivity, speeds up realizes the industrial production

5、 mechanization and the auto mated step. This design uses grinds the overseas Chinese laborer industry control computer to take on the position machine, Q PLC carries on the monitoring and the performance data as the lower position machine to freedom industries manipulator files away.目 錄 TOC o 1-3 h

6、z u HYPERLINK l _Toc244777827 第一章 緒論 PAGEREF _Toc244777827 h 1 HYPERLINK l _Toc244777828 1.1 氣動機械手概述 PAGEREF _Toc244777828 h 1 HYPERLINK l _Toc244777829 1.2 機械手的組成和分類 PAGEREF _Toc244777829 h 1 HYPERLINK l _Toc244777830 PAGEREF _Toc244777830 h 1 HYPERLINK l _Toc244777831 PAGEREF _Toc244777831 h 3 HYP

7、ERLINK l _Toc244777832 1.3 國內外開展狀況 PAGEREF _Toc244777832 h 4 HYPERLINK l _Toc244777833 PAGEREF _Toc244777833 h 6 HYPERLINK l _Toc244777834 PAGEREF _Toc244777834 h 6 HYPERLINK l _Toc244777835 PAGEREF _Toc244777835 h 7 HYPERLINK l _Toc244777836 第二章 機械手的設計方案 PAGEREF _Toc244777836 h 8 HYPERLINK l _Toc24

8、4777837 PAGEREF _Toc244777837 h 8 HYPERLINK l _Toc244777838 2.2 機械手的手部結構方案設計 PAGEREF _Toc244777838 h 9 HYPERLINK l _Toc244777839 2.3 機械手的手腕結構方案設計 PAGEREF _Toc244777839 h 9 HYPERLINK l _Toc244777840 2.4 機械手的手臂結構方案設計 PAGEREF _Toc244777840 h 9 HYPERLINK l _Toc244777841 2.5 機械手的驅動方案設計 PAGEREF _Toc244777

9、841 h 9 HYPERLINK l _Toc244777842 2.6 機械手的控制方案設計 PAGEREF _Toc244777842 h 10 HYPERLINK l _Toc244777843 2.7 機械手的主要參數 PAGEREF _Toc244777843 h 10 HYPERLINK l _Toc244777844 2.8 機械手的技術參數列表 PAGEREF _Toc244777844 h 10 HYPERLINK l _Toc244777845 2.9 前法蘭式氣缸的簡介 PAGEREF _Toc244777845 h 11 HYPERLINK l _Toc2447778

10、46 第三章 手臂伸縮、回轉氣缸的尺寸設計與校核 PAGEREF _Toc244777846 h 12 HYPERLINK l _Toc244777847 PAGEREF _Toc244777847 h 12 HYPERLINK l _Toc244777848 3.1.2 平衡裝置 PAGEREF _Toc244777848 h 14 HYPERLINK l _Toc244777849 PAGEREF _Toc244777849 h 14 HYPERLINK l _Toc244777850 3.2.1 尺寸設計 PAGEREF _Toc244777850 h 14 HYPERLINK l _T

11、oc244777851 3.2.2 尺寸校核 PAGEREF _Toc244777851 h 14 HYPERLINK l _Toc244777852 第四章 氣動系統設計 PAGEREF _Toc244777852 h 16 HYPERLINK l _Toc244777853 41 氣壓傳動系統工作原理圖 PAGEREF _Toc244777853 h 16第五章 HYPERLINK l _Toc244777854 機械手的PLC控制設計 PAGEREF _Toc244777854 h 18 HYPERLINK l _Toc244777855 PAGEREF _Toc244777855 h

12、18 HYPERLINK l _Toc244777856 5.2 PLC的結構，種類和分類 PAGEREF _Toc244777856 h 18 HYPERLINK l _Toc244777857 5.3 FX2n系列三菱PLC特點 PAGEREF _Toc244777857 h 20 HYPERLINK l _Toc244777858 5.4 接近開關傳感器 PAGEREF _Toc244777858 h 21 HYPERLINK l _Toc244777859 5.5 I/O接口簡介 PAGEREF _Toc244777859 h 21 HYPERLINK l _Toc244777860

13、5.6 行程開關的介紹 PAGEREF _Toc244777860 h 22 HYPERLINK l _Toc244777861 5.6.1 行程開關的概念 PAGEREF _Toc244777861 h 22 HYPERLINK l _Toc244777862 5.6.2 行程開關的作用及原理 PAGEREF _Toc244777862 h 22 HYPERLINK l _Toc244777863 PAGEREF _Toc244777863 h 23 HYPERLINK l _Toc244777864 5.7.1 回路的設計 PAGEREF _Toc244777864 h 23 HYPERL

14、INK l _Toc244777865 5.7.2 系統輸入/輸出分布表 PAGEREF _Toc244777865 h 24 HYPERLINK l _Toc244777866 5.73機械手的程序設計 PAGEREF _Toc244777866 h 25 HYPERLINK l _Toc244777867 5.7.4 步進電機的運行控制 PAGEREF _Toc244777867 h 25 HYPERLINK l _Toc244777868 5.7.5 各模塊的程序設計 PAGEREF _Toc244777868 h 26 HYPERLINK l _Toc244777869 第六章 結 論

15、 PAGEREF _Toc244777869 h 35 HYPERLINK l _Toc244777870 結束語 PAGEREF _Toc244777870 h 36 HYPERLINK l _Toc244777871 參考文獻 PAGEREF _Toc244777871 h 37第一章 緒論1.1 氣動機械手概述氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用

16、。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活潑，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反響和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和效勞性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的局部動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置

17、。在工業生產中應用的機械手被稱為“工業機械手。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現平安生產;尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比擬簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業技術的開展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比擬廣的“程序控制通用機械手，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快

18、的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。1.2 機械手的組成和分類1機械手的組成機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖1-1所示。 圖1-1機械手組成方框圖:Pane chart of composition of manipulator(一)執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運

19、動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比擬復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的外表形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構那么通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿

20、勢)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一局部，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構當工業機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機

21、運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動那么應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的根底局部，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅動系統驅動系統是驅開工業機械手執行機構運動的動力裝置調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成?？刂葡到y有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對

22、執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(三)控制系統控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。(四)位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反響給控制系統，并與設定的位置進行比擬，

23、然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度到達設定位置.機械手的分類工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。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的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使

24、用，驅動系統和控制系統是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現連續軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機械手，伺服型具有伺服系統定位控制系統，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執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、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

25、。假設機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，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，本錢高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執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，本錢低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，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、高溫和粉塵大的環境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工

26、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，但有開展前途。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。假設欲控制的點數多，那么必然增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業機械手均屬于此類。2、連續軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點

27、是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。這類工業機械手一般采用小型計算機進行控制。 國內外開展狀況國外機器人領域開展近幾年有如下幾個趨勢:(1) 工業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，平均單機價格從91年的萬美元降至97年的65萬美元。(2) 機械結構向模塊化、可重構化開展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、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品問市。(3) 工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向開展，便于標準化、

28、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、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，而遙控機器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制;多傳感器融合 配置技術在產品化系統中已有成熟應用。(5) 虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演開展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。(6) 當代遙控機器人系統的開展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控

29、加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。(7) 機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業機器人從80年代“七五科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五、“八五科技攻關，目前己根本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了局部機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆

30、生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、本錢也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業

31、化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”方案的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等根底技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的開展根底。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面那么剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的根底上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五后期立于世界先進行列之中。課題的提出及主要任務1

32、課題的提出進入21世紀，隨著我國人口老齡化的提前到來，近來在東南沿海還出現在大量的缺工現象，迫切要求我們提高勞動生產率，降低工人的勞動強度，提高我國工業自動化水平勢在必行，將機械手，應用于工業自動化生產線，把工業產品從一條生產線搬運到另外一條生產線，實現自動化生產，減輕產業工人大量的重復性勞動，同時又可以提高勞動生產率?，F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，而且影響執行局部的運動平穩性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液

33、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，氣動技術有以下優點:(1)介質提取和處理方便。氣壓傳開工作壓力較低，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)，空氣便于集中供給和遠距離輸送。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，反響靈敏。

34、氣動系統一般只需要即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統也能實現過載保護，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)工作環境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環境中，氣壓傳動與控制系統比機械、電器及液壓系統優越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)本錢低廉。由于氣動系統工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質和加工精度要求，制造容易，本錢較低。傳統觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統中要實現高精度定位比擬困難(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

35、力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有局部被工業界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(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) 設計氣動機械手氣路設計，進行關鍵部件的設計計算；(3) 用PLC對機械手控制的總體設計；第二章 機械手的設計方案 對氣動機械手的根本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反響、一定的承載能力、足夠

36、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那么是:充分分析作業對象(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件;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，并能實現柔性轉換和編程控制.機械手的坐標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱坐標型式。相

37、應的機械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度圖2-1 機械手的運動示意圖2.2 機械手的手部結構方案設計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。2.3 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。2.4 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。

38、手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。2.5 機械手的驅動方案設計由于氣壓傳動系統的動作迅速，反響靈敏，阻力損失和泄漏較小，本錢低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。2.6 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。 機械手的主要參數1.機械手的最大抓重是其規格的主參數，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，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為1

39、公斤。2.根本參數運動速度是機械手主要的根本參數。操作節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/s。最大回轉速度設計為。平均移動速度為/s。平均回轉速度為。 機械手的技術參數列表一、用途:用于自動輸送線的上下料。二、設計技術參數:1、抓重1千克 2、自由度數4個自由度3、坐標型式圓柱坐標4、手臂運動參數伸縮行程100mm伸縮速度40mm/s升降行程150mm升降速度100mm/s回轉范圍回轉速度 5、手腕運動參數回轉范圍 回轉速度6、手指夾持范圍棒料: 10-40 9、定位方式行程開關10、定位

40、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)2.9 前法蘭式氣缸的簡介 氣缸是使機械裝置進行直線往復運動的氣動執行元件。氣缸的類型有很多種，根據使用的需要進行選擇。前法蘭式氣缸的特點：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點是螺釘所承受的軸向力較大！第三章 手臂伸縮、回轉氣缸的尺寸設計與校核3.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核根據實驗設計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產的標準氣缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內徑為63/63. (1).在校核尺寸時，只需校核氣缸內徑=63mm,半徑R=的氣缸的尺寸滿足

41、使用要求即可,設計使用壓強, 那么驅動力： 2. 測定手腕質量和重物的質量之和為7kg,設計加速度，那么慣性力 =107=703.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數, =70 =14 總受力 =70+14=84 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅動力要求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L10d，可以只按強度條件計算活塞桿直徑d 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； 平安系數，S1.4。按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產生軸向彎曲，當縱向力到達極限力以后，活塞桿會產生永久性彎曲變形，出現不穩定現象。該極限力與缸的安裝方式

42、、活塞桿直徑及行程有關。 當長細比 時 當長細比 時 式中 活塞桿計算長度m 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 空心活塞桿內徑直徑m； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數， 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數，對鋼取a=1/5000 平衡裝置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和氣缸的運行參數視具體情況加以調節，務求使兩端盡量接近平衡。手腕回轉氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計此局部選用單片葉片式擺動氣馬達

43、需設計其葉片內直徑與葉片軸直徑計算公式如下： T=R-rbpn/8葉片寬度設計為b=9mm,氣缸內徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數n=1,那么理論驅動力矩 ：T=D1-D2bpn/8 尺寸校核1測定參與手臂轉動的部件的質量m1=2kg,分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑r=53mm的圓盤上，那么轉動慣量： =2 =0.03 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數, 總驅動力矩 TM 設計尺寸滿足使用要求。第四章 氣動系統設計41 氣壓傳動系統工作原理圖圖4-1為該機械手的氣壓傳動系統工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機排氣壓力大于0.4-0.6MPa通過快換

44、接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器，進入各并聯氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖4-1 機械手氣壓傳動原理圖各執行機構調速。但凡能采用排氣口節流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調節全程上的速度。升降氣缸采用進氣節流的單向節流閥以調節手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調節仍采用在電磁閥排氣口安裝節流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側的排氣節流，可用來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省

45、去電磁閥和切換調節閥或行程節流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態下的公稱使用流量相適應來確定的。 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，非常方便快捷。5.1可編程序控器的簡介在60年代，汽車生產流水線的自動控制系統根本上都是由繼電器控制裝置構成的。當時汽車的每一次改型都直接導致繼電器控制裝置的重新設計和安裝。隨著生產的開展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需

46、要經常地重新設計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標指標，即1. 編程方便，現場可修改程序；2. 維修方便，采用模塊化結構；3. 可靠性高于繼電器控制裝置；4. 體積小于繼電器控制裝置；5. 數據可直接送入管理計算機；6. 本錢可與繼電器控制裝置競爭；7. 輸入可以是交流115V； 8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；9. 在擴展時，原系統只要很小變更；10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。1969年，美國數字設備公司(DEC) 研

47、制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。到1971年，已經成功地應用于食品，飲料，冶金，造紙等工業。這一新型工業控制裝置的出現，也受到了世界其他國家的高度重視。1971年，日本從美國引進了這項新技術，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制,于1977年開始工業應用。5.2 PLC的結構，種類和分類 PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構根本上與微型計算機相同，如下圖：

48、圖5-1一中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 二 存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 PLC常用的存儲器類型：(1) RAM (Random Assess Memory) 這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電

49、情況下，存儲器內的所有內容保持不變。(在紫外線連續照射下可擦除存儲器內容)。(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內容進行修改。三 電源 PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。常見的PLC的類型挺多的，有三菱的FX系列、西門子的S7系列、臺灣的豐煒

50、等等。 plc的分類有：(一) 小型PLC 小型PLC的I/O點數一般在128點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通訊聯網以及各種應用指令。(二) 中型PLC中型PLC采用模塊化結構，其I/O點數一般在2561024點之間。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。(三) 大型PL

51、C一般I/O點數在1024點以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊，可以構成三級通訊網，實現工廠生產管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構成表決式系統，使機器的可靠性更高。 FX2n系列三菱PLC特點：1、集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。 對6種根本單元，可以以最小8點為單元連接輸入輸出擴展設備，最大可以擴展輸入輸出256點。2、高速運算 s/指令 應用指令:1.52數100s/指令3、安心、寬裕的存儲器規格 內置8000步RAM存貯器 安裝存儲盒后，最大可以擴展到16000步。 4、豐富的軟元件范圍 輔

52、助繼電器：3072點，定時器：256點，計數：235點 數據存放器；8000點 5、除了具有輸入輸出16256點的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。 6、面向海外的產品適合各種平安規格 為大量實際應用而開發的特殊功能： 開發了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要模擬I/O，高速計數器。 定位控制到達16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。 接近開關傳感器1 接近開關傳感器的概念 在各類開關中，有一種對接近它物件有“感知能力的元件位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性到達控制開關通或斷的目的，這就是

53、接近開關。當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知，開關才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離。不同的接近開關檢出距離也不同。2 接近傳感器的選型和檢測對于不同的材質的檢測體和不同的檢測距離，應選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統中具有高的性能價格比，為此在選型中應遵循以下原那么： 1當檢測體為金屬材料時，應選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。 2當檢測體為非金屬材料時，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應選用電容型接近傳感器。 3金屬體和非金屬要進行遠距離檢測和控制時，應選用光電型接近

54、傳感器或超聲波型接近傳感器。 4對于檢測體為金屬時，假設檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。 3 接近開關傳感器的原理圖: 5.5 I/O接口簡介1I/O接口的概念 CPU與外部設備、存儲器的連接和數據交換都需要通過接口設備來實現，前者被稱為I/O接口，而后者那么被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比擬簡單；而I/O設備品種繁多，其相應的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。(2接口的分類 I/O接口的功能是負責實現CPU通過系統總線把I/O電路和 外圍設備聯系在一起，按照電路和設備的復雜程度，I/O接口的硬件

55、主要分為兩大類： 1I/O接口芯片 這些芯片大都是集成電路，通過CPU輸入不同的命令和參數，并控制相關的I/O電路和簡單的外設作相應的操作，常見的接口芯片如定時計數器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 2I/O接口控制卡 有假設干個集成電路按一定的邏輯組成為一個部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個插件插在系統總線插槽上。 按照接口的連接對象來分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。 5.6 行程開關的介紹.1 行程開關的概念 行程開關就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關 。行程開關又稱 HYPERLINK :/baike.baidu /view/63005

56、1.htm t _blank 限位開關,可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體如行車、門等，簡稱動物上。當物體接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關接點開、合狀態的改變去控制 HYPERLINK :/baike.baidu /view/134362.htm t _blank 電路和機構的動作。 行程開關的作用及原理 行程開關用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據運動部件的行程

57、位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。5.7電路的總體設計.1 回路的設計 整個系統的回路設計如下: 機械手右旋轉機械手上升機械手手臂伸長機械手下降機械手手腕右旋機械手加緊機械手上升機械手手腕左旋機械手手臂收縮 機械手左旋機械手下降機械手手臂伸長機械手手腕右旋機械手下降機械手松開機械手手臂收縮 系統輸入/輸出分布表 輸入輸出X0SQ1右旋限位開關Y0YA1右旋電磁閥X1SQ2上升限位開關Y1YA2左旋電磁閥X2SQ3手臂伸

58、長限位開關Y2YA3手臂伸長電磁閥X3SQ4手腕右轉限位開關Y3YA4手臂收縮電磁閥X4SQ5下降限位開關Y4YA5上升電磁閥X5SQ6工件光電檢測開關Y5YA6下降電磁閥X6SQ7手腕左轉限位開關Y6YA7手腕右轉電磁閥X7SQ8手臂收縮限位開關Y7KA1手腕左轉電磁閥X10SQ9左轉限位開關Y10YA8加緊電磁閥X11SQ10機械手光電限位開關Y112YA9松開電磁閥X12SB5停止按鈕Y12YA10急停電磁閥X13SB6復位按鈕Y30YA11步進電機X14SB7步進電機手動啟動Y31YA15空氣壓縮機繼電器X15YJ2步進電機停止按鈕X16SB8暫停按鈕X17SB8急停按鈕X26YJ4接

59、近傳感器X27K1空氣壓縮機啟動X30K2系統啟動5.73機械手的程序設計自動線的輸送動作由步進電動機帶動實現間隔輸送，實現設計要求的輸送狀況。其工作的過程是：機械手首先處于初始位置，然后經過一系列的動作將斷續傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測檢測開關檢測到工件被取走。然后傳送帶開始轉動，當檢測到下一個工件時傳送帶停止轉動等待機械手來取工件，當然只要機械手取走工件傳送帶就開始轉動，這樣設計是為了節省工作時間從而不會出現機械手等待傳送帶的時間。對程序的要求如下：(1)首先啟動機械手時機械手自動復位處于初始位置；(2)在機械手工作前還要對其進行設備的檢測即機械手空運行一次而且機械手的每一個

60、動作都有相應的定時器進行監控假設超出規定的運行時間那么認為是設備出現故障。(3)機械手設有急停按鈕一般情況下是不被允許使用的只有出現緊急情況時才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯系將被切斷各汽缸處于無動力狀態。 步進電機的運行控制 由于傳送帶的速度要求不高且精度也不是太高所以本設計選擇三相步進電機通電方式為三相雙三拍，利用PLC中的M8014特殊功能繼電器向環形脈沖分配器中發送脈沖然后經光電轉換和功放電路驅動步進電機。環形脈沖分配器選擇YB013芯片此芯片為專用三相步進電機環形脈沖分配器此芯片工作穩定性能優良在實際生產中被廣泛應用。當對射式光電檢測開關檢測到共建的位置時此時停止向