氣動機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 氣動機(jī)械手概述1</p><p>　　1.2 機(jī)械手的組成和分類1</p><p>　　1.2.1機(jī)械手的組成1</p><p>　　1.

2、2.2機(jī)械手的分類3</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r4</p><p>　　1.4課題的提出及主要任務(wù)6</p><p>　　1.4.1課題的提出6</p><p>　　1.4.2課題的主要任務(wù)7</p><p>　　第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案8</p><p>　　2.

3、1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度8</p><p>　　2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計9</p><p>　　2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計9</p><p>　　2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計9</p><p>　　2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計9</p><p>　　2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計10<

4、;/p><p>　　2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)10</p><p>　　第三章 氣動系統(tǒng)設(shè)計16</p><p>　　3．1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖16</p><p>　　第四章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計18</p><p>　　4.1可編程序控器的簡介18</p><p>　　4.2 PL

5、C的結(jié)構(gòu)，種類和分類18</p><p>　　4.3 FX2n系列三菱PLC特點20</p><p>　　4.4 X/Y接口簡介21</p><p>　　4.5電路的總體設(shè)計23</p><p>　　4.5.1 回路的設(shè)計23</p><p>　　4.5.2 系統(tǒng)輸入/輸出分布表24</p>

6、<p>　　4.5.3機(jī)械手的程序設(shè)計25</p><p>　　4.5.4 各模塊的程序設(shè)計26</p><p>　　第五章 結(jié) 論35</p><p><b>　　結(jié)束語36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p>

7、<b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 氣動機(jī)械手概述</p><p>　　氣動機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)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

8、分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是

9、工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.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</p><p>　　1.2 機(jī)械手的組成和分類</p><p>　　1.2.1機(jī)械手的組成</

10、p><p>　　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1-1所示。</p><p>　　圖1-1機(jī)械手組成方框圖:</p><p>　　Pane chart of composition of manipulator</p><p><b>　　(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b>&

11、lt;/p><p>　　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)。</p><p><b>　　1、手部</b></p><p>　　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在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。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

12、移型。回轉(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)型式較多時常用的有:

13、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。</p><p><b>　　2、手腕</b></p><p>　　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)</p><p><b>　　3、手臂</b></p><p>　　手臂是支承被抓物件、手部、手

14、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。</p><p><b>　　4、立柱</b></p><p>　　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)

15、運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。</p><p><b>　　5、行走機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　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)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、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。滾輪式布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)

16、機(jī)械傳動裝置。</p><p><b>　　6、機(jī)座</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　(二)驅(qū)動系統(tǒng)</b></p><p>　　驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)

17、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、機(jī)械傳動?？刂葡到y(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?？刂葡到y(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，</p><p>　　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

18、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。</p><p><b>　　(三)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　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?？刂葡到y(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

19、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。</p><p><b>　　(四)位置檢測裝置</b></p><p>　　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

20、設(shè)定位置.</p><p>　　1.2.2機(jī)械手的分類</p><p>　　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。</p><p><b>　　(一)按用途分</b></p><p>　　機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:</p&

21、gt;<p>　　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)的自動換刀機(jī)械手，如自動機(jī)床、自動線的上、下料機(jī)械手。</p><p>　　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。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

22、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:可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌控制；同時還可分為伺服型和一般型的機(jī)械手，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。</p><p><b>　　(二)按驅(qū)動方式分

23、</b></p><p>　　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。</p><

24、;p>　　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。</p><p>　　3、機(jī)械傳動機(jī)械手即由機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)(如凸輪、

25、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，用于工作主機(jī)的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。</p><p>　　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

26、機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。</p><p><b>　　(三)按控制方式分</b></p><p>　　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。</p><p>　　2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌

27、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。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:</p><p>　　(1) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于

28、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。</p><p>　　(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)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。</p><p>　　(3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(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

29、;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。</p><p>　　(4) 機(jī)器人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)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、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)

30、品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。</p><p>　　(5) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。</p><p>　　(6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(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)器人的人機(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)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射

31、到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。</p><p>　　(7) 機(jī)器人化機(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)器人從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)器人操作機(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)

32、了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(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)器人己應(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)器人技術(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)器人應(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)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四

33、。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(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)，</p><p>　　1.4課題的提出及主要任務(wù)</p><p>　　1.4.1課題的提出</p><p>　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國人口老齡

34、化的提前到來，近來在東南沿海還出現(xiàn)在大量的缺工現(xiàn)象，迫切要求我們提高勞動生產(chǎn)率，降低工人的勞動強(qiáng)度，提高我國工業(yè)自動化水平勢在必行，將機(jī)械手，應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運到另外一條生產(chǎn)線，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動，同時又可以提高勞動生產(chǎn)率。。</p><p>　　現(xiàn)在的機(jī)械手大多采用液壓傳動，液壓傳動存在以下幾個缺點:</p><p>　　(1)液

35、壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。</p><p>　　(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。</p><p>　　(3)因液壓脈動和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。</p><p>　　(4)為了減

36、少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。</p><p>　　鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動，</p><p>　　氣動技術(shù)有以下優(yōu)點:</p><p>　　(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問

37、題.</p><p>　?。?)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(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)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(yán)重污染。</p><p>　　(3)動作迅速，反應(yīng)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(hù)，便于自動控制。</p><

38、;p>　　(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(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。</p><p>　　(5)工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)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。</p><p>　　(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

39、質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認(rèn)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(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，對氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性和前景存在不

40、少疑慮。</p><p>　　1.4.2課題的主要任務(wù)</p><p>　　本課題將要完成的主要任務(wù)如下:</p><p>　　(1) 進(jìn)行氣動機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運動方式設(shè)計；</p><p>　　(2) 設(shè)計氣動機(jī)械手氣路設(shè)計，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計計算；</p><p>　　(3) 用PLC對機(jī)械手控制的總

41、體設(shè)計；</p><p>　　第二章 機(jī)械手的設(shè)計方案 </p><p>　　對氣動機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-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

42、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.</p><p>　　2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度</p><p>　　按機(jī)械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時手

43、臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱坐標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機(jī)構(gòu)，從而增加一個手臂上下擺動的自由度</p><p>　　圖2-1 機(jī)械手的運動示意圖</p><p>　　2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計</p><p>　　為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使

44、用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時，使用氣流負(fù)壓式吸盤。</p><p>　　2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計</p><p>　　考慮到機(jī)械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。</p><p>　　2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計</p><

45、p>　　按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。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)。</p><p>　　2.5 機(jī)械手的驅(qū)動方案設(shè)計</p><p>　　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。</p><

46、;p>　　2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計</p><p>　　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。</p><p>　　2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)</p><p>　　1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓

47、取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為1公斤。</p><p>　　2.基本參數(shù)運動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為。平均移動速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。</p>

48、<p>　　第三章 氣動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　3．1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖</p><p>　　圖4-1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0.4-0.6MPa）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。</p><p>　　圖4-1 機(jī)械手氣壓傳動

49、原理圖</p><p>　　各執(zhí)行機(jī)構(gòu)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，可以加快啟動速度，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)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，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

50、的背壓大小。</p><p>　　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調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。</p><p>　　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。</p><p>　　第四章 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計 <

51、;/p><p>　　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。</p><p>　　4.1可編程序控器的簡介</p><p>　　在60年代，汽車生產(chǎn)流水線的自動控制系統(tǒng)基本上都是由繼電器控制裝置構(gòu)成的。當(dāng)時汽車的每一次改型都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重

52、新設(shè)計和安裝。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期愈來愈短，這樣，繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。為了改變這一現(xiàn)狀，美國通用汽車公司在1969年公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代繼電器控制裝置，并提出了十項招標(biāo)指標(biāo)，即</p><p>　　1. 編程方便，現(xiàn)場可修改程序；2. 維修方便，采用模塊化結(jié)構(gòu)；</p><p>　　3. 可靠性

53、高于繼電器控制裝置；4. 體積小于繼電器控制裝置；</p><p>　　5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機(jī)；6. 成本可與繼電器控制裝置競爭；</p><p>　　7. 輸入可以是交流115V； </p><p>　　8. 輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥，接觸器等；</p><p>　　9. 在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只要很小變更；<

54、/p><p>　　10. 用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4K。</p><p>　　1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC) 研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。這一新型工業(yè)控制

55、裝置的出現(xiàn)，也受到了世界其他國家的高度重視。1971年，日本從美國引進(jìn)了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺PLC。1973年，西歐國家也研制出它們的第一臺PLC。我國從1974年開始研制,于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。</p><p>　　4.2 PLC的結(jié)構(gòu)，種類和分類</p><p>　　PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，如圖所示：</p>

56、;<p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　（一）中央處理單元(CPU)</p><p>　　中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。 </p><p><b&

57、gt;　?。ǘ?存儲器</b></p><p>　　存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。</p><p>　　存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。</p><p>　　PLC常用的存儲器類型：</p><p>　　(1) RAM (Random Assess Memory) </p><p>　　

58、這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。</p><p>　　(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)</p><p>　　這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。(在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。</p><p>　　(3) EEPROM(El

59、ectrical Erasable Programmable Read Only Memory)</p><p>　　這是一種電可擦除的只讀存儲器。使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。</p><p><b>　　（三） 電源 </b></p><p>　　PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系

60、統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。</p><p>　　一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。</p><p>　　常見的PLC的類型挺多的，有三菱的FX系列、西門子的S7系列、臺灣的豐煒等等。</p><p><b>　　PLC的分類有：</b>&l

61、t;/p><p>　　(一) 小型PLC </p><p>　　小型PLC的X/Y點數(shù)一般在128點以下，其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，整個硬件融為一體，除了開關(guān)量X/Y以外，還可以連接模擬量X/Y以及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊聯(lián)網(wǎng)以及各種應(yīng)用指令。</p><p><b>　　(二) 中型PLC<

62、/b></p><p>　　中型PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，其X/Y點數(shù)一般在256~1024點之間。X/Y的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，</p><p>　　通訊聯(lián)網(wǎng)功能更強(qiáng)，指令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，掃描速度更快。</p><p><b&

63、gt;　　(三) 大型PLC</b></p><p>　　一般X/Y點數(shù)在1024點以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強(qiáng)。具有極強(qiáng)的自診斷功能。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊，可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng)，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。大型PLC還可以采用三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)，使機(jī)器的可靠性更高。</p><p>　　4.3 FX2n系列三菱PLC特點：</p>

64、;<p>　　1、集成型高性能。CPU、電源、輸入輸出三為一體。</p><p>　　對6種基本單元，可以以最小8點為單元連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可以擴(kuò)展輸入輸出256點。</p><p><b>　　2、高速運算</b></p><p>　　基本指令：0.08μs/指令</p><p>　　應(yīng)用指令:1

65、.52～數(shù)100μs/指令</p><p>　　3、安心、寬裕的存儲器規(guī)格</p><p>　　內(nèi)置8000步RAM存貯器</p><p>　　安裝存儲盒后，最大可以擴(kuò)展到16000步。</p><p>　　4、豐富的軟元件范圍</p><p>　　輔助繼電器：3072點，定時器：256點，計數(shù)：235點</p&

66、gt;<p>　　數(shù)據(jù)寄存器；8000點</p><p>　　5、除了具有輸入輸出16～256點的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。</p><p>　　6、面向海外的產(chǎn)品適合各種安全規(guī)格</p><p>　　為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能：</p><p>　　開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要----模

67、擬X/Y，高速計數(shù)器。</p><p>　　定位控制達(dá)到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。</p><p>　　對每一個FX2n主單元可配置總計達(dá)8個特殊功能模塊。</p><p>　　4.4 X/Y接口簡介</p><p>　?。?）X/Y接口的概念 CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備

68、來實現(xiàn)，前者被稱為X/Y接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而X/Y設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說到接口只是指X/Y接口。</p><p><b>　　(2）接口的分類 </b></p><p>　　X/Y接口的功能是負(fù)責(zé)實現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把X/Y電路和 外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，按照電路和設(shè)備

69、的復(fù)雜程度，X/Y接口的硬件主要分為兩大類： </p><p>　　1）X/Y接口芯片 </p><p>　　這些芯片大都是集成電路，通過CPU輸入不同的命令和參數(shù)，并控制相關(guān)的X/Y電路和簡單的外設(shè)作相應(yīng)的操作，常見的接口芯片如定時、計數(shù)器、中斷控制器、DMA控制器、并行接口等。 </p><p>　　2）X/Y接口控制卡 </p><p>

70、;　　有若干個集成電路按一定的邏輯組成為一個部件，或者直接與CPU同在主板上，或是一個插件插在系統(tǒng)總線插槽上。 </p><p>　　按照接口的連接對象來分，又可以將他們分為串行接口、并行接口、鍵盤接口和磁盤接口等。 </p><p>　　行程開關(guān)用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作

71、，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關(guān)廣泛用于各類機(jī)床和起重機(jī)械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。</p><p>　　4.5電路的總體設(shè)計</p><p>　　4.5.1 回路的設(shè)計 整個系統(tǒng)的回路設(shè)計如下: &

72、lt;/p><p>　　4.5.2 系統(tǒng)輸入/輸出分布表 </p><p>　　4.5．3機(jī)械手的程序設(shè)計</p><p>　　自動線的輸送動作由步進(jìn)電動機(jī)帶動實現(xiàn)間隔輸送，實現(xiàn)設(shè)計要求的輸送狀況。其工作的過程是：機(jī)械手首先處于初始位置，然后經(jīng)過一系列的動作將斷續(xù)傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測檢測開關(guān)檢測到工件被取走。然后傳送帶開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)檢測到下一個工件

73、時傳送帶停止轉(zhuǎn)動等待機(jī)械手來取工件，當(dāng)然只要機(jī)械手取走工件傳送帶就開始轉(zhuǎn)動，這樣設(shè)計是為了節(jié)省工作時間從而不會出現(xiàn)機(jī)械手等待傳送帶的時間。</p><p><b>　　對程序的要求如下：</b></p><p>　　(1)首先啟動機(jī)械手時機(jī)械手自動復(fù)位處于初始位置；</p><p>　　(2)在機(jī)械手工作前還要對其進(jìn)行設(shè)備的檢測即機(jī)械手空運行一

74、次而且機(jī)械手的每一個動作都有相應(yīng)的定時器進(jìn)行監(jiān)控若超出規(guī)定的運行時間則認(rèn)為是設(shè)備出現(xiàn)故障。</p><p>　　(3)機(jī)械手設(shè)有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用的）只有出現(xiàn)緊急情況時才允許按此按鈕，按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯(lián)系將被切斷各汽缸處于無動力狀態(tài)。</p><p>　　4.5.4 各模塊的程序設(shè)計</p><p><b>　　第五章 結(jié)

75、 論</b></p><p>　　1、本次設(shè)計的是氣動通用機(jī)械手，相對于專用機(jī)械手，通用機(jī)械手的自由度可變，控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。</p><p>　　2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)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。</p><p>　　3、

76、通過對氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復(fù)勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。</p><p>　　4、機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進(jìn)行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)機(jī)械手的動作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。</p><p>　　2013年10月06日</

77、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張建民.工業(yè)機(jī)器人.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988</p><p>　　[2]蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)器人技術(shù)，2001, 4</p><p>　　[3]金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展勢態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 ，2001,

78、2</p><p>　　[4]王雄耀.近代氣動機(jī)器人(氣動機(jī)械手)的發(fā)展及應(yīng)用.液壓氣動與密封 1999, 5</p><p>　　[5]嚴(yán)學(xué)高，孟正大.機(jī)器人原理.南京:東南大學(xué)出版社，1992</p><p>　　[6]機(jī)械設(shè)計師手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986</p><p>　　[7]黃錫愷，鄭文偉.機(jī)械原理.北京:人民教育出版社

79、，1981</p><p>　　[8]成大先.機(jī)械設(shè)計圖冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　[9]鄭洪生.氣壓傳動及控制.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1987</p><p>　　[10]吳振順.氣壓傳動與控制.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995</p><p>　　[11]徐永生.氣壓傳動.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990, 5<