【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。前面已經(jīng)敘述了，按照抓取工件的要求，本機(jī)械手有四個(gè)自由度，即手臂的伸縮、小臂的升降、立柱的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。對(duì)手臂結(jié)構(gòu)的要求：一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊；二是要有足夠的剛度，以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度。手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(duì)于直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)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(jì)算出缸徑D。當(dāng)活塞桿輸出推力克服載荷做功時(shí) （31）式中：D—?dú)飧變?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(jī)械效率，當(dāng)氣缸動(dòng)態(tài)性能要求工作顴率高時(shí)，取?=～。速度低時(shí)取大值，速度高時(shí)取小值。氣缸動(dòng)態(tài)性能要求一般，工作頻率較低時(shí)，～。當(dāng)活塞桿輸出拉力克服載荷做功時(shí) （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(dòng)作時(shí)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(shí)，則氣缸的單位時(shí)間壓縮空氣消耗量按下式計(jì)算 （34）式中：Q—每秒鐘壓縮空氣消耗量(）、—?dú)飧谉o、有活塞桿端進(jìn)氣時(shí)壓縮空氣消耗量（）D、d—缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑(m)—?dú)飧谆钊麠U伸出與縮回時(shí)所需時(shí)間(s)S—?dú)飧椎男谐?m)。(3)小臂升降氣缸計(jì)算根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸運(yùn)動(dòng)過程的要求，氣缸收縮時(shí)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(jì)算：取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=，?=，即B、耗氣量計(jì)算缸徑D=20mm，行程s=30mm，時(shí)間t=，依據(jù)公式(34)，得：C、驗(yàn)算輸出力設(shè)，當(dāng)P= Mpa時(shí)，該氣缸的推力為102N，而拉力為80N，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)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(yùn)動(dòng)要求，設(shè)：氣缸收縮時(shí)承受的外力F≤15N(慣性負(fù)載較大)，行程為70mm。其主要尺寸的確定如下：（1)缸徑D的計(jì)算取d/D=，依據(jù)公式(33)，取P=，?=，即(2)耗氣量計(jì)算水平缸缸徑D=32mm，行程S=70mm。時(shí)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(tái)之上，用以支撐手臂并帶動(dòng)它升降和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。對(duì)立柱的設(shè)計(jì)要求是堅(jiān)固，剛性好。根據(jù)換刀機(jī)械手立柱升降氣缸的運(yùn)動(dòng)要求，氣缸收縮時(shí)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(jì)算取d/D=，依據(jù)公式(33)取P=, ?=，即2)耗氣量計(jì)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(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)執(zhí)行元件，用于物體的轉(zhuǎn)位、夾緊、閥門的開閉以及機(jī)械手的手臂動(dòng)作等。擺動(dòng)氣缸有齒輪齒條式和葉片式兩大類。本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸。表31 擺動(dòng)氣缸的比較品種體積質(zhì)量改變擺動(dòng)角的方法設(shè)置緩沖裝置輸出力矩泄露擺動(dòng)角度范圍最低使用壓力擺動(dòng)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(shí)間使用葉片式較小較小調(diào)節(jié)止動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間使用、基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基座是機(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)均安裝于基座上，是支撐機(jī)械手全部重量的構(gòu)件。對(duì)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(dòng)式和行走式。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)基座應(yīng)給予以固定。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手的基座采用落地固定式。換刀機(jī)械手立柱模塊需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)模塊，擺動(dòng)氣缸則應(yīng)固定在基座上。如果水平缸、垂直缸和手部機(jī)構(gòu)直接安裝到擺動(dòng)氣缸輸出軸上，機(jī)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但擺動(dòng)氣缸的軸向受力增大，對(duì)氣缸的自身要求較高，容易造成擺動(dòng)氣缸的損壞。同時(shí)，機(jī)械手本身重心偏離立柱軸線對(duì)擺動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生傾覆力矩。所以采用一個(gè)連接組件，將機(jī)械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機(jī)架來承擔(dān)。該連接組件主要由四個(gè)部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)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(duì)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(jì)、機(jī)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)中主要有三種：?jiǎn)纹瑱C(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）。隨著計(jì)算機(jī)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(diǎn)：可靠性高PLC不需要大量的活動(dòng)元件和連接電子元件，它的連線大大減少。與此同時(shí)，系統(tǒng)的維修簡(jiǎn)單，維修時(shí)間短，采用了一系列可靠性設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：冗余的設(shè)計(jì)、斷電保護(hù)、故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等。易操作性PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易等特點(diǎn)，一般不容易發(fā)生操作的錯(cuò)誤。PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計(jì)的控制裝置，它具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡(jiǎn)化的編程語言，編程出錯(cuò)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的控制功能。、機(jī)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(jī)械手自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作流程如下圖所示單個(gè)工作流程示意圖：圖42 自動(dòng)控制原理圖機(jī)械手移動(dòng)刀具的單個(gè)工作流程由復(fù)位到初始位置、將機(jī)械手移動(dòng)到刀庫處、夾緊刀具、將刀具移動(dòng)到目標(biāo)位置、放下刀具和移動(dòng)到初始位置6個(gè)過程組成。機(jī)械手移動(dòng)刀具通過PLC平控制，可以實(shí)現(xiàn)這6個(gè)過程全自動(dòng)依次運(yùn)行。、機(jī)械手自動(dòng)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(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行自檢查機(jī)械是否在初始位置，不是的話先進(jìn)行復(fù)位工作，然后進(jìn)行正式工作。(2)復(fù)位工作控制原理如下： ① 機(jī)械手首先上移，直到運(yùn)動(dòng)到最上端。 ② 上移后，機(jī)械手開始右移。 ③ 右移完成后，機(jī)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(jī)械手開始左移，一直運(yùn)動(dòng)到最左端。 ② 運(yùn)行到最左端后，機(jī)械手開始向下運(yùn)動(dòng)。 ③ 到達(dá)最下端后，機(jī)械手開始夾緊工件，一直到把工件夾緊為止，時(shí)間由定時(shí)器控制。 ④ 機(jī)械手開始向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最上端。 ⑤上移后，機(jī)械手開始右移。 ⑥ 右移完成后，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)。 ⑦ 右轉(zhuǎn)完成后，機(jī)械手下移。 ⑧ 運(yùn)行到最低位置后，機(jī)械手把工件松開，一直到放松限位開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)。 ⑨ 工件松開后，機(jī)械手開始向上運(yùn)動(dòng)。 ⑩ 到達(dá)最上端后，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，此時(shí)機(jī)械手已加到初始位置。(4) 該系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)循環(huán)工作。正常停車時(shí)，要求機(jī)械手回到初始位置時(shí)才能停車。急停時(shí)，切斷所有電源，系統(tǒng)停止運(yùn)行。重新啟動(dòng)后，由于急停時(shí)機(jī)械手位置的不確定性，要進(jìn)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(dòng)換刀系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)、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(dòng)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(jì)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(chéng)摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，通過這次設(shè)計(jì)把所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個(gè)總結(jié)和回顧，加深了對(duì)理論的理解，能夠掌握機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)械零件、材料力學(xué)、液壓控制、幾何量公差與測(cè)量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等等，尤其是在從對(duì)各類設(shè)計(jì)手冊(cè)的查閱中，我的知識(shí)面得到了很大的提高；通過對(duì)該課題的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)械知識(shí)有了一個(gè)更加深入的了解，對(duì)機(jī)械這門學(xué)科有了進(jìn)一步的理解。也使我獨(dú)立設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)中，機(jī)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(zhǎng)付出辛勤勞動(dòng)的老師們和同學(xué)們表示衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同事、同學(xué)進(jìn)行討論，解決難題。感謝父母 、家人對(duì)我的教育，感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時(shí)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(jì)水平有限、在課程中沒有接觸過機(jī)械手的相關(guān)課程，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不足，以及時(shí)間上的限制，在設(shè)計(jì)中難免存在一些錯(cuò)誤。懇請(qǐng)老師給予以批評(píng)以及指正。再次表示感謝！參 考 文 獻(xiàn)[1]液壓與氣壓傳動(dòng)/劉延俊 主編 ―：機(jī)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(guó)鐵道出版社，1985[4]機(jī)電傳動(dòng)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(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）/濮良貴、紀(jì)名剛主編