【正文】 圓柱體，設(shè)長為 600mm,R 為 130mm,估似重量為 30kg。 手臂的轉(zhuǎn)動慣量： 221= 3 + L )12J m R臂 （ (58) 2 2 21= 3 1 . 3 + 0 . 6 ) 1 3 . 612J k g m? ? ? ?臂 30 （ 將上半機(jī)身看似一個半徑為 120mm 的圓柱，重量為 30KG，由于其轉(zhuǎn)動中心與電機(jī)的轉(zhuǎn)動中心同軸。 機(jī)身的轉(zhuǎn)動慣量： 21=2J MR身 (59) 221= 30 2 = Jm??身 32 有以上結(jié)果得出 ： 2+= + + = 32 .1 16 kg mJ J J J ?手 工總 身臂 根據(jù)總的轉(zhuǎn)動慣量可以計算出轉(zhuǎn)矩 ==twM J J? ??慣 總 (510) 在式 510 中： w? 回轉(zhuǎn)氣動過程中的角速度， t? 啟動過程的時間 ， 設(shè)置啟動角度為 w=18176。， 則啟動角速度 w? =,啟動時間設(shè)計為 = = 32. 116t = MwMJ ? ?? ?慣 又有功率的計算公式： w=9550TnP ? (511) 根據(jù)任務(wù)要求機(jī)械手轉(zhuǎn)速為 90176。 /s，轉(zhuǎn)換的 得w= 1 0 0 .8 4 1 1 .6 6 0 .1 2 2 k w9550P ? ? 根據(jù)對于同步轉(zhuǎn)速的比較以及電機(jī)重量價格方面綜上選擇電機(jī)型號為 Y90s6。 其他主要零件的選用 軸承 是在機(jī)械傳動過程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件 。在機(jī)械手基座的回轉(zhuǎn)中，軸承起到了支承和回轉(zhuǎn)支持的作用。在機(jī)械手中軸承的選擇即顯得尤為重要。 在內(nèi)圈的軸承中我選用了推力球軸承，如圖 53 中 6 所示。可承受較大的軸向力載荷 ，很符合我的設(shè)計要求。 (1) 軸承型號的確定 根據(jù)工作要求，選用兩對型號為 51420 的推力球球軸承 (2) 軸承的校核 考慮到支架等的影響，假設(shè)軸承徑向載荷 Fa=50N，軸向載荷 Fa=800N。已知軸承的轉(zhuǎn)速為 n=70176。 /s，運轉(zhuǎn)時微沖擊，設(shè)計壽命為 20 年（每天工作 5 小時，一年工作360 天）。 由滾動軸承樣本查得 6008 型軸承，當(dāng)量動載荷可按下式計算： 當(dāng) Fa/Fr 時： P=Fr+ (512) 當(dāng) Fa/Fr 時： P=+ (513) 33 因 Fa/Fr，且工作沖擊較小，取載荷系數(shù) fp=，則： P=fp(XFr+YFa)= (514) 計算預(yù)期壽命 hL39。 ： L’ h=5*365*20=36500h (515) 求該對軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷值 3 610 39。60 hnLPC ? （ N） (516) 因為 C=Cr，所以選擇 51000 型軸承滿足要求 。 在外圈的軸承中我選用了 單排四點接觸球式轉(zhuǎn)盤軸承 ，如圖 53中 3 所示。 單排四點接觸球式轉(zhuǎn)盤軸承由兩個座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力和傾翻力矩?；剞D(zhuǎn)式輸送機(jī)、焊接操作機(jī)、中小型起重機(jī)和挖掘機(jī)等工程機(jī)械均可選用 ，很符合我的設(shè)計要求。 （ 1）按靜態(tài)工況選型： 取α =45176。 39。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .2 50 .1 4 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (517) 39。4 10aM M fNMNM?? ? ??? (518) （ 2）按動態(tài)校核： 39。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .5 50 .1 7 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (519) 39。4 10aM M fNMNM?? ? ??? (520) 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》中對于轉(zhuǎn)盤軸承的校核見圖 54，選用的軸承負(fù)荷強度，故可以選用。 34 圖 54 回轉(zhuǎn)支承能力曲線圖 6 氣壓系 統(tǒng)設(shè)計 本機(jī)械手主要以壓縮空氣為動力源驅(qū)動的機(jī)械手，用氣壓驅(qū)動與用其他能源驅(qū)動比較有以下優(yōu)點： （ 1）空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。偶爾的或少量的泄漏不致對生產(chǎn)發(fā)生嚴(yán)重的影響。 （ 2）空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很少，便于輸送。與液壓傳動相比，他的動作和反應(yīng)都快，這是氣動的突出優(yōu)點之一。 氣壓系統(tǒng)的組成 壓縮空氣是保證氣動系統(tǒng)正常工作的動力源。空氣壓縮機(jī)是將動力機(jī)供給的機(jī)械 35 能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置 氣動 執(zhí)行機(jī)構(gòu)有氣缸和氣動馬達(dá)。氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它可以輸出力，驅(qū)動工作部分作直線往復(fù)運動或者往復(fù)擺動。 空氣控制閥是氣動控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進(jìn)行工作。 空氣控制閥按其作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類。 氣動邏輯元件是通過可動部件的動作，進(jìn)行元件切換而實現(xiàn)邏輯功能的。 36 圖 61 氣壓系統(tǒng)原理圖 1氣壓 源 2截止閥 3氣罐 4分水過濾器 5減壓閥 6油霧器 7二位二通換向閥 8,9三位五通電磁換向閥 10~12可調(diào)單向節(jié)流閥 13~17位置傳感器 在啟動系統(tǒng)中，夾緊缸和伸縮，升降氣缸均采用 3 位 5 通電磁換向閥來實現(xiàn)換路。利用單向節(jié)流閥來控制各個動作的速度。 在氣壓系統(tǒng)圖中：當(dāng) YV5 得電時手抓抓緊，失電時即松開，當(dāng) YV1 得電時機(jī)械手手臂開始上升碰到限位開關(guān)即失電，當(dāng) YV2 得電時機(jī)械手手臂開始下降碰到指定限位開關(guān)，失電不運作，當(dāng) YV3 得電時機(jī)械手手臂開始生出碰到指定限 位開關(guān)，失電不運作，當(dāng) YV4 得電時機(jī)械手手臂開始收縮碰到指定限位開關(guān)，失電不運作 7 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計 PLC 是一種新型的通用自動化控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器 接觸器控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有控制能力強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點而越來越被廣泛運用。 PLC 是屬于存儲程序控制的一種裝置，其控制功能是通過存放在存儲器內(nèi)的程序來實現(xiàn)的，若要對控制功能作修改，在很大程度上只需改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。因此它在工業(yè)控制中的地位越來越高，戰(zhàn)友極其重要的地位，最重要的原因是它具有一些獨特的特點 （ 1）可靠性高、抗干擾能力強， PLC 是專門為工業(yè)控制設(shè)計的，在設(shè)計和制造過程總 采取了多層次抗干擾、精選元器件的措施。它可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強電設(shè)備儀器工作，運行的穩(wěn)定性和可靠性較高。 PLC 是以集成電路為基本單元的電子設(shè)備，內(nèi)部處理不依賴于觸電，元器件的壽命長，平均無故障工作時間高。 37 （ 2）控制程序可變，具有很好的柔性。由于 PLC 自身的硬件特點，用戶在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，不需要自己設(shè)計和支座硬件裝置，只需要根據(jù)控制要求進(jìn)行模塊的配置，用戶所做的工作只是設(shè)計滿足控制對象的控制要 求的應(yīng)用程序。對于一個控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝改變或者生產(chǎn)線設(shè)備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只需改變程序就可滿足變更控制功能的要求。 （ 3）編程簡單實用方便。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制電路的梯形圖形式，低使用者來說不需要具備計算機(jī)的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。這是 PLC 控制優(yōu)于微型計算機(jī)控制的另一個特點。 （ 4）功能完善，擴(kuò)充方便組和靈活 （ 5）較少了控制系統(tǒng)設(shè)計及施工的工作量 控制過程說明 （ 1）機(jī)械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機(jī)械手松開， 機(jī)械手手臂上升。 （ 2）上升到上限位置， SQ3 動作，上升結(jié)束，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)。 （ 3）機(jī)械手左轉(zhuǎn)道左限位， SQ2 動作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機(jī)械手開始伸出。 （ 4）當(dāng)機(jī)械手到達(dá)伸出限位 1，伸出結(jié)束， SQ5 動作，手臂伸出結(jié)束，機(jī)械手開始下降 （ 5）當(dāng)機(jī)械手下降到達(dá)下限位置， SQ4 動作，下降結(jié)束，機(jī)械手開始抓物 （ 6）機(jī)械手抓物延時 1S，機(jī)械手開始上升。 （ 7）機(jī)械手升到到上限位置， SQ3 動作，上升結(jié)束，機(jī)械手收縮。 （ 8）機(jī)械手收縮到收縮限位收縮結(jié)束， SQ7 動作，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)。 （ 9）機(jī)械手到達(dá)右限位， SQ1 動作，右 旋結(jié)束，機(jī)械手開始伸出。 （ 10）機(jī)械手伸出到達(dá)伸出限位 2， SQ6 動作，機(jī)械手開始下降。 （ 11）下降到下限位置， SQ4 動作，機(jī)械手松開，放下物品。 （ 12）機(jī)械手放下物品經(jīng)過延時，一個工作循環(huán)完成 （ 13）工作方式：單步 /循環(huán)。 I/O 點數(shù)分配表 表 71 PLC i/o分配表 38 輸入 輸出 SQ1 X000 回轉(zhuǎn)電機(jī)開關(guān) KM1 Y001 電機(jī)右轉(zhuǎn) SQ2 X001 KM2 Y002 電機(jī)左轉(zhuǎn) SQ3 X002 手臂上升 /下降開關(guān) YA1 Y003 手臂上升 SQ4 X003 YA2 Y004 手臂下降 SQ5 X004 手臂伸縮開關(guān) YA3 Y005 手臂伸開 SQ6 X005 YA4 Y006 手臂收縮 SQ7 X006 YA5 Y007 夾緊與放松 開關(guān) 0 X007 單步 開關(guān) 1 X0010 循環(huán) 開關(guān) 2 X011 手動啟動 開關(guān) 3 X012 手動復(fù)位 開關(guān) 4 X013 手動到遠(yuǎn)點 開關(guān) 5 X014 緊急停止 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖和梯形圖 機(jī)械手在原始位置時對 SQ1 動作，按下啟動按鈕，機(jī)械手松開，機(jī)械手開始上 升。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)上限位置， SQ3 動作，上升結(jié)束，機(jī)械手開始左轉(zhuǎn)。機(jī)械手左轉(zhuǎn)到左限位， SQ2 動作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機(jī)械手開始伸出。機(jī)械手伸出到伸出限位 1，伸出結(jié)束，SQ5 動作，手臂伸出結(jié)束，機(jī)械手開始向下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位置， SQ4 動作，下降結(jié)束，機(jī)械手開始抓物。機(jī)械手抓物延時 1S，機(jī)械手開始做上升運動。當(dāng)機(jī)械手升到上限位置， SQ3 動作，上升結(jié)束，機(jī)械手收縮。機(jī)械手收縮到收縮限位收縮結(jié)束， SQ7動作，機(jī)械手開始右轉(zhuǎn)。機(jī)械手到達(dá)右限位， SQ1 動作，右旋結(jié)束，機(jī)械手開始伸出。機(jī)械手伸出到達(dá)伸出限位 2， SQ6動作，機(jī)械手 開始下降。下降到下限位置， SQ4 動作，機(jī)械手松開，放下物品。機(jī)械手放下物品經(jīng)過延時，一個工作循環(huán)完成。流程圖見圖71所示 39 40 41 圖 71 機(jī)械手工作流程圖 根據(jù)流程圖用 PLC 來編寫程序，以下的就是 PLC 的梯形圖，如圖 72所示。 42 43 44 圖 72 PLC梯形圖 45 8 結(jié)論 PLC 控制的兩工位芯模搬運機(jī)械手的設(shè)計，并不是一個簡單的 過程，但是作為一名機(jī)械電子工程的學(xué)生，設(shè)計一個機(jī)械手作為畢業(yè)設(shè)計課題是再適合不過了，它需要學(xué)生在完成了機(jī)械類有關(guān)的基礎(chǔ)課程以及自己的專業(yè)課程后，通過設(shè)計，把之前學(xué)的課程（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、理論力學(xué)、液壓與氣壓控制、測試技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、PLC 基礎(chǔ)與設(shè)計、機(jī)電一體化設(shè)計等）所有的理論知識在設(shè)計完美的加以運用并結(jié)合在一起，讓學(xué)生在設(shè)計中提升對問題的分析能力和機(jī)械結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計能力。 通過畢業(yè)設(shè)計，我了解了很多關(guān)于機(jī)械手的知識，使我學(xué)會了在國內(nèi)和國外在這方面的一些先進(jìn)的生產(chǎn)和制造技術(shù)，和清楚了機(jī)械臂設(shè)計的過程， 通過機(jī)械手的設(shè)計做出了系統(tǒng)的分析，掌握一定的機(jī)械設(shè)計方面的知識，為今后的工作奠定學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。 這次設(shè)計可以說是我大學(xué)最后的一門課了，其中包含的只是實在是太多了，讓我知道了學(xué)海無涯的道理，活到老學(xué)到老。同時也培養(yǎng)