【正文】 ????? 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀????????????????????? 3. 研究內(nèi)容、擬解決的問題及設(shè)計(jì)要求???????????? 二 .總體方案設(shè)計(jì)??????????????????????? 1. 功能分解及結(jié)構(gòu)示意圖?????????????????? 2. 氣動(dòng)執(zhí)行元件簡介???????????????????? 3. 氣缸類型的選擇及總體方案的確定????????????? 三 .設(shè)計(jì)計(jì)算及元件設(shè)計(jì)選型??????????????? ??? 1. 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) ....????????????????? 2. 水平氣缸的計(jì)算及選型?????????????????? 3. 垂直氣缸的計(jì)算及選型?????????????????? 4. 齒輪齒條缸的設(shè)計(jì)計(jì)算?????????????????? 5. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核及軸承的壽命校核????????? 四 .機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)????????????????? 1. 氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作過程 ??????????????? ?? 2. 機(jī)械手的控制要求 ??????????????????? 3..氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4. PLC 的選擇和 I/O 口的分配 控制程序設(shè)計(jì) 五 工作總結(jié)??????????????????????????? 六 致謝?????????????????????????????? 參考文獻(xiàn)????????????????????????????? 一 . 緒論 1. 課題來源、目的及意義 由于現(xiàn)在在外面實(shí)習(xí)，也去了幾家的工廠，很多工廠工作環(huán)境差，條件有限 6 對(duì)于這種惡劣環(huán)境下工人們需要人工控制或者利用其他一些方法作為工具來搬運(yùn)重物，而且都是一些機(jī)械的工作，我們完全可以利用機(jī)械手等機(jī)械來代替工人，從而高效率可靠的完成任務(wù)而且減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 鑒于氣壓傳動(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 [6]。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)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)，因此很適合在工業(yè)領(lǐng)域特別是那些環(huán)境比較差溫度高，多震動(dòng)、噪聲大，灰塵多以及輻射等不適于人類長期工作的環(huán)境中工作。這樣一來不僅提高了生產(chǎn)力，而且為生產(chǎn)力大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度和難度，為生產(chǎn)提供了基本保障。 本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手裝置，用以搬運(yùn)體積大，重量大，溫度高，有輻射等工業(yè)生產(chǎn)原材料或成品。 在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下： （ 1）可以高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng) 化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 （ 2）可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （ 3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直 接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。 綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì) 7 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ) 知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大。 早在 40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。 50～ 60 年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特 (Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。 60～ 70 年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。 8090 年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。 90 年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。 90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。 總之，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代： 第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式 為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(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)展成為柔性系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán) 隨著工業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展和氣動(dòng)技術(shù)本身的一些優(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)。 80 年代以來，氣動(dòng)技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域快速擴(kuò)展，特別是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得 8 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)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 從 各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近 30 多年來，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、日本等國家，該比例已達(dá)到 6:4，甚至接近 5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 20%以上，高于中國機(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。 目前在世界上日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手方面 最為領(lǐng)先。我國對(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)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 3 研究內(nèi)容，擬解決的問題及設(shè)計(jì)要求 (1)本課題的研究內(nèi)容 ①確定機(jī)械手的總體方案 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境布局以及氣動(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)的的總體方案，分析 并 9 解決存在的技術(shù)難題。最后根據(jù)考慮的技術(shù)方案確定機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)、功能和預(yù)期完成的動(dòng)作。 ②設(shè)計(jì)機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu) 可采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將機(jī)械手分為若干個(gè)模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)， 然后把這些模塊拼裝起來組成機(jī)械手。根據(jù)功能和尺寸要求匹配合適的氣缸，設(shè)計(jì)機(jī)械手基座、各氣缸之間連接關(guān)節(jié)等裝置。 ③氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，繪出動(dòng)作程序圖， XD 線圖，邏輯原理圖，氣動(dòng)回路原理圖。 (2)擬解決的問題 解決機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)并具 具體有：氣缸的計(jì)算及選型，氣動(dòng)控制， PLC 程序的設(shè)計(jì)與編寫。 (3)設(shè)計(jì)要求 ①工件的幾何形狀及尺寸如圖 ： 圖 工件的幾何形狀和尺寸 ②工件的材質(zhì)是鋼。 ③水平氣缸以 ，行程為 200mm，緩沖長度為 20mm。 ④垂直氣缸以 、下降動(dòng)作，行程為 300mm，緩沖長度為 20mm。 ⑤抓手夾緊、松開工件的時(shí)間都 是 。 10 ⑥抓手與工件之間的摩擦系數(shù)為 u=。 二． 總體方案設(shè)計(jì) 在總體方案里，氣動(dòng)機(jī)械手將模擬人手的部分動(dòng)作，按預(yù)先給定的程序、軌跡和工藝要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)，完成工件的上料或卸料。這些動(dòng)作歸結(jié)起來可分解成以下幾個(gè)基本動(dòng)作： （ 1）水平方向手臂的伸縮移動(dòng) （ 2）垂直方向高度的上升、下降移動(dòng) （ 3）繞某一個(gè)軸線（如 Z 軸）的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （ 4）手腕的旋轉(zhuǎn) （ 5）手指的夾緊，放松 能實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)基本動(dòng)作的氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖 ： 11 圖 氣動(dòng)機(jī)械手框架圖 系統(tǒng)共有四個(gè)氣缸，從下到上，從左到右依次是：旋轉(zhuǎn)氣缸，該氣缸是立柱的回轉(zhuǎn)缸，他實(shí)際上是個(gè)組合氣缸，是由兩個(gè)氣缸的組合中間以齒輪條杠連接兩缸的活塞，然后再主立軸的下端套上一個(gè)直齒圓柱齒輪，與氣缸齒輪條杠嚙合，把活塞的直線運(yùn)動(dòng)改變成立柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)立柱的回轉(zhuǎn)。左上的伸縮氣缸是機(jī)械手手臂的伸縮缸，用以實(shí)現(xiàn)手臂的伸長與縮回。右上的升降氣缸是機(jī)械手升降缸，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上升與下降。夾緊氣缸，機(jī)械手抓的夾緊與放松，用以實(shí) 現(xiàn)機(jī)械手的手爪取放物件。 氣動(dòng)執(zhí)行元件是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。它包括氣缸和氣馬達(dá)。 (1)氣缸 氣缸的分類及典型結(jié)構(gòu) 氣缸是將壓縮空氣的壓縮能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)并做功的執(zhí)行元件。氣缸按結(jié)構(gòu)形式分為兩大類：活塞式和膜片式。其中活塞式又分為單活塞式和雙活塞式，單活塞式有有活塞桿和無活塞桿兩種。下面簡單介紹幾種典型氣缸的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。 ①普通氣缸 圖 5為普通型單活塞桿雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)圖。氣缸由缸筒，前后缸蓋，活塞，活塞桿，密封件和緊固件等零件組成。缸筒在前后缸蓋之間由 四根拉桿和螺母將其連接鎖緊（圖中未畫出）。活塞與活塞桿相連，活塞上裝有密封圈、導(dǎo)向環(huán)及磁性環(huán)。為防止漏氣和外部粉塵的侵入，前缸蓋上裝有活塞桿用防塵組合密封圈。磁性環(huán)用來產(chǎn)生磁場(chǎng)，使活塞接近磁性開關(guān)時(shí)發(fā)生信號(hào)，即在普通氣缸上安裝磁性開關(guān)就成為可以檢測(cè)氣缸活塞位置的開關(guān)氣缸。 12 圖 普通型單活塞桿雙作用氣缸 ②無活塞桿氣缸 無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接或間接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，無桿氣缸由缸筒，防塵和抗壓密封件，無桿活塞，左右端蓋，傳動(dòng)舌片，導(dǎo)架等組成。拉制而成鋁氣缸筒沿軸向方向開槽，為防 止內(nèi)部壓縮空氣泄露和外部雜物侵入，槽被內(nèi)部抗壓密封件和外部防塵密封件密封。內(nèi)、外密封件都是塑料擠壓成形件，且互相夾持固定。無桿活塞的兩端帶有唇形密封圈?；钊麅啥朔謩e進(jìn)、排氣，活塞將在缸筒內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)通過缸筒槽的傳動(dòng)舌片被傳遞到承受負(fù)載的導(dǎo)架上。此時(shí)，傳動(dòng)舌片將防塵密封件與抗壓密封件擠開，但它們?cè)诟淄驳膬啥巳匀皇腔ハ鄪A持的。因此，傳動(dòng)舌片與導(dǎo)架組件在氣缸上移動(dòng)時(shí)無壓縮空氣泄露。 無桿氣缸缸徑范圍為 2563mm，行程可達(dá) 10mm。這種氣缸最大的有點(diǎn)是節(jié)省了安裝空間，特別適用于小缸徑長行程的場(chǎng)合。在自動(dòng)化 系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)器人中或得大量應(yīng)用。 ③膜片式氣缸 膜片式氣缸由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。它可以是單作用式，也可以是雙作用式。其膜片有盤形膜片和平膜片兩種，多數(shù)采用夾織物橡膠材料。 膜片式氣缸與活塞式氣缸相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、制造容易、成本低、維修方便、壽命長、泄露少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但膜片的變形量有限，其行程較短。這種氣缸適用于氣動(dòng)夾具、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥及短行程的工作場(chǎng)合。 ④沖擊氣缸 沖擊氣缸是把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為活塞組件的動(dòng)