【正文】 簡單的工作總是機械式的重復(fù)操作，時間長了很容易造成工人的極度疲勞或疏忽，很容易造成一些不必要的人身事故。在現(xiàn)在的機械加工中，機械手手的普遍應(yīng)用具有十分重要的意義。、設(shè)計目的本設(shè)計通過對大學(xué)四年所學(xué)的知識進行整合，完成一個通用形式的普通圓棒料搬運的機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。它主要應(yīng)用在中小批量的生產(chǎn)，它可以省去工件運輸工具。機械手之所以更好的結(jié)合機械和自動化技術(shù)，得力于電子計算機的快速發(fā)展，使得機械手的生產(chǎn)與設(shè)計已經(jīng)成為一門新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機械手已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機械加工、自動換刀、流水線上生產(chǎn)及裝配、上下料等。它能在提高生產(chǎn)效率的同時，提高產(chǎn)品質(zhì)量，對改善勞動條件，促進產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著促進作用。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)采用三菱 FX2N一PLC作為核心進行控制。特將其分為若干個模塊，其包括：立柱、基座、手臂、手部、手腕等模塊。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，使數(shù)控機床發(fā)展成為機械加工中普遍應(yīng)用的一種更先進的制造方法叫做加工中心。大多數(shù)加工中心都帶有能夠自動換刀裝置的換刀系統(tǒng)，并按照程序?qū)崿F(xiàn)自動加工。為了滿足不同的使用特性和功能，我們可以通過選擇不同的模塊進行組合。根據(jù)機械手的工作原理制定相應(yīng)的控制方案，實現(xiàn)機械手的精確定位和無級變速。機械手的使用情況，標(biāo)志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。但是大多數(shù)機械手的專用型比較強，莫臺機器上的機械手在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。我們可以把一些高危險、機械式重復(fù)而枯燥的工作交給機械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產(chǎn)效率。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能更好的適用于市場發(fā)展的需求。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。具體概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度機械手的應(yīng)用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換刀以及零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。三、可以減輕人力，讓工作更有秩序比如，機械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機械式重復(fù)的工作，這樣既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。第2章 機械手總體設(shè)計方案、機械手類型、根據(jù)機械手的應(yīng)用范圍分類(l)專用機械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。可以安裝在各種機器上，能獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝與拆卸。但因其運動和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計要求，造成成本過高。(3)球坐標(biāo)式機械手臂 沿X軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動。即小臂可繞大臂上下擺動，同時大臂也可繞機體多角度擺動。擬定機氣動機械手設(shè)計的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機械設(shè)計條件和設(shè)計能力，在滿足機械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟的設(shè)計方案。3．對一定的結(jié)構(gòu)長度，宜采用兩端支持，剛性比較好。二、圓柱坐標(biāo)型1．同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計。5．直線驅(qū)動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差6．手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運動。4．也有工作死區(qū)部分。2．關(guān)節(jié)的密封性比較好。可以將機械手的運動分為主運動和輔助運動。為了彌補立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂的伸縮造成的機械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。有時為了增加機械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運動。且氣爪正對刀庫換刀位置。(2)、豎直下降——小臂升降機構(gòu)下行30mm，使手部夾持機構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位置。(6)、擺動——機械手逆時針擺動，使機械手正對刀架。當(dāng)機械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具從從刀架的一端推向另一端，到此，就將機械手的整個換刀動作完成。為了滿足4個自由度的要求，本機械手采用圓柱坐標(biāo)形式。液壓驅(qū)動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點：(1) 能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。但液壓系統(tǒng)由于產(chǎn)生泄露而造成運動精度不高。(3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。伺服電動機和步進電機因其輸出力矩較小，側(cè)控制性能相對較好，可以對速度和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機器中。定位精度高，可與主機嚴(yán)格同步。機械手伸縮運動的電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)原理圖如圖31所示，1一放大器、2一電氣伺服閥、3一氣缸、4一機械手手臂、5一齒輪齒條機構(gòu)、6一電位器和7一步進電機等元件組成，它組成了一個電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉(zhuǎn)，步進電動機的偏轉(zhuǎn)方向以及角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。由于齒輪和機械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移動時，電位器隨之作順時針方向轉(zhuǎn)動。根據(jù)模擬換刀機械手的動作要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種：(1)直線運動(缸體固定，活塞桿作直線運動)；(2)擺動(缸體固定，活塞桿擺動)。電氣伺服閥是由電機械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動放大器(放大元件)所組成?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動作原理，當(dāng)桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，A腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動閥推向右方，使D腔菌狀閥閥口開大，而C腔的小菌狀提動閥閥口關(guān)閉，這樣，由進氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動活塞桿工作；與此同時，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側(cè)，以下同)，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在Cˊ腔(與右側(cè)C腔相對應(yīng))壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器Dˊ腔的閥關(guān)小，而Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動(即活塞左向移動)：偏差信號為零時，左右側(cè)兩個轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。圖34轉(zhuǎn)換器原理圖、機械手執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。下面分別對各驅(qū)動元件進行計算與選擇，并設(shè)計機械連接件與導(dǎo)向裝置。(4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。小臂升降模塊小臂升降模塊安裝在手臂伸縮模塊上，其作用是將模擬刀具從刀庫插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時 （31）式中：D—氣缸內(nèi)徑(m)—活塞上的推力(或稱工作載荷)(N)p—初選的工作壓力(Pa)，一般為P=?—總機械效率，當(dāng)氣缸動態(tài)性能要求工作顴率高時，取?=～。估定活塞桿直徑d/D=～。其主要尺寸的確定如下：A、缸徑D的計算：取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=，?=，即B、耗氣量計算缸徑D=20mm，行程s=30mm，時間t=，依據(jù)公式(34)，得：C、驗算輸出力設(shè)，當(dāng)P= Mpa時，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際需要的15N緩沖該氣缸終端位置的沖擊能量為：設(shè)，當(dāng)P=，所以安全。對立柱的設(shè)計要求是堅固，剛性好。本機械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。無論哪一種形式，機械手工作時基座應(yīng)給予以固定。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線對擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生傾覆力矩。圖36 基座結(jié)構(gòu)圖第4章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、機械手控制系統(tǒng)PLC的選擇在系統(tǒng)控制器的選擇上可以有多種方案，目前在機電一體化設(shè)計中主要有三種：單片機、工業(yè)控制計算機、可編程控制器（PLC）。易操作性PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不容易發(fā)生操作的錯誤。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。機械手移動刀具通過PLC平控制，可以實現(xiàn)這6個過程全自動依次運行。 ③ 右移完成后，機械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。 ④ 機械手開始向上運動，運動到最上端。 ⑧ 運行到最低位置后，機械手把工件松開，一直到放松限位開關(guān)檢測到信號。正常停車時，要求機械手回到初始位置時才能停車。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)使我受益匪淺。在課題的研究和開發(fā)階段，我得到了機械基礎(chǔ)學(xué)部老師的大力支持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。當(dāng)然，由于本人設(shè)計水平有限、在課程中沒有接觸過機械手的相關(guān)課程，實際經(jīng)驗的不足，以及時間上的限制，在設(shè)計中難免存在一些錯誤。薩思特里著,1998[20][M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1997[21]：華南理工大學(xué)出版社，1991[22]SMC(中國)(第2版).北京：機械工業(yè)出版社，2003[23]：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006[24]熊有倫. ：機械工業(yè)出版社，1993[25] 天津大學(xué)《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1980.[26] 孟繁華. ：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989.[27] 徐灝. 機械設(shè)計手冊第5卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.[28]Shuster M survey of attitude representation [J].A stronauti 1993[29]：江南大學(xué)，2008[30]、分析及控制的研究[D].上海：東華大學(xué)，2006[31] 數(shù)控技術(shù) 李斌 李曦 ：華中科技大學(xué)出版社，2010年4月皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書學(xué)院：機械與電子工程學(xué)院 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名武金鵬學(xué)號2009011644畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：自動換刀機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及PLC控制研究畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容：⒈掌握三菱FX系列PLC的使用與編程；⒉掌握自動換刀機械手工作原理； ⒊設(shè)計基于三菱FX系列PLC的自動換刀機械手控制系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)設(shè)計與相應(yīng)的梯形圖程序設(shè)計）。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可代替人類從事危險、有害、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人類完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。氣動機械手由感知部分、控制部分、主機部分和執(zhí)行部分四個方面組成。近十幾年來，歐洲的德國、意大利、法國及英國的機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。從“七五”科技攻關(guān)及實施 863 計劃開始，經(jīng)過 20 多年的研制和應(yīng)用，目前在工業(yè)機械手的一些機種方面，如噴漆機械手、焊接機械手、搬運機械手、裝配機械手和特種機械手都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機械手的設(shè)計制造技術(shù)和機械手應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計、制造技術(shù)，有了一支具有一定技術(shù)水平的科技團隊。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還可以研制示教型機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。工業(yè)機械手在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè)和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。加工中心在工作過程中，需要使用不同的刀具對零件進行加工，要求自動換刀氣動伺服機械手能夠?qū)崿F(xiàn)對刀庫中的刀具抓取、換位和傳送等功能，并且在傳送過程中能實現(xiàn)無級調(diào)速和任意點定位。課