【正文】 系統(tǒng)工作原理圖和 PLC 控制器的控制程序。 本文 首先 介紹了工業(yè)機械 手的概念 以 及國內(nèi)外的發(fā)展狀況 ， 然后描述了 機械手的組成和分類，機械手的自由度和坐標形式， 并進行了 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與校核， 最后闡述了機械手的 氣動技術(shù) 與 繼電器控制。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)論文（設(shè)計 ）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學(xué)院或其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 該機械手是用于多工位 沖床 上加工零件，用機械手向 沖床 自動上 、下 料，并實現(xiàn) 半成品零件在七個工位之間的轉(zhuǎn)換。 此種方式的機械手 可以使不同工位進行同時加工，從而提高了勞動效率，而且也提高了生產(chǎn)精度，還降低了人員需求數(shù)量，從而減輕了勞動強度，并保證了勞動安全。 在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中 ， 機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中， 而工業(yè)機器人的高速研制更是促進了機械手的發(fā)展， 使得機械手能更好 的 實現(xiàn) 機械化 與 自動化的有機結(jié)合 。 2． 工業(yè)機械手的應(yīng)用與 意義 機械工業(yè)中， 機械手在鑄 、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實 例， 尤其 是在自動化數(shù)控機床、 組合機床上使用更為普遍 ，在 其他部門 如輕工業(yè)、 建筑業(yè)、國防工業(yè)等 也均有所應(yīng)用。 綜上所述，在機械工業(yè)中 應(yīng)用機械手的意義可以概括如下： (1)提高生產(chǎn)過程中的自動 化程度 。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –2– 由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 目前我國的工業(yè)機械手技術(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) 將直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平，從經(jīng)濟與技術(shù)方面考慮都十分必要。 圖 機械手 的 組成方框圖 (1)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)。手指是與物件直接接觸的部 件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。傳力機構(gòu) 通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)，其 型式較多 ，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。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等 )與驅(qū)動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 行走機構(gòu) 大體可分為滾輪式與 軌道 式兩種 ， 而滾輪式亦 分 有軌和無軌兩種。常用的 驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、 電動機驅(qū)動 和機械驅(qū)動 。 (4)位置檢測裝置 位置檢測裝置的作用為 控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置， 隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。它具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量自動化生產(chǎn)，如自動機床的上、下料機械手。 (2)按驅(qū)動方式分，機械手可分為液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、機械傳動機械手和電力傳動機械手。 氣壓傳動機械手是以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。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，缺點是結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。此類機械手目前還不多，但很有發(fā)展前途。目前大多數(shù)的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。 （三） 工業(yè)機械手的 發(fā)展 1． 工業(yè) 機械手的發(fā)展 歷 史 機械手是在早期就有的古機關(guān) 人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，我國古代的機關(guān)人制造者是最多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –5– 早研究有關(guān)機械手、關(guān)節(jié)活動等問題的 。 1962 年，美國 聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手， 商名為 Unimate（即萬能自動）。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 近 六十 年 發(fā)展起來的 機械手 ，大致經(jīng)歷了三個時代。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。 (2)模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料的出現(xiàn)， 用構(gòu)造特殊、 自潤滑材料制造的無潤滑元件 組成的機械手 ，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。此種機械 手的 研究重點是 視覺功能和觸覺功能， 目前已經(jīng)取得一定成績。工作時機 械手首先伸出手指尋找工件 ，通過 安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件， 手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小 的目的 。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機械手有可能達到很高的位置精度（ um 級）。 2． 圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單， 成本較低，但精度不 是很高。此種機械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。 圖 機械手的運動示意圖 （二）機械手手部結(jié)構(gòu) 總體 方案設(shè)計 1． 機械手 的 手爪結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 目前，國內(nèi)外機械手的手部結(jié)構(gòu)通常有 5種，分別為 楔塊杠桿式手爪 、 滑槽式手爪 、連桿杠桿式手爪 、 齒輪齒條式手爪 和 平行杠桿式手爪 。 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –9– (3)連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放 松）運動，由于杠桿的力放大作用 ， 手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力， 通常與彈簧聯(lián)合使用。 2． 機械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 機械手的手腕結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則： (1)機械手手腕的自由度 ，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。 (2)機械手腕部安裝在機械手手臂的末端，在設(shè)計機械手手腕時，應(yīng) 盡量 減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。 (4)機械手的手腕機構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。機械手手腕是機械手 操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現(xiàn) 安裝在手腕上 末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 (2)機械手手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機械手工作空間的要求。 機械手在高強度 輕質(zhì)材料 的選擇上，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂。 (4)機械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能 小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。 (6)機械手手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān) ， 具有一定緩沖能力的機械限位塊，驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)及其它元件的安裝。 手爪的結(jié)構(gòu) 如圖 ： 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –11– 圖 機械手手爪結(jié)構(gòu)圖 4． 機械手驅(qū)動方案的 選擇 工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源 可分為液壓、電動和氣動三大類， 根據(jù)需要也可將 這三種基 本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 油溫變化時，液體粘度變化，引起運動特性變化。 (2)電動驅(qū)動系統(tǒng) 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –12– 電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器） 而 在機械手中被大量 采用。 (3)氣動驅(qū)動系統(tǒng) 氣動驅(qū)動系統(tǒng) 適用于中、小負荷的機械手 ，它有如下優(yōu)點： 介質(zhì)提取和處理方便。 外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。 能源可儲存。 成本低廉。 因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難 (尤其在高速情況下 ) [2]。一般情況下： 物料搬運（包括上下料）使用 有限點位控制的程序控制機械手，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。點焊、弧焊機械手多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。這類機械手多是圓柱坐標型 、 直角坐標型或二者的組合型結(jié)構(gòu)； 35 個自由度；負荷在 200N 以下；速度 3001000mm/s；重復(fù)定位精度為 ? 。 (1)氣源 由 壓縮空氣站提供。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源 供氣 ，氣動三聯(lián)件 是必備的。直線氣缸分單動式和雙動式兩類，除個別用單動式氣缸外（如手爪機構(gòu)上用的），多數(shù)采用雙動氣缸。 為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環(huán)。氣缸活塞的 允 許運動速度 達 ，如果以 1m/s 的速度計算，電磁氣閥以較大關(guān)閉時間 70ms 計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為 70mm， 兩個停點的步長應(yīng)大于這個數(shù)值。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應(yīng)式氣缸，其限位開關(guān)是無接觸接近開關(guān)，這種 開關(guān)的反映時間小于 20ms，在機械手中應(yīng)用比較理 想。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中 采 用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 (3)活塞推桿平衡 機構(gòu) 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –15– 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。 使用氣緩沖氣缸的大都是 小缸徑長行程氣缸，沒有緩沖閥 ， 在端蓋上開有很小 的橫節(jié)流孔。 (3)直接利用氣缸作為緩沖元件 直接利用氣缸作為緩沖元件，對氣缸和活塞造成很大的損耗，所以不適用運動件質(zhì)量大、運動速度高的機械手 。 液 壓緩沖器 的 主要結(jié)構(gòu)為 ： 本體、軸心、軸承、內(nèi)管、活塞、液壓軸、彈簧等組成 。 綜上所述，本設(shè)計采用液壓緩沖器作為機械手的緩沖機構(gòu)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低 會限制 它的使用范圍。過大的運動行程，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。 ， 驅(qū)動方式為氣壓驅(qū)動， 控制方式為繼 電器控制。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指 ， 同理，當(dāng)二 支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型 [10]。 (2)手指間應(yīng)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。例如圓柱形工件采用帶“ V”形面的手指，以便自動定心。 2． 氣缸 直徑 的計算 本氣缸屬于單向作用氣缸。 CTA系 列 氣缸具體結(jié)構(gòu)見圖 . 圖 氣缸結(jié)構(gòu)圖 2． 手臂伸縮氣缸的尺寸校核 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 1D =63mm,半徑 R=求即可 ,設(shè)計使用壓強 MPaP ? 。 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –27– 五 、機械手的定位與平穩(wěn)性 （一） 常用的定位方式 機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊。 ，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關(guān) 。 3． 精度 機械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。 （三）機械手運動的緩沖裝置 緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外 緩沖兩種形式。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。 在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。對于重載低速機械手， amax 取 5m/s2 以下，對于輕載高速機械手， amax取 5～ 10 m/s2。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小 [21]。 凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速 ， 這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單 ，效果好， 如手臂伸縮氣缸在 附 近氣缸處 安裝兩個快速排氣閥，可加快起動速度 ，也可調(diào)節(jié)全程 速度。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。 當(dāng)活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)。 6． 驅(qū)動源 多工位沖床專用機械手及送料機構(gòu) 設(shè)計 –28– 液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復(fù)定位精度。 5． 運動件的重量 運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。 若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復(fù)精度。 （ 二 ）手臂 升降 氣缸的尺寸設(shè)計與校核 1． 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計 氣缸運行長度設(shè)計為 l =118mm,氣缸內(nèi)徑為 1D =110mm,半徑 R=55mm,氣缸運行 加速度時間 t? =,壓強 p= 2． 手臂升降氣缸的尺寸校核 驅(qū)動力： ``20 RpG ?? 26 ???? N3799? 測定手腕質(zhì)量為 80kg,則重力： mgG? N8001080? ?? 設(shè)計加速度 2/5 sma? ，則慣性力 maG?1 N400580? ?? 考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定 摩擦系數(shù)