1、 本科畢業設計說明書（論文） 第 38 頁 共 38 頁1 緒 論1.1 機械手概述機器人由操作機(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生產設備。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，

2、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

3、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。1.2 機械手的組成和分類1.2.1 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2

4、-1所示。圖 2-1 機械手組成方框圖(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在本課題中我們采用夾持式手部結構。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，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

5、、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。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕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。4、立柱立柱是

6、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(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立I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，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式布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、

7、機械傳動。控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。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)控制系統控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。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

8、，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。(四)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.1.2.2 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。(一)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

9、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的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和叻口工中心”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。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。通用機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”式控制定位，只能是點位控制:可以是點位的，也可以實現連續軌控制，伺服型具有

10、伺服系統定位控制系統，一般的伺服型通用機械手屬于數控類型。(二)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:介質氣源極為方便，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

11、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，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。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

12、前還不多，但有發展前途。(三)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。1.3 國內外發展狀況國外機器人領域發展近幾年有如下幾個趨勢:(1)工業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

13、格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、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品問市。(3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、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境建模及決策控

14、制;多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，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構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“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。我國的工業機器人從80年代“七五”

15、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、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、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的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，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:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分

16、之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業化進程.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平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、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應用上開展了不少工作，有了一定的

17、發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發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，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4 課題的提出及主要任務1.4.1 課題的要求該取樣設備具有自動取樣的功能，可以模擬人工定時定量地從傳輸皮帶上提取樣品，裝入樣品箱內。該設備由控制電機、減速傳動機構、取樣動作機構和電腦程序控制電路等部件組成，配備必要的定位傳感器，可實現(1)單次取樣動作完整(2) 每次取樣間隔時間可以設定 (3)取樣臂具有機械防沖擊性能。

18、取樣設備運動機構設計需滿足以下條件：取樣過程：取樣翻腕倒料停留重復取樣，鐵鏟停留在傳輸皮帶和樣品箱中間；取樣周期10120s，可任意設定，每次取樣動作完成時間310s；傳輸皮帶寬度80cm，取樣鐵鏟運動半徑65 cm。1.4.2 課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(1)機械手為專用機械手，因此只適用于本課題。(2)選取機械手的座標型式和自由度。(3)設計出機械手的各執行機構，包括:手部、手臂等部件的設計。(4)氣壓傳動系統的設計本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并繪出氣動原理圖。(5)對氣壓傳動系統原理圖的參數化繪制進行研究，提高繪圖效率，改善

19、繪圖質量。(6)機械手的控制系統的設計本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖。2 機械手的設計方案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

20、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.本次設計的機械手是專用翻轉式機械手，用于鐵礦粉的取樣和運輸。2.1 機械手的座標型式與自由度本機械手采用直角坐標式，具有手臂擺動和手腕擺動兩個自由度。2.2 機械手的手部結構方案設計采用料勺式設計。如圖2-1。前部為鏟形，方便取料，后部為半圓形，方便存料和落料。圖 2-1 取料勺2.3 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的下料過程，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機械手臂由一回轉氣缸帶動完成來回擺動的運動。2.5 機械手的驅動方案設計

21、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.機械手的最大抓重是其規格的主參數，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，查閱相關機械手的設計參數，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為5公斤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

22、械手動作快慢的主要因素是手臂回轉的速度。該機械手最大回轉速度設計為。平均回轉速度為。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工作半徑。根據課題要求，該機械手手臂的最大工作半徑約為650mm。定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為。2.8 機械手的技術參數列表一、用途:用于鐵礦粉自動輸送線的取樣。二、設計技術參數:1、工件（包括樣品和料勺的質量）2、自由度數2個自由度3、座標型式直角座標4、最大工作半徑650mm6、手臂運動參數回轉范圍

23、回轉速度 7、手腕運動參數回轉范圍 回轉速度 8、定位方式限位開關9、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)3 手腕結構設計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。3.1 手腕的自由度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，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。考慮到下料時需要一個翻腕的工作，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

24、湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。3.2 手腕的驅動力矩的計算3.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩手腕的回轉、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3-1所示為手腕受力的示意圖。1.工件2.手腕圖3-1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: 式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩();- 慣性力矩();- 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

25、().,; - 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();下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:1、手腕加速運動時所產生的慣性力矩M慣若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: 式中:- 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量;- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量:- 工件的重量(N);- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm), - 手腕轉動時的角速度(弧度/s);- 起動過程所需的時間(s); 起動過程所轉過的角度(弧度)。2、手腕轉動件和工件

26、的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏 + ()式中: - 手腕轉動件的重量(N);- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則.3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 ()式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm);- 摩擦系數，對于滾動軸承，對于滑動軸承;,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，根據,得:同理，根據(F),得:式中:), 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).4、轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。3.2.2 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

27、的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖3-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸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。單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:, 或 圖 3-2 回轉氣缸圖式中：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。缸體內部，葉片

28、兩側可安裝擋塊，葉片轉動到擋塊位置時停止，兩擋塊的位置即為軸轉動的極限位置。3.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核1.尺寸設計氣缸長度設計為,氣缸內徑為=96mm,半徑,軸徑,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強, 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： （）工件（樣品和鐵鏟）的質量為5,設工件中心與轉動軸線重合，那么轉動慣量。如果工件中心與轉動軸線不重合，最大偏心距，其轉動慣量為: 2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合，工件重心偏離轉動

29、軸線,則 + 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計, 4回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，3 設計尺寸符合使用要求，安全。4 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核4.1 手臂回轉氣缸的尺寸設計與校核4.1.1 尺寸設計氣缸長度設計為,氣缸內徑為,半徑R=120mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： 4.1.2 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

30、，質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： （）工件（樣品和鐵鏟和機械臂）的質量為30,設工件中心與轉動軸線重合，那么轉動慣量 現工件中心與轉動軸線不重合，最大偏心距，其轉動慣量為: 2、手臂轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手臂轉動件重心與轉動軸線重合，工件重心偏離轉動軸線,則 + 3、手臂轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手臂轉動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的力，粗略估計, 4回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，3 設計尺

31、寸符合使用要求，安全。5 氣動系統設計圖5-1 機械手氣壓傳動系統工作原理圖表5-1 氣路元件圖序號型號規格名稱數量1QF-44手動截止閥12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17阻尼螺釘48Q35D2H-10-S1三位五通雙電電磁滑閥19Q25D2H-15-S1二位五通雙電電磁滑閥110氣液轉換器111LI-25單向節流閥2各執行機構的調速，凡是能采用排氣口節流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，效果好。氣液傳送器氣缸側的排氣節流，可用來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。為

32、簡化氣路，電磁閥的減少數量，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流閥或行程節流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據各工作氣缸的尺寸、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下的公稱所使用流量相適應來確定的。6 機械手的PLC控制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。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SIM

33、ATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，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。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行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環掃描的工作方式。具體的工作過程可分為4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對輸入輸出狀態的詢問是針對輸入輸出狀態暫存器而言的。輸入輸出狀態暫存器也稱為I/0狀態表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態信息的存儲區。其中存放輸入狀態信息的存儲器叫輸入狀態

34、暫存器;存放輸出狀態信息的存儲器叫輸出狀態暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態表清零，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對輸入狀態進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態信息送到I/0狀態表中存放。在同一掃描周期內，各個輸入點的狀態在I/0狀態表中一直保持不變，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，保證了本周期內用戶程序的正確執行。第三階段是程序處理階段。當輸入狀態信息全部進入I/0狀態表后，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，并根據各I/0狀態和有關指令

35、進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態表的輸出狀態暫存器中。第四階段是輸出處理階段。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狀態表狀態暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態暫存器中取出，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又返回執行下一個循環的掃描周期。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、設備或生產過程)構成一個自動控制系統時，通常以七個步驟進行:(1)系統設計即確定被控對象的動作及動作順序。(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

36、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部的計數器、定時器等也要進行分配。可編程序控制器是通過編號來識別信號的。(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

37、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 機械手可編程序控制器控制方案6.3.1 系統簡介控制對象為直角座標氣動機械手。它的手臂具有兩個自由度，即手腕轉動和手臂轉動，均采用氣動方式驅動，即用兩個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制兩個氣缸，使機械手完成動作。這樣，可用PLC的4個輸出端與電磁閥的4個線圈相連

38、，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。另外，每個動作末端需放置一限位開關，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。6.3.2 機械手的工作流程此機械手用于鐵礦粉的取樣。當按下機械手啟動按鈕之后，機械手有如下動作:手臂先右轉至右限位開關1動作(1DT通電) 手腕轉至限位開關3后計時1秒(3DT通電) 手腕逆時針轉(4DT通電)至限位開關4(4DT斷電) 計時2秒 手臂左轉至左限位開關動作2(2DT通電) 手腕逆時針轉動(4DT通電) 手腕轉至限位開關5后計時60

39、秒 手臂先右轉至右限位開關1動作(1DT通電)。至此，一個工作循環完畢。具體如圖6-1所示。圖 6-1 運動位置圖6.3.3 機械手工作時序圖如圖所示(1)I/O分配根據系統輸入輸出點的數目，選用OMRON C28P型PC，它有16個輸入點，標號為0000-0015; 12個輸出點，標號為0500-0511.表 6-1 I/O分配I/O分配輸入輸出啟動 00001DT 0501限位開關1 00012DT 0502限位開關2 00023DT 0503限位開關3 00034DT 0504限位開關4 0004限位開關5 0005停止 0006（2）梯形圖設計(如圖6-2所示)圖 6-2 梯形圖（3）

40、機械手控制程序表 6-2 程序指令指令數據ORHR0003LD00000AND NOTHR0004ORHR0000OUTHR0003AND NOT00001LDHR0003AND NOT00006OUT NOT00504OUTHR0000TIM00001LDHR0000#0020OUT00501LDTIM001LD00501OUT00502AND00001LD00502ORHR0001AND00002AND NOTHR0002ORHR0004OUTHR0001AND NOTHR0005LDHR0001OUTHR0004OUT00503LDHR0004LD00503OUT00504AND0000

41、3LD00504ORHR0002AND00005AND NOTHR0003ORHR0005OUTHR0002AND NOTHR0006LDHR0002OUTHR0005TIM00000LDHR0005#0010TIM00002LDTIM000#0600OUT00504LDTIM002LD00504OUTHR0000AND00004END結 論1、本次設計的是氣動專用機械手，相對于通用機械手更加適用于本課題。2、采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現過載保護，便于自動控制。工作環境適應性好，不會因環境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環境。同時成本低廉。3、通過對氣壓傳動系統工作原理圖的參數化繪制，大大提高