【正文】 ...24 第 5 章手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................... 26 手臂伸縮與手腕回轉(zhuǎn)部分 .................................26 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .............................................26 手臂升降和回轉(zhuǎn)部分 ......................................27 ................................................27 手臂伸縮氣缸的設(shè)計(jì) ......................................27 手臂伸縮、升降用液壓緩沖器 ............................31 手臂回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器 ...................................31 第 6 章氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................... 33 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 ...................................33 第 7 章機(jī)械手的 PLC 控制 ............................... 34 可編程序控制器的選擇及工作過 程 ........................34 可編程序控制器的選擇 ....................................34 可編程序控制器的工作過程 .................................34 可編程序控制器的使用步驟 ...............................35 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 ..........................36 第 8 章 結(jié)論 ......................................... 40 參考文獻(xiàn) ............................................ 42 致謝 ............................................... 41 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 第 1 章 緒論 機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體 )、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制 、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。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”。尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替 人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展， 制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。 機(jī)械手的組成和分類 機(jī)械手的組成 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。 圖 21 機(jī)械手的組成方框圖 1． 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)。由于與物件接觸的形式不同，可分為 夾持式和 吸附式手部。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。 平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。 吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力 (如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力 )吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式 (如澆鑄機(jī)械手的澆包部分 )、托式 (如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部 )等型式 . (2)手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位 (即姿勢(shì) )。 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 . 工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間 產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件 受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。 (4)立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降 (或俯仰 )運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。 (5)行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置 。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)有 電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息 (如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間 )，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國(guó)內(nèi)尚 無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。專用機(jī)械 手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大 批量的自動(dòng)化生產(chǎn) ，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加 口工中心” 附屬 的自動(dòng)換刀機(jī)械手 。 在規(guī) 格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整 可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和 控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。 通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種 :簡(jiǎn)易型以 “開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制 : 伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng) ，可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類 型。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾 百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊 湊、動(dòng)作靈敏。若機(jī)械 手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是 電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。 (3)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 (4)電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn) 動(dòng)的機(jī)械 手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) (2)連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó) 外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì) : (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 萬(wàn)美元降至 97年的 65萬(wàn)美元。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 。 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。 ，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制 。 、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。從 94 年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 (站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。但是在 多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。 。 ，易產(chǎn)生噪聲。且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器 :介質(zhì)清潔，管道不易堵塞 ，不 存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題 . ，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小 (一般僅為油路的千分之一 )，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。 ，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。 課題的主要任務(wù) 本課題將要完成的主要任務(wù)如下 : ，因此相對(duì)于專用機(jī)械手來(lái)說，它的適用面必須更廣 . 式和自由度 ，包括 :手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)。 本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 第 2 章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它 們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的 受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求 。它可用于操作環(huán)境惡劣，勞 動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。手 臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉