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說 明 書 摘 要
本實用新型公開了一種伺服機(jī)械手，包括底座、電動機(jī)、支撐架、單桿氣缸、行程光電開關(guān)、伸縮桿、推動氣缸、緊固螺母、行走平臺、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降手臂、升降光電開關(guān)、頂升桿、轉(zhuǎn)盤、彈簧、安裝頭、氣動手抓、夾板、基座和插接銷；所述底座的上端安裝有支撐架，支撐架的中間設(shè)置有基座；所述支撐架的兩側(cè)設(shè)置有夾板，兩者緊固連接；所述電動機(jī)安裝在底座上，底座的兩端利用插接銷固定；該伺服機(jī)械手，由于設(shè)置有夾板，對單桿氣缸起到了保護(hù)作用，增強(qiáng)了單桿氣缸的強(qiáng)度；在安裝頭上的安全報警開關(guān)和電動機(jī)電性連接，當(dāng)出現(xiàn)故障時，安全報警開關(guān)會使電動機(jī)停止工作，提高了整個裝置的安全性。
10004
2010.2
1
摘 要 附 圖
10005
2010.2
1
權(quán) 利 要 求 書
1.一種伺服機(jī)械手，包括底座（1）、電動機(jī)（2）、支撐架（3）、單桿氣缸（4）、行程光電開關(guān)（5）、伸縮桿（6）、推動氣缸（7）、緊固螺母（8）、行走平臺（9）、旋轉(zhuǎn)氣缸（10）、升降手臂（11）、升降光電開關(guān)（12）、頂升桿（13）、轉(zhuǎn)盤（14）、彈簧（15）、安裝頭（16）、氣動手抓（17）、夾板（18）、基座（19）和插接銷（20）；其特征在于：所述底座（1）的上端安裝有支撐架（3），支撐架（3）的中間設(shè)置有基座（19）；所述支撐架（3）的兩側(cè)設(shè)置有夾板（18），兩者緊固連接；所述電動機(jī)（2）安裝在底座（1）上，底座（1）的兩端利用插接銷（20）固定；所述單桿氣缸（4）安裝在基座（19）上，在單杠氣缸（4）上設(shè)置有頂升桿（13），其頂升桿（13）和基座（19）活動連接；所述單桿氣缸（4）的右側(cè)安裝有升降光電開關(guān)（11）；所述旋轉(zhuǎn)氣缸（10）利用緊固螺母（8）安裝在推動氣缸（7）的右側(cè)；所述行走平臺（9）安裝在推動氣缸（7）的下端，推動氣缸（7）的上端固定安裝有伸縮桿（6）；所述推動氣缸（7）的左端連接有行程光電開關(guān)（5）；所述旋轉(zhuǎn)氣缸（10）和轉(zhuǎn)盤（14）通過升降手臂（11）活動連接；所述轉(zhuǎn)盤（14）的內(nèi)部設(shè)置了彈簧（15），轉(zhuǎn)盤的下端設(shè)置有安裝頭（16），氣動手抓（17）連接在安裝頭（16）上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服機(jī)械手，其特征在于：所述彈簧（15）為高彈性彈簧，該裝置設(shè)置有兩個彈簧（15），兩彈簧（15）緊固連接，其彈簧（15）的下端和安裝頭（16）緊固連接，在安裝頭（16）上安裝有安全報警開關(guān)，安全報警開關(guān)和電動機(jī)（2）通過導(dǎo)線電性連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服機(jī)械手，其特征在于：所述電動機(jī)（2）為伺服電機(jī)，在電動機(jī)（2）上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅(qū)動基座（19）的旋轉(zhuǎn)和頂升桿（13）的升降，單桿氣缸（4）兩側(cè)的夾板（18）為L形結(jié)構(gòu)，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板（18）。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服機(jī)械手，其特征在于：所述行程光電開關(guān)（15）和升降光電（12）開關(guān)均為PLC電氣元件，其行程光電開關(guān)（5）控制伸縮桿（6）和推動氣缸（7）的移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種伺服機(jī)械手，其特征在于：所述氣動手抓（17）上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)管和推動氣缸（7）相連通。
10001
2010.2
2
說 明 書
一種伺服機(jī)械手
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及機(jī)械設(shè)備應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種伺服機(jī)械手。
背景技術(shù)
機(jī)械手是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實際應(yīng)用的自動化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)械手主要是針對沖床自動上下料的應(yīng)用，下半部結(jié)構(gòu)為方形，機(jī)械臂從中間引申出去的，運(yùn)用絲桿和導(dǎo)軌，性能不穩(wěn)定 ；占地空間大，不利于節(jié)省空間資源 ；而且電氣部分和機(jī)械部分在一起，可能會引起干擾，也不大方便模塊化集成。機(jī)械手是能模仿人手的某些動作功能，用以按固定程序抓取，搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置，機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全。目前機(jī)械手的應(yīng)用越來越廣泛，但是目前很多機(jī)械手，自動化程度都相對較低，對準(zhǔn)精度差。因此急需一種改進(jìn)的技術(shù)來解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的這一問題。
實用新型內(nèi)容
本實用的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供了一種伺服機(jī)械手，通過升降光電開關(guān)和形成光電來分別驅(qū)動頂升桿桿的升降和推動氣缸的移動，大大提高了工作效率，當(dāng)出現(xiàn)故障時安全報警開關(guān)使得電動機(jī)停止工作，提高了該裝置的安全系數(shù)；以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：一種伺服機(jī)械手，包括底座、電動機(jī)、支撐架、單桿氣缸、行程光電開關(guān)、伸縮桿、推動氣缸、緊固螺母、行走平臺、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降手臂、升降光電開關(guān)、頂升桿、轉(zhuǎn)盤、彈簧、安裝頭、氣動手抓、夾板、基座和插接銷；所述底座的上端安裝有支撐架，支撐架的中間設(shè)置有基座；所述支撐架的兩側(cè)設(shè)置有夾板，兩者緊固連接；所述電動機(jī)安裝在底座上，底座的兩端利用插接銷固定；所述單桿氣缸安裝在基座上，在單杠氣缸上設(shè)置有頂升桿，其頂升桿和基座活動連接；所述單桿氣缸的右側(cè)安裝有升降光電開關(guān)；所述旋轉(zhuǎn)氣缸利用緊固螺母安裝在推動氣缸的右側(cè)；所述行走平臺安裝在推動氣缸的下端，推動氣缸的上端固定安裝有伸縮桿；所述推動氣缸的左端連接有行程光電開關(guān)；所述旋轉(zhuǎn)氣缸和轉(zhuǎn)盤通過升降手臂活動連接；所述轉(zhuǎn)盤的內(nèi)部設(shè)置了彈簧，轉(zhuǎn)盤的下端設(shè)置有安裝頭，氣動手抓連接在安裝頭上。
優(yōu)選的，所述彈簧為高彈性彈簧，該裝置設(shè)置有兩個彈簧，兩壓縮彈簧緊固連接，其彈簧的下端和安裝頭緊固連接，在安裝頭上安裝有安全報警開關(guān)，安全報警開關(guān)和電動機(jī)通過導(dǎo)線電性連接。
優(yōu)選的，所述電動機(jī)為伺服電機(jī)，在電動機(jī)上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅(qū)動基座的旋轉(zhuǎn)和頂升桿的升降，單桿氣缸兩側(cè)的夾板為L形結(jié)構(gòu)，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板。
優(yōu)選的，所述行程光電開關(guān)和升降光電開關(guān)均為PLC電氣元件，其行程光電開關(guān)控制伸縮桿和推動氣缸的移動。
優(yōu)選的，所述氣動手抓上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)管和推動氣缸相連通。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：該伺服機(jī)械手，由于設(shè)置有夾板，對單桿氣缸起到了保護(hù)作用，增強(qiáng)了單桿氣缸的強(qiáng)度；其行程光電開關(guān)和升降光電開關(guān)均為電氣元件，對基座和伸縮桿的控制更加穩(wěn)定和靈活；在安裝頭上的安全報警開關(guān)和電動機(jī)電性連接，當(dāng)出現(xiàn)故障時，安全報警開關(guān)會使電動機(jī)停止工作，提高了整個裝置的安全性。
附圖說明
圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中：1底座、2電動機(jī)、3支撐架、4單桿氣缸、5行程光電開關(guān)、6伸縮桿、7推動氣缸、8緊固螺母、9行走平臺、10旋轉(zhuǎn)氣缸、11升降手臂、12升降光電開關(guān)、13頂升桿、14轉(zhuǎn)盤、15彈簧、16安裝頭、17氣動手抓、18夾板、19基座和20插接銷。
具體實施方式
下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
實施例
請參閱圖1，本實用新型提供一種技術(shù)方案：一種伺服機(jī)械手，包括底座1、電動機(jī)2、支撐架3、單桿氣缸4、行程光電開關(guān)5、伸縮桿6、推動氣缸7、緊固螺母8、行走平臺9、旋轉(zhuǎn)氣缸10、升降手臂11、升降光電開關(guān)12、頂升桿13、轉(zhuǎn)盤14、彈簧15、安裝頭16、氣動手抓17、夾板18、基座19和插接銷20；所述底座1的上端安裝有支撐架3，支撐架3的中間設(shè)置有基座19；所述支撐架3的兩側(cè)設(shè)置有夾板18，兩者緊固連接；所述電動機(jī)2安裝在底座1上，底座1的兩端利用插接銷20固定；所述單桿氣缸4安裝在基座19上，在單杠氣缸4上設(shè)置有頂升桿13，其頂升桿13和基座19活動連接；所述單桿氣缸4的右側(cè)安裝有升降光電開關(guān)12；所述旋轉(zhuǎn)氣缸10利用緊固螺母8安裝在推動氣缸7的右側(cè)；所述行走平臺9安裝在推動氣缸7的下端，推動氣缸7的上端固定安裝有伸縮桿6；所述推動氣缸7的左端連接有行程光電開關(guān)5；所述旋轉(zhuǎn)氣缸10和轉(zhuǎn)盤14通過升降手臂11活動連接；所述轉(zhuǎn)盤14的內(nèi)部設(shè)置了彈簧15，轉(zhuǎn)盤14的下端設(shè)置有安裝頭16，氣動手抓17連接在安裝頭16上。
所述彈簧15為高彈性彈簧，該裝置設(shè)置有兩個彈簧15，兩彈簧15緊固連接，其彈簧15的下端和安裝頭16緊固連接，在安裝頭16上安裝有安全報警開關(guān)，安全報警開關(guān)和電動機(jī)2通過導(dǎo)線電性連接，出現(xiàn)故障時，安全報警開關(guān)會使電動機(jī)2停止工作，提高了整個裝置的安全性；所述電動機(jī)2為伺服電機(jī)，在電動機(jī)2上安裝有兩個V帶齒輪，分別驅(qū)動基座19的旋轉(zhuǎn)和頂升桿13的升降，單桿氣缸4兩側(cè)的夾板18為L形結(jié)構(gòu)，采用高碳鋼制造，該裝置安裝有四個夾板18，對單桿氣缸4起到了保護(hù)作用，增強(qiáng)了單桿氣缸4的強(qiáng)度；所述行程光電開關(guān)5和升降光電開關(guān)12均為PLC電氣元件，對基19和伸縮桿6的控制更加穩(wěn)定和靈活，其行程光電開關(guān)5控制伸縮桿6和推動氣缸7的移動；所述氣動手抓17上安裝有氣動軸，其氣動軸為圓柱體結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)管和推動氣缸7相連通。
本實用新型在使用時候，電動機(jī)1啟動后，電動機(jī)2上的V帶輪驅(qū)動基座19旋轉(zhuǎn)，此時單桿氣缸4會推動頂升桿12上升或下降；行程光電開關(guān)5使得伸縮桿6和推動氣缸7在行走平臺9上前后移動；當(dāng)氣動手抓17位于提取物品正上方時，旋轉(zhuǎn)氣缸10驅(qū)動升降手臂11下降，使得氣動手抓17抓緊提取物品，然后升降光電開關(guān)13驅(qū)動升降手臂11上升，V帶輪驅(qū)動基座19旋轉(zhuǎn)，使氣動手抓17將提取物品放置合適位置，如此反復(fù)循環(huán)；出現(xiàn)故障時，安全報警開關(guān)會使得電動機(jī)停止工作，保證了工作的安全性。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實用新型內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
10002
2010.2
5
說 明 書 附 圖
圖 1
10003
2010.2
1
寧學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)
一種基于PLC控制的
伺服機(jī)械手的設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
2016年 3月 30日
摘 要
近代的工業(yè)機(jī)械手是由目標(biāo)機(jī)械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手對于提高和確保產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)結(jié)合了多們學(xué)科的知識。包含機(jī)構(gòu)學(xué)、計算機(jī)、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等。它是當(dāng)代十分活躍，應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域。
課題將設(shè)計一個伺服機(jī)械手，將用于工作人員出入，物料搬運(yùn)的伺服機(jī)械手。機(jī)械手具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強(qiáng)，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機(jī)械手是工業(yè)進(jìn)步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當(dāng)今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機(jī)械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
本文闡述了機(jī)械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機(jī)械手設(shè)計要求和進(jìn)行了總體方案設(shè)計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；工業(yè)；傳動；強(qiáng)度
V
Abstract
Modern industrial manipulator is composed of target machine body, system controller, sensing device system, control system and servo drive system, is a people to imitate operation and automation control, multiple programming, to complete the various operations of the mechatronics equipment in the three-dimensional space. The industrial manipulator to improve and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technology combined with multi discipline knowledge. Contains mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics etc.. It is the very active, very wide field of application.
We design a servo manipulator, will be used for staff entry, material handling servo manipulator. The manipulator has the ability of many humans do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Nowadays, industrial robot has become a worldwide concern of the industry.
In this paper, the history of the development of manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority proposed specific manipulator design requirements and the overall scheme design and various degrees of freedom of the design of the concrete structure, calculation.
Keywords: manipulator; industrial; transmission; strength
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1課題背景及目的 1
1.2伺服機(jī)械手的定義與發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2.1定義 1
1.2.2 伺服機(jī)械手的發(fā)展 2
1.3課題研究意義 2
1.4主要研究的內(nèi)容 3
第2章 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)介紹分析 5
2.1伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu) 5
2.2伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的組成 5
2.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 5
2.4伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分類 6
第3章 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動方案選型 8
3.1原始數(shù)據(jù)及資料 8
3.2伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)形式及分析動作要求 8
3.2.1機(jī)構(gòu)形式 8
3.2.2動作要求分析 9
3.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型 9
第4章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計 10
4.1手部設(shè)計計算 10
4.2腕部設(shè)計計算 13
4.3臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計 15
4.4氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 17
4.5手部抓取缸 18
4.6腕部擺動氣壓回路 18
4.7小臂伸縮缸氣壓回路 19
4.8總體系統(tǒng)圖 20
4.9機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 22
4.9.1 電機(jī)的選擇 23
4.9.2 減速器的選擇 23
4.9.3螺柱的設(shè)計與校核 24
4.9.4機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 25
4.10伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的定位及平穩(wěn)性確定 26
4.10.1常用的定位方式 26
4.10.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 27
4.10.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動的緩沖裝置 28
第5章 搬運(yùn)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 29
5.1 搬運(yùn)機(jī)械手的工藝過程 29
5.2 PLC 控制系統(tǒng) 30
5.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計 32
總結(jié)與展望 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
第1章 緒論
1.1課題背景及目的
畢業(yè)設(shè)計是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在校學(xué)習(xí)的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學(xué)學(xué)習(xí)的繼續(xù)深化和檢驗，即有實踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過畢業(yè)設(shè)計更能提高綜合訓(xùn)練能力，為即將走向工作崗位，提高實際工作能力起到十分重要的作用。以達(dá)到如下目的：
（1）綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能，提高分析解決實際問題的能力。
（2）接受工程師必須的綜合訓(xùn)練，提高實際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料并進(jìn)行分析的能力；制訂設(shè)計或試驗方案的能力；設(shè)計、計算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫論文的能力。
（3）檢驗綜合素質(zhì)與實踐能力。
1.2伺服機(jī)械手的定義與發(fā)展?fàn)顩r
1.2.1定義
目前，工業(yè)伺服機(jī)械手的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國伺服機(jī)械手協(xié)會給工業(yè)伺服機(jī)械手下的定義：工業(yè)伺服機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)伺服機(jī)械手作如下定義：
工業(yè)伺服機(jī)械手是一種機(jī)體獨(dú)立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具[1]。
工業(yè)伺服機(jī)械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。
工業(yè)伺服機(jī)械手是在計算機(jī)控制下可編程的自動伺服機(jī)械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度的一種有效手段。伺服機(jī)械手的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強(qiáng)大的生命力[2]。
根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)伺服機(jī)械手具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。
在工業(yè)伺服機(jī)械手的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)伺服機(jī)械手，利用錐齒輪傳動實現(xiàn)伺服機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實現(xiàn)其移動以及對零件的抓取。在步進(jìn)電機(jī)的控制下，機(jī)器達(dá)到精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
1.2.2 伺服機(jī)械手的發(fā)展
工業(yè)伺服機(jī)械手的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：
第一代工業(yè)伺服機(jī)械手就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)伺服機(jī)械手，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。
第二代伺服機(jī)械手是帶感覺的伺服機(jī)械手。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)伺服機(jī)械手要復(fù)雜得多，這種伺服機(jī)械手從1980年開始進(jìn)入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。
第三代工業(yè)伺服機(jī)械手即智能伺服機(jī)械手。這種伺服機(jī)械手除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種伺服機(jī)械手還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用[2-4]。
1.3課題研究意義
(1)培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨(dú)立工作能力，拓寬和。
(2)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法。
(3)培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進(jìn)行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。
(4)培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。
1.4主要研究的內(nèi)容
隨著搬運(yùn)機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究搬運(yùn)機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容：
要求獨(dú)立完成工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試。
(1) 如圖所示，有兩部機(jī)械對工作物進(jìn)行加工，加工位置分別是A點、B點，要求由搬運(yùn)機(jī)械手臂將加工物從A點送至B點。
(2) 手動操作，每個動作均能單獨(dú)操作，用于將搬運(yùn)機(jī)械手復(fù)歸至原點位置；
(3) 連續(xù)運(yùn)行，在原點位置按起動按鈕時，搬運(yùn)機(jī)械手按圖連續(xù)工作一個周期，一個周期的工作過程如下：
原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點。
任務(wù)要求：
1) PLC外部接線圖，以及其它相關(guān)設(shè)備的電氣圖；PLC編程元件明細(xì)表，應(yīng)包含定時器、計數(shù)器等元件的設(shè)定值；
2) 完整的程序資料，應(yīng)包括PLC工序圖、梯形圖、指令表等3種格式的程序及注解；
9
第2章 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)介紹分析
2.1伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，顧名思義，是指能模仿人手的部分動作，用以完成某些抓放，搬運(yùn)物件或操縱工具等工作的自動化機(jī)械裝置。伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)通常用附屬于它所服務(wù)的設(shè)備，動作程序固定，多數(shù)沒有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機(jī)的控制系統(tǒng)（不包括工業(yè)伺服機(jī)械手）。
2.2伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機(jī)身機(jī)座等，其中最主要是運(yùn)動系統(tǒng)。
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。
手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤），驅(qū)動元件和傳動元件等組成。
腕部、臂部、機(jī)身是將手部抓取的工件或工具進(jìn)行搬運(yùn)或操作的部件。
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部和伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動機(jī)構(gòu)動作的動力裝置，常用的驅(qū)動方式有液壓、氣動、機(jī)械、電氣或其他的組合。
控制系統(tǒng)是支配伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)按規(guī)定程序和要求進(jìn)行運(yùn)動的裝置，他們主要用來控制：位置（點位控制或連續(xù)軌跡控制）、
時間、速度和加速度等參數(shù)。
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。
2.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的應(yīng)用
按伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)布局形式分可分為：架空式伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)、附機(jī)式伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)、落地式伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)向等用途的伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，他們具有運(yùn)動單一、結(jié)構(gòu)簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置[3]。
2.4伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分類
(1)根據(jù)所承擔(dān)的作業(yè)的特點，工業(yè)伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)可分為以下三類：
(a)承擔(dān)搬運(yùn)工作的伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：這種伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)在主要工藝設(shè)備運(yùn)行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。
(b)生產(chǎn)工業(yè)用伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。
(c)通用工業(yè)伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)[9]。
(2)按功能分類:
(a)專用伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：它是附屬于主機(jī)的具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)具有動作少，工作對象單一，結(jié)構(gòu)簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產(chǎn)，如自動機(jī)床，自動線的上、下料伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)和“加工中心”附屬的自動換刀伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)。
(b)通用伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：又稱工業(yè)伺服機(jī)械手。它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
(c)示教再現(xiàn)伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：采用示教法編程的通用伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下來。伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)手可按示范操作的程序行程進(jìn)行重復(fù)的再現(xiàn)工作。
(3)按驅(qū)動方式分：
(a)氣力驅(qū)動式的伺服機(jī)械手：氣源壓力一般只有0.6Mpa左右，適宜抓舉力較小的場合。
(b)液力驅(qū)動式的伺服機(jī)械手：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
(c)電力驅(qū)動式的伺服機(jī)械手：無環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點，其運(yùn)用最為廣泛。
(d)新型驅(qū)動式的伺服機(jī)械手：例如靜電驅(qū)動器，壓電驅(qū)動器，形狀記憶合金驅(qū)動器，人工肌肉及光驅(qū)動器等
(4)按控制方式分:
(a)固定程序伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調(diào)但不能任意點定位。
(b)可編程序伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變[9]。
第3章 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動方案選型
3.1原始數(shù)據(jù)及資料
1．陶瓷插芯加工材料：氧化鋯（ZrO2）, 尺寸：毛胚外徑2.56mm,內(nèi)孔0.02mm,長度10.5mm。
2．陶瓷插芯同心度(內(nèi)孔與外徑)1微米。
3．砂輪：金剛石砂輪，線速度50米／秒。
4．裝料內(nèi)孔定位，裝料用氣動形式,裝料速度6只/min。
3.2伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)形式及分析動作要求
3.2.1機(jī)構(gòu)形式
圖3.1 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖
3.2.2動作要求分析
動作一：送 料
動作二：預(yù)夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
手臂伸長
手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)
圖3.2 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)動作簡易圖
3.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型
本課題所設(shè)計的伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)為通用型的伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式手部設(shè)計方案。手部部分由手指和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成，手指與工件接觸而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務(wù)。其他部分則按照一般工業(yè)生產(chǎn)所采用的通用形式進(jìn)行設(shè)計。
驅(qū)動系統(tǒng)選用電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動，氣壓驅(qū)動用于手臂的伸縮和伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。
第4章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計
4.1手部設(shè)計計算
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖4.1所示。
圖4.1 伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)工作示例簡圖
c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運(yùn)動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
因此送料，夾緊伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
(a)右腔推力為
（4.1）
=4908.7N
(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)量夾緊力計算公式為：
（4.3）
其中 N′=498N=392N，帶入公式4.2得：
=
=1764N
則實際加緊力為 （4.3）
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（4.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取 （4.5）
式中： （4.6）
由公式（4.5）（4.6）得：L=3Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機(jī)械運(yùn)動范圍（速度）
(a)伸縮運(yùn)動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運(yùn)動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c)下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d)回轉(zhuǎn) =90o/s
=30o/s
所以取手部驅(qū)動活塞速度V=60mm/s
(6)手部右腔流量
（4.7）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強(qiáng)
（4.8）
=
如圖所示：
圖4.3 尺寸示意圖
4.2腕部設(shè)計計算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)±90o
角速度=45o/s
以最大負(fù)荷計算：
當(dāng)工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重5kg，長度l =650mm。如圖4.4所示。
工件
圖4.4 腕部受力簡圖
(1)計算扭矩[4]
設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（4.9）
=5×9.8×0.2=19.6（N·M）
(2)氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動缸的摩擦力矩[4]
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動缸的總摩擦力矩 [4]
=++ （4.10）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（4.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；
—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入（4.11）公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
4.3臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計
手臂是伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運(yùn)動。
臂部運(yùn)動的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運(yùn)動又較多，故受力較復(fù)雜。
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=500mm
(1)手臂右腔流量，公式（4.7）得：
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（4.8） 得：
（4.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F =10+20=30kg，=1000N。
所以代入公式（3.12）得：
=
=0.26Mpa
(3)繪制機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表如表4.1所示：
機(jī)構(gòu)名稱
工作速度
行程
工作壓力
流量
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂伸縮
60mm/s
45°/s
200mm/s
25mm
±90°
500mm
1.78 Mpa
0.89 Mpa
0.26Mpa
117.8m/s
27m/s
1000ml/s
表4.1 機(jī)構(gòu)工作參數(shù)表
(4)由初步計算選氣泵
所需氣壓最高壓力
P =1.78Mpa
所需氣壓最大流量
Q =1000ml/s
選取CB-D型氣泵
此泵工作壓力為1Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。
(5)驗算腕部擺動缸：
（4.13）
（4.14）
式中：—機(jī)械效率?。? 0.85～0.9
—容積效率取： 0.7～0.95
所以代入公式（4.13）得：
=25.8（N·M）
T < M=30.5（N·M）
代入公式（4.14）得：
=0.673rad/s
W <π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回轉(zhuǎn)氣缸工作壓力 P =1Mpa
流量 Q =35ml/s
圓整其他缸的數(shù)值：
手部抓取缸工作壓力=2Mpa
流量=120ml/s
小臂伸縮缸工作壓力=0.25Mpa
流量=1000ml/s
4.4氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
氣壓控制室伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和操作室根據(jù)氣體的流量與壓力來確定，因而只要控制氣的流量和壓力，就可以控制伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度和操作力，氣壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)氣壓執(zhí)行元件(馬達(dá)和氣缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空氣帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行。
(3)氣壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。
(5)氣壓元件于其他驅(qū)動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測，放大，測試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡便[4-6]。
4.5手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸氣壓原理圖
(1)手部抓取缸氣壓原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供氣壓力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。
因此，需裝圖4.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。
選取采用：
2FRM5-20/102調(diào)速閥
23E1-10B二位三通閥
4.6腕部擺動氣壓回路
圖 4.6 腕部擺動氣壓回路
(1)腕部擺動缸氣壓原理圖如圖4.6所示
(2)工作壓力: P=1Mpa
流量: Q=35ml/s
選取采用:
2FRM5-20/102調(diào)速閥
34E1-10B 換向閥
4.7小臂伸縮缸氣壓回路
圖 4.7 小臂伸縮缸氣壓回路
(1)小臂伸縮缸氣壓原理圖如圖4.7所示
(2)工作壓力: P =0.25Mpa
流量: Q =1000ml/s
選取采用：
2FRM5-20/102 調(diào)速閥
23E1-10B二位三通閥
4.8總體系統(tǒng)圖
圖 4.8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示,
(2)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動作順序表:
表4.2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機(jī)規(guī)格：
氣壓泵選取CB-D型氣泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動功率 （4.15）
式中：η=0.8 （經(jīng)驗值）
所以代入公式（4.15）得：
=16.7KN
選取電動機(jī)JQZ-61-2型電動機(jī)，額定功率17KW，
轉(zhuǎn)速為2940r/min。
4.9機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計
臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的總體布局。本課題伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)身設(shè)計成機(jī)座式，這樣伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機(jī)帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機(jī)帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。
4.9.1 電機(jī)的選擇
機(jī)身部使用了兩個電機(jī)，其一是帶動臂部的升降運(yùn)動；其二是帶動機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。帶動臂部升降運(yùn)動的電機(jī)安裝在肋板上，帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機(jī)：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉(zhuǎn)/分
選擇Y90S-4型電機(jī)，屬于籠型異步電動機(jī)。采用B級絕緣，外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.3 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.3 Y90S-4電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流A
轉(zhuǎn)速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
4.9.2 減速器的選擇
減速器的原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增
轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。
初選WD80型圓柱蝸桿減速器。
WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。
蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)
蝸輪的材料為ZQA19-4
中心矩 a=80
Ms×q=4.0×11 （4.16）
傳動比I =30
傳動慣量0.265×10ˉ3kg·m2
4.9.3螺柱的設(shè)計與校核
螺桿是伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的主支承件，并傳動使手臂上下運(yùn)動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟(jì)角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （4.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （4.18）
螺桿強(qiáng)度〖11〗 （4.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當(dāng)量應(yīng)力
(4.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力
所以代入公式（4.20）得：
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強(qiáng)度
（旋合圈數(shù)） （4.21）
（4.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強(qiáng)度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
4.9.4機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)
帶動機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動機(jī)
電動機(jī)采用B級絕緣。外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.4 Y90S-6電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.4 Y90L-6電動機(jī)技術(shù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流
A
轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4.9所示:
圖4.9 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖
4.10伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的定位及平穩(wěn)性確定
4.10.1常用的定位方式
機(jī)械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)經(jīng)減速運(yùn)行到終點時，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路而去掉工作壓力，這時伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。
4.10.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)能否準(zhǔn)確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：
(1)定位方式
不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關(guān)。
(2)定位速度
定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運(yùn)動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動系統(tǒng)使運(yùn)動部件適時減速。
(3)精度
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。
(4)剛度
伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。
(5)運(yùn)動件的重量
運(yùn)動件的重量包括伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)本身的重量和被抓物的重量。
運(yùn)動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運(yùn)動件重量增加時，定位精度降低。因此，設(shè)計時不僅要減小運(yùn)動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。
(6)驅(qū)動源
氣壓的壓力波動及電壓、氣溫的波動都會影響伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)氣壓措施。
(7)控制系統(tǒng)
開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)[13]。
本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。
4.10.3伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)運(yùn)動的緩沖裝置
緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。
當(dāng)活塞運(yùn)動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，以使運(yùn)動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置[12-15]。
在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。
設(shè)計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，- 取5m/s2以下，對于輕載高速伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)，-取5～10 m/s2
(2)計算沿運(yùn)動方向作用在活塞上的外力F
水平運(yùn)動時：
（4.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計算殘余速度Vr
（4.24）
m/s
第5章 搬運(yùn)機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
5.1 搬運(yùn)機(jī)械手的工藝過程
搬運(yùn)機(jī)械手的工作均由電機(jī) 驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程搬運(yùn)機(jī)械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，搬運(yùn)機(jī)械手將原點→下降→夾緊（T）→上升→右移→下降→放松（T）→上升→左移到原點,動作完成一個工作周期。搬運(yùn)機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的，而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。
為了確保安全，搬運(yùn)機(jī)械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降， 若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，搬運(yùn)機(jī)械手應(yīng)自動暫停，等待。為此設(shè)置了一個光電開關(guān)，以檢測“無工件”信號。
為了滿足生產(chǎn)要求，搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。
1） 手動工作方式：利用按鈕對搬運(yùn)機(jī)械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降” 按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作 位置和緊急停車后搬運(yùn)機(jī)械手返回原點。
2） 單步工作方式：從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕，
搬運(yùn)機(jī)械手完成一步動作后自動停止。
39
3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手按工序自動自動完成一個周期的動
作，返回原點后停止。
4） 連續(xù)工作方式：按下按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手從原點，按步序自動反復(fù)連續(xù)工作，在連 續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)：
正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機(jī)。
緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，搬運(yùn)機(jī)械手停止 在當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回到原點。
5.2 PLC 控制系統(tǒng)
1．確定輸入/輸出點數(shù)并選擇 PLC 型號
1）輸入信號
位置檢測信號：下限、上限、右限、左限共 4 個行程開關(guān)，需要 4 個輸入端 子。
“無工件檢測”信號：用光電開關(guān)作檢測元件，需要 1 個端子?！肮ぷ鞣绞健边x擇開關(guān)：有手動、單步、單周期和連續(xù) 4 種工作方式，需要4 個輸如端子。
手動操作：需要有下降、上升、右移、左移、加緊、放松 6 個按鈕，也需要6 個輸入端子。
自動工作：尚需啟動、正常停車、緊急停車 3 個按鈕，也需要 3 個輸入端子。 以上共需要 18 個輸入信號。
2）輸出信號
PLC 的輸出用于控制搬運(yùn)機(jī)械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個 電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制等，共需要 11 個輸出點。搬運(yùn)機(jī)械手從原點開始工作，需要一個 原點指示燈，也需要 1 個輸出點。所以，至少需要 6 個輸出點。
由于搬運(yùn)機(jī)械手的控制屬于開關(guān)量控制，在功能上未提出特殊要求。因此任何型 號的小型 PLC 均可滿足要求。根據(jù)所需的 I/O 總點數(shù)并留有一定的備用量，可選用 FX2N-48RM，其輸入和輸出各 24 點，繼電器輸出型。FX2N-48RM 的各項工作參數(shù)已在第二章介紹，在此不在做介紹。
2．分配 PLC 的輸入/輸出端子
PLC 的輸入輸出端子分配接線圖，如圖 5-2 所示。
圖 5-2 輸入/輸出分配接線圖
所需元器件明細(xì)表
5.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計
為了方便編程，可將手動和自動程序分別編出相對獨(dú)立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指 令進(jìn)行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖 5-3 所示。選擇手動方式時，X3 接 同，跳過自動程序，執(zhí)行手動程序；選擇自動工作方式時，X3 斷開，執(zhí)行自動 程序。
（1）手動程序 手動操作不需要按工序順序進(jìn)行動作，所以可按普通繼電器程 序來設(shè)計。手動操作的梯形圖，如圖 5-4 所示，手動按鈕 X20-X25 分別控制下
圖 5-3 總程序結(jié)構(gòu)框圖
圖 5-4 手動程序 降、上升、右移、左移、加緊和放松各個動作。為了保證系統(tǒng)的的安全與進(jìn)行， 設(shè)置了一些必要的連鎖。其中在左、右移動的電路中加入 X11 作上限連鎖，這是 因為搬運(yùn)機(jī)械手只有處于上限位置時，才允許左、右移動。
（2） 自動程序 自動程序如圖 5-5 所示。
1）連續(xù)及單周期操作。當(dāng)搬運(yùn)機(jī)械手在原點時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下 降動作。當(dāng)下降到下限位開關(guān)時，X10 接通，又接通下一個狀態(tài) S21，接著執(zhí)行 下一步動作。當(dāng)執(zhí)行完最后一步動作，即左移到原點碰到左限位開關(guān)時，X13 接 通，如果是單周期操作，則 M0 斷開，回到初始狀態(tài)，如果連續(xù)操作，則 M0 接通， 狀態(tài)轉(zhuǎn)移至 S20，又開始下一個周期的循環(huán)。
在運(yùn)行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復(fù)位，搬運(yùn)機(jī)械手的動作繼續(xù)執(zhí) 行完一個周期后，回到初始狀態(tài)。如按緊急停車按鈕，則 X2 接通，狀態(tài) S0~S33 全部復(fù)位，搬運(yùn)機(jī)械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將搬運(yùn)機(jī)械手移回原點，才能 再次進(jìn)行自動操作。
2）單步操作。當(dāng)自動操作程序采用步進(jìn)指令設(shè)計時，單步操作程序用“禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移”標(biāo)志器 M8040 來實現(xiàn)，如圖 5-6 所示。該繼電器線圈接通時，禁進(jìn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，線圈斷電時，允許狀態(tài)轉(zhuǎn)移。
圖 5-5 自動程序 止步
在單步操作方式下，利用啟動按鈕 X0 作為單步操作信號，X4 接通。不按啟 動按鈕時，X0 斷開，其常閉接點閉合，M8040 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移被禁止。
圖 5-6 用“禁止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移”設(shè)計的單步操作梯形圖
當(dāng)完成一步動作后，按下啟動按鈕，X0 接通，，其常閉接點將 M8040 斷開，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一步。
將如圖 5-6 所示的單步操作梯形圖連接在如圖 5-5 所示的自動程序上端，就 得到了包括單步、單周期、連續(xù)操作在內(nèi)的整個自動操作的梯形圖。
至此，搬運(yùn)機(jī)械手的控制程序分段設(shè)計完畢。根據(jù)圖 5-3 所示的總程序結(jié)構(gòu)框圖，
將手動操作程序梯形圖和自動程序梯形圖嵌入，就得到整個程序的梯形圖。
總結(jié)與展望
總結(jié)與展望
一、總結(jié)
畢業(yè)設(shè)計轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設(shè)計學(xué)習(xí)過程中，我取得了長足的進(jìn)步。
在這次畢業(yè)設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識，獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會如何與同學(xué)共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設(shè)計人員的艱難性。在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計。
雖然我的設(shè)計存在很多不足的地方，總的來說，我希望通過這次畢業(yè)設(shè)計對自己未來將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎(chǔ)畢業(yè)設(shè)計是對未來工作的一種模擬。
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