凸輪軸機床的工件輸送機構的設計【機械手】【含圖紙】

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畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1題目背景 在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線零件的輸送是非常重要的工作之一，隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，目前，這一工作已由機械手的自動搬運逐漸替代傳統(tǒng)的人工完成。機械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動強度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻,機械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題設計一種在七工位凸輪軸加工機床上應用的機械手,用于實現(xiàn)工件的輸送。明確機械手的功能、技術參數(shù)、工作原理、主要結構及特點。要求結構簡單、抓取重量大、開合行程長、運行可靠,從而提高生產(chǎn)效率。 1.2研究意義 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備[1]。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛[2]。因此，進行凸輪軸機床的工件輸送機械手的研究設計具有重要意義。我感覺設計所需要的知識僅課堂所學的是完全不夠的，但正是這樣，才更能鍛煉自己，才更富有挑戰(zhàn)，我想在這次的設計中我一定會盡全力做好的！ 1.3國內(nèi)研究的情況 我國的工業(yè)機械手的研究研發(fā)開發(fā)始于20世紀70年代左右。1972年我國的第一臺工業(yè)機械手開發(fā)制造于上海，隨著全國各省都開始研制和研發(fā)應用機械手。如今我國正從一個“制造型大國”向“制造型強國”邁進，中國的制造業(yè)正在面臨著與國際接軌、世界接軌、參與國際分工的巨大工作和挑戰(zhàn)當中，這將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力和活力[3]。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的不斷提高，中國的機械手已在眾多領域得到了廣泛普遍的應用。已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領域向非制造領域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務等領域機械手的應用也越來越多。在未來幾年，我國將在傳感技術、激光技術、工程網(wǎng)絡技術中機械手將會被廣泛應用，因此這些技術會使機械手的應用更為高效、高質(zhì)，運行成本將更低[4]。據(jù)一系列現(xiàn)象證據(jù)表明，今后機械手將在醫(yī)療、保健、生物技術和產(chǎn)業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各領域得到廣泛應用。 1.4國外研究情況 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品[5]。機械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。在此基礎上美國通過不斷改進完善，研制出一系列新的機械手，美國的研制十分注意提高機械手的可靠性，改進其結構，降低其成本。德國從1970年開始在制造行業(yè)中應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型的機械手后，便開始大力進行機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個；1976年大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%；1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。使用機械手最多的行業(yè)是汽車工業(yè)，其次是電機、電器和電子行業(yè)。到目前在日本工作的工業(yè)機械手已有100萬臺左右。第二代機械手設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多[6]。 1.5本課題研究的主要內(nèi)容 1.5.1凸輪軸機床的工作原理 如圖1.1所示零件為凸輪軸。凸輪軸是發(fā)動機中的重要零件之一，其通常是由具有多段高次曲線型面的非圓輪廓面組成，其升程、轉(zhuǎn)角與砂輪半徑之間存在非線性關系，且大部分凸輪軸屬細長軸類零件。而凸輪軸加工精度和質(zhì)量直接影響到發(fā)動機的質(zhì)量、廢氣排放、使用壽命、節(jié)能和效率。圖1.2是某型號發(fā)動機的凸輪軸示意圖，其法蘭面上的孔系的加工是在一臺臥式單面七工位的機床上完成的,該機床用一個多軸頭在5個加工工位上完成了5道加工工序。在加工工位之前有一個零件裝卸工位,為了在裝卸工位卸下工件,必須解決工件的返回問題。為此,我們設計了機械手在五個加工工位之后的等待工位抓取工件,并實現(xiàn)工件的返回。如圖1.3所示為各加工工位布局圖,工位Ⅰ是裝卸工位,工位Ⅶ是機械手抓取工位,凸輪軸從Ⅰ工位通過步伐式棘爪輸送機構依次自動輸送至Ⅱ~Ⅶ工位,而機械手用來實現(xiàn)工件由Ⅶ工位返回至Ⅰ工位。 圖1.1凸輪軸 圖1.2凸輪軸示意圖 圖1.3各加工工位布局圖 1.5.2機械手總體結構的設計 如圖1.4所示，機械手裝置安裝在機床的側(cè)面，機械手大臂的回轉(zhuǎn)運動，靠液壓缸2通過齒輪、齒條機構來實現(xiàn)。機械手小臂的升降，由油缸1驅(qū)動。手爪4的開合動作由液壓缸3驅(qū)動的連桿、滑塊機構來實現(xiàn)。為了確保機械手大臂回轉(zhuǎn)輸送時，隨行夾具在此時是平面平行移動，采用了平行四邊形機構。機械手的動作順序是：機械手在等待工位(抓取工件工位)等候—機械手小臂下降—手爪收攏抓取隨行夾具—小臂上升—大臂回轉(zhuǎn)至裝卸料工位—小臂下降—手爪放松—小臂上升—大臂回轉(zhuǎn)至等待工位等候。機械手的動作全部采用液壓驅(qū)動，電氣控制。 圖1.4機械手結構圖 25 2 機械手的總體設計 2.1機械手的設計原則 對液動機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、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定位等特性。設計液動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求；盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次設計的機械手是通用液動上下料機械手（如圖2.1所示），是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它也可用于操作環(huán)境惡劣的場合。 圖2.1機械手的整體機械結構 2.2機械手的座標型式與自由度 按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度（如圖2.2所示）。 2.2.1確定大體參數(shù) a. 抓重：15千克 b. 自由度數(shù)：4個 c. 小臂升降范圍：0—200cm d. 大臂回轉(zhuǎn)范圍：0—90° e. 手爪夾持范圍：0—100cm 圖2.2機械手的運動示意圖 2.3機械手的手部結構方案設計 本設計機械手夾持工件為凸輪軸，為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部；當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。根據(jù)工件的結構特點,機械手手指采用平移型雙手雙指式手指來夾持工件的兩端,其手指通過連接架與手指開合油缸端部相連接,如圖2.3所示。 圖2.3機械手結構圖 2.4機械手的手腕結構方案設計 考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結構，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構為回轉(zhuǎn)液壓缸。 2.5機械手的手臂結構方案設計 按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現(xiàn)。 2.6機械手的控制方案設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7機械手的主要技術參數(shù) a. 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為15公斤。 b. 基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。如圖2.4所示，工作范圍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為，最大回轉(zhuǎn)速度設計為，平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為，手臂升降行程定為200cm。 圖2.4機械手的工作范圍 3 手部結構設計 3.1夾持式手部結構 夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型、二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指。同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 3.1.2設計時考慮的幾個問題 a. 具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 b. 手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 c. 保證工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 d. 具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 e. 考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。 3.1.3手部夾緊液壓缸的設計 a. 手部驅(qū)動力計算 本課題液動機械手的手部結構如圖3.1所示： 圖3.1齒輪齒條式手部 其工件重量G=15公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為。 (1) 根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: (3.1) (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: (3.2) 所以 (3) 實際驅(qū)動力: 因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 所以夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅(qū)動力為。 b. 液壓缸的直徑 本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: (3.3) 式中: - 活塞桿上的推力，N； - 彈簧反作用力，N； - 液壓缸工作時的總阻力，N； - 液壓缸工作壓力，Pa。 彈簧反作用按下式計算: (3.4) (3.5) 式中:- 彈簧剛度，N/m； l - 彈簧預壓縮量，m； - 活塞行程，m； - 彈簧鋼絲直徑，m； - 彈簧平均直徑,m； - 彈簧有效圈數(shù)； - 彈簧材料剪切模量，一般取。 在設計中，必須考慮負載率的影響，則: (3.6) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: (3.7) 代入有關數(shù)據(jù)，可得 所以: 查有關手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 有: 其中，[]， 則: 滿足實際設計要求。 c. 缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: （3.8） 式中:6- 缸筒壁厚，mm； - 液壓缸內(nèi)徑，mm； - 實驗壓力，取, Pa。 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 4 手腕結構設計 4.1手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結構緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。 4.2手腕的驅(qū)動力矩的計算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。圖4.1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4.1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算: （4.1） 式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩()； - 慣性力矩()； - 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()； - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩()。 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算: a. 手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則: (4.2) 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量； - 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為: (4.3) 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； - 工件的重量(N)； - 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)； - 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s)； - 起動過程所需的時間(s)； - 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 b. 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 + () (4.4) 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N)； - 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)。 當工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則。 c. 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () (4.5) 式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm)； - 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解。 根據(jù),得: 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 重量(N)； - 如圖4-1所示的長度尺寸(cm)。 d. 轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M，與選用的密封裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動力矩計算 在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)液壓缸，它的原理如圖4.2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個。當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉液壓缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關系為: 或 4.2.3手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 a. 尺寸設計 液壓缸長度設計為,液壓缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,液壓缸運行角速度=，加速時間=0.1s,壓強，則力矩： b. 尺寸校核 (1) 測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） 工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量： 假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距,，其轉(zhuǎn)動慣量為: (2) 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則： + (3) 手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,。 （4）回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M，與選用的密封裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計為的3倍。 3 所以，設計尺寸符合使用要求。 5 手臂液壓缸的尺寸設計與校核 5.1手臂伸縮液壓缸的尺寸設計與校核 5.1.1手臂伸縮液壓缸的尺寸設計 手臂伸縮液壓缸采用煙臺液動元件廠生產(chǎn)的標準液壓缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，液壓缸用CTA型液壓缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63。 5.1.2尺寸校核 a. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,則驅(qū)動力： (5.1) b. 測定手腕質(zhì)量為50kg,設計加速度，則慣性力： (5.2) c. 考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù)。 （5.3） 所以總受力 ，所以標準CTA液壓缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。 5.1.3導向裝置 氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。 5.1.4平衡裝置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮液壓缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和液壓缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務必使兩端盡量接近平衡。 5.2手臂升降液壓缸的尺寸設計與校核 5.2.1尺寸設計 液壓缸運行長度設計為=118mm,液壓缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,液壓缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強P=0.4MPa,則驅(qū)動力： 5.2.2尺寸校核 a. 測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力： b. 設計加速度，則慣性力： c. 考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)。 所以總受力 ，所以設計尺寸符合實際使用要求。 5.3手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設計與校核 5.3.1尺寸設計 液壓缸長度設計為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑，半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,則力矩： 5.3.2尺寸校核 a. 測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量： （） b. 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù)。 總驅(qū)動力矩： ，設計尺寸滿足使用要求。 畢業(yè)設計（論文） 6 機械手的PLC控制系統(tǒng)設計 考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制.當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。 6.1可編程序控制器的選擇及工作過程 6.1.1可編程序控制器的選擇 目前，國際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國西門子公司的SIMATICN5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本機械手的輸入輸出點不多，工作流程較簡單，同時考慮到制造成本，因此在本次設計中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。 6.1.2可編程序控制器的工作過程 可編程序控制器是通過執(zhí)行用戶程序來完成各種不同控制任務的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過程可分為四個階段。 第一階段是初始化處理。 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機相連，CPU對輸入輸出狀態(tài)的詢問是針對輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲器叫輸出狀態(tài)暫存器。開機時，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進行自診斷。當確認其硬件工作正常后，進入下一階段。 第二階段是處理輸入信號階段。 在處理輸入信號階段，CPU對輸入狀態(tài)進行掃描，將獲得的各個輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個輸入點的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會受到各個輸入端子信號變化的影響，因此不能造成運算結果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。 第三階段是程序處理階段。 當輸入狀態(tài)信息全部進入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進入到第三個階段。在這個階段中，可編程序控制器對用戶程序進行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關指令進行運算和處理，最后將結果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。 第四階段是輸出處理階段。 CPU對用戶程序已掃描處理完畢，并將運算結果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時將輸入信號從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動輸出繼電器線圈，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個循環(huán)的掃描周期。 6.2可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對象(機器、設備或生產(chǎn)過程)構成一個自動控制系統(tǒng)時，通常以七個步驟進行: a. 系統(tǒng)設計 即確定被控對象的工作原理，控制要求，動作及動作順序。 b. I/0分配 即確定哪些信號是送到可編程序控制器的，并分配給相應的輸入端號;哪些信號是由可編程序控制器送到被控對象的，并分配相應的輸出端號.此外，對用到的可編程序控制器內(nèi)部的計數(shù)器、定時器等也要進行分配。可編程序控制器是通過編號來識別信號的。 c. 畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達了系統(tǒng)中全部動作的相互關系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對簡易編程器，則往往要經(jīng)過下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過程。 d. 助記符機器程序 相當于微機的助記符程序，是面向機器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡易編程器時，應將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。 e. 編制程序 即檢查程序中每條語法錯誤，若有則修改。這項工作在編程器上進行。 f. 調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求,可以在編程器上修改。程序設計(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進行。如IBM-PC機，只要這個機器配有相應的軟件。 g. 保存程序 調(diào)試通過的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。 6.3機械手可編程序控制器控制方案 6.3.1控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 a. 控制對象為圓柱座標液動機械手。它的手臂具有三個自由度，即水平方向的伸、縮；豎直方向的上、下；繞豎直軸的順時針方向旋轉(zhuǎn)及逆時針方向旋轉(zhuǎn)。另外，其末端執(zhí)行裝置—機械手，還可完成抓、放功能。以上各動作均采用液動方式驅(qū)動，即用五個二位五通電磁閥(每個閥有兩個線圈，對應兩個相反動作)分別控制五個液壓缸，使機械手完成伸、縮、上、下、旋轉(zhuǎn)及機械手抓放動作。其中旋轉(zhuǎn)運動用一組齒輪齒條，使液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動。這樣，可用PLC的8個輸出端與電磁閥的8個線圈相連，通過編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵，從而使機械手按預先安排的動作序列工作.如果欲改變機械手的動作，不需改變接線，只需將程序中動作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個動作末端均放置一限位開關，以檢測動作是否到位，如果某動作沒有到位，則出錯指示燈亮。 b. 控制要求 為了滿足生產(chǎn)需要，機械手應設置手動工作方式、單動工作方式和自動工作方式。 (1) 手動工作方式 便于對設備進行調(diào)整和檢修，設置手動工作方式。用按鈕對機械手每一動作單獨進行控制。 (2) 單動工作方式 從原點開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按下一次起動按鈕，機械手完成一步的工作后，自動停止。 (3) 自動工作方式 按下起動按鈕，機械手從原點開始，按工序自動反復連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，機械手在完成最后一個周期的動作后，返回原點自動停機。 結 論 畢業(yè)設計是大學四年所學知識的一個考察,它兼顧了四年中所學的基礎和專業(yè)知識,因此不同于以前的課程設計,畢業(yè)設計是課程設計一個質(zhì)的飛越.認識到這點,我對待畢業(yè)設計的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認真謹慎的學習態(tài)度。 在接到畢業(yè)設計課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設計都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設計就不同了，它是一個綜合設計，很多資料，數(shù)據(jù)都需要自己通過各種途徑搜集得到。 在本次設計中，要用到許多基礎理論，由于有些知識已經(jīng)遺忘，這使我們要重新溫習知識，因此設計之前就對大學里面所涉及到的有關該課題的課程認真的復習了一遍，開始對本課題的設計任務有了大致的了解，并也有了設計的感覺。同時，由于設計的需要，要查閱并收集大量關于機械制造方面的文獻，進而對這些文獻進行分析和總結，這些都提高了我們對于專業(yè)知識的綜合運用能力和分析解決實際問題的能力。通過本次設計還使我更深切地感受到了團隊的力量，在與同學們的討論中發(fā)現(xiàn)問題并及時解決問題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調(diào)能力得到了提高，團隊合作精神也得到了增強?？梢哉f，畢業(yè)設計體現(xiàn)了我們大學四年所學的大部分知識，也檢驗了我們的綜合素質(zhì)和實際能力。同時也跨出了我的工程師之路的第一步。 致 謝 為期三個多月的畢業(yè)設計就要結束了，我也順利的完成了我的課題設計，在此之際我要衷心的感謝在設計過程中一直幫助我支持我的老師。 我要感謝指導老師，老師在整個設計過程中對我的影響很大，設計過程中的很多個難點都是在老師的悉心指導下才克服的。還有老師為人熱心、和藹、負責、治學嚴謹細心也是我在整個設計過程中感受最深的。也因為這樣，和老師之間存在著師生心理障礙一下全無，我也就大膽的有問題就問，有想法就提，這也使得我能更多的發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，并解決問題。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的專業(yè)知識，誨人不倦教學精神，在學術上和為人上都是我們的楷模和榜樣。同時我還要感謝跟我一起參與設計的同學，雖然我們課題不同，但是都能在討論中發(fā)現(xiàn)各自的問題，并互相提出解決的方法，設計能夠順利完成，也因為他們的幫助。 結束代表著新的開始，新的征程，本次的畢業(yè)設計將會成為我今后工作，學習生活中的一份堅實的基礎和保證。從中吸取的經(jīng)驗教訓也將成為我們在今后生活道路上的一筆財富，挫折永遠是前進道路上所必須面對的，相信我們的未來會走的更好，也可以讓我們大學的老師放心。真心的感謝在大學幫助過我的老師和同學們，再次感謝你們！ 最后，衷心感謝于百忙之中評閱論文的各位老師、專家、教授！ 謝謝！ 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 參考文獻 [1] 姚志良. 工業(yè)機械手淺談（二）[J]. 組合機床與自定化技術. 1977，(03) ：6- 9. 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