【正文】 討論，解決難題。在課題的研究和開(kāi)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。在設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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。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。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。正常停車時(shí)，要求機(jī)械手回到初始位置時(shí)才能停車。 ⑩ 到達(dá)最上端后，機(jī)械手開(kāi)始左轉(zhuǎn)，真到左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，此時(shí)機(jī)械手已加到初始位置。 ⑧ 運(yùn)行到最低位置后，機(jī)械手把工件松開(kāi)，一直到放松限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)。 ⑥ 右移完成后，機(jī)械手開(kāi)始右轉(zhuǎn)，直到右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)。 ④ 機(jī)械手開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最上端。 ② 運(yùn)行到最左端后，機(jī)械手開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。 ③ 右移完成后，機(jī)械手開(kāi)始左轉(zhuǎn)，至此，復(fù)位工作完成。(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。機(jī)械手移動(dòng)刀具通過(guò)PLC平控制，可以實(shí)現(xiàn)這6個(gè)過(guò)程全自動(dòng)依次運(yùn)行。經(jīng)過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的控制功能。編程方法的多樣性使編程簡(jiǎn)單、應(yīng)用而拓展。采用了精簡(jiǎn)化的編程語(yǔ)言，編程出錯(cuò)率大大降低。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 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。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）。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。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。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。無(wú)論哪一種形式，機(jī)械手工作時(shí)基座應(yīng)給予以固定。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。本機(jī)械手臂采用齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸。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(kāi)閉以及機(jī)械手的手臂動(dòng)作等。對(duì)立柱的設(shè)計(jì)要求是堅(jiān)固，剛性好。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。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。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(wú)、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)。估定活塞桿直徑d/D=～。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?=～。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。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(kù)插孔(刀架槽)中提出或插入，采用單桿雙作用氣缸。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。手臂的作用是帶動(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。圖35為常見(jiàn)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(kāi)范圍，以便于抓取工件。下面分別對(duì)各驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行計(jì)算與選擇，并設(shè)計(jì)機(jī)械連接件與導(dǎo)向裝置。氣動(dòng)元件的計(jì)算與選擇，對(duì)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。圖34轉(zhuǎn)換器原理圖、機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)。它的作用是根據(jù)偏差信號(hào)大小改變補(bǔ)償流量增益的變化，確保氣缸定位精度的穩(wěn)定。現(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)換器為例考察其動(dòng)作原理，當(dāng)桿件在偏差信號(hào)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(dòng)閥推向右方，使D腔菌狀閥閥口開(kāi)大，而C腔的小菌狀提動(dòng)閥閥口關(guān)閉，這樣，由進(jìn)氣口流入的控制氣流經(jīng)過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)針閥流向氣壓缸，驅(qū)動(dòng)活塞桿工作；與此同時(shí)，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器(各腔符合同右側(cè)，只是符號(hào)右上腳打“ˊ”來(lái)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(duì)應(yīng))壓力作用下向右移動(dòng)，菌狀提動(dòng)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(kāi)大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實(shí)現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號(hào)方向移動(dòng)(即活塞左向移動(dòng))：偏差信號(hào)為零時(shí)，左右側(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞停止在新的相對(duì)平衡位置上。氣動(dòng)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(jī)械轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換元件)和氣動(dòng)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(hào)的檢測(cè)、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(dòng)伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號(hào)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(jī)械手的動(dòng)作要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：(1)直線運(yùn)動(dòng)(缸體固定，活塞桿作直線運(yùn)動(dòng))；(2)擺動(dòng)(缸體固定，活塞桿擺動(dòng))。手臂移動(dòng)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(jī)械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右移動(dòng)時(shí)，電位器隨之作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。圖31 機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)電氣一氣壓伺服系統(tǒng)原理圖機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度(假定為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng))，動(dòng)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(kāi)口量。電位器觸頭由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(gè)位置時(shí)，由于產(chǎn)生了偏差就會(huì)輸出相應(yīng)的電壓。機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)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(jī)械手手臂、5一齒輪齒條機(jī)構(gòu)、6一電位器和7一步進(jìn)電機(jī)等元件組成，它組成了一個(gè)電氣與氣壓伺服控制系統(tǒng)。第3章 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)本課題機(jī)械手要求能實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都是由電氣氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，其原理相同。定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步。各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)如表22所示：表22 各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)的比較驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)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(dòng)氣壓壓力低，輸出力較小，如需輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大可高速，沖擊較嚴(yán)重，精確定位困難。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)因其輸出力矩較小，側(cè)控制性能相對(duì)較好，可以對(duì)速度和位置的精確控制，適用于中、小規(guī)模的機(jī)器中。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。(3)與液壓控制系統(tǒng)相比，其工作壓力比較低。 氣壓驅(qū)動(dòng)(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)精度不高。(3) 可以方便的實(shí)現(xiàn)變速和方向控制，自動(dòng)化程度比較高。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 能夠輸出較大的力和力矩，同時(shí)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：圖24 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。為了滿足4個(gè)自由度的要求，本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)形式。7豎直下降30松開(kāi)8豎直上升309擺動(dòng)（順時(shí)針）90176。當(dāng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)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(jī)械手的整個(gè)換刀動(dòng)作完成。(8)、豎直上升——小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，回到原始極限位置。(6)、擺動(dòng)——機(jī)械手逆時(shí)針擺動(dòng)，使機(jī)械手正對(duì)刀架。(4)、豎直上升——待刀柄被夾緊后，小臂升降機(jī)構(gòu)上行30mm，將刀具提出刀庫(kù)。(2)、豎直下降——小臂升降機(jī)構(gòu)下行30mm，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位置。為了機(jī)械手和刀具恰好對(duì)齊，本控制系統(tǒng)采用刀座編碼法對(duì)各種刀具進(jìn)行編碼，并根據(jù)需要使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)適適當(dāng)?shù)慕嵌?。且氣爪正?duì)刀庫(kù)換刀位置。圖22 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖、機(jī)械手工作過(guò)程及工步時(shí)間分配、確定完成動(dòng)作及順序圖23 換刀機(jī)械手布局示意圖換刀機(jī)械手的布局示意圖如圖23所示。有時(shí)為了增加機(jī)械手的通用性，我們可以增加手腕部，使其具有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖22為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖。為了彌補(bǔ)立柱升降過(guò)程中造成的較大的震動(dòng)和手臂的伸縮造成的機(jī)械剛度不足，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)具有短行程升降的小臂結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械手將刀具從刀庫(kù)中拔出，即在豎直方向上增加了一個(gè)自由度。輔助運(yùn)動(dòng)包括手指和手腕的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗麄兎謩e改變工件的姿態(tài)，以及工件的位置和方位。可以將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分為主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。4．電動(dòng)機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)較困難。4．也有工作死區(qū)部分。2．直線驅(qū)動(dòng)部分存在密封性差的情況。5．直線驅(qū)動(dòng)模的密封性、防塵及防御腐蝕性較差6．手臂收縮時(shí)，手臂后端只能在一定的工作范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。3．可以將機(jī)械手部分伸入到機(jī)器的型腔內(nèi)部。二、圓柱坐標(biāo)型1．同樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)。5．必須在較大的空間進(jìn)行安裝。3．對(duì)一定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，宜采用兩端支持，剛性比較好。、機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度根據(jù)機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)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(diǎn)如下一、直角坐標(biāo)型1．有三個(gè)方向上的直線自由度，簡(jiǎn)單易懂。擬定機(jī)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的原則是根據(jù)工作對(duì)象的工作條件、運(yùn)動(dòng)要求和定位精度，從分利用現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)能力，在滿足機(jī)械手各方面上的使用要求的前提下，選擇最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)械手。即小臂可繞大臂上下擺動(dòng)，同時(shí)大臂也可繞機(jī)體多角度擺動(dòng)。(4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂 此機(jī)械手的臂部可化分成大臂和小臂兩個(gè)部分。(3)球坐標(biāo)式機(jī)械手臂 沿X軸方向上的移動(dòng)，以及繞 Y 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。我叫做機(jī)械手的前后伸縮、上下升降和左右移動(dòng)。但因其運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所以需要較高的設(shè)計(jì)要求，造成成本過(guò)高。簡(jiǎn)易型只是分散的點(diǎn)動(dòng)控制，故屬于程序控制類型，而伺服型是集點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制于一體的控制方