【正文】 計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。所謂工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多 關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。 機(jī)器人是一種具有人體 上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根 據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。 日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最 多的國(guó)家。 運(yùn)輸機(jī)器人的應(yīng)用簡(jiǎn)況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。法蘭連接或法蘭接頭，是指由法蘭、墊片及螺栓三者相互連接作為一組組合密封結(jié)王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 構(gòu)的可拆連接，管道法蘭系指管道裝置中配管用的法蘭，用在設(shè)備上系指設(shè)備的進(jìn)出口法蘭。 加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 3）臂部手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng) 40mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖 24所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑 1R =20，當(dāng)張開(kāi)060 時(shí)，如圖 24（ b） 所示，最大夾持半徑 2R 計(jì)算如下 [5]： 002 40 ta n 30 20 c os 30 46 m mR ? ? ? ? ? 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 機(jī)械手的夾持半徑從 20— 46mm （ a） (b) 圖 手抓張開(kāi)示意圖 hand grasp open schemes 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 圓柱形螺旋彈簧受軸向壓縮和軸向拉伸載荷時(shí)，彈簧絲的受力情況完全相同，本設(shè)計(jì)使用壓縮彈簧，現(xiàn)就壓縮彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 腕部的設(shè)計(jì) 腕部的設(shè)計(jì)要求 1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。預(yù)緊力的大小可由下式來(lái)確定。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 210。選擇 Y90S4 型電機(jī)，屬于籠型異步電動(dòng)機(jī)。 存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。在這時(shí)期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，可編程邏輯控制器逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng) 治地位的 DCS 系統(tǒng)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 PLC 的特點(diǎn) 1） 可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) PLC 能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等中可靠地工作 ， PLC 的平均無(wú)故障間隔時(shí)間高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均無(wú)故 障時(shí)間間隔長(zhǎng)達(dá) 30 萬(wàn) 小時(shí) ，這是一般微機(jī)所不能比擬的。系統(tǒng)還有 Y0、 YY Y Y4 五個(gè)輸出，其中 Y0 接通機(jī)械手上行， Y1 接通機(jī)械手下行， Y2 接通時(shí)機(jī)器人右行， Y3 接通時(shí)機(jī)械手 左行， Y4 接通時(shí)機(jī)械手夾緊。運(yùn)輸機(jī)器人的 I/O 點(diǎn)數(shù)分別為 20 個(gè)和 5 個(gè)，因此選擇的 I/O 點(diǎn)數(shù)應(yīng)為 25個(gè)。如果此時(shí) M5 為 OFF狀態(tài)， M0 將被復(fù)位，初始部為不活動(dòng)布，進(jìn)入單步、連續(xù)工作方式后按起動(dòng)按鈕也不會(huì)轉(zhuǎn)換到下一步 ，因此禁止了單步、連續(xù)工作方式的運(yùn)行?？删幊炭刂破?PLC 以其豐富的 I/O 接口模塊、高可靠性 ,可以在 運(yùn)輸機(jī)器人 的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到了十分重要的作用。設(shè)計(jì)變量即為零件橫截面尺寸。所以成本為 5600 元。機(jī)械手在最上面且?jiàn)A緊裝置松開(kāi)時(shí)，稱為系統(tǒng)處于原點(diǎn)狀態(tài)或初始狀態(tài)。因此運(yùn)輸機(jī)器人的電源選擇為 AC220V電源， DC24V輸入。 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 圖 31 運(yùn)輸機(jī)器人工作示意圖 Figure 31 transportation robots work schemes 運(yùn)輸機(jī)器人的機(jī)械手設(shè)計(jì)成始終處于加 工后工件上方的直線空間內(nèi)，即機(jī)器人位于限位開(kāi)關(guān)時(shí)，機(jī)械手始終位于工件的正上方，所以機(jī)械手只需具有上下移動(dòng)加緊、放松的功能即可，因此降低了對(duì)機(jī)械手功能的要求。 2） 用于模擬量控制 PLC 通過(guò)模擬量 I/O 模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量控制。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程邏輯控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 3） 活塞桿的計(jì)算校核 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求?；钊麠U采 用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。螺栓危險(xiǎn)刨面的強(qiáng)度條件為 [ ]ca? ? ??? 即 21 []4PQd ?? ? 或 1 4 []PQd ???? 1 4 1 .3 1 2 2 9 3 .53 .1 4 1 6 0d m m????? 取 d=10mm為公稱直徑的普通螺栓。 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。 圖 27 螺栓組受力圖 Fig27 bolt by trying to group 運(yùn)輸機(jī)器人的手爪、工件、手腕可以等效為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，等效質(zhì)量為 10kg，重 F=100N，距離螺栓組的中心的距離為 80mm。 8)疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算?？山瓢聪率焦? 1 bK a??其中 a，重力方向的最大上升加速度；maxva t?響 maxv —— 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 t響 —— 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取 G—— 被抓取工件所受重力 （ N） 。 本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手有 3個(gè)自由度：手抓張合、手臂升降、機(jī)身在 導(dǎo)軌上移動(dòng)。 2） 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。本部分設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。 3）研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。目前，國(guó)際上的機(jī)器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機(jī)器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機(jī)器人，這和中國(guó)的分類是一致的 。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)器 人稱為通用機(jī)器人。 要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部 分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) —— 傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。 機(jī)器人的研究歷史及現(xiàn)狀 機(jī)器人首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。在本章中進(jìn)行了坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 。 下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。手腕有獨(dú)立的自由度。本設(shè)計(jì)由 3大部件（手爪、手臂、機(jī)身）和兩個(gè)液壓缸、一個(gè)雙向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng) ,這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零。 表 21 液壓缸的工作壓力 Table .21 hydraulic cylinder pressure of work 作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力 /Mpa 作用在活塞上外力F/N 液壓缸工作壓力 /Mpa 小于 5000 2021030000 500010000 3000050000 1000020210 50000 以上 計(jì)算 [3]：設(shè) a=40mm,b=20mm, 010 ? 040 。 對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù) 310N? ，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。對(duì)螺栓組進(jìn)行受力分析，機(jī)械手手抓、工件、手 腕的等效重力可以等效為作用在螺栓組中心的一個(gè)豎直向下的力和一個(gè)逆 時(shí)針?lè)较虻牡刃Я亍? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件?；ㄦI軸與升降缸的下端蓋用鍵來(lái)固定，下端蓋與小車的外殼 固定。對(duì)于桿長(zhǎng) L大于直徑d的 15 倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ?24Fd????? （ 218） 設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故 ??? 100 120Mpa? ，活塞直徑 d=50mm ,現(xiàn)在進(jìn)行校核。 為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型可編程邏輯控制器還采用雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 3）用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制 現(xiàn)代 PLC 具有很強(qiáng) 的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制 （ NC） 及計(jì)算機(jī)控制 （ CNC） 緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。機(jī)械手的夾緊放松由直線型液壓缸和機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并有雙向電磁閥控制。 綜上所述，由于在 PLC 行業(yè)中中三菱公司的 FX系列吸收了整體式和模塊式 PLC 的優(yōu)點(diǎn) ,體積小，外部結(jié)構(gòu)美觀以及靈活多變的系統(tǒng)配置，功能強(qiáng)，使用方便，因此選擇三菱王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34 FX 系列 PLC 作為運(yùn)輸機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng) [10]。 圖 33 PLC 外部接線圖 Figure 33PLC external hookup 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36 圖 34 控制面板 Figure 34 control panel 1）公用程序 [11] 公用程序（如圖 35）用于自動(dòng)程序和手動(dòng)程序相互切換的處理。一臺(tái)運(yùn)輸機(jī)器人成本為5600 元，一臺(tái)運(yùn)輸機(jī)器人能代替一個(gè)人進(jìn)行工作，一個(gè)工人月工資以 2021 元計(jì)算，一年工資為 24000 元，一臺(tái)機(jī)器人用 2 年，因此每年能節(jié)省 21200 元。另用最關(guān)鍵。使用該 運(yùn)輸機(jī)器人 代替人工搬運(yùn)工件，既安全，又準(zhǔn)確，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證了工件的質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)運(yùn)輸機(jī)器人處于原點(diǎn)狀態(tài)，在開(kāi)始執(zhí)行用戶程序、系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)或回原點(diǎn)狀態(tài)，初始對(duì)應(yīng)的 M0 將被置位，為進(jìn)入單步、連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。并且可選用不同的子系列，避免了功能的浪費(fèi)，用最少的投資來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。小車在導(dǎo)軌的移動(dòng)由雙向電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，由兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制正反轉(zhuǎn)。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是可編程邏輯控制器發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30~40%。 3） 存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 電動(dòng)機(jī)的選擇 機(jī)身部使用了 1 個(gè)電機(jī)，該電動(dòng)機(jī)通過(guò)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人在導(dǎo)軌上雙向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多 ，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。 由于螺栓材料是塑性材料，且受拉伸與扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，故可按第四強(qiáng)度理論來(lái)確定螺栓螺紋部分的應(yīng)力計(jì)算，即 2 2 2 23 3 ( 0 .5 ) 1 .3c a T? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 211） 本設(shè)計(jì)螺栓為只受預(yù)緊力的緊螺栓連接，這種螺栓連接不受軸向工作載荷，只受預(yù)緊力的作用。計(jì)算公式： maxcaSSS???? （ 27） sS選取 （力學(xué)性精確能高） max 38KD Fd? ?? （ 28） max 38KD Fd? ??=228 8 1 .2 5 3 2 5 6= = 3 8 8d 3 .1 4 4K F C m p a? ? ? ?? 66m a x 8 0 0 1 0 2 .0 63 8 8 1 0ca sSS ?? ?? ? ??