【文章內(nèi)容簡介】 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。前面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機械手有四個自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運動。對手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運動精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點是驅(qū)動力的計算。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。對于直線運動氣缸的缸徑，可按載荷/安全系數(shù)選取。氣缸活塞桿的穩(wěn)定性與工作壓力、安裝形式、最大行程有關(guān)，即使氣缸不受橫向載荷也需要加上導(dǎo)向裝置，保證氣缸按正確方向運行。(1)氣缸內(nèi)徑的確定由作用在活塞桿上的工作載荷和初選的工作壓力，利用下述公式可計算出缸徑D。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?=～。速度低時取大值，速度高時取小值。氣缸動態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時，～。當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時 （32）式中：F2—活塞桿的拉力(N)；d—根據(jù)拉力預(yù)先估定的活塞桿直徑。估定活塞桿直徑d/D=～。把d/D=～ （33）將式(31)與式(33)相比，D取大值，(2)氣缸耗氣量氣缸耗氣量與氣缸直徑D、行程S、缸的動作時間和換向閥到氣缸管道的容積有關(guān)。忽略氣缸管道容積時，則氣缸的單位時間壓縮空氣消耗量按下式計算 （34）式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(）、—氣缸無、有活塞桿端進氣時壓縮空氣消耗量（）D、d—缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m)—氣缸活塞桿伸出與縮回時所需時間(s)S—氣缸的行程(m)。(3)小臂升降氣缸計算根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸運動過程的要求，氣缸收縮時承受的外力F≤15N，行程為30mm。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，均遠遠大于實際需要的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。根據(jù)氣缸的運動要求，設(shè)：氣缸收縮時承受的外力F≤15N(慣性負載較大)，行程為70mm。其主要尺寸的確定如下：（1)缸徑D的計算取d/D=，依據(jù)公式(33)，取P=，?=，即(2)耗氣量計算水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時間t=，依據(jù)公式(34)，得：立柱升降模塊立柱是安裝在與基座連接的轉(zhuǎn)臺之上，用以支撐手臂并帶動它升降和移動的機構(gòu)。對立柱的設(shè)計要求是堅固，剛性好。根據(jù)換刀機械手立柱升降氣缸的運動要求，氣缸收縮時承受的外力F≤60N，行程為100mm。其主要尺寸的確定如下：(1)缸徑D的計算取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=, ?=，即2)耗氣量計算缸徑D=16mm，行程S=100mm，t=，依據(jù)公式(34)，得：手臂的回轉(zhuǎn)模塊擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機械手的手臂動作等。擺動氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機械手臂采用齒輪齒條式擺動氣缸。表31 擺動氣缸的比較品種體積質(zhì)量改變擺動角的方法設(shè)置緩沖裝置輸出力矩泄露擺動角度范圍最低使用壓力擺動速度用于中途停止?fàn)顟B(tài)齒輪齒條式較大較大改變內(nèi)部或外部擋塊位置容易較大很小可較寬較小可以低速可適當(dāng)時間使用葉片式較小較小調(diào)節(jié)止動塊的位置內(nèi)部設(shè)置困難較小微漏較窄較大不宜低速不宜長時間使用、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計基座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于基座上，是支撐機械手全部重量的構(gòu)件。對其結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀?；Y(jié)構(gòu)從形式上可分為落地式和懸掛式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時基座應(yīng)給予以固定。根據(jù)總體設(shè)計中換刀機械手的設(shè)計要求，本機械手的基座采用落地固定式。換刀機械手立柱模塊需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸則應(yīng)固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構(gòu)直接安裝到擺動氣缸輸出軸上，機構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，容易造成擺動氣缸的損壞。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。所以采用一個連接組件，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔(dān)。該連接組件主要由四個部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩，如圖36所示，采用雙向推力球軸承可以方便地將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用扣罩固定在底座上。另外，推力軸承要選擇公稱尺寸相對較大一些的，這樣可以更好地承受傾覆力矩。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）。隨著計算機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC 控制有以下優(yōu)點：可靠性高PLC不需要大量的活動元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短，采用了一系列可靠性設(shè)計的方法進行設(shè)計，如：冗余的設(shè)計、斷電保護、故障診斷和信息保護及恢復(fù)等。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。PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。靈活性PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程簡單、應(yīng)用而拓展。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變量十分容易。經(jīng)過各方面分析比較，本課題采用三菱FX2N系列PLC作為控制器，并配有相應(yīng)的控制模塊，來實現(xiàn)整個機械手的控制功能。、機械手的PLC控制系統(tǒng)限位開關(guān)的布局示意圖圖41 限位開關(guān)的布局示意圖、機械手自動換刀系統(tǒng)的工作流程如下圖所示單個工作流程示意圖：圖42 自動控制原理圖機械手移動刀具的單個工作流程由復(fù)位到初始位置、將機械手移動到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動到目標(biāo)位置、放下刀具和移動到初始位置6個過程組成。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。、機械手自動換刀系統(tǒng)的原理該控制系統(tǒng)的基本控制原理如下：(1)按下啟動按鈕，系統(tǒng)進行自檢查機械是否在初始位置，不是的話先進行復(fù)位工作，然后進行正式工作。(2)復(fù)位工作控制原理如下： ① 機械手首先上移，直到運動到最上端。 ② 上移后，機械手開始右移。 ③ 右移完成后，機械手開始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。(3)正式工作控制原理如下： ① 機械手開始左移，一直運動到最左端。 ② 運行到最左端后，機械手開始向下運動。 ③ 到達最下端后，機械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時間由定時器控制。 ④ 機械手開始向上運動，運動到最上端。 ⑤上移后，機械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機械手開始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號。 ⑦ 右轉(zhuǎn)完成后，機械手下移。 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。 ⑨ 工件松開后，機械手開始向上運動。 ⑩ 到達最上端后，機械手開始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測到信號，此時機械手已加到初始位置。(4) 該系統(tǒng)進行自動連續(xù)循環(huán)工作。正常停車時，要求機械手回到初始位置時才能停車。急停時，切斷所有電源，系統(tǒng)停止運行。重新啟動后，由于急停時機械手位置的不確定性，要進行復(fù)位工作。、PLC的硬件I/O接口原理圖圖43 三菱FX2N PLC接口電路圖、自動換刀系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計、編程軟件采用三菱公司編程軟件FXGP/WINC,其界面如下所示圖44 編程軟件界面圖、PLC的控制流程圖圖45 自動控制流程框圖、梯形圖圖46 梯形圖、指令表圖47 指令表致謝本次設(shè)計是在我尊敬的指導(dǎo)老師翁志剛老師悉心指導(dǎo)下完成的。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。在此，我首先向指導(dǎo)老師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)期間所學(xué)知識的綜合運用，通過這次設(shè)計把所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個總結(jié)和回顧，加深了對理論的理解，能夠掌握機械設(shè)計的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。在設(shè)計過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括機械零件、材料力學(xué)、液壓控制、幾何量公差與測量、機械制圖、機械手設(shè)計基礎(chǔ)等等，尤其是在從對各類設(shè)計手冊的查閱中，我的知識面得到了很大的提高；通過對該課題的獨立設(shè)計，使我對機械知識有了一個更加深入的了解，對機械這門學(xué)科有了進一步的理解。也使我獨立設(shè)計的能里有了極大的提高。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。在本次畢業(yè)設(shè)計中，機械基礎(chǔ)學(xué)部的各位老師，翁老師，以及全體同學(xué)給與我很大支持和幫助，在此我向他們以及多年來為我的成長付出辛勤勞動的老師們和同學(xué)們表示衷心的感謝。在設(shè)計過程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同事、同學(xué)進行討論，解決難題。感謝父母 、家人對我的教育，感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時感謝我校的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境是我避免了很多的彎路。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。懇請老師給予以批評以及指正。再次表示感謝！參 考 文 獻[1]液壓與氣壓傳動/劉延俊 主編 ―：機械工業(yè)出版社,[2]電氣控制與可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)/郁漢琪主編 ―2版 一南京：東南大學(xué)出版社，[3]陸祥生，：中國鐵道出版社，1985[4]機電傳動與控制(第三版)/程憲平 主編 一武漢：華中科技大學(xué)出版社，[5]機械原理/孫恒，陳作模，葛文杰 主編；西北工業(yè)大學(xué) ：高等教育出版社，[6]機械設(shè)計（第八版）/濮良貴、紀(jì)名剛主編