【文章內(nèi)容簡介】 污染。(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，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，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮。 課題的主要任務本課題將要完成的主要任務如下:(1) 進行氣動機械手的總體研究，并進行整體運動方式設計；(2) 設計氣動機械手氣路設計，進行關鍵部件的設計計算；(3) 用PLC對機械手控制的總體設計；2 機械手的設計方案 對氣動機械手的基本要求是能快速、準確地拾放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件。明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求。盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉換和編程控制. 機械手的坐標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱坐標型式。相應的機械手具有四個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度圖21A 機械手的運動示意圖圖21B 機械手的運動示意圖 機械手的手部結構方案設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部。當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。 機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現(xiàn)手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有四個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。 機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用氣壓傳動方式。 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 機械手的主要參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為1公斤。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。最大回轉速度設計為 。平均回轉速度為 。s/90? s/60? 機械手的技術參數(shù)列表一、用途:用于自動輸送線的上下料。二、設計技術參數(shù):抓重1千克 自由度數(shù)4個自由度坐標型式圓柱坐標手臂運動參數(shù)伸縮行程100mm伸縮速度40mm/s升降行程150mm升降速度100mm/s回轉范圍 ??180?回轉速度 s/9?手腕運動參數(shù)回轉范圍 ??180?回轉速度 s/9?手指夾持范圍棒料: 248。10248。40 定位方式行程開關定位精度 m1?1驅(qū)動方式氣壓傳動1控制方式點位程序控制(采用PLC) 前法蘭式氣缸的簡介圖22 前法蘭氣缸氣缸是使機械裝置進行直線往復運動的氣動執(zhí)行元件。氣缸的類型有很多種，根據(jù)使用的需要進行選擇。前法蘭式氣缸的特點：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點是螺釘所承受的軸向力較大！3 手臂伸縮、回轉氣缸的尺寸設計與校核 手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核根據(jù)實驗設計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 63/63.? 在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 =63mm,半徑R=用要求即可,設計使用壓強 ,? 則驅(qū)動力： 2RF??)(12460315..02N??測定手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和為7kg,設計加速度 ，則慣性力)/(sma?mF1=107=70考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù) ,?k1m=70=14 總受力?mF??10? 所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求活塞桿的計算按強度條件計算 當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件計算活塞桿直徑d 式中 氣缸的推力（N）； 活塞桿材料的許用應力(Pa), 材料的抗拉強度（ Pa）； 安全系數(shù)，S≥。按縱向彎曲極限力計算 氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力 以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關。當長細比 時 當長細比 時 式中 活塞桿計算長度（m） 活塞桿橫截面回轉半徑， 實心桿 空心桿 活塞桿橫截面慣性矩， 實心桿 空心桿 空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）； 活塞桿截面積 實心桿 空心桿 系數(shù)， 材料彈性模量，對鋼取 材料強度實驗值，對鋼取 系數(shù)，對鋼取a=1/5000 平衡裝置在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 手腕回轉氣缸的尺寸設計與校核 尺寸設計此部分選用單片葉片式擺動氣馬達需設計其葉片內(nèi)直徑與葉片軸直徑計算公式如下： T=（R178。r178。）bpn/8葉片寬度設計為b=9mm,氣缸內(nèi)徑為D1=53mm, 軸徑D2=13mm, ,葉片數(shù)n=1,?則理論驅(qū)動力矩 ：T=（D1178。D2178。）bpn/8= 尺寸校核測定參與手臂轉動的部件的質(zhì)量m1=2kg,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑r=53mm的圓盤上，那么轉動慣量： 21rmJ?=2=（ ）???慣=(180/1)= 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定摩擦系數(shù) ,?k慣摩 M.== 總驅(qū)動力矩 摩慣驅(qū) ??=+= TM 設計尺寸滿足使用要求。?4 氣動系統(tǒng)設計4．1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖圖41為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。 機械手氣壓傳動原理圖表41表42各執(zhí)行機構調(diào)速。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構簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應來確定的。 5 機械手的 PLC 控制設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 可編程序控器的簡介在 60年 代 ， 汽 車 生 產(chǎn) 流 水 線 的 自 動 控 制 系 統(tǒng) 基 本 上 都 是 由 繼 電 器 控 制 裝 置 構成 的 。 當 時 汽 車 的 每 一 次 改 型 都 直 接 導 致 繼 電 器 控 制 裝 置 的 重 新 設 計 和 安 裝 。 隨著 生 產(chǎn) 的 發(fā) 展 ， 汽 車 型 號 更 新 的 周 期 愈 來 愈 短 ， 這 樣 ， 繼 電 器 控 制 裝 置 就 需 要 經(jīng)常 地 重 新 設 計 和 安 裝 ， 十 分 費 時 ， 費 工 ， 費 料 ， 甚 至 阻 礙 了 更 新 周 期 的 縮 短 。 為了 改 變 這 一 現(xiàn) 狀 ， 美 國 通 用 汽 車 公 司 在 1969年 公 開 招 標 ， 要 求 用 新 的 控 制 裝 置 取代 繼 電 器 控 制 裝 置 ， 并 提 出 了 十 項 招 標 指 標 ， 即1. 編 程 方 便 ， 現(xiàn) 場 可 修 改 程 序 ； 2. 維 修 方 便 ， 采 用 模 塊 化 結 構 ；3. 可 靠 性 高 于 繼 電 器 控 制 裝 置 ； 4. 體 積 小 于 繼 電 器 控 制 裝 置 ；5. 數(shù) 據(jù) 可 直 接 送 入 管 理 計 算 機 ； 6. 成 本 可 與 繼 電 器 控 制 裝 置 競 爭 ；7. 輸 入 可 以 是 交 流 115V； 8. 輸 出 為 交 流 115V， 2A 以 上 ， 能 直 接 驅(qū) 動 電 磁 閥 ， 接 觸 器 等 ；9. 在 擴 展 時 ， 原 系 統(tǒng) 只 要 很 小 變 更 ；10. 用