歡迎下載本文檔參考使用，如果有疑問或者需要CAD圖紙的請聯系q1484406321第一章 概述1、引言 隨著氣動技術獲得了快速發展，利用成本性能比低，同時具有許多優點的氣動機械手設備來滿足社會生產實踐需要越來越多的受到重視。氣動機械手與其他控制方式的機械手相比，具有價格低廉、結構簡單，功率體積比高、無污染及抗干擾性能強等特點。1、2機械手的應用與發展 機械手臂在產業自動化的應用已經相當廣泛，因為各個國家產業分布的不同，以及各產業對于機械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無法進行或者會耗費較多時間來做的工作，機械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預知問題。自從第一臺產業用機器人發明以來，機械手臂的應用也從原本的汽車工業、模具制造、電子制程等相關產業，更拓展到農業、醫療、服務業等等。 多軸機械手臂研發方面，多軸式機械手臂廣泛應用于汽車制造商、汽車零組件與電子相關產業。機械手臂可以提升產品技術與品質，而這些初期工作大多可以借由機械手臂來完成。機械手臂的精準、零誤差，對于產品的品質掌握自然擁有其優勢，減少品管所花費的時間與人力。 工業應用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運、檢測等，全球目前產業使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等最大。現在，ROBOT的應用已越來越多元化，依據國際機器人協會（IFR）的統計，至2007年底機械手臂除了工業以外，最多應用于救援、保全與野地（田野、牧場等），近年來，各先進國家為了提升臺機器人的技術水平，都會推廣機器人產業與創立相關聯盟，并且特別針對工業以外的領域進行推廣，例如：醫療、服務、生活方面等。以醫療為例，有許多大型醫學中心使用以手動操控方式之機械手臂，結合顯微影像顯示系統所結合的手術型機器人。 機械手臂的研發也朝向節省人力、減少人類暴露在危險的工作環境、甚至進行更加精密的工作或是輔助操作。機械手臂的技術發展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。 1、3氣動機械手概述 氣動機械手由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。機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器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為“工業機械手”。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率:可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產;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境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業、交通運輸業等方面得到越來越廣泛的引用.機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。1、4機械手的組成和分類1、4、1機械手的組成 機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。各系統相互之間的關系如方框圖1-1所示。控制系統驅動系統被抓取工件執行機構位置檢測裝置 圖1.1機械手的組成方框圖(一)執行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。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) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，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。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，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生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)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，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。 手臂可能實現的運動如下:手臂運動基本運動復合運動直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動)兩直線運動的組合(即平面運動)回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動直線運動:如伸縮、升降、橫移運動兩回轉運動的組合(即空間曲面運動)。手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態簡單。導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。4、立柱立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械豐的立往通常為固定不動的，但機械手的立柱是支承手臂的部件，因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構 當工業機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。6、機座機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅動系統驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置。通常由動力源、控制調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。（三）位置檢測裝置控制機械手執行機構的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.1.4.2機械手的分類工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。1、 按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:（1） 專用機械手它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產，如自動機床、自動線的上、下料機械手。（2） 通用機械手它是一種具有獨立控制系統的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規格性能范圍內，其動作程序是可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統和控制系統是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產品種的中小批量自動化的生產。2、 按驅動方式分（1） 液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。（2） 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。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、高溫和粉塵大的環境中進行工作。（3） 機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。（4） 電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發展前途。3、 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。若欲控制的點數多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業機械手均屬于此類。（2） 連續軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統復雜。這類工業機械手一般采用小型計算機進行控制。第二章 氣動機械手的設計對氣動機械手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。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業對象(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，并滿足系統功能要求和環境條件;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組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制。2.1機械手的坐標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱坐標型式。相應的機械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。2.2機械手的手部結構方案設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部；當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。2.3機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，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，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。2.4機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降(或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。2.5機械手的驅動方案設計 由于氣壓傳動系統的動作迅速，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。2.6機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器 (PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現，非常方便快捷。2.7機械手的主要參數 1、主參數機械手的最大抓重是其規格的主參數，目前機械手最大抓重以10公斤左右的為數最多。故該機械手主參數定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部時可吸附5公斤的重物。 2、基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節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伸縮及回轉的速度。 該機械手最大移動速度設計為1. 2m/s，最大回轉速度設計為120o/s。平均移動速度為lm/s，平均回轉速度為900/s。 機械手動作時有啟動、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還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手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。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調200mm。手臂回轉行程范圍定為2400(應大于1800，否則需安裝多只手臂)，又由于該機械手設計成手臂安裝范圍可調，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為土0. 51 mm，旋轉角度為180。2.8機械手的技術參數列表 一、用途: 用于100噸以上沖床上下料。二、設計技術參數: 1、抓重10公斤(夾持式手部)5公斤(氣流負壓式吸盤)2、自由度數4個自由度3、座標型式圓柱座標4、最大工作半徑1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂運動參數伸縮行程600mm伸縮速度500mn/s升降行程200mm升降速度300mm/s回轉范圍00 -2400回轉速度900/s7、手腕運動參數回轉范圍 00-1800回轉速度1800/s8、手指夾持范圍棒料:80150mm片料:面積不大于0. 59、定位精度士0. 5mm10、緩沖方式液壓緩沖器11、傳動方式氣壓傳動12、控制方式點位程序控制(采用PLC)2.9機械手裝配2.9.1手部結構設計 設計針對的是工件是棒料時，使用夾持式手部。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，本設計選擇齒輪齒條式。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生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。(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，還受到機械手在運動過程中所產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型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如圖所示。本課題氣動機械手的手部結構如圖2.1所示，其工件平均重量G=2公斤，V形手指的角度2=120，b=50mm， R=10mm,摩擦系數為f=0. 10。其中：N = 0.5G*10*tg(5) 0.5*20*tg60=17.3N夾持工件時所需夾緊氣缸的驅動力為P = N = 173 N。 圖2.1齒輪齒條式手部2.9.2手腕結構設計 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求。 目前實現手腕回轉運動的機構，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360，并且要求嚴格的密封。手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。圖2.2所示為手腕受力的示意圖。 1.工件 2.手部 3.手腕圖2.2 手碗回轉時受力狀態手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: M驅 =M慣+ M偏+ M摩+ M封 式中:M驅 驅動手腕轉動的驅動力矩(Kg *cm)； M慣 慣性力矩(Kg *cm)； M偏 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩(Kg *cm)； M摩 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Kg *cm)； M封 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Kg *cm)。2.9.3回轉氣缸的驅動力矩計算 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的工作原理如圖2.3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片3及密封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉片回轉氣缸的壓力p和驅動力矩M的關系為: P =圖2.3回轉氣缸簡圖式中:M - 回轉氣缸的驅動力矩(N*cm)； P - 回轉氣缸的工作壓力(N*cm)； R - 缸體內壁半徑 (cm); R - 輸出軸半徑 (cm); b - 動片寬度 (cm).上述驅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P1與背壓P2之差。2.9.4手臂結構設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降 (或俯仰)運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，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。（1） 結構設計 手臂的伸縮是直線運動，實現直線往復運動采用的是氣壓驅動的活塞氣缸。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。同時，氣壓驅動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發生轉動，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，在設計手臂結構時，必須采用適當的導向裝置。它應根據手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。在本機械手中采用的是單導向桿作為導向裝置，它可以增加手臂的剛性和導向性。（2） 導向裝置氣壓驅動的機械手手臂在進行伸縮(或升降)運動時，為了防止手臂繞軸線發生轉動，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，在設計手臂結構時，必須采用適當的導向裝置。它應根據手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。目前常采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿等，在本機械手中采用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。（3） 手臂伸縮驅動力的計算手臂作水平伸縮時所需的驅動力： 圖2.4手臂伸出時的受力狀態圖2.4所示為活塞氣缸驅動手臂前伸時的示意圖。在單桿活塞氣缸中，由于氣缸的兩腔有效工作面積不相等，所以左右兩邊的驅動力和壓力之間的關系式不一樣。當壓力油(或壓縮空氣)輸入工作腔時，驅使手臂前伸(或縮回)，其驅動力應克服手臂在前伸(或縮回)起動時所產生的慣性力，手臂運動件表面之間的密封裝置處的摩擦阻力，以及回油腔壓力(即背壓)所造成的阻力，因此，驅動力計算公式為: P驅 = P慣+ P摩+ P封+ P背 式中: P慣 - 手伶在起動過程中的慣性力(N)； P摩 - 摩擦阻力(包括導向裝置和活塞與缸壁之間的摩擦阻力)(N)； P封 - 密封裝置處的摩擦阻力(N)，用不同形狀的密封圈密封，其摩擦阻力不同。 P背 - 氣缸非工作腔壓力(即背壓)所造成的阻力(N)，若非工作腔與油箱或大氣相連時，則P背=0 。2.9.5手臂升降和回轉部分 手臂升降裝置由轉柱、升降缸活塞軸、升降缸體,碰鐵、可調定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯接盤和導向桿等組成。 實現機械手手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。手臂回轉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。手臂回轉運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉用液壓緩沖器部分。2.9.6手臂伸縮氣缸的設計 1、驅動力計算根據手臂伸縮運動的驅動力公式: （N）其中，由于手臂運動從靜止開始，所以v=v。摩攘系數:設計氣缸材料為ZL3，活塞材料為45鋼，查有關手冊可知f=0.17。質量計算:手臂伸縮部分主要由手臂伸縮氣缸、手臂回轉氣缸、夾緊氣缸、手臂伸縮用液壓緩沖器、手爪及相關的固定元件組成。氣缸為標準氣缸，根據中國煙臺氣動元件廠的產品樣本可估其質量，同時測量設計的有關尺寸，得知伸縮部分夾緊物體時其質量為70kg，放松物件后其質量為55kg.接觸面積:S=0. 5則上料時:Ff =7010 0. 5=350 (N)=350+70 600 10-3/0.05=1540(N)下料時:Ff =55 100. 5=275 (N) =275+55 600 10-3/0.05 =935 (N)考慮安全因素，應乘以安全系數K=1.2則上料時:F=1540 1. 2=1850 (N)下料時:F=935 1. 2=1120 (N)2、氣缸的直徑根據雙作用氣缸的計算公式:其中:F1活塞桿伸出時的推力，N F2活塞桿縮入時的拉力, Nd活塞直徑，P氣缸工作壓力，Pa代入有關數據，得:當推力做功時 =4 1850/(51050.4) =108.5 (mm)當拉力做功時D= (1.01-1.09)(4F2/p) =(1.011.09) (4 1122/(51050.4) =92.12 (mm)圓整后，取D=100mm3、活塞桿直徑的計算根據設計要求，此活塞桿為空心活塞桿，目的是桿內將裝有3根伸縮管。因此，活塞桿內徑要盡可能大，假設取d=70mm, d0=56mm.校核如下:(按縱向彎曲極限力計算)氣缸承受縱向推力達到極限力Fk以后，活塞桿會產生軸向彎曲，出現不穩定現象。因此，必須使推力負載(氣缸工作負載F，與工作總阻力F:之和)小于極限力Fk。該極限力與氣缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。有關公式為:式中:L活塞桿計算長度，mK活塞桿橫截面回轉半徑,空心桿 md0空心活塞桿內孔直徑，mA1活塞桿橫截面積, 空心桿,f材料強度實驗值，對鋼取f=2.1 107 Paa系數，對鋼a=1/5000代入有關數據，得: =573 (KN)推力負載為:代入有關數據，得: Ft+ Fz=/40.4106(10010-3)2=3142 (N)Ft+ Fz=Fk所以，安全。設計符合要求。4缸筒壁厚計算根據公式: 式中PP為實驗壓力，取Pp=1.5P=0.6106 Pa材料為ZL3，則 =3MPa則 =10 mm 取=12 mm.3. 氣動系統設計 圖3.1所示為該機械手的氣壓傳動系統工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機 (壓力約為38Kgf/cm2)通過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器，進入各并聯氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 圖3.1 機械手氣壓傳動系統工作原理圖序 號型 號 規 格名 稱數 量1QCF-48手動截止閥12QAF-49儲氣缸23QSL-26-S1分水濾氣器14QTY-20-S1減壓閥15QIU-20-S1油霧器16YJ-1壓力繼電器17Q24DH-10-S1二位五通電磁滑閥18Q24D2ZH-10-S1二位五通電磁滑閥39Q24D2ZH-15-S1二位五通電磁滑閥110QF-44單向節流閥211LI-25單向節流閥212QBF-14快速排氣閥213QAF-87氣液轉換器1表3.1 氣路元件表第三章 PLC的介紹3.1 PLC簡介 PLC(編程邏輯控制器)是20世紀60年代末期逐步發展起來的一種以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。近幾年來，PLC技術在各種工業過程控制、生產自動線控制及各類機電一體化設備控制中得到極其廣泛的應用，成為工業自動化領域中的一項十分重要的應用技術。 在PLC出現以前，繼電器控制曾得到廣泛應用，在機電設備和工業過程控制領域中占有主導地位。但是繼電器控制系統有明顯的缺點：體積大，可靠性低，故障查找困難，特別是因為它是由硬接線邏輯構成的系統，造成了接線復雜，容易出故障，對生產工藝變化的適應性較差。 20世紀60年代未，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了適應汽車型號不斷更新的需要，試圖尋找一種新的生產線控制方法，使之盡可能地減少重新設計繼電器控制系統的工作量以及盡量地減少控制系統硬連接線的數量，以降低生產成本，縮短制造周期，減少生產線的故障率，從而有效地提高生產效率。當時，電子計算機的硬件己經基本完備，其主要功能是通過軟件來實現的，因此具有靈活性、通用性等優點，但價格相對來說比較昂貴，于是他們想到了把繼電器控制系統簡單易懂、操作方便、價格便宜的長處與計算機靈活、通用的優點結合起來，用來制造一種新型的工業控制裝置，并進而采用招標的方式，首先山美國數字設備公司(DEC)研制出符合上述想法的工業控制裝置，命名為可編程邏輯控制器， 即PLC（Programmable Logic Controller）。1969年，第一臺PLC在GM公司汽車生產線上首次運行，成功地取代了沿用多年的繼電器控制系統，盡管當時的PLC功能僅具有邏輯控制、定時、計數等功能，但卻標志著一種新型裝置問世。 隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，20世紀70年代中期又出現了微處理器和微型計算機，這些新技術很快也被用到PLC之中，使得PLC不僅其有邏輯控制功能，而且還增加了運算、數據處理和傳送等功能，從而成為具有計算機功能的新型工業控制裝置。1980年美國電器制造商協會(NEMA)正式將其命名為可編程控制器(Programmable Controller)簡稱PC。 國際電工委員會(IEC)于1982年11月和1985年1月頒布了可編程控制器的第一稿和第二稿，對可編程控制器作了如下的定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。可編程控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充功能的原則而設計。”之所以把可編程控制器簡稱為PC,因為它已經不再是僅具有邏輯控制功能的裝置了。只是由于20世紀80年代崛起的個人計算機(Personal Computer)也簡稱為PC。為了加以區別，人們又把可編程控制器簡稱為PLC。3.2 PLC的組成 PLC主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入/輸出部件(I/O)、電源和編程器幾大部分組成。3.3 PLC程序的表達方式 與計算機的工作原理一樣，PLC 的操作是按其程序要求進行的，而程序是用程序語言表達的。表達方式有多種多樣，不同的PLC生產廠家，不同的機種，采用的表達方式也不相同。但基本上可歸納為字符表達方式(即用文字符號表達程序，如語句表程序表達方式)和圖形符號表達方式(即用圖形符號表達程序，如梯形圖程序表達方式)這兩大類。也有將這兩種方式結合起來表示PLC程序。1、梯形圖 PLC的梯形圖編程語言與傳統的“繼電、接觸”控制原理圖十分相似，它形象、直觀、實用，為廣大電氣技術人員所熟知。這種編程語言繼承了傳統的繼電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入輸出形式，使得程序直觀易讀。當今世界上各國的PLC制造廠家所生產的PLC大都采用梯形圖語言編程。 2、語句表 用語句表所描述的編程方式是一種與計算機匯編語言類似的助記符編程方式。由于不同型號的PLC的標識符和參數表示方法不一，所以無千篇一律的格式。 3、邏輯符號圖 采用邏輯符號圖表示控制邏輯時，首先定義某些邏輯符號的功能和變量函數，它類似于“與”、“或”、“非”邏輯電路結構的編程方式。一般說來，用這三種邏輯能夠表達所有的控制邏輯。這是國際電工委員會(IEC)頒布的PLC編程語言之一。 4、高級編程語言 隨著軟件技術的發展，近年來推出的PLC，尤其是大型PLC，已開始用高級語言進行編程。許多PLC采用類似PASCAL語言的專用語言，系統軟件具有這種專用語言編程的自動編譯程序。采用高級語言編程后，用戶可以像使用普通微形計算機一樣操作PLC。除了完成邏輯控制功能外，還可以進行PID 調節、數據采集和處理以及計算機通信等。上述幾種編程語言(方式)，最常用的是梯形圖和語句表，其次是邏輯符號圖，近幾年來也使用高級語言。3.4 PLC的工作方式 1、PLC中等效元件的功用及其編號 PLC中的等效輸入繼電器X和等效輸出繼電器Y。計時器T、計數器C、輔助繼電器M 等均可理解為一個線圈和多個動合(常開)、動斷(常閉)觸點，并都可以在PLC內部控制電路中使用，且均具有各自的相應編號，下面分別簡介其功用與編號。(1) 輸入繼電器（X） PLC的輸入端子是從外部開關接受信號的窗口，PLC 內部與輸入端子連接的輸入繼電器X是用光電隔離的電子繼電器，它們的編號與接線端子編號一致（按八進制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于PLC外部觸點的狀態。內部有常開/常閉兩種觸點供編程時隨時使用，且使用次數不限。輸入電路的時間常數一般小于10ms。各基本單元都是八進制輸入的地址，輸入為X000 X007，X010 X017， 。它們一般位于機器的上端。(2) 輸出繼電器（Y） PLC的輸出端子是向外部負載輸出信號的窗口。輸出繼電器的線圈由程序控制，輸出繼電器的外部輸出主觸點接到PLC的輸出端子上供外部負載使用，其余常開/常閉觸點供內部程序使用。輸出繼電器的電子常開/常閉觸點使用次數不限。輸出電路的時間常數是固定的 。各基本單元都是八進制輸出，輸出為Y000 Y007，Y010Y017，。它們一般位于機器的下端。(3) 輔助繼電器（M） PLC內有很多的輔助繼電器，其線圈與輸出繼電器一樣，由PLC內各軟元件的觸點驅動。輔助繼電器也稱中間繼電器，它沒有向外的任何聯系，只供內部編程使用。它的電子常開/常閉觸點使用次數不受限制。但是，這些觸點不能直接驅動外部負載，外部負載的驅動必須通過輸出繼電器來實現。如下圖中的M300，它只起到一個自鎖的功能。在FX2N中普遍途采用M0M499，共500點輔助繼電器，其地址號按十進制編號。輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器，如掉電繼電器、保持繼電器等，在這里就不一一介紹了。(4) 定時器（T） 在PLC內的定時器是根據時鐘脈沖的累積形式，當所計時間達到設定值時，其輸出觸點動作，時鐘脈沖有1ms、10ms、100ms。定時器可以用用戶程序存儲器內的常數K作為設定值，也可以用數據寄存器（D）的內容作為設定值。在后一種情況下，一般使用有掉電保護功能的數據寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時，定時器或計數器往往會發生誤動作。 定時器通道范圍如下： 100 ms定時器T0T199， 共200點，設定值：0.1 3276.7秒； 10 ms定時器T200TT245，共46點，設定值：0.01327.67秒； 1 ms積算定時器 T245T249，共4點，設定值：0.00132.767秒； 100 ms積算定時器T250T255，共6點，設定值：0.13276.7秒； 當定時器線圈T200的驅動輸入X000接通時，T200的當前值計數器對10 ms的時鐘脈沖進行累積計數，當前值與設定值K123相等時，定時器的輸出接點動作，即輸出觸點是在驅動線圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）時才動作，當T200觸點吸合后，Y000就有輸出。當驅動輸入X000斷開或發生停電時，定時器就復位，輸出觸點也復位。 每個定時器只有一個輸入，它與常規定時器一樣，線圈通電時，開始計時；斷電時，自動復位，不保存中間數值。定時器有兩個數據寄存器，一個為設定值寄存器，另一個是現時值寄存器，編程時，由用戶設定累積值。 定時器線圈T250的驅動輸入X001接通時，T250的當前值計數器對100 ms的時鐘脈沖進行累積計數，當該值與設定值K345相等時，定時器的輸出觸點動作。在計數過程中，即使輸入X001在接通或復電時，計數繼續進行，其累積時間為34.5s（100 ms*345=34.5s）時觸點動作。當復位輸入X002接通 ，定時器就復位，輸出觸點也復位。(5) 計數器（C） FX2N中的16位增計數器，是16位二進制加法計數器，它是在計數信號的上升沿進行計數，它有兩個輸入，一個用于復位，一個用于計數。每一個計數脈沖上升沿使原來的數值減1，當現時值減到零時停止計數，同時觸點閉合。直到復位控制信號的上升沿輸入時，觸點才斷開，設定值又寫入，再又進入計數狀態。 其設定值在K1K32767范圍內有效。設定值K0與K1含義相同，即在第一次計數時，其輸出觸點就動作。通用計數器的通道號：C0 C99，共100點。保持用計數器的通道號：C100C199，共100點。通用與掉電保持用的計數器點數分配，可由參數設置而隨意更改。 由計數輸入X011每次驅動C0線圈時，計數器的當前值加1。當第10次執行線圈指令時，計數器C0的輸出觸點即動作。之后即使計數器輸入X011再動作，計數器的當前值保持不變。l當復位輸入X010接通（ON）時，執行RST指令，計數器的當前值為0，輸出接點也復位。l應注意的是，計數器C100C199，即使發生停電，當前值與輸出觸點的動作狀態或復位狀態也能保持。f 數據寄存器（D） 數據寄存器是計算機必不可少的元件，用于存放各種數據。FX2N中每一個數據寄存器都是16bit（最高位為正、負符號位），也可用兩個數據寄存器合并起來存儲32bit數據（最高位為正、負符號位）。 2、PLC的掃描工作方式 這個過程可分為內部處理、通信服務、輸入處理、程序執行、輸出處理幾個階段，整個過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。在內部處理階段，PLC檢查CPU模塊內部硬件是否正常，復位監視計時器， 以及完成其它一些內部處理。在通信處理階段，PLC與帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。在PLC 處于停止運行(STOP)狀態時，只完成內部處理和通信服務工作。在PLC處于運行(RUN)狀態時，除完成上述操作外，還要完成輸入處理、程序執行、輸出處理工作。從輸入第1步運算第2步運算， ，最后一步運算輸出順序執行。 3、PLC的工作原理計算機特性PLC按掃描方式或串行方式工作，其實質就是因為PLC是一臺微型機，它按照微型計算機的工作方式一條條從內存中讀取指令，執行指令只是為了便于工廠中技術人員和工人的使用，才把PLC的程序用梯形圖來表示。特別是中、高檔PLC的指令集中已出現了類似于微型機的指令，比如從操作方式上講有數據或數據塊在內存數據區內移動指令，有兩個數據的加、減、乘、除、開方等運算指令，有中斷、比較、移位等指令；從尋址方式上講有直接尋址、間接尋址和變址尋址等指令。在編寫梯形圖程序時完全像用匯編語言那樣使用它們，對數據進行各種操作，使程序分支，或局部循環，執行子程序或中斷服務程序等。在程序連續進行嵌套判別時，因為PLC像微型機一樣，只有一個進位位，前邊的判別必須用內存中的某個字的某個位，或者說是用PLC的輔助繼電器記住其狀態，才能進行下面的判別操作，否則會丟失前面判別的結果，使程序運行紊亂。這些狀態和工作過程都和微型機的狀態和工作過程十分相似。3.5 PLC機械手的原理3.5.1 PLC機械手的原理及流程圖1機械手在原始位置時（右旋到位）動作，按下啟動按鈕，機械手臂開始上升，機械手放松，機械手開始前進。2機械手上升到上限位置，狀態開關動作，上升動作結束，機械手開始左旋。3機械手左旋到左限位置，狀態開關動作，左旋動作結束，機械手開始抓緊。4機械手抓緊到抓緊位置，狀態開關動作，抓緊動作結束，機械手開始右旋。5機械手開始右旋，狀態開關動作，抓緊動作結束，機械手開始下降。6機械手下升到下降位置，狀態開關動作，下降動作結束，機械手開始后退。7機械手右旋到右限位置，狀態開關動作，右旋動作結束，機械手開始下降。8機械手后退到后退位置，機械手開始放松，一個工作循環過程完畢。9機械手的工作方式為：單步。 機械手的動作順序如下：機械手初始位置是后退、下降、逆時針旋轉均到底部，機械手成放松狀態。當按下啟動按鈕后，機械手開始前進，前進到底碰到限位開關，前進動作停止，機械手開始上升，上升到頂端，碰到限位開關，上升動作停止，機械手開始執行順時針旋轉動作，順時針旋轉到底，碰到限位開關，旋轉動作停止，機械手開始執行夾緊動作，碰到限位開關，夾緊動作停止，機械手開始執行逆時針旋轉，逆時針旋轉到底，碰到限位開關，逆時針旋轉動作停止，機械手開始下降，下降到底部時，碰到限位開關，下降動作停止，機械手執行后退動作，碰到限位開關，后退停止，機械手放松，此時回到初始位置， 一個周期動作完成。根據機械手的動作順序，可以畫出如圖3.1所示的流程圖：上升原位前進下降后退順時針旋轉放松夾緊逆時針旋轉X5X10X6X3X1X0X4X2X7圖3.1 機械手控制系統流程圖3.6電路中主要元器件的介紹3.6.1電磁繼電器的原理及應用 繼電器的工作原理和特性：繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁繼電器的工作原理和特性：電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁