半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì),半導(dǎo)體,芯片,氣動(dòng),搬運(yùn),機(jī)械手,設(shè)計(jì) I 江 南 大 學(xué) 太 湖 學(xué) 院 機(jī) 電 系 機(jī) 械 工 程 及 其 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書(shū) 一、題目及專題： １、題目 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) ２、專題 二、課題來(lái)源及選題依據(jù) 由于本人曾在上海凱虹半導(dǎo)體電子公司暑期實(shí)習(xí)，一次在處 理 SONY 謀 型號(hào)六自由度機(jī)械手臂故障后，讓我感觸很深。Sony 該型號(hào)機(jī)械手臂造價(jià)昂貴，功能強(qiáng)大，但在 6 英寸單晶硅芯片的 生產(chǎn)線上用作簡(jiǎn)單動(dòng)作的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手似乎有點(diǎn)大材小用，且運(yùn)營(yíng) 維護(hù)成本也非常昂貴。為此，我設(shè)想研制一套由 PLC 控制的氣動(dòng) 機(jī)械手完成相同的動(dòng)作，從而降低生產(chǎn)成本。恰逢此次畢業(yè)設(shè)計(jì)， 和指導(dǎo)老師交流后，得到了老師的大力支持，他認(rèn)為此課題非常 具有可行性，且適合本人作為畢業(yè)設(shè)計(jì)。 本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中用于搬運(yùn) 8 英寸芯片的氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運(yùn) 等動(dòng)作，要求 結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： ① 查閱資料，了解機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景. II ② 查閱資料，了解氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 ③ 根據(jù)生產(chǎn)需要完成氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ④ 完成氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ⑤ 完成氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ⑥ 根據(jù) 設(shè)計(jì)要求， 繪制氣動(dòng)原理圖一套， PLC 程序圖一套， 編 輯 PLC 程序，完成 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō) 明書(shū)一份，要求一萬(wàn)五千字以上。 ⑦ 查閱資料和參考文獻(xiàn)，翻譯有關(guān)氣動(dòng)方面的外文資料要求翻 譯一萬(wàn)字以上。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 73 班 姓名 徐方舟 五、開(kāi)始及完成日期： 自 2010 年 10 月 25 日 至 2011 年 5 月 22 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所 長(zhǎng)〕 簽名 系主任 簽名 2010 年 10 月 25 日 III 摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種用于半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中的搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械手實(shí)現(xiàn) 芯片的抓取、釋放以及搬運(yùn)等4個(gè)自由度的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速，安全可靠性 高。采用日本三菱公司的FX2N系列PLC對(duì)機(jī)械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行自動(dòng)化控制。利用可編程技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置控制機(jī)械手完成搬運(yùn)動(dòng)作，來(lái)配合 和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。該氣動(dòng)機(jī)械手作為特定工位的搬運(yùn)機(jī)械手，能夠取代國(guó)外進(jìn)口的 的多功能通用機(jī)械手，節(jié)約設(shè)備成本和維護(hù)成本80%以上，在自動(dòng)化生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中具 有積極的意義。 本人在實(shí)習(xí)單位的工作中發(fā)現(xiàn)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中為了便于實(shí)現(xiàn)柔性制造，大部分機(jī) 械手都是6自由度通用機(jī)械手，它采用模塊化安裝，改變工位動(dòng)作時(shí)只需改變相應(yīng)程序即 可。然而用通用機(jī)械手去執(zhí)行特定簡(jiǎn)單工位的動(dòng)作，是一種生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。在當(dāng)今社 會(huì)追求高效，節(jié)約的大環(huán)境下，本人結(jié)合工作實(shí)際設(shè)計(jì)了一款能滿足特殊工位使用的機(jī) 械手。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC ；氣動(dòng)控制； IV Abstract This paper show a Manipulator which is used for transport IC semiconductor chips. This mechanical arm can catch,release and transport the IC chips ,which is a 4-degree of freedom arm. It have a reasonably structured and a high safe reliability. The FX2N PLC which produced by Mitsubishi used to control the movements,such as up PLC; Pneumatic control V 目 錄 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 ..................................................................................1 1.2 機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 ...............................................................................................1 1.2.1 機(jī)械手的發(fā)展史 ............................................................................................................1 1.2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 ................................................................................3 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 ...........................................................................................................5 2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù) .....................................................................................................6 2.1 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) ...................................................................................................6 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表 ...........................................................................................7 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) ........................................................................................................7 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ........................................................................................7 3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................................................................................8 3.1 氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 ...............................................................................................8 3.1.1 氣源裝置及輔件 ............................................................................................................8 3.1.2 氣動(dòng)控制元件 ................................................................................................................9 3.1.3 氣動(dòng)執(zhí)行元件 ..............................................................................................................10 3.2 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) .............................................................................................................11 3.3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣缸的選用 .................................................................................................12 3.3.1 滑臺(tái)氣缸的選用 ..........................................................................................................13 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸的選用 ..........................................................................................................13 3.3.3 懸臂氣缸的選用 ..........................................................................................................14 3.3.4 升降氣缸的選用 ..........................................................................................................15 3.3.5 模塊化真空發(fā)生器和真空吸盤(pán)的選用 ......................................................................16 4 機(jī)械手電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................17 4.1 PLC 簡(jiǎn)介 ..............................................................................................................................17 4.1.1 PLC 內(nèi)部原理 ...............................................................................................................18 4.1.2 PLC 的工作原理 ...........................................................................................................20 4.1.3 PLC 機(jī)型的選擇方法 ...................................................................................................22 4.1.4 機(jī)械手 PLC 選擇及參數(shù) .............................................................................................23 4.2 FX2N 系列 PLC...................................................................................................................24 4.2.1 FX2N 基本指令運(yùn)用 ....................................................................................................25 5 機(jī)械手典型動(dòng)作的 PLC 程序設(shè)計(jì) ..........................................................................................27 5.1 電氣氣動(dòng)控制( PLC 控制)要求 ..........................................................................................27 5.2 PLC 輸入、輸出點(diǎn)分配 ......................................................................................................28 5.3 機(jī)械手關(guān)鍵步驟 PLC 程序 ................................................................................................30 6 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................2 6.1 結(jié)論 .......................................................................................................................................2 VI 6.2 不足之處及未來(lái)展望 ...........................................................................................................2 致 謝 .............................................................................................................................................3 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................................4 附錄 .................................................................................................................................................5 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要 求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī) 械手技術(shù)快速發(fā)展。 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按 設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運(yùn)工件或工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。 在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 其中氣動(dòng)機(jī)械手采用 PLC 控制氣路及氣壓回路驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，在結(jié) 構(gòu)上，與其他類型的機(jī)械手相比，氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，其氣動(dòng)部件已 系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動(dòng)機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械 手在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中的應(yīng)用已日益廣泛。氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)源簡(jiǎn)便以及不 污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè) 部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及 氣動(dòng)機(jī)械手迎來(lái)了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣 動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國(guó) 家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高 及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。 由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作、 氣源使用方便、不污染環(huán)境、動(dòng)作靈活可靠、工作安全可靠，適用于需要模擬人的重復(fù) 動(dòng)作場(chǎng)合以及惡劣的工作環(huán)境中等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在沖壓加工、注塑、機(jī)床下料、 儀表電子、汽車航空及自動(dòng)化生產(chǎn)線中有著廣闊的應(yīng)用前景。 本文設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 控制的四自由度的氣動(dòng)機(jī)械手，用于半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生 產(chǎn)線中用于搬運(yùn) 8 英寸芯片的氣動(dòng)機(jī)械手，該氣動(dòng)機(jī)械手由氣控真空發(fā)生器、真空吸盤(pán)、 懸臂氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、底座滑臺(tái)氣缸等部分組成。運(yùn)用 PLC 可編程技術(shù)進(jìn)行控制，對(duì)氣 動(dòng)機(jī)械手完成生產(chǎn)物料運(yùn)輸搬運(yùn)工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。該氣動(dòng)機(jī)械手能放置在各種不 同的電子產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線或物流流水線中，使芯片盤(pán)的搬運(yùn)更快捷、便利、準(zhǔn)確、到位。 1.2 機(jī)械手的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 1.2.1 機(jī)械手的發(fā)展史 Mechanical hand，也被稱為自動(dòng)手，Auto hand，能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能， 用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī) 械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或 工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或 復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、 旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體， 需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大， 通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 2～3 個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適 用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連 續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和 傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由 人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手 在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。 它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是 示教形的。 1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械 手。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、 用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上 發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962 年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Vewrsatran 機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立 柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六 十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate- Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1 毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從 1970 年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè) 備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后 大力從事機(jī)械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至 1977 年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn) 口 [1]。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要 是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力， 甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī) 能。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持 聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 3 1.2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣 泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 近 20 年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛 應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式 更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了 更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論 的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開(kāi)關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng) 脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)研 究。 從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，近 30 多年來(lái)，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20 世紀(jì) 70 年代， 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為 9:1，而 30 多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本 等國(guó)家，該比例已達(dá)到 6:4，甚至接近 5:5。我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 20%以上，高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值 平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的 發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào) 傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。 大約開(kāi)始于 1776 年，Johnwilkimson 發(fā)明能產(chǎn)生 1 個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。 1880 年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。20 世 紀(jì) 30 年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開(kāi)閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。至 50 年 代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過(guò)來(lái)，體積很大。60 年代，開(kāi)始構(gòu)成工業(yè) 控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在 70 年代，由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù) 的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80 年代進(jìn)入氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí) 代。90 年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的 物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問(wèn)世，智能氣動(dòng)這一概念 產(chǎn)生，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位，智能閥島十分理想地解決 了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問(wèn)題。 氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、 節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 氣動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn) 的閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等），氣動(dòng)伺服系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行 機(jī)構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。 90 年代初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院 Y?Bando 教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開(kāi)發(fā)研制的電 子氣動(dòng)機(jī)器人——“ 阿基里斯 ”六腳勘探員，是氣動(dòng)技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié) 合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物 ”。6 個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有 3 個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放 下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展/退回運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之 用。 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于 一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問(wèn)題 [13]。 Tron-X 電子氣動(dòng)機(jī)器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎 曲運(yùn)動(dòng)，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過(guò)自身的編程控制）能 與人進(jìn)行對(duì)話，或作自我介紹等。Tron-X 電子氣動(dòng)機(jī)器人集電子技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和人工 智能為一體，它告訴我們，氣動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人中最難解決的靈活的自由度，具有 在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力 [10]。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng) 磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量 輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、 易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電 行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械 手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤(pán)吸起和放下，在指定工位的夾緊和定 位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的 氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過(guò)程的高度自動(dòng)化，堪稱是 最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電 子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以 看到許多靈巧的真空吸盤(pán)將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送 到指定目標(biāo)位置。 氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工 業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和 擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。 此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié) 病床，Robodoc 機(jī)器人，da Vinci 外科手術(shù)機(jī)器人等。 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝 置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度 比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差 是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍， 它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來(lái)測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以 及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越 來(lái)越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化 拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更 具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 5 由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng) 度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化 氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的 應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支 持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來(lái)就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型 CP 閥島，它對(duì)分散上的集 中控制起了十分重要的作用，特別對(duì)機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。 無(wú)給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求，不 加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石 墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污 染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。 機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器 -傳感器 -氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重 要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開(kāi)關(guān)控制” 進(jìn)入到 高精度的“反饋控制 ”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡(jiǎn) 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(lái)越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線 圈變得越來(lái)越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開(kāi) PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又 使 PLC 在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及 氣動(dòng)機(jī)械手迎來(lái)了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣 動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國(guó) 家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高 及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于 氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，氣動(dòng)機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、 航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中用于搬運(yùn)芯片的氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī) 械手要實(shí)現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運(yùn)等動(dòng)作，要求結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速。本課題采 用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC，對(duì)機(jī)械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行自動(dòng)化控制。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作， 來(lái)配合和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。 由于時(shí)間倉(cāng)促和個(gè)人水平限制，我的設(shè)計(jì)存在著許多還沒(méi)來(lái)得及解決的問(wèn)題，希望 廣大老師、同學(xué)能夠給予批評(píng)指正并予以解決。 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù) 2.1 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 根據(jù)任務(wù)要求，氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的是搬運(yùn)芯片，可以看成無(wú)負(fù)載（零負(fù)載） ，因此設(shè) 計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)時(shí)只需注意機(jī)械手本身的強(qiáng)度，以及當(dāng)懸臂缸伸出到最大位置時(shí)， 支架底座能否承受該轉(zhuǎn)距而不傾倒。 如圖 2.1，待搬運(yùn)芯片放置于工位 A 的傳送托盤(pán)上，氣動(dòng)機(jī)械手的初始位置如圖，要 實(shí)現(xiàn)將芯片從工位 A 搬運(yùn)至工位 B，對(duì)機(jī)械手的自由度提出一定的要求。根據(jù)任務(wù)要求， 機(jī)械手要實(shí)現(xiàn) X 方向與 Y 方向的運(yùn)動(dòng)（ ）繞 Z 方向的旋轉(zhuǎn)（ ） ，同時(shí)在抓取過(guò)程YX?, Z ? 中要實(shí)現(xiàn)手臂的升降 和吸放光盤(pán)的過(guò)程。所以確定該機(jī)械手是一個(gè) 4 自由度的機(jī)械手。Z ? 圖 2.1 任務(wù)要求 假設(shè)要實(shí)現(xiàn)將芯片從工位 A 搬至工位 B，開(kāi)始時(shí)機(jī)械手處于初始位置，即要實(shí)現(xiàn)動(dòng) 作如下圖所示： 初始位 置 右移 懸臂伸 出 下降 吸片 上升 回轉(zhuǎn)（逆時(shí)針） 下降放片上升懸臂縮 回 左移 回轉(zhuǎn)（順時(shí)針） 圖 2.2 氣缸動(dòng)作圖 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 7 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 4631234578910 1. 真空吸盤(pán) 2. 真空發(fā)生器 3. 升降缸與真空發(fā)生器的連接法蘭 4. 升降缸 5. 伸縮缸與旋轉(zhuǎn)氣缸的連接法蘭 6. 旋轉(zhuǎn)氣缸 7. 旋轉(zhuǎn)氣缸與鋁合金型材立柱的連接法蘭 8. 鋁合金型材立柱 9. 角鐵 10. 底座 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運(yùn)半導(dǎo)體芯片 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1. 自由度數(shù):4個(gè)自由度 2. 座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo) 3. 最大工作半徑:300mm 4. 手臂最大中心高:463mm 5. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程：300mm 伸縮速度：53mm/s 升降行程：100mm 升降速度：80mm/s 回轉(zhuǎn)范圍: -180°~180° 圖 2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要實(shí)現(xiàn)上述機(jī)械手控制動(dòng)作，機(jī)械手的控制部分包括氣動(dòng)與 PLC 控制部分。其動(dòng)作 是靠氣動(dòng)裝置來(lái)完成的。 3.1 氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 氣壓傳動(dòng)，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的一門技術(shù)。氣壓傳 動(dòng)的工作原理是利用空壓機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能， 然后在控制元件的作用下，通過(guò)執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī) 械能，從而完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功 [11]。 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是： (1) 氣源裝置 獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)?氣體的壓力能； 氣源裝置的組成： A. 空氣壓縮機(jī)（氣源部分） 空氣壓縮機(jī)是氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，它將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣壓能輸送給氣動(dòng) 系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用的是活塞式低壓空壓機(jī)。是一種容積式空氣壓縮機(jī)，是通過(guò)機(jī)件的運(yùn) 動(dòng)，使密封容積發(fā)生周期性大小的變化，從而完成對(duì)空氣的吸入和壓縮過(guò)程。 B. 氣源凈化處理裝置 (2) 控制元件 用來(lái)控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循 環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等； (3) 執(zhí)行元件 氣動(dòng)執(zhí)行元件是以壓縮空氣為動(dòng)力源，將氣體的壓力能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械 能的裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)既定的工況動(dòng)作。包括氣缸、氣馬達(dá)、擺動(dòng)馬達(dá)； (4) 輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤(rùn)滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過(guò) 濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。 3.1.1 氣源裝置及輔件 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的氣源裝置是為氣動(dòng)系統(tǒng)提供滿足一定質(zhì)量要求的壓縮空氣，它是 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，必須經(jīng)過(guò)降溫、凈化、 減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。而用過(guò)的壓縮空氣排 向大氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲，應(yīng)采取措施，降低噪聲，改善勞動(dòng)條件和環(huán)境質(zhì)量。 對(duì)壓縮空氣的要求 (1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。 (2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。清潔度是指氣源中含油量，含灰塵雜質(zhì) 的質(zhì)量及顆粒大小都要控制在很低范圍內(nèi)。干燥度是指壓縮空氣中含水量的多少，氣動(dòng) 裝置要求壓縮空氣的含水量越低越好。 混在壓縮空氣中的油蒸氣可能聚集在貯氣罐、管道、氣動(dòng)系統(tǒng)的容器中，有引起爆炸 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 9 的危險(xiǎn)或影響設(shè)備的壽命。 (3) 壓縮空氣中含有的飽和水分，在一定的條件下會(huì)凝結(jié)成水，并聚集在個(gè)別管道中。 在寒冷的冬季，凝結(jié)的水會(huì)使管道及附件結(jié)冰而損壞，影響氣動(dòng)裝置的正常工作。 (4) 壓縮空氣中的灰塵等雜質(zhì)，對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)副 會(huì)產(chǎn)生研磨作用，使這些元件因漏氣而降低效率，影響它的使用壽命。 因此氣源裝置必須設(shè)置一些除油、除水、除塵，并使壓縮空氣干燥，提高壓縮空氣 質(zhì)量，進(jìn)行氣源凈化處理的輔助設(shè)備。 氣動(dòng)三聯(lián)件（圖 3- 1）一般指空氣過(guò)濾器、減壓閥、油霧器，有些 品牌的電磁閥和氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑（靠潤(rùn)滑脂實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能） ，便不 需要使用油霧器！空氣過(guò)濾器和減壓閥組合在一起可以稱為氣動(dòng)二聯(lián)件。 還可以將空氣過(guò)濾器和減壓閥集裝在一起，便成為過(guò)濾減壓閥（功能與 空氣過(guò)濾器和減壓閥結(jié)合起來(lái)使用一樣） 。有些場(chǎng)合不能允許壓縮空氣中 存在油霧，則需要使用油霧分離器將壓縮空氣中的油霧過(guò)濾掉?？傊?， 這幾個(gè)元件可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，并可以將他們組合起來(lái)使用。 氣動(dòng)輔件 (1)消聲器 在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)之中，氣缸、氣閥等元件工作時(shí)，排氣速度較高，氣體體積急劇膨 脹，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲。噪聲的強(qiáng)弱隨排氣的速度、排量和空氣 通道的形狀而變化。排氣的速度和功率越大，噪聲也越大，一般 可達(dá) 100~120dB，為了降低噪聲可以在排氣口裝消聲器（圖 3- 1- 2） 。 消聲器就是通過(guò)阻尼或增加排氣面積來(lái)降低排氣速度和功率， 從而降低噪聲的。氣動(dòng)元件使用的消聲器一般由三種類型：吸收 型消聲器、膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器。 (2)管道連接件 管道連接件包括管子和各種管接頭。有了管子和各種管接頭，才能把氣動(dòng)控制元件、 氣動(dòng)執(zhí)行元件以及輔助元件等連接成一個(gè)完整的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，實(shí)際應(yīng)用中，管 道連接件是不可缺少的。 管子可分為硬管和軟管兩種。如總氣管和支氣管等一些固定不動(dòng)的、不需要經(jīng)常裝 拆的地方，使用硬管。連接運(yùn)動(dòng)部件、臨時(shí)使用、希望裝拆方便的管路應(yīng)使用軟管。硬 管有鐵管、銅管、黃銅管、紫銅管和硬塑料管等；軟管有塑料管、尼龍管、橡膠管、金 屬編織塑料管以及撓性金屬導(dǎo)管等等。常用的是紫銅管和尼龍管。 氣動(dòng)系統(tǒng)中使用的管接頭的結(jié)構(gòu)及工作原理與液壓管接頭 基本相似；分為卡套式、擴(kuò)口螺紋式、卡箍式、插入快換式等。 3.1.2 氣動(dòng)控制元件 在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，氣動(dòng)控制元件是控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的 壓力、流量和方向的各類控制閥，其作用是保證氣動(dòng)執(zhí)行元件 圖 3- 1 三聯(lián)件 圖 3- 2-2 消聲器 圖 3- 3-2.2 方向控制閥 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 （如氣缸、氣馬達(dá)等）按設(shè)計(jì)的程序正常地進(jìn)行工作。 氣壓控制閥按作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。(圖 3- 4-2.2) 3.1.3 氣動(dòng)執(zhí)行元件 氣動(dòng)執(zhí)行元件包括氣缸和氣馬達(dá)。 (1)氣缸 氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通 氣缸其種類及結(jié)構(gòu)形式與液壓缸基本相同。目前最常選用的是標(biāo) 準(zhǔn)氣缸（圖 3-1-3） ，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 QGA 系列為無(wú)緩沖普通氣缸；QGB 系列為有緩沖普通氣缸。 其它幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和 沖擊式氣缸等。 a. 氣液阻尼缸 普通氣缸工作時(shí)，由于氣體的壓縮性，當(dāng)外部載荷變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“爬行” 或“自 走”現(xiàn)象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，普遍采用氣-液阻尼缸。 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成。利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來(lái)獲 得活塞的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速度。它將油缸和氣缸串聯(lián)成一個(gè)整體，兩個(gè)活塞 固定在一根活塞桿上。 b. 薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過(guò)膜片推動(dòng)活塞桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。它由 缸體、膜片、膜盤(pán)和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式 和雙作用式兩種。 薄膜式氣缸的膜片可以做成盤(pán)形膜片和平膜片兩種形式。膜片形式為夾織物橡膠、 鋼片或磷青銅片。常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為 5~6mm，有時(shí)也可用 1~3mm。金 屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中。 薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、制造容易、成本低、維修 方便、壽命長(zhǎng)、泄漏小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是膜片的變形量有限，故其行程短（一般不 超過(guò) 40~50mm） ，且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小。 c. 沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊 力的一種特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增加了一個(gè)具有一定容積 的蓄能腔和噴嘴。 (2)氣馬達(dá) 氣馬達(dá)也是氣動(dòng)執(zhí)行元件的一種。它的作用相當(dāng)于電 動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)。即輸出力矩，拖動(dòng)機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 氣馬達(dá)按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣馬達(dá)、活塞式氣馬達(dá) 和齒輪式氣馬達(dá)等。最為常見(jiàn)的是活塞式氣馬達(dá)（圖 3-1- 4） 和葉片式氣馬達(dá)。葉片式氣馬達(dá)制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊， 圖 3-1-3 標(biāo)準(zhǔn)氣缸 圖 3-1-4 活塞式氣馬達(dá) 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 11 但低速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、低速性能不好，適由于中低功率的機(jī)械，目前在礦山及風(fēng)動(dòng)工具中 應(yīng)用普遍。活塞式氣馬達(dá)在低速情況下有較大的輸出功率，它的低速性能好，適宜于載 荷較大和要求低速轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，如起重機(jī)、鉸車、鉸盤(pán)、拉管機(jī)等。 本設(shè)計(jì)采用雙作用氣缸和單作用氣缸。單作用氣缸，壓縮空氣僅作用在氣缸活塞的 一側(cè)，另一側(cè)則與大氣相通。氣缸只在一個(gè)方向上做功，氣缸活塞在復(fù)位彈簧或外力作 用下復(fù)位。在無(wú)負(fù)載情況下，彈簧力使氣缸活塞以較快速度回到初始位置。復(fù)位力大小 由彈簧自由長(zhǎng)度決定， 雙作用氣缸在壓縮空氣作用下，雙作用氣缸活塞桿既可以伸出，也可以回縮。通過(guò) 緩沖調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)其終端緩沖。氣缸活塞上永久磁環(huán)可用于驅(qū)動(dòng)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 (2)氣動(dòng)人工肌肉 氣動(dòng)人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉動(dòng)作， 其過(guò)程就像人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。它可以提供很大的力量，而重量卻 比較小，最小的氣動(dòng)人工肌肉重量只有 10g。氣動(dòng)人工肌肉會(huì)在 達(dá)到推拉極限時(shí)自動(dòng)制動(dòng)，不會(huì)突破預(yù)定的范圍。多個(gè)氣動(dòng)人工 肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。如圖 3-1-5 3.2 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) (1) 工作介質(zhì)是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動(dòng)通道，用過(guò)后可將其 隨時(shí)排入大氣中，不污染環(huán)境。 (2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。且溫 度變化時(shí)，對(duì)空氣的粘度影響極小，故不會(huì)影響傳動(dòng)性能。 (3) 空氣的粘度很?。s為液壓油的萬(wàn)分之一） ，所以流動(dòng)阻力小，在管道中流動(dòng)的 壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。 (4) 相對(duì)液壓傳動(dòng)而言，氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，一般只需 0.02～0.3 秒就可達(dá)到工 作壓力和速度。液壓油在管路中流動(dòng)速度一般為 1~5m/s，而氣體的流速最小也大于 10m/s，有時(shí)甚至達(dá)到音速，排氣時(shí)還達(dá)到超音速。 (5) 氣體壓力具有較強(qiáng)的自保持能力，即使壓縮機(jī)停機(jī)，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可 以維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器， 而氣體通過(guò)自身的膨脹性來(lái)維持承載缸的壓力不變。 (6) 氣動(dòng)元件可靠性高、壽命長(zhǎng)。電氣元件可運(yùn)行百萬(wàn)次，而氣動(dòng)元件可運(yùn)行 2000~4000 萬(wàn)次。 (7) 工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境 中，比液壓、電子、電氣傳動(dòng)和控制優(yōu)越。 (8) 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便、過(guò)載能自動(dòng)保護(hù)。 缺點(diǎn) (1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性較差。 (2)氣動(dòng)裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓 圖 3-1-5 氣動(dòng)人工肌肉 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置輸出的力要小得多。 (3) 氣動(dòng)裝置中的信號(hào)傳動(dòng)速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號(hào)傳遞速度要求 十分高的復(fù)雜線路中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遙控也比較困難，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備，氣 動(dòng)信號(hào)的傳遞速度是能滿足工作要求的。 (4) 噪聲較大，尤其是在超音速排氣時(shí)要加消聲器。 3.3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣缸的選用 根據(jù)上述氣動(dòng)機(jī)械手的任務(wù)要求我主要選擇了由 5 個(gè)氣缸加上相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí) 現(xiàn)它的動(dòng)作要求，這 5 個(gè)缸及其作用分別是： 1 滑臺(tái)氣缸 方向移動(dòng)（左右）X 2 旋轉(zhuǎn)氣缸 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（順逆）Z? 3 懸臂氣缸 方向移動(dòng)（前后）Y 4 升降氣缸 方向移動(dòng)（上下）z? 5 模塊化真空發(fā)生器（真空吸盤(pán)） 吸放芯片 根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作要求和PLC所具有的控制特點(diǎn), 整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)就是要對(duì)4個(gè)氣缸和 一個(gè)真空發(fā)生器的動(dòng)作進(jìn)行順序控制, 這里采用了 4個(gè)兩位五通電磁氣閥組成的閥島的主 控閥和一個(gè)模塊化真空發(fā)生器。另外, 為便于控制各動(dòng)作的速度, 各氣路安裝了可調(diào)單向 節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速。機(jī)械手的氣動(dòng)原理如 圖3.2 所示。 圖 3.2 氣動(dòng)原理圖 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 13 3.3.1 滑臺(tái)氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，滑臺(tái)氣缸使機(jī)械手完成 方向移動(dòng)，行程為 100mm，由于此滑臺(tái)氣X 缸作為機(jī)械手底座，所以還需要承受一定的重量。故選用 FESTO 雙活塞滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元 SPZ（如圖 3.3.1） 。該型號(hào)雙活塞滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元有以下優(yōu)點(diǎn)： a. 扭轉(zhuǎn)剛度極大，可承受較大作用力 b. 活塞桿間距較大，承載能力強(qiáng) c. 內(nèi)含滑動(dòng)軸承或循環(huán)滾珠，軸承導(dǎo)向裝置 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，旋轉(zhuǎn)氣缸完成 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Z? （順逆） ，由于此機(jī)械手只有兩個(gè)工位，且相互成 180°， 沒(méi)有分度要求，故選用 FESTO 生產(chǎn)的 DRQD 系列雙 活塞擺動(dòng)氣缸 DRQD-B-20。如圖 3.3.2 選型計(jì)算過(guò)程如下： 經(jīng)計(jì)算該旋轉(zhuǎn)氣缸需要承受懸臂氣缸，升降氣缸，真空發(fā)生器吸盤(pán)以及芯片的所有重 量之和，總計(jì)約 1000g。安全系數(shù)為 2。故得靜態(tài)垂直于法蘭盤(pán)的軸向壓力 Fx,push=20N。 假設(shè)安裝懸臂時(shí)懸臂氣缸重心不與法蘭盤(pán)中心軸線重合，作用點(diǎn)距離法蘭盤(pán)中心軸線 V=100mm。又查表得 DNC-32-300 氣缸的缸蓋最大尺寸為 45mm，得活塞桿軸線中心高為 22.5mm，即徑向力作用距離 Z=22.5mm。初選型號(hào)為 DRQD-B-20 把 Fx,push=20N，V=100mm 帶入圖表 3.3.2a/b 查詢得 Fx,push,max 靜=200N 遠(yuǎn)大于 Fx,push=20N Fx,push,max 動(dòng)=40N ； 大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 軸向推力滿足設(shè)計(jì)需要。 圖 3.3.1 滑臺(tái)氣缸 圖 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 把 Z=22.5mm 帶入圖表 3.3.2c/d 查詢曲線 DRQD-B-20，得： Fy,max 靜=650N 遠(yuǎn)大于 Fy,push=20N Fy,max 動(dòng)=110N； 遠(yuǎn)大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 徑向力滿足設(shè)計(jì)需要。 3.3.3 懸臂氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，懸臂氣缸使機(jī)械手完成 方向移動(dòng)，行程為 300mm，由于此懸臂氣缸Y 作為機(jī)械手懸臂，所以還需要考慮懸臂端承受的重量（按 1000g 計(jì)算）