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寧學院
畢業(yè)設(shè)計(論文)
一種基于PLC控制的
伺服機械手的設(shè)計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
2016年 3月 30日
摘 要
近代的工業(yè)機械手是由目標機械本體、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)機械手技術(shù)結(jié)合了多們學科的知識。包含機構(gòu)學、計算機、控制論、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領(lǐng)域。
課題將設(shè)計一個伺服機械手，將用于工作人員出入，物料搬運的伺服機械手。機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，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機械手是工業(yè)進步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關(guān)重要的作用。如今，機械手工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
本文闡述了機械手的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機械手設(shè)計要求和進行了總體方案設(shè)計和各自由度的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算。
關(guān)鍵詞：機械手；工業(yè)；傳動；強度
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伺服機械手的定義與發(fā)展狀況 1
1.2.1定義 1
1.2.2 伺服機械手的發(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 伺服機械手機構(gòu)介紹分析 5
2.1伺服機械手機構(gòu) 5
2.2伺服機械手機構(gòu)的組成 5
2.3伺服機械手機構(gòu)的應用 5
2.4伺服機械手機構(gòu)的分類 6
第3章 伺服機械手機構(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伺服機械手機構(gòu)形式及分析動作要求 8
3.2.1機構(gòu)形式 8
3.2.2動作要求分析 9
3.3伺服機械手機構(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機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 22
4.9.1 電機的選擇 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機座的機械結(jié)構(gòu) 25
4.10伺服機械手機構(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伺服機械手機構(gòu)運動的緩沖裝置 28
第5章 搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 29
5.1 搬運機械手的工藝過程 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 37
致 謝 38
第1章 緒論
1.1課題背景及目的
畢業(yè)設(shè)計是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在校學習的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學學習的繼續(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。以達到如下目的：
（1）綜合運用所學的基礎(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練，提高實際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料并進行分析的能力；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伺服機械手的定義與發(fā)展狀況
1.2.1定義
目前，工業(yè)伺服機械手的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國伺服機械手協(xié)會給工業(yè)伺服機械手下的定義：工業(yè)伺服機械手是一種可重復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，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習慣用語，對工業(yè)伺服機械手作如下定義：
工業(yè)伺服機械手是一種機體獨立，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)伺服機械手以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。
工業(yè)伺服機械手是在計算機控制下可編程的自動伺服機械手是提高產(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，減輕勞動強度的一種有效手段。伺服機械手的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應用到國民經(jīng)濟，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[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)境中代替人進行作業(yè)。
在工業(yè)伺服機械手的諸多功能中，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型工業(yè)伺服機械手，利用錐齒輪傳動實現(xiàn)伺服機械手的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實現(xiàn)其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉(zhuǎn)運動。
1.2.2 伺服機械手的發(fā)展
工業(yè)伺服機械手的發(fā)展，由簡單到復雜，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)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。
第二代伺服機械手是帶感覺的伺服機械手。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)伺服機械手要復雜得多，這種伺服機械手從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。
第三代工業(yè)伺服機械手即智能伺服機械手。這種伺服機械手除了具有觸覺、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行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種伺服機械手還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用[2-4]。
1.3課題研究意義
(1)培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和。
(2)培養(yǎng)學生樹立正確的設(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)學生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設(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)學生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。
1.4主要研究的內(nèi)容
隨著搬運機械手技術(shù)的飛速發(fā)展和搬運機械手應用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、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)濟性強。本論文主要研究搬運機械手以下幾個方面的內(nèi)容：
要求獨立完成工業(yè)搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試。
(1) 如圖所示，有兩部機械對工作物進行加工，加工位置分別是A點、B點，要求由搬運機械手臂將加工物從A點送至B點。
(2) 手動操作，每個動作均能單獨操作，用于將搬運機械手復歸至原點位置；
(3) 連續(xù)運行，在原點位置按起動按鈕時，搬運機械手按圖連續(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編程元件明細表，應包含定時器、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 伺服機械手機構(gòu)介紹分析
2.1伺服機械手機構(gòu)
伺服機械手機構(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，搬運物件或操縱工具等工作的自動化機械裝置。伺服機械手機構(gòu)通常用附屬于它所服務的設(shè)備，動作程序固定，多數(shù)沒有獨立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機的控制系統(tǒng)（不包括工業(yè)伺服機械手）。
2.2伺服機械手機構(gòu)的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。
伺服機械手機構(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、機身是將手部抓取的工件或工具進行搬運或操作的部件。
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部和伺服機械手機構(gòu)整體運動機構(gòu)動作的動力裝置，常用的驅(qū)動方式有液壓、氣動、機械、電氣或其他的組合。
控制系統(tǒng)是支配伺服機械手機構(gòu)按規(guī)定程序和要求進行運動的裝置，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)。
伺服機械手機構(gòu)與主機及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。
2.3伺服機械手機構(gòu)的應用
按伺服機械手機構(gòu)布局形式分可分為：架空式伺服機械手機構(gòu)、附機式伺服機械手機構(gòu)、落地式伺服機械手機構(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)向等用途的伺服機械手機構(gòu)，他們具有運動單一、結(jié)構(gòu)簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。
伺服機械手機構(gòu)通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置[3]。
2.4伺服機械手機構(gòu)的分類
(1)根據(jù)所承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)伺服機械手機構(gòu)可分為以下三類：
(a)承擔搬運工作的伺服機械手機構(gòu)：這種伺服機械手機構(gòu)在主要工藝設(shè)備運行時，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)用伺服機械手機構(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)伺服機械手機構(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)專用伺服機械手機構(gòu)：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用伺服機械手機構(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)，如自動機床，自動線的上、下料伺服機械手機構(gòu)和“加工中心”附屬的自動換刀伺服機械手機構(gòu)。
(b)通用伺服機械手機構(gòu)：又稱工業(yè)伺服機械手。它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，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)伺服機械手機構(gòu)：采用示教法編程的通用伺服機械手機構(gòu)。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”伺服機械手機構(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。伺服機械手機構(gòu)手可按示范操作的程序行程進行重復的再現(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)動式的伺服機械手：無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點，其運用最為廣泛。
(d)新型驅(qū)動式的伺服機械手：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)固定程序伺服機械手機構(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)可編程序伺服機械手機構(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 伺服機械手機構(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伺服機械手機構(gòu)形式及分析動作要求
3.2.1機構(gòu)形式
圖3.1 伺服機械手機構(gòu)圖
3.2.2動作要求分析
動作一：送 料
動作二：預夾緊
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 伺服機械手機構(gòu)動作簡易圖
3.3伺服機械手機構(gòu)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型
本課題所設(shè)計的伺服機械手機構(gòu)為通用型的伺服機械手機構(gòu)，其中坐標系為圓柱坐標系結(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構(gòu)所構(gòu)成，手指與工件接觸而傳力機構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。其他部分則按照一般工業(yè)生產(chǎn)所采用的通用形式進行設(shè)計。
驅(qū)動系統(tǒng)選用電機驅(qū)動和氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動用于機座的旋轉(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械手機構(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?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?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該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應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 伺服機械手機構(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械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。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．手指應有一定的強度和剛度
因此送料，夾緊伺服機械手機構(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)機械運動范圍（速度）
(a)伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運動 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
（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
以最大負荷計算：
當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臂伸縮機構(gòu)設(shè)計
手臂是伺服機械手機構(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動。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(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，而且自身運動又較多，故受力較復雜。
伺服機械手機構(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)繪制機構(gòu)工作參數(shù)表如表4.1所示：
機構(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：—機械效率取： 0.85～0.9
—容積效率?。? 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
氣壓控制室伺服機械手機構(gòu)的一種主要的控制形式。伺服機械手機構(gòu)的運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，就可以控制伺服機械手機構(gòu)的運動速度和操作力，氣壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)氣壓執(zhí)行元件(馬達和氣缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空氣帶走大量熱能，保證機械的正常運行。
(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。
(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)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[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JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，
轉(zhuǎn)速為2940r/min。
4.9機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計
臂部和機身的配置形式基本上反映了伺服機械手機構(gòu)的總體布局。本課題伺服機械手機構(gòu)的機身設(shè)計成機座式，這樣伺服機械手機構(gòu)可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構(gòu)。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型伺服機械手機構(gòu)。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機身的旋轉(zhuǎn)，從而達到了自由度的要求[7-9]。
4.9.1 電機的選擇
機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉(zhuǎn)運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉(zhuǎn)的電機安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉(zhuǎn)/分
選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為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電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.3 Y90S-4電動機技術(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
減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。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
螺桿是伺服機械手機構(gòu)的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟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）
螺桿強度〖11〗 （4.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應力
(4.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應力
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)剪切強度
（旋合圈數(shù)） （4.21）
（4.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
4.9.4機座的機械結(jié)構(gòu)
帶動機身回轉(zhuǎn)的電機：
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
電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為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電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.4 Y90L-6電動機技術(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
機座的機械結(jié)構(gòu)如圖4.9所示:
圖4.9 機座結(jié)構(gòu)圖
4.10伺服機械手機構(gòu)的定位及平穩(wěn)性確定
4.10.1常用的定位方式
機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊。當伺服機械手機構(gòu)經(jīng)減速運行到終點時，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，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。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，這時伺服機械手機構(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
伺服機械手機構(gòu)能否準確地工作，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，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，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)使運動部件適時減速。
(3)精度
伺服機械手機構(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
伺服機械手機構(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)運動件的重量
運動件的重量包括伺服機械手機構(gòu)本身的重量和被抓物的重量。
運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，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械手機構(gòu)的重復定位精度。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械擋塊定位。
4.10.3伺服機械手機構(gòu)運動的緩沖裝置
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。
當活塞運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值按伺服機械手機構(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械手機構(gòu)，- 取5m/s2以下，對于輕載高速伺服機械手機構(gòu)，-取5～10 m/s2
(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F
水平運動時：
（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 搬運機械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
5.1 搬運機械手的工藝過程
搬運機械手的工作均由電機 驅(qū)動，它的上升、下降、左移、右移都是有電機驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程搬運機械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，搬運機械手將原點→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。搬運機械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換，是由相應的限位開關(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，搬運機械手右移到位后，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，搬運機械手應自動暫停，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，搬運機械手設(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：利用按鈕對搬運機械手每一步動作進行控制。例如，按下“下降” 按鈕，搬運機械手下降；按下“上升”按鈕，搬運機械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作 位置和緊急停車后搬運機械手返回原點。
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，
搬運機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，搬運機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，搬運機械手從原點，按步序自動反復連續(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。按下復位按鈕，搬運機械手在完成最后一個 周期的工作后，返回原點自動停機。
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，搬運機械手停止 在當前狀態(tài)。當故障排除后，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機械手的下降、上升、右移、左移、加緊、放松以三個 電動機轉(zhuǎn)速的控制等，共需要 11 個輸出點。搬運機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。
由于搬運機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立的程序段，用跳轉(zhuǎn)指 令進行選擇，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 因為搬運機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。當搬運機械手在原點時，程序處于初始狀態(tài) S0，執(zhí)行下 降動作。當下降到下限位開關(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)。
在運行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復位，搬運機械手的動作繼續(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 全部復位，搬運機械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將搬運機械手移回原點，才能 再次進行自動操作。
2）單步操作。當自動操作程序采用步進指令設(shè)計時，單步操作程序用“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”標志器 M8040 來實現(xiàn)，如圖 5-6 所示。該繼電器線圈接通時，禁進狀態(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“禁止狀態(tài)轉(zhuǎn)移”設(shè)計的單步操作梯形圖
當完成一步動作后，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，搬運機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)計學習過程中，我取得了長足的進步。
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的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。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習,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致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導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行一次適應性的訓練，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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