搬運機械手及其控制系統(tǒng)設計【PLC控制】

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This topic originated from the handling station of the production line;The drive is used pressure transmission, which uses a variety of cylinder to control the robots movement and the control parts combining the programmable control technology make a programme to achieve the control of the transportation between the two places. Manipulator is competed by three major parts including hand, sports bodies and control system. Task of hand is to hold the workpiece (or tool) of the components.According to the grasping objects shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands a variety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.The movement part can complete the prescriptive move and achieve the change of the site and gesture 目 錄- VII -of the grasping objects by varies rotating(twisting),moving or complex movements on hand. The independence movements such as the rise and fall of body, stretching and rotating manner are called the free degrees of manipulator. The handling manipulator of the topic composites four free degrees which are rotation, stretching, lifting and claping The pneumatic manipulator design is desided from three parts in chuding the mechanical parts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and down between the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of overall structure , the choice of each cylinder and installation design, structural design of various components etc; pneumatic part is given the pneumatic manipulator handling schematics, and the control part of the procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens (S7-200) instructions program,giving the corresponding ladder diagram, statement forms and simple flow chart. Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve the stepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number of complex movements,the pneumatic manipulator is developing to the repeat-high-precision, modular, non-oil and electrical integration direction. It is foreseeable that in the near future, pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military, aviation, medical, and other areas of life. Keywords:PLC, flexible automated production lines, free degree, Ladder Diagram引引 言言1.1 課題的背景和意義課題的背景和意義近 20 年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。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。它可代替人的繁重勞動目 錄- VIII -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。通用機械手因具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線。近年來隨著氣動技術的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術已越來越多地應用于機械手中，構成氣動機械手。氣動機械手的全部動作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動。其中,上升、下降和左移、右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機械手的放松、夾緊也由雙線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成,主要完成移動、轉(zhuǎn)動、抓取等動作。本課題來源于實驗課題，模擬生產(chǎn)線由六站組成，各站可獨立，可容易的連接在一起組成一條自動加工生產(chǎn)線， 。該課題要求設計搬運站，搬運機械手將工件從上料檢測站搬至加工站。搬運過程中能實現(xiàn)抓取、提升、回轉(zhuǎn)、下降、松開等動作，且動作順序、動作速度可調(diào)。用氣動驅(qū)動，PLC 控制。包括總體設計，各執(zhí)行機構設計，氣動系統(tǒng)設計、計算，控制系統(tǒng)設計。技術要求有以下幾點：a.裝卸、調(diào)整方便；b.結構簡單，工作安全可靠；c.設計合理，盡量使用標準件，以降低制造成本；d.用 PLC 對機械手進行控制?？傮w設計思路：a.確定總體結構的組成、框架及各部分的功能與工作目標。b.根據(jù)設計任務書的要求，初步計算各工藝參數(shù)和結構參數(shù)。c.設計機體分級部分的結構及主要零件結構。d.主要分級結構部分的主要零件強度和剛度，檢查其加工工藝性和裝配工藝性。e.保證與其它部分的接口合理。f.根據(jù)設計結果，修正設計參數(shù)。1.2 課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:a.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。b.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。目 錄- IX -c.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。d.機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。e.虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。f.當代遙控機器人系統(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器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。g.機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出 “虛擬軸機床 ”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用的領域。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五” 、 “八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有 130 多臺套噴漆機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)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應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 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距 ;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約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器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求， “一客戶，一次重新設計 ”，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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程.我國的智能機器人和特種機器人在 “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器人， 6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水目 錄- X -平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、 觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用 上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基 礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。第二章第二章 總體方案確定總體方案確定2.1 總體方案論證總體方案論證機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。對氣動機械手的基本要求是能快速、準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、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(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準件，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(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣動機械手，是一種適合于小批生產(chǎn)的、可以變動作程序的自動搬運或操作設備生產(chǎn)場合。2.1.12.1.1 機械手手臂結構方案設計機械手手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的夾緊、左右回轉(zhuǎn)、左右伸縮和升降運動。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手臂的左右伸縮，手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)2.1.22.1.2 機械手驅(qū)動方案設計機械手驅(qū)動方案設計氣壓傳動的優(yōu)點：1.對于傳動形式而言，氣缸作為線性驅(qū)動器可在空間的任意位置組建它所需的運動軌目 錄- XI -跡，安裝維護簡單；2工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡單，不污染環(huán)境，成本低。壓力等級低，使用安全；3.氣缸動作速度一般為 50500mm/s，比液壓和電氣方式的動作速度快，其間，通過單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無級調(diào)節(jié)；4.可靠性高，使用壽命長。電器元件的有效動作數(shù)約為數(shù)百萬次，而進口的一般電磁閥的壽命大于 3000 萬次，小型閥超過一億次；5利用空氣的可壓縮性，可儲存能量，實現(xiàn)集中供氣；6.全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動方式可在高溫場合使用；7.由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應，遠距離輸送。根據(jù)以上優(yōu)點可知道氣壓傳動系統(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采用氣壓傳動方式。2.1.32.1.3 機械手控制方案設計機械手控制方案設計綜合分析機械手的動作要求，PLC 在機械手中需要完成的控制功能較多，控制精度較高，運算速度較快且具有數(shù)據(jù)處理能力，并考慮整個系統(tǒng)的經(jīng)濟和技術指標，由于 PLC 的輸出電流較小，需要用功率模塊來控制比例液壓閥，選用西門子公司的 S7-200 系 CPU226型 PLC，其 IO 功能和指令系統(tǒng)都能滿足對該機械手的控制要求。控制按鈕、各處的行程開關及壓力繼電器等開關量信號直接與 PLC 的輸入端子相連，PLC 的開關量輸出端子直接與各個電磁閥相連，用 PLC 上所帶的 24V 電源或外接 24V 電源驅(qū)動，采用編程軟件(STEP 7-MicroWIN V44 版)進行編程和運行監(jiān)控。2.1.42.1.4 機械手主要參數(shù)機械手主要參數(shù)a.主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，本設計機械手最大抓重以 1kg 為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為 1kg。 b.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大升降速度設計為 100mm/s，最大回轉(zhuǎn)速度設計為 450/s。平均升降速度為 80m/s，平均回轉(zhuǎn)速度為 90/s。目 錄- XII -2.1.52.1.5 機械手的技術參數(shù)列表機械手的技術參數(shù)列表A.設計技術參數(shù):a)抓重1 公斤(夾持式手部)b)自由度數(shù)4 個自由度c)最大工作半徑279mmd)手臂最大中心高684.5mmB.手臂運動參數(shù)夾緊行程 50mm夾緊速度 50mn/s升降行程 100mm升降速度 100mm/s回轉(zhuǎn)范圍 0180回轉(zhuǎn)速度 90/sC.手指夾持范圍塑料:40mmD.定位方式行程開關E.定位精度士 0.5mmF.緩沖方式液壓緩沖器G.驅(qū)動方式氣壓傳動H.控制方式點位程序控制(采用 PLC)目 錄- XIII -第三章第三章 機械手總體結構設計機械手總體結構設計3.1 動作工況與分析動作工況與分析氣動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)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。機械手的全部動作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動。其中,上升/下降、左移 /右移以及擺動分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機械手的放松 /夾緊由一個單線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機械手的任務是將 A 工作臺上的工件搬運到 B 工作臺（或 B 到 A） ，機械手示意圖如圖 3-1 所示：圖 3-1 機械手示意圖在連續(xù)自動工作方式的狀態(tài)下機械手的順序?qū)崿F(xiàn)的動作如圖 1 示意圖所示：手臂下降手指夾緊手臂上升手臂右擺動手臂右伸手臂下降手指松開手臂上升手臂左伸手臂左擺動（回到初始位） ，機械手可以反復不斷的進行上述循環(huán)動作。目 錄- XIV -3.2 機械手各部分結構設計機械手各部分結構設計3.2.13.2.1 機械手底座的設計機械手底座的設計底座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。底座的設計是根據(jù)各個零件的尺寸及有助于拆裝方便來設計的如圖 2-2 所示： 圖 3-2 箱座箱座內(nèi)壁不需要與其他零件有配合的關系，所以內(nèi)表面不需要加工。左右厚壁上端有M10 的螺紋孔，要求加工表面粗糙度，連接軸承下座的，底版的光孔是用來固定整個裝置的，材料為鑄鐵 HT200。3.2.23.2.2 立柱結構設計立柱結構設計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。機械手的立往通常為固定不動的，但機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。 a.立柱的材料及熱處理目 錄- XV -由于設計功率不是太大，對其重量和尺寸無特殊要求，故選擇常用材料 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。b.初估軸徑按扭矩初估軸的直徑，根據(jù)1查表 10-2，得 C=106117，考慮倒安裝軸承受扭矩作用，取 C=106，則 （3-1）3minnPCd式中： C由軸承的材料和承載情況縮確定的常數(shù)； P軸的輸出功率，KW； n軸的轉(zhuǎn)速，r/min.各參數(shù)值為 C=106、P=15KW、n=280，則 33min1510639.95280PdCmmn所以選擇軸徑 40mm，軸上面設計個法蘭，用法蘭來固定軸承因為軸是靠氣缸擺動來旋轉(zhuǎn)的，所以所受的載荷很小，不需要校核。3.2.33.2.3 軸承的選擇軸承的選擇軸承是用以支承軸和軸上回轉(zhuǎn)或擺動零件的部件,在各種機械中應用廣泛。根據(jù)軸承工作時的摩擦性質(zhì)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承依靠主要元件間的滾動接觸來承受載荷，它與滑動軸承相比，具有摩擦阻力小、效率高、啟動容易、潤滑簡便等優(yōu)點。同時，滾動軸承絕大部分已經(jīng)標準化，并由專業(yè)廠家生產(chǎn)，選用和更換很方便。其缺點就是抗擊能力差，工作時有噪聲，以及工作壽命不及液體摩擦的滑動軸承。滾動軸承的類型很多，按照滾動體的形狀，滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承的滾動體與內(nèi)、外圈是點接觸，運轉(zhuǎn)時摩擦耗損小，但承載能力和抗擊能力差；滾子軸承為線接觸，承載能力和抗沖擊能力較球軸承大，但運轉(zhuǎn)是耗損大。按照滾動軸承能否自動調(diào)心，可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。按照滾動體列數(shù)多少，可分為單列軸承、雙列軸承和多列軸承。按照軸承能承受的主要載荷方向和公稱接觸角的不同，可分為向心軸承和推力軸承兩大類。a.向心軸承向心軸承主要承受徑向載荷，045，又可分為：徑向接觸軸承，= 0，只能承受徑向載荷；角接觸向心軸承，045，不僅能承受徑向載荷,而且隨著角的增大,其承受軸向載荷的能力隨之增大。目 錄- XVI -b.推力軸承推力軸承主要承受軸向載荷，4590，又可分為：軸向接觸軸承，= 90，只能承受軸向載荷；角接觸推力軸承，45090，它主要承受軸向載荷,同時也能承受較小的徑向載荷。隨著角的增大,其承受徑向載荷的能力將減小。軸承所受載荷的大小、方向和性質(zhì)，是選擇滾動軸承的主要依據(jù)。本設計中軸承既承受徑向力及轉(zhuǎn)矩，又承受軸向力，因此選用推力球軸承和深溝球軸承,推力軸承主要受軸向力，球軸承主要受徑向力，又根據(jù)外廓尺寸的條件和軸的內(nèi)徑選用 6006 深溝球軸承和51213 推力球軸承。3.2.43.2.4 上軸承座的選擇上軸承座的選擇6006 深溝球軸承: d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推力球軸承: d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根據(jù)以上的尺寸可以確定軸承上座的尺寸,如圖 3-3 所示:圖 3-3 上軸承座目 錄- XVII -由于配合接觸的面比較多,所以對表面粗糙度的要求也高,軸承配合的地方要求公差等級,軸承的配合主要是內(nèi)圈與軸頸、外圈與軸承座孔的配合。滾動軸承是標準件，因此，軸承內(nèi)圈與軸頸采用基孔制配合，軸承外圈與軸承座孔采用基軸制配合普通圓柱公差標準中基準孔的公差帶都在零線之上，故滾動軸承內(nèi)圈與軸頸的配合要比圓柱公差標準中規(guī)定的基孔制同名配合要緊的多。例如，一般圓柱體基孔制的 K6 配合為過度配合，而在滾動軸承內(nèi)圈配合中則為過盈配合。滾動軸承內(nèi)、外圈的處的配合，既不能過緊也不能過松。過緊的配合會使軸承的內(nèi)、外圈產(chǎn)生變形，可破壞軸承的正常工作，而增加了裝拆的難度。過松的配合，不僅會影響軸的旋轉(zhuǎn)精度，甚至會使配合表面發(fā)生滑動。因此，軸承配合種類的選取，應根據(jù)軸承的類型與尺寸、載荷的大小、方向和性質(zhì)以及工作環(huán)境決定。所以 30 的 6006 軸徑上安裝軸承，這個軸徑就是根據(jù)軸承的 d 來的，36 是 6006軸承的安裝尺寸，同樣根據(jù)推力軸承的尺寸來確定軸承座的尺寸。3.2.53.2.5 下軸承座的選擇下軸承座的選擇下軸承座的尺寸是根據(jù)軸承尺寸來定的。其主要配合的地方也是安裝軸承的地方，需要公差的配合。 （同上）如圖 3-4：圖 3-4 下軸承座在安裝軸承的端面上要注明公差配合，分別以其為基準面，查機械設計手冊 ，標目 錄- XVIII -明幾個端面的圓柱度和相對基準面的圓跳動度，還有表面粗糙度。3.2.63.2.6 大臂的結構設計大臂的結構設計本設計的手臂實現(xiàn)的是水平直線運動，實現(xiàn)直線往復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，因而在機械手的手臂結構中應用比較多。本設計手臂很簡單，在手臂內(nèi)側固定個伸縮氣缸，如圖 3-5 所示：圖 3-5 大臂設計3.2.73.2.7 小臂的結構設計小臂的結構設計本設計的手臂與上述的大臂實現(xiàn)的運動方式一樣，主要是上下直線運動。實現(xiàn)直線往復運動采用的也是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。本設計手臂很簡單，在上面固定個夾緊氣缸，如圖 3-6 所示：圖 3-6 小臂設計目 錄- XIX -3.2.83.2.8 氣爪的結構設計氣爪的結構設計夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式.等。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(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(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。目 錄- XX - 圖 3-7 氣爪設計本設計是采用兩指式，內(nèi)卡式，上下氣爪通過銷來連接，過盈配合，如圖 3-7 所示。設計時考慮的幾個問題：a.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。b.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。c.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。d.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(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。e.考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成 V 型。3.2.93.2.9 手部夾緊氣缸設計計算手部夾緊氣缸設計計算A手部驅(qū)動力計算本課題氣動機械手的手部結構如圖 3-8 所示，其工件重量 G=10 公斤，a=37.5mm,b=70mm,根據(jù)1摩擦系數(shù)為 f=0. 10。目 錄- XXI -圖3-8 手部結構分析圖a) 根據(jù)手部結構分析示意圖，其驅(qū)動力為： （3-2）aNbP2b) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （3-3）（NfGN1001 . 010代入公式（3-2）得： )(3 .3735 .37701002NPc)參照17實際驅(qū)動力: （3-4）21KKPP實際因為傳力機構為齒輪齒條傳動，根據(jù)1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g時，參照17則： （3-5）212gaK代入公式（3-4）得：）（實際NP119194. 025 . 13 .373目 錄- XXII -所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1191N.B氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式都參照17，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: （3-6）FzFPDFl421式中: 活塞桿上的推力，N1F彈簧反作用力，NlF氣缸工作時的總阻力，NzF氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算: （3-()lfFClS7） （3-41318fGdCD n8） （3-121DDd9）式中: 彈簧剛度，N/mfC 彈簧預壓縮量，ml一 活塞行程，mS 彈簧鋼絲直徑，m1d彈簧平均直徑，m1D 彈簧外徑，m2D 彈簧有效圈數(shù)n目 錄- XXIII -一彈簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在設計中，必須考慮負載率的影響，則:214lD PFF由以上分析得單向作用氣缸的直徑:14()lFFDP 代入有關數(shù)據(jù)，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 1015mN64.3677lfFCls 33677.46 60 10 N6 .220所以：14()lFFDP 1624373.3220.60.8 100.94mm65.29查有關手冊圓整，得mmD30由，可得活塞桿直徑: 3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圓整后，取活塞桿直徑mmd18校核，按公式 （3-10） 214Fd目 錄- XXIV -有: 1 214dF 其中，, aMP120NF3 .3731則: mmmmd1899. 1101203 .3734216所以滿足設計要求。C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 1/10，參照17，其壁厚可按薄壁筒公式計算: （3- 2pdP11）式中: 缸筒壁厚，mmD氣缸內(nèi)徑，mm實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:ZL3, aMP2 . 1代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2pdP36510102 . 12105 . 120mm83. 0取，則缸筒外徑為:mm1mmD321230根據(jù)以上計算選擇的氣缸型號為：QGSD q 3250 B LB 其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q 派生氣缸代號：q=彈簧前置型； 32 汽缸內(nèi)徑； 50- 氣缸行程； B 緩沖：B=可調(diào)緩沖； LB 安裝方式：LB=軸向底座目 錄- XXV -3.2.103.2.10 升降氣缸設計計算升降氣缸設計計算手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導向桿等組成。在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸手部夾緊氣缸和手臂伸縮氣缸，轉(zhuǎn)柱下端的氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當壓縮空氣進入上腔后，推動升降缸體上升，并由兩個導向桿進行導向，同時碰鐵隨升降缸體一同上移，當碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動定位拉桿,緩沖撞鐵向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進行緩沖。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊來實現(xiàn)，手臂下降靠自重實現(xiàn)。結構簡圖如圖 3-9 所示：圖3-9 結構分析簡圖A驅(qū)動力計算根據(jù)上圖力的作用方向，可計算活塞的驅(qū)動力F，參照1可知摩擦系數(shù)f=0. 17。a) 根據(jù)結構示意圖，驅(qū)動力公式為： （3-12）總GFFfb) 質(zhì)量計算:手臂升降部分主要由手臂伸縮氣缸、夾緊氣缸、手臂、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的產(chǎn)品樣本可估其質(zhì)量，同時測量設計的有關尺寸，據(jù)估計 )(400 NG總目 錄- XXVI -所以代入公式（3-12）：總GFFf 總總GfG 40040017. 0 ）（N468c) 參照17實際驅(qū)動力:21KKFF實際因為傳力機構為齒輪齒條傳動，參照1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g時，根據(jù)17則： 212gaK所以）（實際NF149494. 025 . 1468所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1494N.B氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式均參照17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:FzFPDFl421式中: 活塞桿上的推力，N1F彈簧反作用力，NlF氣缸工作時的總阻力，NzF氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:()lfFClS41318fGdCD n目 錄- XXVII - 121DDd式中: 彈簧剛度，N/mfC 彈簧預壓縮量，ml一 活塞行程，mS 彈簧鋼絲直徑，m1d彈簧平均直徑，m1D 彈簧外徑，m2D 彈簧有效圈數(shù)n一彈簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在設計中，必須考慮負載率的影響，則:214lD PFF由以上分析得單向作用氣缸的直徑:14()lFFDP 代入有關數(shù)據(jù)，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 10153677.46mNlfFCls 33677.46 60 10220.6N所以：目 錄- XXVIII -14()lFFDP 21694. 0107 . 06 .2203514mm26.33查有關手冊圓整，得mmD35由，可得活塞桿直徑:3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圓整后，取活塞桿直徑mmd18校核，按公式 214Fd有: 2114Fd 其中，, aMP120NF3511則: mmmmd1892. 1101203514216所以滿足設計要求。C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，根據(jù)17其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2pdP式中: 缸筒壁厚，mmD氣缸內(nèi)徑，mm實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:ZL3, aMP2 . 1代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2pdP56330 1.5 102 1.2 1010mm875. 1取，則缸筒外徑為 :mm5 . 2mmD405 . 2235根據(jù)以上計算選擇氣缸型號為： QGSD q 40100 B FB其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q 派生氣缸代號： q=彈簧前置型； 40- 汽缸內(nèi)徑；目 錄- XXIX - 100- 氣缸行程； B 緩沖：B=緩沖可調(diào)； FB- 安裝方式：FB=后法蘭；3.2.113.2.11 伸縮氣缸設計計算伸縮氣缸設計計算手臂伸縮裝置由伸縮缸活塞軸、伸縮缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導向桿等組成。在手臂右端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸手部夾緊氣缸，手臂左端的氣路，將壓縮空氣引到伸縮缸上腔，當壓縮空氣進入上腔后，推動升降缸體右移，并由兩個導向桿進行導向，同時碰鐵隨升降缸體一同右移，當碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動定位拉桿,緩沖撞鐵向右移動碰觸左右用液壓緩沖器進行緩沖。右移行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊來實現(xiàn)，手臂左移與右移類似。結構簡圖如圖 3-10 所示：圖3-10 結構分析簡圖A驅(qū)動力計算根據(jù)上圖力的作用方向，可計算活塞的驅(qū)動力F，參照1可知摩擦系數(shù)f=0. 17。a) 根據(jù)結構示意圖，驅(qū)動力公式為： fFF b) 質(zhì)量計算:小臂升降部分主要由夾緊氣缸、手臂、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的產(chǎn)品樣本可估其質(zhì)量，同時測量設計的有關尺寸，據(jù)估計 )(300 NG總所以代入公式：目 錄- XXX -fFF 總fG 30017. 0 ）（N51c) 參照17實際驅(qū)動力:21KKFF實際因為傳力機構為齒輪齒條傳動，參照1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g時，根據(jù)17則： 212gaK所以）（實際NF16394. 025 . 151所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為163N.B氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式均參照17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:FzFPDFl421式中: 活塞桿上的推力，N1F彈簧反作用力，NlF氣缸工作時的總阻力，NzF氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:()lfFClS41318fGdCD n目 錄- XXXI - 121DDd式中: 彈簧剛度，N/mfC 彈簧預壓縮量，ml一 活塞行程，mS 彈簧鋼絲直徑，m1d彈簧平均直徑，m1D 彈簧外徑，m2D 彈簧有效圈數(shù)n一彈簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在設計中，必須考慮負載率的影響，則:214lD PFF由以上分析得單向作用氣缸的直徑:14()lFFDP 代入有關數(shù)據(jù)，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 10153677.46mNlfFCls 33677.46 60 10220.6N所以：目 錄- XXXII -14()lFFDP 21694. 0107 . 06 .2203514mm26.33查有關手冊圓整，得mmD35由，可得活塞桿直徑:3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圓整后，取活塞桿直徑mmd18校核，按公式 214Fd有: 2114Fd 其中，, aMP120NF3511則: mmmmd1892. 1101203514216所以滿足設計要求。C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，根據(jù)17其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2pdP式中: 缸筒壁厚，mmD氣缸內(nèi)徑，mm實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:ZL3, aMP2 . 1代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2pdP56330 1.5 102 1.2 1010mm875. 1取，則缸筒外徑為 :mm5 . 2mmD405 . 2235根據(jù)以上計算選擇氣缸型號為： QGSD q 40100 B LB其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q 派生氣缸代號： q=彈簧前置型； 40- 汽缸內(nèi)徑；目 錄- XXXIII - 100- 氣缸行程； B 緩沖：B=緩沖可調(diào)； LB- 安裝方式： LB=軸向底座；3.2.123.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設計計算回轉(zhuǎn)氣缸設計計算實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體、轉(zhuǎn)軸、定片、回轉(zhuǎn)定位塊、回轉(zhuǎn)中間定位塊和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖)等組成。當壓縮空氣通過管路分別進入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運動。手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊和回轉(zhuǎn)中間定位塊的位置而定。在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的工作原理如圖3-10所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。圖3-10 回轉(zhuǎn)氣缸示意圖目 錄- XXXIV -參照17單葉片氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關系為： 222rRPbM（3-13）或 222rRbMP式中: M- 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩;cmN P- 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力;cmN R- 缸體內(nèi)壁半徑;cmr- 輸出軸半徑;cmb- 動片寬度.cm上述驅(qū)動力矩和壓力的關系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應代以工作壓力與背壓之差。1P2P根據(jù)以上計算選擇回轉(zhuǎn)氣缸型號為：QGH 2 50180 B F S R其中：QGH- 齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸； 2 - 派生氣缸代號：2=雙出軸； 50- 氣缸內(nèi)徑； 180- 回轉(zhuǎn)動擺動角度； B 緩沖：B=可調(diào)緩沖； F 法蘭； S 單桿基本型；R 耐熱型；R=采用氟橡膠密封件，最高耐溫 200。第四章第四章 氣動部分設計氣動部分設計由設計要求可知 ,機械手有四個移動自由度 ,其工作程序為 :機構下降 夾具夾緊 機構上升 手臂右擺 手臂右移 機構下降 夾具松開 機構上升手臂左移 手臂左擺退至原位。氣動原理圖如圖 4-1 所示。整個氣動系統(tǒng)就是要對擺動氣缸、夾緊氣缸、伸縮氣缸和升降氣缸的動作進行控制。目 錄- XXXV -圖 4-1 氣動原理圖氣路元件表如圖 4-1 所示： 圖 4-1 氣路元件表序號型號規(guī)格名稱數(shù)量1L1-25單向節(jié)流閥6224D H-10-S21三位四通電磁滑閥33QF-44手動截止閥14QSL-26S QTY-20-S11壓力組件15YJ-1壓力繼電器16Q24DH-10-S1兩位三通電磁滑閥1各執(zhí)行機構的調(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)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結構簡單，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。電目 錄- XXXVI -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來確定的。v第五章第五章 PLC 控制部分設計控制部分設計5.1 電磁鐵動作順序電磁鐵動作順序由圖 4-1 可知,機械手的上升、下降分別由電磁鐵1YA、2YA 控制,機械手的夾緊和松開由電磁鐵3YA、4YA 控制,機械手的左擺、右擺由電磁鐵 5YA、6YA 控制，機械手的左伸、右伸由電磁鐵7YA、8YA 控制。當工件已搬到工作臺 B 返回時,為安全起見 ,用光電開關發(fā)出有無工件信號，電磁鐵動作順序如表 5-1。表 5-1 電磁鐵動作順序電磁鐵工位號動作 名稱1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0原位-+-1下降-+-+-2夾緊-+-3上升+-+-4右擺動-+-+-5右伸-+-+-6下降-+- -7放松-+-8上升+-+-9左伸-+-+10左擺動-+-+-該系統(tǒng)除了開關量的輸入、輸出外 ,沒有其他方面的要求。確定輸入點數(shù)為 22 個,其中行程開關 6 個,光電開關 1 個,操作按鈕 11 個,工作方式選擇開關 2 個;輸出點數(shù)為 12,其中電磁鐵 8 個,指示燈 4 個。目 錄- XXXVII -5.2 I/O 分配分配根據(jù)以上分析，要選擇輸人點的個數(shù)大于14、輸出點個數(shù)大于 10的 PLC。對 PLC 的掃描速度及其它方面無特殊要求。選用S7- 200(CPU226)型號的 PLC。它共有 24 個輸人、 16 個輸出點、隨機存儲器為 8KB、計數(shù)器 256 個、定時器 256 個；有 2 個高速脈沖輸出端和 2 個RS-485 通信口；具有 PPI 通信協(xié)議、 MPI 通信協(xié)議和自由口協(xié)議的通信能力；運行速度快、功能強，適用于要求較高的中小型控制系統(tǒng)。PLC 與器件的邏輯接線電路圖，見圖5-1：圖 5-1 PLC 與器件的邏輯接線電路圖目 錄- XXXVIII -5.3 PLC 控制梯形圖控制梯形圖由以上 I/O 分配和電磁鐵的動作順序采用西門子編程指令編寫梯形圖程序，見圖 5-2：圖 5-2 梯形圖5.4 PLC 控制程序指令控制程序指令地址 指令 數(shù)據(jù) 0000 LD I1.00001 A I0.70002 O Q1.00003 = Q1.00004 LD SM0.00005 A I1.10006 A I0.60007 = Q1.10008 R Q0.0,80009 LD I2.20010 A I2.4目 錄- XXXIX -0011 AN Q1.30012 = M0.30013 = Q1.20014 LD I2.30015 AN Q1.20016 = Q1.30017 LD M0.30018 A Q1.10019 O Q0.60020 AN Q0.70021 O Q1.30022 A I2.10023 = Q0.60024 LD I2.00025 A I0.20026 A I0.40027 A Q0.60028 O Q0.30029 AN Q0.20030 AN Q0.70031 O Q1.30032 A I1.30033 = Q0.30034 LD Q0.30035 A I0.20036 A I0.40037 A I0.10038 O Q0.70039 AN T370040 O Q1.30041 A I2.00042 = Q0.70043 LD Q0.70044 AN Q0.30045 AN Q0.00046 O Q1.30047 A I1.20048 = Q0.20049 LD Q0.20050 A I0.0目 錄- XL -0051 A I0.20052 A I0.40053 O Q0.00054 AN Q0.00055 AN Q0.50056 O Q1.30057 A I1.70058 = Q0.00059 LD Q0.00060 A I0.00061 A I0.30062 A I0.40063 O Q0.50064 AN Q0.40065 AN Q0.30066 O Q1.30067 A I1.50068 = Q0.50069 LD Q0.50070 A I0.00071 A I0.30072 A I0.50073 O Q0.30074 AN Q0.20075 AN Q0.60076 O Q1.30077