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塔里木大學畢業(yè)設計
小型物料運送手臂設計
目 錄
1緒 論 2
1.1 機械手臂概念 2
1.2本課題研究的目的及意義 2
1.3 國內(nèi)外機械臂的發(fā)展和研究 3
1.4 本課題的任務要求及其可行性 4
1.4.1本課題將要完成的主要任務如下: 4
1.4.2 可行性分析 4
2 機械手臂的整體設計方案 4
2.1 機械手臂的組成 4
2.2 機械手臂的自由度 5
2.3 機械手臂的手部結構方案設計 5
2.4 機械手臂的手臂結構方案設計 5
2.5 機械手臂的驅動方案設計 5
2.6 機械手臂的控制方案設計 5
2.7 機械手臂的主要技術參數(shù) 6
2.8 機械手臂的系統(tǒng)工作原理 7
3 手部結構設計 8
3.1手指的形狀和分類 9
3.2設計時考慮的幾個問題 9
3.3手部夾緊氣缸的設計 9
4 臂部結構設計 12
4.1 手腕的自由度 12
4.2 手腕的回轉氣缸設計與校核 12
4.3 臂部伸縮氣缸的設計與校核 13
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計 13
4.3.2 尺寸校核 13
5 立柱的結構設計 14
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設計與校核 14
5.1.1 尺寸設計 14
5.1.2 尺寸校核 14
5.2 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核 15
5.2.1 尺寸設計 15
5.2.2 尺寸校核 15
6 機械手臂的PLC控制系統(tǒng)設計 16
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 16
6.1.1 可編程序控制器的選擇 16
6.1.2 可編程序控制器的工作過程 16
6.2 可編程序控制器的使用步驟 17
6.3 機械手臂可編程序控制器控制方案 17
6.3.1 控制要求 17
6.3.2 機械手臂的工作流程 18
6.3.3 機械手臂的PLC梯形圖 19
7 結論 19
致 謝 21
參考文獻 22
1緒 論
1.1 機械手臂概念
它是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。（如圖1-1）
圖1-1 機械手臂
1.2本課題研究的目的及意義
機械手臂對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應用機械手臂可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。
此外，氣壓傳動機械手臂是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手臂。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，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械手臂的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。另外氣動技術有以下特點:
(1)介質提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，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，空氣便于集中供應和遠距離輸送。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，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)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(fā)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(huán)境適應性好?？稍谠谝兹?、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中工作
。氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。
(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)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，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手臂，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手臂、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮
。
1.3 國內(nèi)外機械臂的發(fā)展和研究
它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，核能技術的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手
機械手首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
研究方向及趨勢
1 重復高精度
精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關。重復精度是指如果動作重復次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機械手來測定。目前，最快的裝配機器人最大合成速度為16. 5m/s。位置重復精度為1 0. 01mm。但有一種大直角坐標搬。機器人，其最大合成速度竟達80m/s；而另一種并聯(lián)機構的NC 機器人，其位置重復精度達1P m
。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，機械手的重復精度將越來越高，它的應用領域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2 模塊化
有的公司把帶有系列導向驅動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
3 節(jié)能化
為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術的進步，新型材料的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
4 機電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制液壓元件，使液壓技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制” ；節(jié)省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
隨著科學與技術的發(fā)展，機械手的應用領域也不斷擴大。目前，機械手不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫(yī)療康復等服務業(yè)領域中。
1.4 本課題的任務要求及其可行性
1.4.1本課題將要完成的主要任務如下:
(1)機械手臂為通用機械手臂，因此相對于專用機械手臂來說，它的適用面相對較廣。
(2)選取機械手臂自由度。
(3)設計出機械手臂的各執(zhí)行機構。
(4)機械手臂的控制系統(tǒng)的設計。
1.4.2 可行性分析
由于生產(chǎn)中應用此機械手臂可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、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，它代替人進行正常的工作。所以實用性很強。并且隨著當今科學技術的發(fā)展，這勢必成為今后生產(chǎn)的一種趨勢。所以具有可行性。
2 機械手臂的整體設計方案
對氣動機械手臂的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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。設計氣動機械手臂的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，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(shù)等，從而進一步確定對機械手臂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(xiàn)柔性轉換和編程控制.此次設計的機械手臂是通用氣動小型物料運送械手臂，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。
包括手部、臂部和立柱等部件。
2.1 機械手臂的組成
機械手臂由手部、臂部和立柱等部件組成。
1、手部
即與物件接觸的部件。手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手腕是連接手部和臂部的部件，并可用來調整被抓取物件的方位。
2、手臂
手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。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。
3、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯(lián)系。
2.2 機械手臂的自由度
機械手臂有三個自由度（如圖2-1所示）
圖2-1 機械手臂的運動示意圖
2.3 機械手臂的手部結構方案設計
考慮到機械手臂的通用性，同時由于被抓取物料的位置不確定，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(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。
2.4 機械手臂的手臂結構方案設計
按照抓取物料的要求，本機械手臂的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮，回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，手臂的伸縮由和立柱垂直的臂實現(xiàn)。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
2.5 機械手臂的驅動方案設計
由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手臂采用氣壓傳動方式。
2.6 機械手臂的控制方案設計
考慮到機械手臂的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手臂進行控制。當機械手臂的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
2.7 機械手臂的主要技術參數(shù)
一.機械手臂的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，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，查閱相關機械手臂的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為5公斤。
二.基本參數(shù)運動速度是機械手臂主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手臂速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。（如圖2-2所示）而影響機械手臂動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手臂最大移動速度設計為。最大回轉速度設計為。平均移動速度為。平均回轉速度為。機械手臂動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手臂設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手臂手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手臂的定位精度為
三．設計技術參數(shù):
1、抓重 5kg
2、自由度數(shù) 4個自由度
3、最大工作半徑 1200mm
5、手臂最大中心高 1200mm
6、手臂運動參數(shù)
伸縮行程400 mm
伸縮速度200 mm/s
升降行程400 mm
升降速度250 mm/s
回轉范圍0°-180°
回轉速度90°/s
7、手腕運動參數(shù) 回轉范圍 0°-180°90°/s
回轉速度90°/s
8、手指夾持范圍 棒料:
9、定位方式 行程開關
10、定位精度
11、驅動方式 氣壓傳動
12、控制方式 點位程序控制(采用PLC)
圖2-2機械手臂的工作范圍
2.8 機械手臂的系統(tǒng)工作原理
機械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖如圖2-3所示。
圖2-3機械手臂的系統(tǒng)工作原理框圖
機械手臂的工作原理：機械手臂主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.
(一)驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手臂執(zhí)行機構運動的。
(二)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手臂按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。該機械手臂采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手臂按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手臂的指令信息(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)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手臂的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
(三)位置檢測裝置
控制機械手臂執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.
3 手部結構設計
部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成（如圖3-1）
圖3-1手部
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型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。
3.2設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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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)保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手臂在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手臂的工作需要，通過比較，我們采用的機械手臂的手部結構是一支點， 兩指回轉型，指形狀設計成V型，其結構如附圖3-1所示。
3.3手部夾緊氣缸的設計
1、手部驅動力計算
本課題氣動機械手臂的手部結構如圖3-2所示：
圖3-2齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度為，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件，可得握力:
所以
(3)實際驅動力:
1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取a=3g時，則:
所以
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為1914N。
2、氣缸的直徑
根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為
:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設計中，必須考慮負載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實際設計要求。
3、缸筒壁厚的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10
，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中:氣缸壁：65×0.1=6.5 mm
取6 mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4 臂部結構設計
4.1 手腕的自由度
手腕（如圖4-1）是連接手部和臂部的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手臂適應復雜的動作要求。手腕應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉氣缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。
圖4-1手腕部分
4.2 手腕的回轉氣缸設計與校核
回轉氣壓缸主要用于機床夾具和線材卷曲登裝置上
。本機械手相當于機床夾具。
1.尺寸設計
氣缸長度設計為l=200mm,氣缸動片寬度b=100mm氣缸內(nèi)徑為=96mm,半徑R=48mm，軸徑=26mm,半徑r=13mm,氣缸效率取0.8，回轉工作壓力,氣缸運行角速度=，加速度時間0.1s
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
設計尺寸符合使用要求，安全。
4.3 臂部伸縮氣缸的設計與校核
4.3.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設計
手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。
4.3.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,
則驅動力：
2．測定汽缸作用的部件質量為30kg,設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
總受力
所以標準CTA氣缸（如圖4-2）的尺寸符合實際使用驅動力要求。
圖4-2 標準氣缸
5 立柱的結構設計
5.1 臂部升降氣缸的尺寸設計與校核
5.1.1 尺寸設計
氣缸運行長度設計為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=210mm,半徑R=105mm,氣缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力：
=3799N
5.1.2 尺寸校核
1．測定手腕質量為60kg,則重力：
2．設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)，
總受力
=300+600+60=960N
所以設計尺寸符合實際使用要求。
5.2 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核
5.2.1 尺寸設計
氣缸長度設計為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,
則力矩：
5.2.2 尺寸校核
1．測定參與手臂轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù),
總驅動力矩：
設計尺寸滿足使用要求。
6 機械手臂的PLC控制系統(tǒng)設計
考慮到機械手臂的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手臂進行控制.當機械手臂的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。
6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程
6.1.1 可編程序控制器的選擇
目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等?？紤]到本機械手臂的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器（如圖6-1）。
圖6-1 OMRON公司的C28P型可編程序控制器
6.1.2 可編程序控制器的工作過程
可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為四個階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。
第二階段是處理輸入信號階段。
在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。
6.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對象(機器、設備或生產(chǎn)過程)構成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進行:
(1)系統(tǒng)設計
即確定被控對象的工作原理，控制要求，動作及動作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^編號來識別信號的。
(3)畫梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉換過程。
(4)助記符機器程序
相當于微機的助記符程序，是面向機器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應將梯形圖轉化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。
(6)調試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調試)也可在別的工具上進行。如IBM-PC機，只要這個機器配有相應的軟件。
(7)保存程序
調試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
6.3 機械手臂可編程序控制器控制方案
6.3.1 控制要求
1.控制要求
為了滿足生產(chǎn)需要，機械手臂應設置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。
（1）手動工作方式
便于對設備進行調整和檢修，設置手動工作方式。用按鈕對機械手臂每一動作單獨進行控制。
（2）單動工作方式
從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按下一次起動按鈕，機械手臂完成一步的工作后，自動停止。
（3）自動工作方式
按下起動按鈕，機械手臂從原點開始，按工序自動反復連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機械手臂在完成最后一個周期的動作后，返回原點自動停機。
6.3.2 機械手臂的工作流程
氣動機械手臂的工作流程如下（如圖6-2所示）：
(1) 當按下機械手臂啟動按鈕之后，立柱上升，上升至位置開關處。
(2) 立柱左轉，左轉至位置開關處。
(3) 手腕逆時針轉動，轉動至逆時針位置開關處。
(4) 手指打開，打開至位置開關處。
(5) 手臂伸長，伸長至位置開關處。
(6) 手指閉合，閉合至位置開關處。
(7) 手臂收縮，收縮至位置開關處。
(8) 立柱右轉，右轉至位置開關處。
(9) 手臂伸長，伸長至位置開關處。
(10) 手指打開，打開至位置開關處。
(11) 手臂收縮，收縮至位置開關處。
(12) 手腕順時針轉動，轉動至位置開關處
(13) 手指閉合，閉合至位置開關處。
(14) 立柱下降，下降至位置開關處。完成循環(huán)。
圖6-2 機械手臂自動控制工作流程圖
6.3.3 機械手臂的PLC梯形圖
機械手臂的PLC梯形圖如下：（如圖6-2）
圖6-2a 機械手臂
圖7-2b中：I0.0為立柱上升信號，I0.1為手臂左轉信號，I0.2為手腕逆時針旋轉信號，I0.3為手指打開信號，I0.4為手臂伸長信號，I0.5為手指閉合信號，I0.6為手臂收縮信號，I0.7為手臂右轉信號，I0.8、I0.9、I1.0\I1.2為互鎖開關信號，I1.1為順時針旋轉信號，I1.3為立柱下降信號，M0.0為立柱上升氣壓閥，M0.1為手臂左轉氣壓閥，M0.2為手腕逆時針旋轉氣壓閥，M0.3為手指打開氣壓閥，M0.4為手臂伸長氣壓閥，M0.5為手指閉合氣壓閥，M0.6為手臂收縮氣壓閥，M0.7為手臂右轉氣壓閥，M0.8為順時針旋轉氣壓閥，M0.9為立柱下降氣壓閥。
7 結論
(1)本次設計的是氣動機械手臂，自由度可變，控制程序可調，因此適用面更廣。
(2)采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作環(huán)境適應性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環(huán)境。同時成本低廉。
(3)機械手臂采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)。可以根據(jù)機械手臂的動作順序修改程序，使機械手臂的通用性更強。
圖6-2b 機械手臂的PLC梯形圖
致 謝
在本畢業(yè)設計論文即將完成之際，我想對所有曾經(jīng)給過我?guī)椭椭С值娜藗儽硎局孕牡母兄x。首先要感謝的是養(yǎng)育我的父母，他們給了我無私的愛，我深知他們?yōu)槲仪髮W和生活所付出的巨大的犧牲和努力，至今我一直無以為報，在這里僅表達我對他們的深深地思念和感恩。
感謝我的指導老師黃新成，同時感謝張宏老師對我的幫助，他們在學習和工作方面給了我大量的指導，讓我學到了很多知識，掌握了此次設計中的知識，也獲得了實踐鍛煉的機會，對我的嚴格要求以及為人的誠懇都將使我終身受益。
畢業(yè)設計是我們在學校的最后一個任務，畢業(yè)設計對我們來說的確是一個不小的考驗，起初很慌亂，不知如何下手，由于對題目不限制，這使我們的設計范圍擴大了，減少了很少難度，三個月認真查找資料，和同學配合，終于告一段落，這次設計又使我學到了很多知識，溫故了以前的知識。同時也明白了老師的良苦用心，也知道的自己的知識是多么的少，還需要學習。三個月的努力我學到了很多知識，更多的了解了機械，知道自己的以后人生方向在哪，以后的路懂得怎么走了，找到了自己的人生價值觀。
借此機會向各位老師說聲謝謝，謝謝你們的培養(yǎng)，祝你們身體健康，事業(yè)順利！
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