【正文】 。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。 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。皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 18 頁 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。手臂的作用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。 圖 35 為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。 (4) 應(yīng)保證手抓的夾持精度。 (2) 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，以便于抓取工件。下面分別對各驅(qū)動元件進行計算與選擇，并設(shè)計機械連接件與導(dǎo)向裝置。氣動元件 的計算與選擇，對整個氣動系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 16 頁 圖 34 轉(zhuǎn)換器原理圖 、機械手執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。它的作用是根據(jù)偏差信號大小改變補償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定?，F(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動作原理，當(dāng)桿件在偏差信號作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高， A 腔壓力升高，使帶有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動閥推向右方，使 D 腔菌狀閥閥口開大，而 C 腔的小菌狀提動閥閥口關(guān)閉，這樣，由進氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動活塞桿工作；與此同 時，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器 (各腔符合同右側(cè)，只是符號右上腳打“ˊ”來表示左側(cè)，以下同 )，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在 Cˊ腔 (與右側(cè) C 腔相對應(yīng) )壓力作用下向右移動，菌狀提動閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器 Dˊ腔的閥關(guān)小，而 Cˊ腔的閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號方向移動 (即活塞左向移動 )：偏差信號為零時，左右側(cè)兩個轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對平衡位置上。 氣動放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。 電氣伺服閥是由電 機械轉(zhuǎn)換器 (轉(zhuǎn)換元件 )和氣動放大器 (放大元 件 )所組成。 由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號的檢測、傳輸、綜合、放大等都很方便，而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號居多，轉(zhuǎn)換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。 根據(jù)模擬換刀機械手的動作要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運動方式主要有兩種： (1)直線運動 (缸體固定，活塞桿作直線運動 )； (2)擺動 (缸體固定，活塞桿擺動 )。手臂移動的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。由于齒輪和機械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移 動時，電位器隨之作順時針方向轉(zhuǎn)動。 圖 31 機械手伸縮運動電氣一氣壓伺服系統(tǒng)原理圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 13 頁 機械手伸縮運動伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，使步進電機帶動電位器的動觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度 (假定為順時針方向轉(zhuǎn)動 )，動觸頭偏離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥的控制線圈，使伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。電位器觸頭由步進電動機帶動旋轉(zhuǎn)，步進電動機的偏轉(zhuǎn)方向以及角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖頻率控制。當(dāng)它偏離這個位置時，由于產(chǎn)生了偏差就會輸出相應(yīng)的電壓。 機械手伸縮運動 的 電氣 與 氣壓伺服 控制 系統(tǒng)原理圖 如圖 31 所示， 1 一 放大器、 2 一 電氣伺服閥、 3 一 氣缸、 4 一 機械手手臂、 5 一 齒輪齒條機構(gòu)、 6 一 電位器和 7 一 步進電機等元件組成，它 組成了 一個電氣 與 氣壓伺服 控制 系統(tǒng)。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁 第 3 章 機械手的機械系統(tǒng)設(shè)計 、機械手伺服系統(tǒng)設(shè)計 、氣動伺服系統(tǒng)設(shè)計 本課題機械手要求能實現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動作，每一個動作都是由電氣 氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，其原理相同。定位精度高，可與主機嚴格同步。 各種驅(qū)動方式及特點 如表 22 所示 ： 表 22 各種驅(qū)動方式及特點的比較 驅(qū)動方式 特點 輸出力 控制性能 維修使用 結(jié)構(gòu)體積 使用范圍 制造成本 氣壓驅(qū)動 氣壓壓力低， 輸出力較小，如需輸出力大時，其結(jié)構(gòu)尺寸過大 可高速，沖擊較嚴重，精確定位困難。伺服電動機和步進 電機因其輸出力矩 較小 ， 側(cè) 控制性能 相對較 好， 可以對速度和位置的精確控制 ，適用于中 、 小 規(guī)模的機器中 。 電動機驅(qū)動 電動機驅(qū)動可分為普通交、直流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 (3)與液壓 控制系統(tǒng) 相比， 其工作壓力比較低 。 氣壓驅(qū)動 (1)機械結(jié)構(gòu)簡單，氣體選取方便，并且干凈環(huán)保。 但液壓系統(tǒng) 由于 產(chǎn)生泄露而 造成 運動精度 不高 。 (3)可以方便的實現(xiàn)變速和方向控制，自動化 程度比較高。 液壓驅(qū)動 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點： (1)能夠輸出較大的力和力矩，同時能夠快速響應(yīng)，定位精度比較高。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 24 所示 ： 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 圖 24 氣動機械手的結(jié)構(gòu)簡圖 、機械手的驅(qū)動方案 機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。為了滿足 4 個自由度 的要求，本機械手采用圓柱坐標(biāo)形式。 7 豎直下降 30 松開 8 豎直上升 30 9 擺動（順時針） 90176。 當(dāng)機械手完成換刀動作后，刀架上的推爪把刀具從從刀架的一端推向另一端，到此，就將機械手的整個換刀動作完成。 (8)、豎直上升 —— 小臂升降機構(gòu)上行 30mm，回到原始極限位置。 (6)、擺動 —— 機械手逆時針擺動 90? ，使機械手正對刀架。 (4)、豎直上升 —— 待刀柄被夾緊后，小臂升降機構(gòu)上行 30mm，將刀具提出刀庫。 (2)、豎直下降 —— 小臂升降機構(gòu)下行 30mm，使手部夾持機構(gòu)到達與刀柄水平的位置。為了機械手和刀具恰好對齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對各種刀具進行編碼，并根據(jù)需要使刀庫旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌?。且氣爪正對刀庫換刀位置。 圖 22 機械手的運動示意圖 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 、機械手工作過程及工步時間分配 、確定完成動作及順序 圖 23 換刀機械手布局示意圖 換刀機械手的布局示意圖如圖 23 所示。有時為了增加機械手的通用性，我們可 以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運動。圖 22 為機械手的運動示意圖。為了彌補立柱升降過程中造成的較大的震動和手臂的伸縮造成的機械剛度不足，我們增加了一個具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機械手將刀具從刀庫中拔出，即在豎直方向上增加了一個自由度。輔助運動包括手指和手腕的運動，因為他們分別改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。 可以將機械手的運動分為主運動和輔助運動。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 6 頁 4．電動機比較容易實現(xiàn)動力的提供。 2．關(guān)節(jié)的密封性比較好。 6．由于坐標(biāo)系很復(fù)雜，設(shè)計較困難。 4．也有工作死區(qū)部分。 2．直線驅(qū)動部分存在密封性差的情況。 5．直線驅(qū)動模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差 6．手臂收縮時，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運動。 3．可以將機械手部分伸入到機器的型腔內(nèi)部。 二、圓柱坐標(biāo)型 1．同樣結(jié)構(gòu)簡單易于設(shè)計。 5．必須在較大的空間進行安裝。 3．對一定的結(jié)構(gòu)長度， 宜采用兩端支持，剛性比較好。 、機械手的坐標(biāo)形式與自由度 根據(jù)機械手手臂運動形式和自由度的不同，通常將其劃分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它們的特點如下 一、直角坐標(biāo)型 1．有三個方向上的直線自由度，簡單易懂。擬定機 氣動機械手設(shè)計的原則是根據(jù)工作對象的工作條件、運皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 5 頁 動要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機械設(shè)計條件和設(shè)計能力，在滿足機械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟的設(shè)計方案。 綜合各種技術(shù)要求，我們選用圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動機械手。即小臂可繞大臂上下擺動，同時大臂也可繞機體多角度擺動。 (4)多關(guān)節(jié)式機械手臂 此機械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個部分。 (3)球坐標(biāo)式機械手臂 沿 X 軸方向上的移動，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動。我叫做機械手的前后伸縮、上下升降和左右移動。但因其運動和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計要求，造成成本過高。簡易型只是分散的點動控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方式，通常認為屬于數(shù)字控制模型?？梢园惭b在各種機器上，能 獨立完成工件的夾持與搬運以及刀具的安裝與拆卸。它通常安裝到某種機器或生產(chǎn)線上，用來自動傳送物件或夾持某種工件或刀具等操作功能。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 3 頁 第 2 章 機械手總體設(shè)計方案 、機械手類型 、根據(jù)機械手的應(yīng)用范圍分類 (l)專用機械手一般沒有單獨的控制系統(tǒng)，而且只有固定的控制程序。由于自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，特別是機器人的發(fā)展，讓機器人反映更加靈敏，機械精度更高，完全可以跟上比較緩慢的流水 線，這樣是整個流水線更加有秩序。 三、可以減輕人力，讓工作更有秩序 比如，機械手可以代替我們?nèi)ネ瓿煽菰餆o味而又機械式重復(fù)的工作，這樣既可以減少人力，又可以保證一定的工作精度。機器人基本上可以代替人的大量機械式重復(fù)勞動，這樣不僅可以減輕工人的勞動強度，還可以改善勞動條件，提高工人的安全性。具體 概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 機械手的應(yīng)用可以實現(xiàn)材料自動運輸、工件的安裝與拆卸、自動換刀以及零件的裝配，從而節(jié)省大量不必要的時間。為了提高生產(chǎn)率，我們特意設(shè)計了應(yīng)用性比較廣泛的自動換刀機械手，從減輕工人的機械式體力勞動。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 2 頁 目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運擺放仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。而柔性生產(chǎn)系統(tǒng)比較適用于產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快的品種，這樣既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，又能更好的適用于市場發(fā)展的需求。 為了把機械手和機床的有機結(jié)合在一起，機械手隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元中一個重要組成部分 。我們可以把一些高危險、機械式重復(fù)而枯燥的工作交給機械手，這樣既減輕我們的體力勞動，又提高了生產(chǎn)效率。 、選題背景 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和 移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種新型裝置。但是大多數(shù)機械手的專用型比較強，莫臺機器上的機械手在不改造的情況下，很難在其他機器上使用。是機械人具有人的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有具有高精度、高強度持續(xù)工作的能力，并且能夠適應(yīng)比較差的環(huán)境，我們可以說機械手是工具進化的產(chǎn)物。機械手的使用情況，標(biāo)志著一個國家工業(yè)自動化水平的高低。 皖西學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） III Research on Structure Design and PLC Control Of Automatic tool change Manipulator Abstract:.With CNC technology application and development of auxiliary parts processing time is greatly reduced, greatly improving production efficiency. With the development of science and technology to improve productivity and make CNC machining develop into a more universal application of advanced manufacturing method called machining centers. Most machining centers with automatic tool changer can ATC system, and follow the procedures for automatic processing. Pneumatic Manipulator has a simple mechanism, sensitive, energysaving, environmental protection, high reliability, can realize stepless speed regulation and other advantages. In order to improve the application range of the robot, so that each robot has different usage characteristic