沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手設(shè)計(jì)
沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手設(shè)計(jì),沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手設(shè)計(jì),沖床,自動(dòng),卸料,機(jī)械手,設(shè)計(jì)
目 錄
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 緒論 1
2 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 3
3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3.1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 5
3.2 機(jī)械手零件選用及校核 8
3.3設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng) 16
4 機(jī)械手控制部分的設(shè)計(jì) 17
4.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能和控制方式 17
4.2 氣動(dòng)控制部分 18
4.3 單片機(jī)控制部分 20
5 機(jī)械手的保養(yǎng) 21
5.1 密封與潤(rùn)滑 21
5.2 機(jī)械手的維護(hù)與保養(yǎng) 22
6 總結(jié) 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 38
1. 緒論
20世紀(jì)70年代，機(jī)器人這一名詞剛剛引進(jìn)我國(guó)時(shí)被稱為機(jī)械手，機(jī)械手主要用于危險(xiǎn)、重復(fù)、笨重、單調(diào)、多粉塵及下料等工作場(chǎng)合?，F(xiàn)在的機(jī)器人是一種在機(jī)構(gòu)上和功能方面都與人相像的靈活而又通用的自動(dòng)機(jī)，并應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如：水下機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人，空間機(jī)器人，微機(jī)器人等。自第一臺(tái)機(jī)器人誕生至今，已走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，全球工業(yè)機(jī)器人的裝機(jī)量已超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)，形成了一個(gè)巨大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。
在現(xiàn)代制造領(lǐng)域尤其是在金屬加工中，機(jī)器人的作用越來(lái)越大。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，無(wú)論是單機(jī)還是組合機(jī)床，以及自動(dòng)生產(chǎn)流水線，都要用到機(jī)械手來(lái)完成工件的取放。它是一種模仿人手動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡或其他要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置。它在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械裝置，開(kāi)始主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在用來(lái)夾持工具和完成一定的作業(yè)。用機(jī)械手代替人工卸料，不但減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且節(jié)省了大量的卸料所需的時(shí)間，提高工作效率。
目前的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但歸納起來(lái)，機(jī)器人基本上是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。
1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)也叫做操作機(jī)，由一系列連桿和關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副組成，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，它包括機(jī)座、立柱、手臂、腕關(guān)節(jié)和手爪等部件。有時(shí)為了增加機(jī)器的工作空間，在機(jī)座處裝有行走機(jī)構(gòu)。
2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是指驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，根據(jù)動(dòng)力源的不同，可分為 電動(dòng)、液壓和氣壓三種。液壓系統(tǒng)可以和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一起，也可以安裝在單獨(dú)的液壓柜中。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器，如電機(jī)、氣缸、油缸可以與操作機(jī)直接相連，也可以通過(guò)齒輪、鏈條、諧波傳動(dòng)裝置等與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。
3.控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)器人的主要組成部分，控制系統(tǒng)的作用是支配執(zhí)行機(jī)構(gòu)按所需的順序，沿規(guī)定的位置或軌跡運(yùn)動(dòng)。從控制系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看，可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；從控制的方式看可分為程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。
我國(guó)的機(jī)械手技術(shù)已日趨成熟，已形成了幾家具有一定競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械手公司和產(chǎn)業(yè)化基地。機(jī)器人不但在數(shù)量上有所突破，在質(zhì)量上也有了質(zhì)的飛躍。近年來(lái)，隨著氣動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已越來(lái)越多的應(yīng)用于機(jī)械手，構(gòu)成氣動(dòng)機(jī)械手，氣動(dòng)機(jī)械手是集機(jī)械，電氣，氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。氣動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)就是低成本，模塊化和集成化。這種機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
目前，以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了更高、更新的要求，更加體現(xiàn)了機(jī)械裝備制造業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化載體在推動(dòng)整個(gè)社會(huì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)中不可替代的基礎(chǔ)作用。而在工業(yè)自動(dòng)化成果轉(zhuǎn)移，用信息化帶動(dòng)工業(yè)化、用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必由之路。
今后機(jī)器人將逐漸發(fā)展成為完全智能化的機(jī)器。由于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，提高了機(jī)器人可靠性和智能化程度，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。在越來(lái)越多的工程技術(shù)領(lǐng)域，我們將看到越來(lái)越多的機(jī)器人在神氣絕妙地工作。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)器人要求的增加而穩(wěn)步發(fā)展。由于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要越來(lái)越多的機(jī)器人的研究，隨著計(jì)算機(jī)，傳感，機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手的可靠性不斷提高，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，并且向著產(chǎn)品高技術(shù)化、經(jīng)營(yíng)規(guī)?；?、服務(wù)個(gè)性化、自動(dòng)化、人性化等方向不斷深入，相信我們將會(huì)看到有形形色色的機(jī)械手在更多的機(jī)械領(lǐng)域?yàn)槿祟惙?wù)。
2.機(jī)械手方案設(shè)計(jì)
沖床的輥式自動(dòng)卸料系統(tǒng)工作原理是：等待加工的原材料為薄片的鋼料,利用輥?zhàn)訉⑵鋸纳舷聸_模中引出，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器分別與圖中的后輥和下輥連接。后輥當(dāng)中，上輥的作用是通過(guò)可調(diào)彈的壓力給剩余的廢料一個(gè)向下的力將其壓在下輥上，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上輥和下輥由于摩擦力的作用，同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，達(dá)到薄片鋼料的間歇性進(jìn)給。前輥與后輥的材料都是45號(hào)鋼，而前輥是拉緊和定位的作用,為確保送料精度，輥的表面都都有滾花。工作原理圖如下：
圖2．1 沖床輥式自動(dòng)送料系統(tǒng)圖
該系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可靠,但是在使用過(guò)程中存在問(wèn)題:該沖壓模具的出料方式為上出料方式,加工后的零件是向上彈出，而不是下落的方式, 這個(gè)環(huán)節(jié)必須通過(guò)人力的方式將沖壓后的零件取出，沖床與送料系統(tǒng)才能夠繼續(xù)工作,這種方式無(wú)形中降低了生產(chǎn)的工作效率。因此本設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)出一套合理可行的自動(dòng)卸料機(jī)構(gòu)——自動(dòng)卸料機(jī)械手，用于沖床上的卸料系統(tǒng)。
方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是：機(jī)械手具有兩個(gè)基本功能，吸料、移出。完成吸料所用的是電磁鐵，經(jīng)過(guò)通電和斷電完成對(duì)沖壓件的吸附和卸料。移出的裝置是由升降和回轉(zhuǎn)兩部分組成，因此沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手結(jié)構(gòu)上由升降和回轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成。沖壓件的拾取采用一個(gè)具有吸附能力的電磁鐵將工件吸附起來(lái)，升降部分的機(jī)構(gòu)固定在沖床床身的側(cè)面，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體的上升和下降。
在自動(dòng)卸料的過(guò)程當(dāng)中，由于沖壓機(jī)上下模開(kāi)口和機(jī)械手吸起工件部分高度都不大，這就要求機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)必須在一個(gè)與水平面平行的平面內(nèi)。
其工作過(guò)程圖如下：
圖2．2 機(jī)械手工作流程圖
3.機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械手總體設(shè)計(jì)
一般沖床都會(huì)有一個(gè)固定的頻率，本次設(shè)計(jì)的沖床頻率為40次/分,在機(jī)械手進(jìn)給、沖壓、卸料的三個(gè)運(yùn)行步奏中，總的運(yùn)行時(shí)間大概是1.5s。那么在卸料這個(gè)環(huán)節(jié)，時(shí)間必須小于1s，機(jī)械手的控制系統(tǒng)必須能夠迅速的做出指令。另一方面,卸料過(guò)后，對(duì)于沖壓后的零件安放的位置沒(méi)有特別精確的位置要求，只需要安放在制定的區(qū)域內(nèi)。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)行過(guò)程也沒(méi)有特別高的要求，為了節(jié)約成本，此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)用點(diǎn)位控制。因此,采用單片機(jī)控制的氣動(dòng)系統(tǒng)作為沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案。此機(jī)械手由兩部分組成：升降機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?？傮w裝配圖如下：
圖3．1 沖床自動(dòng)卸料機(jī)械手總體圖
機(jī)械手的升降部分：用來(lái)安裝兩個(gè)直線滾動(dòng)軸承的直線滾動(dòng)導(dǎo)套座、使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上升和下降的升降氣缸、用來(lái)克服力矩的兩根導(dǎo)向柱、直線滾動(dòng)導(dǎo)套座和旋轉(zhuǎn)支撐板等部分組成。其作用是帶動(dòng)回轉(zhuǎn)部分上升和下降，以便于吸附工件后能離開(kāi)沖模，防止和沖模產(chǎn)生碰撞。升降氣缸選用QGCX25-50型輕型氣缸，其缸桿的伸縮可以帶動(dòng)支撐板的升降。采用雙導(dǎo)柱輔助支撐方式用以克服傾翻力矩,導(dǎo)向柱隨旋轉(zhuǎn)支撐板一起升降。將升降部分固定在所需卸料的沖床上，整體就使機(jī)械手成為沖床的一部分，實(shí)現(xiàn)了完全固定。機(jī)械手的升降部分如下
圖3．2 機(jī)械手升降部分原理圖
機(jī)械手的回轉(zhuǎn)部分：由一個(gè)氣缸帶動(dòng)齒條作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條與回轉(zhuǎn)軸上的齒輪嚙合，帶動(dòng)齒輪與軸做轉(zhuǎn)動(dòng)。軸的上端緊密焊接了一個(gè)擺桿，擺桿的末端安裝了一個(gè)電磁鐵，從而用來(lái)吸附?jīng)_壓零件，并作往復(fù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能。回轉(zhuǎn)部分如下圖：
3．3 機(jī)械手回轉(zhuǎn)部分原理圖
3.2機(jī)械手零件選用及校核
3.2.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇
通常來(lái)說(shuō)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式可分為四種：分別為液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)，每一種都有特別適合場(chǎng)合，都有各自的特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)機(jī)械手要考慮其運(yùn)行特點(diǎn)和環(huán)境因素，通過(guò)各個(gè)方面的協(xié)調(diào)與對(duì)比來(lái)選擇適合的驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)沒(méi)有特定的單一的驅(qū)動(dòng)方式，只要系統(tǒng)的工作需要，可以幾種驅(qū)動(dòng)方式共同組成機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)是安裝在萬(wàn)能沖床機(jī)身上的卸料機(jī)械手，所以要求機(jī)械手的運(yùn)行頻率要快，且驅(qū)動(dòng)的行程較短，經(jīng)過(guò)對(duì)比，本次設(shè)計(jì)選用氣壓傳動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。
汽缸內(nèi)型選擇：根據(jù)所需的要求，選擇雙作用單活塞QGCX型氣缸。
表3-1 幾種驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比選擇
比較內(nèi)容
驅(qū) 動(dòng) 方 式
機(jī)械傳動(dòng)
電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng)
氣壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
異步電機(jī)，直流電機(jī)
步進(jìn)或伺服電機(jī)
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力矩較大
輸出力矩較小
輸出力矩與本身的氣壓缸大小有關(guān)
輸出力矩很大
控制性能
定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步
控制性能較差
控制性能好
動(dòng)作迅速，但是速度的穩(wěn)定性較差
有非常好的控制性能，適合多種控制要求
維修使用
維修使用方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
能適合很多環(huán)境比較惡劣的生產(chǎn)場(chǎng)所，也容易維修
不能用于可能會(huì)產(chǎn)生火源的場(chǎng)所，也容易維修
應(yīng)用范圍
自由度較少時(shí)，可以選澤
適合比較大型的機(jī)械手
常用于對(duì)系統(tǒng)精度要求非常高的機(jī)械手
小型的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)得比較多，
適合所有型號(hào)的機(jī)械手
成本
復(fù)雜程度低成本低
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低
成本較高
初選活塞桿直徑d=10mm，估算其重量：
取G2=1N，假設(shè)
氣壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算：
D—汽缸的內(nèi)徑(m)；
P—為工作壓力（Pa）；
—為負(fù)載率；
負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-2 ，所以取P=0.5。一般，此選0.3
按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-3，圓整取32mm。
一般，此選0.3
取
汽缸壁厚的計(jì)算
按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-5查得
汽缸重量的計(jì)算：
其中：R—汽缸外徑
R—汽缸內(nèi)徑；H—汽缸長(zhǎng)度；
—汽缸材料密度；g取10，取25N。
3.2.2支撐板的設(shè)計(jì)
支撐板是在整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)當(dāng)中，是屬于升降的部分，用于推動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上升和下降的作用。該支撐板是用45號(hào)鋼制成。外形為一圓盤，中間有螺孔，與氣缸聯(lián)接。外側(cè)有對(duì)稱的兩個(gè)圓孔，用來(lái)固定導(dǎo)向柱。其直徑為172mm，中間螺孔直徑分別為6、4mm，放導(dǎo)向柱的用孔直徑為20mm，螺栓選擇GB/TM6×1型孔。支撐板圖如下所示：
圖3．4 支撐板零件圖
3.2.3滾動(dòng)導(dǎo)套座的設(shè)計(jì)
滾動(dòng)導(dǎo)套座是用來(lái)固定機(jī)械手升降部分的套座，其直接和沖床床身相連并固定。其外形為圓盤，中間有圓孔，用來(lái)固定升降氣缸。外側(cè)有對(duì)稱的兩個(gè)出料孔，內(nèi)有軸承，中間放置導(dǎo)向柱。
圖3．5 滾動(dòng)導(dǎo)套座
3.2.4導(dǎo)向柱的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向柱的材料是45號(hào)鋼。其上端固定在支撐板上（用螺栓連接）。通過(guò)滾動(dòng)導(dǎo)套座中的圓柱滾子軸承，隨著支撐板一起做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到了輔助支撐作用，防止了傾覆力矩的發(fā)生。導(dǎo)向柱的設(shè)計(jì)尺寸為直徑20mm,長(zhǎng)為100mm。
圖3．6 導(dǎo)向柱零件圖
3.2.5擺桿的設(shè)計(jì)
用工字鋼作為擺桿的結(jié)構(gòu)形式，不但工字鋼的抗彎系數(shù)比較大，還能減小擺桿的橫截面積，減輕了擺桿的質(zhì)量，使機(jī)械手整體重量降低。從經(jīng)濟(jì)的角度講，選用工字鋼能降低材料的成本。
設(shè)我們所抓取的工件和抓取電磁鐵總共為10kg，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的比較，我們初選10號(hào)工字鋼,則理論質(zhì)量，設(shè)小臂長(zhǎng)為600mm。
校核：
取75N
按《材料力學(xué)》公式5.11
所以：
h為工字鋼的高度
b為工字鋼的腰寬
Fs為所受的力
所以選10號(hào)工字鋼合適。
3．2．6回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)軸是機(jī)械手回轉(zhuǎn)部分的重要部件.其主要直徑分別是18mm、22mm、30mm材料為45號(hào)鋼。其受力情況如圖所示：
圖3．7 軸受力圖
用所受力最大的橫截面驗(yàn)算：
所以軸合適。
3.2.7齒輪的設(shè)計(jì)
設(shè)z的齒數(shù)為z=23，按《機(jī)械原理》表10-1標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-2008）取m=2，取。
則分度圓直徑： （3.11）
齒頂高： （3.12）
齒根高： （3.13）
齒頂圓直徑： （3.14）由于與齒條相嚙合，所以不必計(jì)算齒條的參數(shù)，齒條參數(shù)可與齒輪的相關(guān)參數(shù)一致。
3.2.8軸承的選用與校核
由于軸為豎直軸，所以軸上的軸承受到一個(gè)由徑向力的作用和一個(gè)軸向力的作用，由已知數(shù)據(jù)可知，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5》表39.2-23圓錐滾子軸承（GB/T297-1994）可以粗選型號(hào)329/22-2BC，則：
由于另一個(gè)軸承只是起輔助支撐的作用，則根據(jù)軸直徑的大小，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5》表39.2-23圓錐滾子軸承（GB/T297-1994）可以粗選型號(hào)32904-2BD
軸承校核
軸承靜載能力公式：
（3.15）
式中
-軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)
-當(dāng)量靜載荷
結(jié)合機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-8可得
由于 （3.16）
式中：-為徑向載荷，-為軸向載荷。
所以查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表13-5可得：，則
所以 （3.18）由計(jì)算可知，軸承受的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定靜載荷，所以此軸承合理，不必進(jìn)行校核計(jì)算。
3．3設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)
（1）擺桿剛度要好，要合理的選擇擺桿的橫截面的形狀，工字桿的剛度相比其他形狀桿的剛度大，首選工字鋼。
（2）擺桿終端所產(chǎn)生的傾覆力矩盡量小，使危險(xiǎn)截面能夠在危險(xiǎn)系數(shù)內(nèi)安全的工作，不至于頻繁的彎曲或變形。
（3）所有零件要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
（4）能選擇標(biāo)準(zhǔn)件的，最好都選擇標(biāo)準(zhǔn)件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸再設(shè)計(jì)相關(guān)零件的尺寸，這樣能降低計(jì)算量。
（5）要留有有一定的調(diào)節(jié)空間，方便與實(shí)際環(huán)境相結(jié)合。
（6）自身結(jié)構(gòu)布置要合理，便于維修。
4．機(jī)械手的控制部分設(shè)計(jì)
4．1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能和控制方式
工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人組成部分當(dāng)中最為核心的裝置，充當(dāng)著機(jī)器人行動(dòng)的命令者?？刂葡到y(tǒng)必須使機(jī)器人在復(fù)雜的周圍環(huán)境中能夠準(zhǔn)確的識(shí)別運(yùn)行軌跡，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)機(jī)器人所到達(dá)的特定位置。要完成復(fù)雜的控制，控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)功能：
（1）示教再現(xiàn)功能
控制系統(tǒng)通過(guò)示教盒，或者一步一步進(jìn)行示教操作。讓預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作順序，運(yùn)動(dòng)速度，位置信息，用一定的方法教給工業(yè)機(jī)器人。由其記憶裝置將所教的東西記錄在存儲(chǔ)器當(dāng)中，當(dāng)需要這個(gè)操作的時(shí)候直接從原有的記錄當(dāng)中調(diào)出來(lái)，完成所需的操作。
（2）運(yùn)動(dòng)控制功能
對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端操作器的位姿，速度，加速度等方面的控制。
工業(yè)機(jī)器人的控制方式：
① 點(diǎn)位控制方式（PTP控制） 就本機(jī)械手而言，用以吸取沖壓工件的磁盤。在三維空間中運(yùn)動(dòng)，規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)上，準(zhǔn)時(shí)要出現(xiàn)在某一個(gè)點(diǎn)位上，但是其運(yùn)動(dòng)的軌跡與路徑?jīng)]有任何要求。這種控制系統(tǒng)沒(méi)有嚴(yán)格精確的規(guī)定，在實(shí)際的設(shè)計(jì)與運(yùn)行當(dāng)中，能夠特別簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，特別是對(duì)于機(jī)器人的精度要求不高的生產(chǎn)環(huán)境中，非常的適合。所以，在一些簡(jiǎn)單的控制設(shè)計(jì)里，這種控制方式大量的減少了設(shè)計(jì)的繁瑣。
② 連續(xù)軌跡控制方式（CP控制）這種控制方式與前面的控制方式相比，對(duì)于速度，軌跡和位置都有特別嚴(yán)格的要求。機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)都能夠很協(xié)調(diào)同步的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在完成整個(gè)任務(wù)的過(guò)程中，不但要速度精確，位置精確，還要使所運(yùn)行的軌跡是一條平滑的弧線。這種控制，適合進(jìn)行點(diǎn)位較多，精確程度要求較高的加工方式。
③ 力控制方式 在完成吸附，放置產(chǎn)品的時(shí)候，不但需要有特別準(zhǔn)確點(diǎn)，還要在工作中，適當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié)里進(jìn)行力或者力矩的控制。這種控制方式的原理與位置伺服控制相同，但是它是通過(guò)力或者力矩的信號(hào)進(jìn)行反饋的。所以，力矩控制方式相較前兩個(gè)控制而言，多了一個(gè)傳感器，更加精確與對(duì)環(huán)境的識(shí)別能力。
4．2氣動(dòng)控制部分
由于整個(gè)機(jī)械手是由氣缸來(lái)提供動(dòng)力的。所以控制了氣缸的運(yùn)動(dòng)就控制了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。
圖4．1 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖
如上圖所示：進(jìn)入系統(tǒng)的空氣，首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)濾器，再經(jīng)過(guò)減壓閥和油霧器分別進(jìn)入兩個(gè)電磁閥。左邊的電磁換向閥控制機(jī)械手的升降氣缸，右邊的電磁換向閥控制機(jī)械手的回轉(zhuǎn)氣缸。兩個(gè)電磁換向閥的進(jìn)氣口都裝有手動(dòng)節(jié)流閥，用來(lái)調(diào)整流量，達(dá)到控制氣壓缸桿的運(yùn)動(dòng)速度。氣壓的電磁換向閥和液壓傳動(dòng)中的電磁控制一樣，都是用電磁力使閥芯移動(dòng)，形成不同的通路，實(shí)現(xiàn)控制的目的。按動(dòng)作方式不同，電磁控制換向閥可分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式，都是利用電磁力推動(dòng)閥芯換向。
壓縮空氣在沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理時(shí)，會(huì)有很多雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)分為很多種，比如漂浮著的塵土，空氣中含有酸性或者堿性的水蒸氣，或者是從壓縮機(jī)中揮發(fā)的潤(rùn)滑油。為了防止機(jī)器受到不必要損害，保證設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，降低維修和保養(yǎng)成本，出去空氣中的污染物是非常有必要的。
分水過(guò)濾器：用于空氣的粗過(guò)濾，其作用是為了能除去空氣中對(duì)機(jī)械系統(tǒng)有害的雜質(zhì)，油滴和冷凝水。
油霧器分為兩種：一種是能把霧化后油霧顆粒約為20um的油霧全部隨壓縮空氣輸出的普通型油霧器，另一種是只能把霧化后的油霧中油霧粒徑為2-3um的油霧隨空氣輸出的微霧型油霧器。固定節(jié)流式輸出的油霧濃度隨輸出空氣的變化而變化，而可變節(jié)流式輸出的油霧濃度基本上保持恒定，不隨輸出空氣流量而變化。
減壓閥的主要作用是能使其進(jìn)出口壓力不同，出口的壓力低于進(jìn)口的壓力，并使出口壓力可以調(diào)節(jié)，能使出口的壓力維持一個(gè)定值，使整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，不受到氣流的影響。
減壓閥也分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式：減壓閥直動(dòng)式是指借助改變彈簧力來(lái)直接調(diào)整壓力，而減壓閥先導(dǎo)式則用預(yù)先調(diào)整好的氣壓來(lái)代替直動(dòng)式調(diào)壓彈簧來(lái)進(jìn)行調(diào)壓。用流量特性作比較，先導(dǎo)式減壓閥性能比直動(dòng)式減壓閥的的性能要好。
4．3單片機(jī)控制部分
單片機(jī)控制部分由于系統(tǒng)的控制對(duì)象僅為5個(gè)電磁鐵(2個(gè)三位四通電磁換向閥共有4個(gè)電磁鐵,加上沖壓件吸附電磁鐵,共5個(gè)),且都為開(kāi)關(guān)量控制,為節(jié)省成本,采用單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖4.2所示：
選用8952單片機(jī),它片內(nèi)有8KB的Flash存儲(chǔ)器,晶振頻率為33MHz。由于其內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器,系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程中十分容易進(jìn)行程序的修改,同時(shí),在系統(tǒng)工作過(guò)程中,能夠有效地保存一些數(shù)據(jù)信息。單片機(jī)的看門狗電路采用集成的看門狗電路x25045。系統(tǒng)顯示部分由8位LED數(shù)碼管組成,其中最高2位作為功能,狀態(tài)指示符,低6位用來(lái)顯示數(shù)據(jù)。顯示驅(qū)動(dòng)器選用的是帶有串行接口的8位LED控制驅(qū)動(dòng)器PS7219,它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED,與單片機(jī)的接口采用簡(jiǎn)單的3線SPI方式,硬件線路十分簡(jiǎn)單。鍵盤輸入設(shè)置了16個(gè)按鍵,識(shí)別方法采用簡(jiǎn)單實(shí)用的線反轉(zhuǎn)法,16個(gè)按鍵按4×4的陣列接到P3口上的8位I/O上,采用查詢方式工作。為確保機(jī)械手工作時(shí)沖頭位于最上面,將沖頭位置檢測(cè)傳感器的信號(hào)接到單片機(jī)的INT1口(此信號(hào)在原輥式自動(dòng)送料系統(tǒng)中已采集),以中斷方式工作。單片機(jī)通過(guò)P1口的輸出控制5個(gè)電磁鐵(閥)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采用光電隔離器TLP521,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)外部電路的隔離,抑制了各種尖峰脈沖和噪聲干擾,從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖4．2 系統(tǒng)的單片機(jī)控制原理圖
5．機(jī)械手的保養(yǎng)
5．1密封與潤(rùn)滑
軸承潤(rùn)滑應(yīng)用塑性的潤(rùn)滑脂，液體的礦物油和固體潤(rùn)滑劑。下面是幾種常用的潤(rùn)滑劑：
鈣基潤(rùn)滑脂，這種潤(rùn)滑脂在軸承溫度低于60℃的情況下可以長(zhǎng)期使用，短時(shí)間溫度可達(dá)70℃；允許軸的圓周速度不超過(guò)10m/s。
鈉基潤(rùn)滑脂，這種潤(rùn)滑脂用在軸的圓周速度低于10m/s的地方，它很難熔化，因此可以在軸承溫度為100—120℃的情況下使用。
鈉基潤(rùn)滑脂（1—13，JB—L1HVH1，RH3—2），這種潤(rùn)滑脂可以在軸的圓周速度達(dá)15m/s的情況下使用。1—13號(hào)潤(rùn)滑脂一般用于在-20—100℃溫度下工作的軸承。JB—L1HV1V號(hào)潤(rùn)滑脂用在鐵路車輛軸箱的軸承中。
潤(rùn)滑脂填充填充標(biāo)準(zhǔn)一般是被填充殼體自由體積空間的1/2—1/3。
潤(rùn)滑的主要目的是在接觸表面形成油膜減少接觸面的磨損和摩擦。
潤(rùn)滑脂流動(dòng)性差，不需要經(jīng)常更換，既起潤(rùn)滑，又起密封作用。
潤(rùn)滑脂的受溫度的影不大，溫度上升的過(guò)程中，黏度的變化很小，其具有良好的黏附性，可以防銹，減振及降低噪聲。
滾動(dòng)軸承的外界工作環(huán)境、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作過(guò)程中產(chǎn)生的溫度，決定其密封的方法與潤(rùn)滑的種類。
密封是機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最廣的零部件之一，主要的作用是防止泄露與外界環(huán)境對(duì)機(jī)身重要部位的污染。一般情況下，軸承采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。具體選擇可按速度因數(shù)值確定，d代表軸承內(nèi)徑，n代表軸承轉(zhuǎn)速，當(dāng)dn<（1.5—2）×10(5)mmr/min時(shí)，當(dāng)速度因數(shù)在這范圍內(nèi)的時(shí)候采用脂潤(rùn)滑，高于這個(gè)值的時(shí)候?yàn)橛蜐?rùn)滑。
本設(shè)計(jì)選擇是標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB491-1987的鈣基潤(rùn)滑脂。
5．2機(jī)械手的維護(hù)與保養(yǎng)
正確、合理的調(diào)整使用機(jī)械手，可以保證繼續(xù)黃的使用一定期限性進(jìn)行維護(hù)，使用中注意：
（1）充分熟悉掌握本機(jī)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及使用方法；
（2）機(jī)械手調(diào)整時(shí)使用合適的扳手及調(diào)整工具，禁止敲打和沖擊。
（3）機(jī)械手發(fā)生故障應(yīng)立即停止，進(jìn)行檢查，只有在排除故障后才允許重新啟動(dòng)。
（4）機(jī)械手的工作表面應(yīng)經(jīng)常保持清潔，工作后應(yīng)切斷電路的總開(kāi)關(guān)。
（5）在各外露的加工表面上涂一層薄油以防止生銹。
（6）該設(shè)備主要用于小型作業(yè)，每次運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給量不易過(guò)大，防止用力過(guò)大，損傷機(jī)械手。
6．總結(jié)
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手中的沖床卸料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)沖床的生產(chǎn)情況，要求設(shè)計(jì)的機(jī)械手能夠在一分鐘之內(nèi)完成40次的卸料。經(jīng)分析后，確定了一個(gè)整體結(jié)構(gòu)由兩部分組成的自動(dòng)卸料機(jī)械手。這兩部分分別為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分和升降機(jī)構(gòu)部分。在回轉(zhuǎn)拾取零件的部分，采用了電磁鐵吸附的方式。升降部分固定在沖床床身上,帶動(dòng)回轉(zhuǎn)部分整體升降,回轉(zhuǎn)部分負(fù)責(zé)將電磁鐵轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出工作臺(tái)，達(dá)到卸料的目的。氣動(dòng)部分由兩個(gè)三位四通電磁換向閥控制兩個(gè)氣缸做升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？刂撇糠钟蓡纹瑱C(jī)控制電磁換向閥，繼而控制機(jī)械手做吸料、轉(zhuǎn)出、卸料、轉(zhuǎn)入等運(yùn)動(dòng)。
在升降部分確定了氣壓缸的型號(hào)、導(dǎo)向柱、支撐板和軸承的大小，軸承套座根據(jù)軸承的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)?；剞D(zhuǎn)部分，通過(guò)計(jì)算，確定了氣壓缸的基本參數(shù)，齒輪和圓柱齒條的參數(shù)，校核了圓錐滾子軸承、擺桿和回轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)實(shí)際的裝配在不影響工作性能的條件下，將部分尺寸進(jìn)行細(xì)微的改動(dòng)。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)我鞏固了所學(xué)習(xí)過(guò)的機(jī)械原理、機(jī)械零件等專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又進(jìn)一步深入了解了電工電子學(xué)、計(jì)算機(jī)（課程）、控制工程等相關(guān)方面的知識(shí)，真正將所學(xué)的知識(shí)綜合的運(yùn)用在了一起。
參考文獻(xiàn)
[1]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著.高等教育出版社.8版，2013.5.
[2]濮良貴,陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編著.9版；高等教育出版社，2013.5.
[3]劉宏新.機(jī)電一體化技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.
[4]郭斌,王彥明,陸藝等.沖床上下料機(jī)械手臂及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng),2016,40(2)：150－153，157.
[5]田樂(lè)帥.沖床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究[D].青島科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2016.
[6]孫瓏.沖壓機(jī)上下料機(jī)械手的開(kāi)發(fā)與研究[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.
[7]覃南強(qiáng),譚仲海.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2015,10(398）：43－45.
[8]李娜.氣動(dòng)技術(shù)在沖壓行業(yè)中的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封,2016，2：73-75.
[9]于衍偉.適于中小型沖床的經(jīng)濟(jì)性自動(dòng)送料機(jī)械手研制[J].鍛壓技術(shù),2011，36（6）：66－69.
[10]王建明.自動(dòng)線與工業(yè)機(jī)械手技術(shù)[M].天津，天津大學(xué)出版社,2009.
[11]鐘全熊.沖壓工藝及設(shè)備[M].北京，北京理工大學(xué)出版社，2010.
[12]鄭崢.沖壓注塑成型設(shè)備[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2015.
[13]章宏甲.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.第一版；2004年：P91-P98。
[14]張弛.沖床卸料機(jī)械手的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005.10
[15]吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京，化學(xué)工業(yè)出版社.3版，2010.2
[16]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安，西安電子科技大學(xué)出版社，2006.3
[17]XiangqiHuang,TakeshiSasaki,HidekiHashimoto,FumihiroInoue,BoZheng,TakeshiMasuda,KatsushiIkeuchi.AnAccurateandEfficientPileDriverPositioningSystemUsingLaserRangeFinder[M].SpringerBerlinHeidelberg:2013.
[18]TakeshiSasaki,HiroshiKawahara,FumihiroInoue,HidekiHashimoto.CircleFittingBasedPilePositioningandMachinePoseEstimationfromRangeDataforPileDriverNavigation[J].IFACProceedingsVolumes,2012,45(22):.
[19]XuZhou,YuRongChen,ZhenWang.ContactbetweenPrefabricatedPileandPileClampingJawsunderPileDriving[J].AppliedMechanicsandMaterials,2012,1468(101):.
25
收藏