【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 ： 氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 的設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 部 （系）： 專 業(yè) 年 級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 指 導(dǎo) 教 師： 職稱或?qū)W位： 2021 年 10 月 29 日 1 目 錄 摘 要 .........................................................3 第一章 前言 機(jī)械手概述 ...............................................4 機(jī)械手的組成和分類 .......................................4 機(jī)械手的組成 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 4 機(jī)械手的分類 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．． 8 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 機(jī)械手的主要參數(shù) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 夾持式手部結(jié)構(gòu) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．． 11 手指的形狀和分類 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 11 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 14 手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 14 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手腕的自由度 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 20 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 22 第五章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核 手臂伸縮部分 尺寸設(shè)計(jì)與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23 尺寸設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23 尺寸 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 24 5 .1 .3 導(dǎo)向裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25 5 .1 .4 平衡裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 25 手臂升降部分 尺寸設(shè)計(jì)與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26 尺寸設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26． 尺寸 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 26 手臂回轉(zhuǎn)部分尺寸設(shè)計(jì) 與校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 尺寸設(shè)計(jì) ．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 尺寸 校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 2 第六章 機(jī)械手的 PLC控制設(shè)計(jì) ．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 可編程序控制器的選擇及工作過程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 可編程序控制器的選擇 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 可編程序控制器的工作過程 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 27 可編程序控制器的使用步驟 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 23 第七章 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 24 致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 29 參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 30 專業(yè)相關(guān)的資料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 31 3 摘 要 在設(shè)計(jì)機(jī)械手臂座的時(shí)候，用兩個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力。左邊一電機(jī) 通過諧波減速器減速后，通過齒輪來控制手臂的回轉(zhuǎn)，而手臂彎曲動(dòng)作的動(dòng)力，由右邊一電機(jī)提供。電機(jī) 2同樣也是通過諧波減速器減速后，通過一個(gè)長(zhǎng)軸，把動(dòng)力傳到底部的小齒輪上，再由小齒輪與大齒輪的嚙合，把動(dòng)力傳到那豎直的錐齒輪上，又通過錐齒輪之間的嚙合，把動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞到橫軸上，這樣，再通過鍵連接，就能把動(dòng)力傳到那帶輪上。這樣，帶輪就以一定的速度不停的轉(zhuǎn)，以給臂關(guān)節(jié)通過同步齒型帶傳遞動(dòng)力。 在設(shè)計(jì)臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，我們用兩個(gè)同步齒形帶輪來傳遞動(dòng)力，而帶輪又與軸和機(jī)械式離合器的左半邊相連，這樣，就使軸與左半邊相連的 離合器轉(zhuǎn)動(dòng)。在右半邊為一電磁制動(dòng)器，制動(dòng)器的左半邊與離合器的右半邊相連，而且通過盤與上臂相連。這時(shí)，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，制動(dòng)器吸合，這時(shí)離合器也分開。這樣，上臂就停止在所要求的位置上了。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，由于彈簧力的作用，把制動(dòng)器推開，同時(shí)離合器在彈簧力的作用下自動(dòng)嚙合，手臂恢復(fù)原有的運(yùn)動(dòng)。 注：機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)范圍手其結(jié)構(gòu)的限制，在手臂的運(yùn)動(dòng)到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前，必須使其自動(dòng)停止。機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)械位置是有關(guān)節(jié)處牙嵌離合齒上的突起部分而定。手臂在極限位置自動(dòng)停止，反向運(yùn)行的條件完全是靠離合齒上的凸起部分與滑塊的接觸 實(shí)現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫開和嚙合，對(duì)離合齒上的凸起部分斜面的升角 β≥arctgμν 。只有滿足這個(gè)條件，離合齒上凸起部分的斜面與滑塊在滑動(dòng)時(shí)才不會(huì)發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動(dòng)停止和反向動(dòng)作！ 方案二 此方案在臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與方案一有所不同。這里設(shè)計(jì)成中心軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。改在同步帶輪處裝兩個(gè)軸承。這樣，帶輪可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)影響軸，且把離合器的左半邊加工在帶輪上，這樣，不僅可以縮小空間，而且可以提高強(qiáng)度。其余與方案一相同 。 關(guān)鍵詞 ：機(jī)械手臂；極限位置；嚙合； 4 第一章 前言 . 工業(yè)機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器 人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備 .機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率 :可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) 。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(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用 .機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適 應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 .機(jī)械手的組成和分類 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 21所示。 5 機(jī)械手組成方框圖 :11 (一 )執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu) 。 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(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接 觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式 。指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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。 手腕 : 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢(shì) ) 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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置 .工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 立柱 : 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(yùn)動(dòng)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)均與立柱有密 切的聯(lián)系。機(jī)械手的立 I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 行走機(jī)構(gòu) : 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 機(jī)座 : 6 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上 ，故起支撐和連接的作用。 (二 )驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓 傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)， 并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 (如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 )，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (二