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廣東石油化工學(xué)院成人教育 畢業(yè)論文(設(shè)計、作業(yè)) 題 目： 氣動上下料機(jī)械手的設(shè)計 學(xué)生姓名： 楊景雄 層次： 本科 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級： 2012級 指導(dǎo)老師： 職稱： 2015 年 03 月 20 日廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文(設(shè)計、作業(yè))評語表 指 導(dǎo)　 教　 師　 評　 語 評定成績：________分 簽 名：______________ 年 月 日 評 閱　　教　　師　 評　 語 評定成績：________分 簽 名：_______________ 年 月 日 答辯結(jié)論 評定成績：________分 簽 名：_______________ 年 月 日 總 評 評定等級：________ 簽 名：_______________ 年 月 日 廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文（設(shè)計、作業(yè)） 原 創(chuàng) 承 諾 書 我承諾所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計、作業(yè)） 氣動上下料機(jī)械手的設(shè) 計 是本人在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。若本論文（設(shè)計、作業(yè)）及資料與以上承諾內(nèi)容不符，本人愿意承擔(dān)一切責(zé)任。 畢業(yè)論文（設(shè)計、作業(yè)）作者簽名： 日期： 年 月 日 廣東石油化工學(xué)院成人教育畢業(yè)論文(設(shè)計、作業(yè))任務(wù)書 發(fā)給學(xué)員　　　　　　　 1、畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）題目：　氣動上下料機(jī)械手的設(shè)計 　　　 2、學(xué)員完成設(shè)計（論文、作業(yè)）時間：　　 　年　 　　月　　 日 3、畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）課題要求：　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4、實驗（上機(jī)、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 5、文獻(xiàn)查閱要求： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 6、發(fā)出日期：　　　　　年　　　　月　　　日 7、學(xué)員完成日期：　　　　　年　　　　月　　　日 系（教研室）意見： 簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 學(xué) 生 簽 名： 摘 要 本文對機(jī)械手進(jìn)行了總體方案設(shè)計，確定了機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定了機(jī) 械手的技術(shù)參數(shù)。同時，分別設(shè)計了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)以及吸附式手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 了機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩設(shè)計 了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計了手臂伸縮、升降用液壓緩沖器和手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器。 設(shè)計出了機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機(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，畫出了機(jī)械手的工作時序圖和梯形圖，并編制了可編程序控制器的控制程序。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手，機(jī)械手，氣動，可編程序控制器(PLC) 目 錄 摘要........................................................................... Ⅰ 第1章緒論.............................................................. .......1 1.1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..........................................................3 1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r..............................................................4 1.4課題的提出及主要任務(wù)課題的主要任務(wù)...........................................5 第2章設(shè)計方案..................................................................6 2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度.....................................................6 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計.....................................................6 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計.....................................................6 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計.....................................................6 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計........................................................7 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計.........................................................7 第3章手部結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................................7 3.1手指的形狀和分類..............................................................7 3.2設(shè)計時考慮的幾個問題...........................................................7 第4章手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................................8 第5章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................................8 5.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計......................................................................8 第6章氣動系統(tǒng)設(shè)計................................................................8 6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖.........................................................8 第7章機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計......................................................10 7.1 機(jī)械手的工藝過程..............................................................10 7.2 PLC控制系統(tǒng)...................................................................10 7.3 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計...........................................................12 結(jié)束語.............................................................................16 參考文獻(xiàn)...........................................................................17 第1章緒論 1.1機(jī)械手概述 機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);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(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用. 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.2機(jī)械手的組成和分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。 圖1-1機(jī)械手的組成方框圖 （一）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 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部。 夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，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。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。 對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式. 2、手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)。 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(yù)定要求將其搬運到指定的位置. 工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下: 手臂在進(jìn)行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。 4、立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5、行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運動。滾滾輪輪式式布行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。 6、機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機(jī)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(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 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 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)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(chǎn)，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手和“加口工中心”附屬的自動換刀機(jī)械手。 2、通用機(jī)械手 它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機(jī)械手。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨立的。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，只能是點位控制: 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。 (二)按驅(qū)動方式分 1、 液壓傳動機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏。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)動系統(tǒng)，可實現(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、 氣壓傳動機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，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)械傳動機(jī)械手 即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點是運動準(zhǔn)確可靠，動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機(jī)的上、下料。 4、電力傳動機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的機(jī)械手，因為不需要中間的轉(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)械手的運動速度快和行程長，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。若欲控制的點數(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 它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，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算機(jī)進(jìn)行控制。 1.3國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢: (1)工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (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)械手整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)械手控制系統(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)械手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)械手還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)械手則采用視覺、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)實技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)械手。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)械手系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)械手的人機(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)械手走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)械手就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 (7)機(jī)械手化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)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(yīng)用的領(lǐng)域。 我國的工業(yè)機(jī)械手從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)械手;其中有130多臺套噴漆機(jī)械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)械手己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)械手產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)械手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國的智能機(jī)械手和特種機(jī)械手在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)械手，6000m水下無纜機(jī)械手的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)械手、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)械手、爬壁機(jī)械手、管道機(jī)械手等機(jī)種:在機(jī)械手視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)械手、智能裝配機(jī)械手、機(jī)械手化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.4課題的提出及主要任務(wù)課題的主要任務(wù) 設(shè)計技術(shù)要求： 1、 工件形狀 2、 工件重量50g，為塑料件；運動部件總重6Kg 3、動作要求 單元一：提升機(jī)構(gòu)：零件從振動料斗落料到20mm高的平臺上，首先對其進(jìn)行檢測，檢測到零件合格，則該將零件從20mm高處提升至40mm高處，便于物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓??；如果檢測到零件不合格，則將零件推入廢料箱中，不進(jìn)行提升動作。 單元二：物料轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)：檢測裝置檢測到平臺上有零件，則將提升機(jī)構(gòu)提升起來的零件轉(zhuǎn)運至距離該處440mm處，待裝配。 該機(jī)構(gòu)的氣動系統(tǒng)工作循環(huán)為：懸臂伸出→氣爪下行→抓取工件→氣爪上行→懸臂回縮→旋轉(zhuǎn)合適的角度（小于180）→懸臂伸出→氣爪下行→松開工件（放到指定的工作臺上），完成一個自動工作循環(huán)。 本課題將要完成的主要任務(wù)如下: (1)機(jī)械手為專用機(jī)械手 (2)選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度 (3)設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:氣爪，氣缸的設(shè)計。 (4)氣壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 本課題將設(shè)計出機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設(shè)計，并繪出氣動原理圖。 (6)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計 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，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。 第2章 設(shè)計方案 對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運物件，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定位等特性。設(shè)計氣動機(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、搬運時的受力特性、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)及運行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制. 2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，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。由于本機(jī)械手在上下料時手臂具有升降、收縮，無旋轉(zhuǎn)，因此，可采用直角座標(biāo)型式。 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 本課題要抓取的是一圓柱形物體，所以可采用夾持式手部，直接采取氣爪即可。 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 被抓取工件是水平放置，手腕無需設(shè)有回轉(zhuǎn)運動。因此，手腕設(shè)計并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)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(xiàn)。 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方向設(shè)計 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計 考慮到機(jī)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(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1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作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；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。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.2設(shè)計時考慮的幾個問題 (一)具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，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，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (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)械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，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)是左右兩指弧形夾持氣爪。（為了牢固抓取，將氣爪部位，加裝與零件外形較為接近的爪子） 第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計 被抓取工件是水平放置，手腕無需設(shè)有回轉(zhuǎn)運動。因此，手腕設(shè)計并無太大要求，只需連接手臂與手部即可。 第5章 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)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(xiàn)。 5.1.結(jié)構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮是直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。同時 ，氣壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。在本機(jī)械手中，采用的是單導(dǎo)向桿作為導(dǎo)向裝置，它可以增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 第6章 氣動系統(tǒng)設(shè)計 6.1氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 圖6- 1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)(排氣壓力大于0.4～0.6M Pa) 通過快換接頭進(jìn)入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖6-1 機(jī)械手氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速，凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進(jìn)行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)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，可加快起動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進(jìn)氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器，這樣可以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。 電磁閥的通徑，是根據(jù)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(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。 第7章 機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 7.1 機(jī)械手的工藝過程 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)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。 分析工藝過程機(jī)械手的初始位置停在原點，按下啟動后按扭后，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。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，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，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，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：利用按鈕對機(jī)械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降” 按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，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，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。 3） 單周期工作方式：按下啟動按鈕，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，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，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，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。 7.2 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。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 7-2 所示。 圖 7-2 輸入/輸出分配接線圖 7.3 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(jìn)行選擇，控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖 7-3 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。 圖 7-3 總程序結(jié)構(gòu)框圖 （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 7-4 所示， 圖 7-4 手動程序 手動按鈕 X20-X25 分別控制圖 7-4 手動程序下降、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7-5 所示。 圖7-5 自動程序 1）連續(xù)及單周期操作。當(dāng)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)。 在運行中，如按正常停車按鈕，則 X1 接通，M0 復(fù)位，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，機(jī)械手工作停止。重新啟動時，先用手動來將機(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7-6 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。 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 7-6 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 7-6 所示的單步操作梯形圖連接在如圖 7-5 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，機(jī)械手的控制程序分段設(shè)計完畢。根據(jù)圖 7-3 所示的總程序結(jié)構(gòu)框圖，將手動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。 結(jié)束語 在此我要謝謝我的指導(dǎo)老師，他的教誨和幫助是我完成這次設(shè)計的基礎(chǔ)和動力。還要衷心感謝三年來幫助過我的班主任，還有同學(xué)、朋友們。感謝公司里幫助我的同事跟領(lǐng)導(dǎo)。班主任嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，忘我的工作精神，樸實無華的為人，寬廣大度的胸襟和誨人不倦的風(fēng)范將是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。同事跟領(lǐng)導(dǎo)兢兢業(yè)業(yè)的工作態(tài)度，果斷的處事態(tài)度都是我要學(xué)習(xí)的。值此論文完成之際，感謝老師對我孜孜不倦的教導(dǎo)。感謝學(xué)校的領(lǐng)導(dǎo)和老師對我2年來的培養(yǎng)，謝謝各位老師，愿各位老師工作順利，身體健康！。 參考文獻(xiàn) [1] 王承義．機(jī)械手及其應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981，12-25 [2] 廖常初．可編程控制器的編程方法與工業(yè)應(yīng)用．重慶：重慶大學(xué)出版社，2001，26-37 [3] 郭洪紅．工業(yè)機(jī)器人技術(shù)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006年，20-28 [4] 王承義．機(jī)械手及其應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981，8-25 [5] 張鳳珊．電器控制及可編程序控制器．北京：中國輕工業(yè)出版社．1999，62-79 [6] 楊長能，張興毅．可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用．重慶：重慶大學(xué)出版社．1992，31-52 [7] 袁秀英．組態(tài)軟件技術(shù)．北京：電子工業(yè)出版社．2003，6-37，154-159 [8] 楊存智.PLC在自動化生產(chǎn)機(jī)械手中的應(yīng)用［M］.機(jī)床電器.2006.33（1）：38～40. 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