【正文】 空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為 80dB～ 100dB，為了改善勞動條件，應(yīng)使用消聲器。 2．消聲器 消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會降低氣 動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。由于它操作輕便， 18 易于實(shí)現(xiàn)自動化，因此應(yīng)用廣泛 ； b. 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時，閥芯處于中位，各口互不相通 ； c. 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動。 本設(shè)計(jì)選用的型號 DZ3025X/200Y 三位四通電磁換向閥如圖 所示。 按換向閥的操縱方式有：手動式、機(jī)動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。它的用途很廣，種類也很多。 換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。本設(shè)計(jì)選用 型號 Q25 的 串聯(lián)減壓式調(diào)速閥 [10]。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運(yùn)動速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。 溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及 17 多功能組合閥。氣動控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。 本設(shè)計(jì)采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。 雙葉片式擺動氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(zhuǎn)。 2．?dāng)[動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式 機(jī)械能 擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 執(zhí)行元件 執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機(jī)械能。罐的型式可分為立式和臥式兩種。 （ 2） 儲氣罐 儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，使輸出氣流 連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。氣壓傳動對氣源的要求： 1. 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量 ； 2. 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。 氣源裝置 氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。 15 A B C D E 25 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 26 10 11 12 13 14 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 4 5 6 7 8 9 2 1 3 圖 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 1— 空氣壓縮機(jī) 2— 空氣處理單元 3— 儲氣罐 23— 調(diào)速閥 21— 消聲器 1 12— 三位四通電磁換向閥 1 14— 二位二通電磁閥 1 1 1 1 1 20— 單向調(diào)速閥 22— 真空發(fā)生器 24— 真空開關(guān) 25— 過濾器 26— 吸盤 A— 水平伸縮氣缸 B— 小臂升降氣缸 C— 擺動氣缸 氣動元件選取及工作原理 氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝? 氣動系統(tǒng)包括三個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、三個氣缸、一個吸盤、四個調(diào)速閥、六個單向調(diào)速閥、消聲器（若干）等。 14 表 各種 驅(qū)動 方式的比較 項(xiàng)目 氣壓傳動 液壓傳動 電氣傳動 機(jī)械傳動 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能有污染 清潔 較清潔 維護(hù) 簡單 比氣動復(fù)雜 需要專門技術(shù) 簡單 價(jià)格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險(xiǎn)性 幾乎無問題 注 意著火 一般無問題 無特殊問題 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 根據(jù)物料分揀機(jī)械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動方式主要有兩種： (1)直線運(yùn)動（缸體固定，活塞桿運(yùn)動）； (2)擺動（缸體固定）。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，氣動機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有 30﹪ 裝有氣動系統(tǒng)，有 90﹪的包裝機(jī)械， 70﹪的鑄造、焊接設(shè)備， 50﹪的自動操機(jī)、 40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、 30﹪的采煤機(jī)械， 20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械， 43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。另一方面，氣動技術(shù)作為 “廉價(jià)的自動化技術(shù) ”，由于其元器件性能的不 斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動方式。 電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。 驅(qū)動系統(tǒng) 的 選 取 液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，可自行潤滑，使用壽命長。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。機(jī)械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。其結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。其中機(jī)座采用擺動氣缸進(jìn)行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。操作面板、電磁閥、 PLC 可編程控制器等均安裝在電控箱上。 12 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)由真空吸盤 D、 擺動氣缸 A、 前伸 /回縮氣缸 B、 上升 /下降氣缸 C、機(jī)座等組成。另外，推力球軸承應(yīng)選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因?yàn)闄C(jī)座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。 連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。對通用機(jī)械手而言，傳動部分布置在機(jī)架 內(nèi)部或后下方，控制部分則布置在機(jī)座的后上方或單獨(dú)布置一個控制箱。根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求選用落地固定式機(jī)座。無論哪一種形式，機(jī)械手工作時機(jī)座一定予以固定。對其結(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)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動的雙作用單活塞桿氣缸?；钊谟蛪合伦麟p向運(yùn)動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。 手臂的伸縮和升降運(yùn)動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。手臂一般有三個運(yùn)動 —伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤 手部 。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影 響正常工作。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取 [7]。 (2) 氣吸式 氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn) 生真空或負(fù)壓，利用壓差而將 10 工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它主要由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要 有 以下機(jī)械部分組成： 1. 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分 ； 2. 臂部 是機(jī)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動范圍的部件 ； 3. 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu) ； 4. 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部 分?？梢詫⑹直刍剞D(zhuǎn)動作改換成機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動作要求。 球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度 [6]。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要動作為機(jī)械手手臂的左右移動，升降移動和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用， 有一定的發(fā)展前途。 4．關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動型式。所以工作效率高。 球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。 3．球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作： (1) 手臂水平回轉(zhuǎn)； (2) 手臂伸縮； (3) 手臂上下； (4) 手臂回轉(zhuǎn)動作； (5) 手爪夾緊動作。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：機(jī)械手的作業(yè)范圍較小。 另外 在 X、 Y、 Z 8 三個直線運(yùn)動方向上個具有 A、 B、 C 三 個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式 X、 Y、 Z 三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的實(shí)體。 物料分揀機(jī)械手的各個系統(tǒng)如圖 所示， 由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、抓取工件、位置檢測裝置組成 [5]。 具有 堅(jiān)固、高速和良好的可操作性。 自動物料分揀裝置的機(jī)械手 采用模塊化設(shè)計(jì) ， 通過 PLC 控制機(jī)械手自動 分 料 。機(jī)械手可以完成許多重要的工作，如 搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。 在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。一般專用機(jī)械手有 2～ 3 個自由度。 自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。而 機(jī)械手是一種能 夠 自動化定位控制并可 以 重新編程以 改 變動 作 的多功能 機(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作 。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作 ，改變被抓持物件的位置和姿勢 。 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。 它 適用于可 變換 生 產(chǎn) 品 種 的中小批量自 動 化生 產(chǎn) 。如自 動 生 產(chǎn)線 上的上料機(jī)械手，自 動換 刀機(jī)械手，裝配 焊 接機(jī)械手等裝置。 ” 機(jī)械手可分 為專 用機(jī)械手和通用機(jī)械手 兩 大 類 。 解決的關(guān)鍵問題： 1. 執(zhí)行系統(tǒng)：機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性； 2. 驅(qū)動系統(tǒng)：氣壓驅(qū)動的原理； 3. 控制系統(tǒng)： PLC選型及程序的編制； 4. 檢測系統(tǒng)： 傳感器的選擇與配置。 3． 物料分揀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進(jìn)行工作。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設(shè)計(jì)選擇氣壓驅(qū)動的方式。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對機(jī)械手的手部、手臂和機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)。 主要研究內(nèi)容及解決的問題 本論文主要 研究物料分揀機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容： 1．物料分揀機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的實(shí)體。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 6． 通訊及聯(lián)網(wǎng) PLC通信含 PLC間的通信及 PLC與其它智能設(shè)備間的通信。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通訊