1
芯模搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)為三個(gè)自由度的棒料搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)棒料為固定尺寸的芯模。機(jī)械手整體由控制部分和機(jī)械系統(tǒng)部分組成，設(shè)計(jì)中包括了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)、手臂可以在水平方線伸縮、氣爪張開與閉合。使用plc來(lái)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓整個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)正常工作。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手基于減少減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高其經(jīng)濟(jì)型。在一些比較惡劣的工作條件下可用本機(jī)械手代替工人勞動(dòng)。
本課題運(yùn)用專業(yè)所學(xué)習(xí)的知識(shí)，來(lái)進(jìn)行機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算校核來(lái)進(jìn)行零件的選擇，最后進(jìn)行機(jī)械手的plc系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出裝配圖和零件圖圖以及裝配圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，手臂伸縮，氣爪張開閉合，PLC控制系統(tǒng)
II
棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
ABSTRACT
窗體頂端
The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 °, the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.
This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.
Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system
1
棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
目 錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2文獻(xiàn)綜述（目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)） 1
2.機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1研究?jī)?nèi)容 6
2.2研究方案 6
3.機(jī)械手本體設(shè)計(jì) 9
3.1機(jī)械手氣爪的設(shè)計(jì) 9
3.2伸縮手臂的氣缸設(shè)計(jì) 12
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計(jì)算 13
4.機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì) 15
4.1電機(jī)的類型與特點(diǎn) 15
4.2滾珠絲杠的電機(jī)選擇 16
4.3旋轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)選擇 19
5.機(jī)械手的控制設(shè)計(jì) 21
5.1電控的選擇與優(yōu)點(diǎn) 21
5.2機(jī)械手的工作流程 23
5.3控制面板按鍵分布圖 24
5.4 I/O口分配 25
5.5氣壓接線圖 26
5.6PLC梯形圖 27
6.結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
1
芯模搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)為三個(gè)自由度的棒料搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)棒料為固定尺寸的芯模。機(jī)械手整體由控制部分和機(jī)械系統(tǒng)部分組成，設(shè)計(jì)中包括了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)、手臂可以在水平方線伸縮、氣爪張開與閉合。使用plc來(lái)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓整個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)正常工作。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手基于減少減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高其經(jīng)濟(jì)型。在一些比較惡劣的工作條件下可用本機(jī)械手代替工人勞動(dòng)。
本課題運(yùn)用專業(yè)所學(xué)習(xí)的知識(shí)，來(lái)進(jìn)行機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算校核來(lái)進(jìn)行零件的選擇，最后進(jìn)行機(jī)械手的plc系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出裝配圖和零件圖圖以及裝配圖。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，手臂伸縮，氣爪張開閉合，PLC控制系統(tǒng)
III
棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
ABSTRACT
窗體頂端
The design for the three degrees of freedom manipulator rod materials handling, handling bar fixed size mandrel. Robot overall by the control section and the mechanical system components, including the design of the rotating platform can be rotated 180 °, the arm can stretch in the horizontal line, gripper opening and closing. Use plc to control the drive system, so that the implementation of the system work. The design of the robot based on the reduction reduce labor intensity and improve its economy. In some relatively poor working conditions of the robot can be used in place of labor.
This paper learned to use professional knowledge to carry out the overall design of the robot, by calculating the check to select a part of the final design of the plc manipulator systems and drive systems. Finally, draw the assembly diagram and parts diagram and assembly drawings based on the calculation result.
Keywords: robot, telescopic arm, gripper opening is closed, PLC control system
目 錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2文獻(xiàn)綜述（目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)） 1
2.機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 6
2.1研究?jī)?nèi)容 6
2.2研究方案 6
3.機(jī)械手本體設(shè)計(jì) 9
3.1機(jī)械手氣爪的設(shè)計(jì) 9
3.2伸縮手臂的氣缸設(shè)計(jì) 12
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計(jì)算 13
4.機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì) 15
4.1電機(jī)的類型與特點(diǎn) 15
4.2滾珠絲杠的電機(jī)選擇 16
4.3旋轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)選擇 19
5.機(jī)械手的控制設(shè)計(jì) 21
5.1電控的選擇與優(yōu)點(diǎn) 21
5.2機(jī)械手的工作流程 23
5.3控制面板按鍵分布圖 24
5.4 I/O口分配 25
5.5氣壓接線圖 26
5.6PLC梯形圖 27
6.結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
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棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)
1.緒論
1.1選題背景及其意義
本課題所涉及的機(jī)械手是以芯模的搬運(yùn)為核心。以機(jī)器取代人工來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)重復(fù)的工作。設(shè)計(jì)棒料搬運(yùn)機(jī)械手能夠減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度節(jié)省大量的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率以及自動(dòng)化水平，同樣也就提高了經(jīng)濟(jì)效益。相對(duì)于雇傭工人來(lái)說(shuō)，機(jī)械手更安全更能保證產(chǎn)品質(zhì)量，有著非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。
1.1.1課題目的和意義
在機(jī)電一體化的領(lǐng)域中機(jī)械手是一種典型的代表，設(shè)計(jì)機(jī)械手能夠充分應(yīng)用機(jī)電專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)有著很好的促進(jìn)效果。與此同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械手作為自動(dòng)化的代表占據(jù)著重要的地位，可以將其作為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具備著其他設(shè)備不具有的優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)榇蟛糠钟糜诮虒W(xué)的機(jī)械手價(jià)值比較昂貴，針對(duì)性很低，有著很強(qiáng)的局限性，很難做到對(duì)學(xué)生全面開放，所以學(xué)生能夠真正解除學(xué)習(xí)到機(jī)械手的機(jī)會(huì)并不多。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手能夠在工業(yè)自動(dòng)化中起到重要作用，三自由度棒料搬運(yùn)機(jī)械手經(jīng)濟(jì)性好，易于維修，還能在課堂上作為教學(xué)，讓學(xué)生充分了解學(xué)習(xí)機(jī)械手一些特點(diǎn)，運(yùn)作方式，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等等，所以設(shè)計(jì)這種機(jī)械手對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是大有裨益的。
本課題中的棒料搬運(yùn)機(jī)械手涉及到了多門課程的很多知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)，其中包括plc控制、機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)控制、氣動(dòng)等等。
1.2文獻(xiàn)綜述（目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)）
當(dāng)人們逐漸認(rèn)識(shí)到了機(jī)械手眾多的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械手得到了快速的發(fā)展:第一、它能部分代替工人進(jìn)行操作，第二、它能夠按照生產(chǎn)工藝所進(jìn)行的要求，遵循制定的程序以及時(shí)間相關(guān)位置來(lái)完成工件的傳輸和裝卸?？梢宰尮と说膭趧?dòng)環(huán)境得到改善，從而提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化化的進(jìn)程。機(jī)械手的發(fā)明創(chuàng)造對(duì)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)就是一場(chǎng)風(fēng)暴，有著巨大的促進(jìn)作用，大大加快了人類生產(chǎn)自動(dòng)化的步伐，與此同時(shí)野促進(jìn)了人類科學(xué)的快速發(fā)展。
隨著機(jī)械手的大范圍制造使得工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展迅速，人們對(duì)于精準(zhǔn)、高效、靈活、等方面的追求很高了，又的機(jī)械手還具有簡(jiǎn)單的半自我意識(shí)，能夠簡(jiǎn)單的完成一些活動(dòng)
(1) 執(zhí)行器
機(jī)器人本身是常用于空間開鏈臂連桿機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)或棱柱形）通常被稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的數(shù)量通常是多自由度機(jī)器人。根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)類型和不同形式的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于擬人的考慮，腰部，手臂，手腕，手（夾持器或端部執(zhí)行器）等在機(jī)器人主體中的相關(guān)部分通常被稱為基部。
窗體底端
(2)驅(qū)動(dòng)器
窗體頂端
控制系統(tǒng)首先發(fā)出信號(hào)命令，機(jī)然后械手臂接收命令后由驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分。機(jī)械手的主要驅(qū)動(dòng)裝置為電力驅(qū)動(dòng)，比如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等.
窗體底端
(3)檢測(cè)機(jī)構(gòu)
檢測(cè)裝置起到保證機(jī)器人的工作狀態(tài)能夠按照開始設(shè)定的工序要求進(jìn)行運(yùn)作的作用，當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行工作時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)周圍外部環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)在進(jìn)行更改調(diào)整。傳感器分為內(nèi)外兩種，前者在機(jī)器人工作時(shí)，能夠測(cè)量機(jī)器人的的內(nèi)部環(huán)境，然后將得到的信號(hào)快速的傳入控制器上面。后者是檢測(cè)機(jī)械手的外部條件以便于在不同外部環(huán)境下可以不斷變化，進(jìn)行多樣的外部行動(dòng)，提高自身更高的自動(dòng)化水平，同時(shí)提高機(jī)械手工作的精度與效率。
(4)控制系統(tǒng)
窗體頂端
計(jì)算機(jī)對(duì)所有的機(jī)械手進(jìn)行的控制成為集體控制。另一個(gè)是蔓延水平方向上的控制，可以用多臺(tái)電腦實(shí)現(xiàn)共享，如在使用接下來(lái)的兩個(gè)共同來(lái)完成機(jī)器人控制計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人，以較低的計(jì)算機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，反饋信息到主機(jī)發(fā)送消息作為從站的從屬命令，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的CPU，插值計(jì)算和伺服控制過(guò)程。根據(jù)不同要求，機(jī)器人分為方向控制、軌道控制以及以及點(diǎn)位控制三種模式控制。
窗體底端
。
1.2.1機(jī)械手的運(yùn)用
近幾年來(lái)，機(jī)械手作為一個(gè)新興行業(yè)發(fā)展日新月異，是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的經(jīng)典代表，在工業(yè)生產(chǎn)中擔(dān)負(fù)著重要的作用。在搬運(yùn)、、焊接、、噴漆、等各個(gè)行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在、高溫、危險(xiǎn)、放射性、粉塵較多等惡劣的勞動(dòng)條件下，人工是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能跟機(jī)械手進(jìn)行比較的。
在現(xiàn)在所擁有的生產(chǎn)線上，都將有一步工序是將準(zhǔn)備好的或安裝好的材料或工件放置在所需要的位置，由于生產(chǎn)規(guī)模月越來(lái)越大，人工勞力，不僅成本高，而且效率低，現(xiàn)在完全可以把工作交給機(jī)械手來(lái)搬送這些工件即可。
圖1-1.機(jī)械手模型
如圖1-1所示，大臂上的電機(jī)工作，關(guān)節(jié)1進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；小臂上的電機(jī)工作帶動(dòng)鋼帶進(jìn)行工；鋼帶動(dòng)作進(jìn)一步帶動(dòng)關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)3上面的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手腕進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。這些關(guān)節(jié)統(tǒng)一運(yùn)作，完成工作。
1.2.2機(jī)械手的發(fā)展
上世紀(jì)五六十年代，機(jī)械手問(wèn)世，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了機(jī)械手對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)的意義，機(jī)械手獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，如今，機(jī)械手對(duì)于機(jī)械生產(chǎn)自動(dòng)化有著舉足輕重的作用。目前，正式大規(guī)模使用的很大部分機(jī)械手都是第一代機(jī)械手，也就是程序控制機(jī)械手。第一類機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有感覺器官，對(duì)于現(xiàn)在社會(huì)來(lái)看就是傻子機(jī)器，只會(huì)完成固定的工作，不能有絲毫的改變不會(huì)對(duì)外部環(huán)境的改變發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)、程序都很簡(jiǎn)單，但是它畢竟是第一類機(jī)械手，已經(jīng)在很多行業(yè)有了廣泛應(yīng)用，對(duì)今后機(jī)械手的發(fā)展有著長(zhǎng)足的作用。這類機(jī)械手大多數(shù)采用接觸傳感器這一類的簡(jiǎn)單的傳輸感應(yīng)裝置以及相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性算法，在我們看來(lái)，這類機(jī)械手已經(jīng)有了簡(jiǎn)單的智能，能夠稍微對(duì)外部環(huán)境做出應(yīng)答，對(duì)比與第一類機(jī)械手，是一個(gè)重大的突破。知道現(xiàn)在，機(jī)械手幾十年的發(fā)展，第三代機(jī)械手已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，不僅擁有第一第二類機(jī)械手的能力，可以對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行感知，并且可以對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行簡(jiǎn)單準(zhǔn)確處理，對(duì)自身行為做出自主決定能力的高智能化機(jī)械手。真正的模擬人類，有著跟人類一樣的嗅覺、視覺等等，甚至有著不亞于人類的智能，他們可以更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)專業(yè)的知識(shí)，相對(duì)于人類 ，在記憶方面，有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類。
機(jī)器手的研究一直都是將其類比于人類，在人類歷史上，中國(guó)三國(guó)時(shí)代的木牛流馬就是早先的機(jī)器人，在近代工業(yè)發(fā)展中，機(jī)械手起到了中流砥柱的作用。
機(jī)械手的開發(fā)，從一開始就是為了代替人類去才完成一些比較危險(xiǎn)或者比較有害的工作，但是隨著時(shí)間的推移，機(jī)械手已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了開始發(fā)展，在眾多的領(lǐng)域機(jī)械手都有了應(yīng)用，可謂發(fā)展前景十分光明。
作為機(jī)電一體的產(chǎn)品，機(jī)械手大大提高了生產(chǎn)的效率，做到了很多人工難以做到事情，能夠精準(zhǔn)，穩(wěn)定的完成各種任務(wù)，解放了勞動(dòng)力，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，未來(lái)機(jī)械手的發(fā)展勢(shì)不可擋。
機(jī)械手有著剛性的身體，但是程序靈活，可以有著很多的改變，有著更多的定位，機(jī)械手還有著很快的速度，更有力的機(jī)械臂，更穩(wěn)定的控制。機(jī)械手正不斷改變我們的社會(huì)以及我們的生活。
當(dāng)代機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)不僅僅滿足智能系統(tǒng)，而是更看重人類與機(jī)器人的交流，能夠進(jìn)行人機(jī)交互，是的智能機(jī)器人能夠早日進(jìn)入社會(huì)，進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)曾經(jīng)發(fā)射到火星上進(jìn)行探索的機(jī)器人索杰納就是一個(gè)著名的案例。
我國(guó)的機(jī)器人起步比較晚，直到80年代左右才開始進(jìn)入起步階段，在國(guó)家75、85科技攻關(guān)支持下，取得了很大成就?；菊莆樟藱C(jī)器人制造所需要的技術(shù)以及智能方面設(shè)計(jì)的能力，能夠獨(dú)立生產(chǎn)機(jī)器人大多部件，開發(fā)了人很多種類的機(jī)器人，在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)方面有了大規(guī)模的應(yīng)用，但是因?yàn)槲覈?guó)機(jī)器人發(fā)展起步晚，跟國(guó)外相比較還有著較大的差距，無(wú)論是在機(jī)器人零件的生產(chǎn)上還是智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上都差距明顯，在工業(yè)上的應(yīng)用更是只占據(jù)很小的一部分我國(guó)的機(jī)器人設(shè)計(jì)比較單一，都是有了需要在進(jìn)行設(shè)計(jì)，太單一，通用性很低，這大大浪費(fèi)資源，阻礙了機(jī)器人的發(fā)展，而且生產(chǎn)成本高穩(wěn)定性地，不可靠。因此，目前就應(yīng)該對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整體規(guī)劃，更好的推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。在我國(guó)863計(jì)劃支持下，智能機(jī)器人的發(fā)展獲得了不小的進(jìn)步，6000m水下機(jī)器人名列世界前茅，還開爬壁、管道機(jī)器人等等在機(jī)器人感官發(fā)展上有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。目前與國(guó)外發(fā)展水平差距過(guò)大，需要在來(lái)原來(lái)的寄出了繼續(xù)大力發(fā)展，期待我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展早日進(jìn)入世界一流行業(yè)。
在國(guó)外方面,機(jī)械第一出現(xiàn)在人們的視野中是在上世紀(jì)五六十年代的美國(guó)，剛開始的機(jī)械手是用來(lái)搬運(yùn)放射性等危險(xiǎn)性較高的材料，自動(dòng)化程度很低，再后來(lái)機(jī)械手得到了發(fā)展，在更多的不同的惡劣環(huán)境中應(yīng)用越來(lái)越多，在一些機(jī)械化的機(jī)床上也得到了更多的應(yīng)用，這個(gè)時(shí)候的機(jī)械手比較簡(jiǎn)單，只有有著簡(jiǎn)單的控制邏輯。60年代第一臺(tái)意義上的工業(yè)機(jī)械手出現(xiàn)，隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步機(jī)械手也得到了迅速的發(fā)展。進(jìn)入70年代，機(jī)械手得到了大量的生產(chǎn)，在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，商品化程度越來(lái)越高，在工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械手的應(yīng)用越來(lái)越廣泛進(jìn)。入90年代傳統(tǒng)的機(jī)械手已經(jīng)不能滿足社會(huì)的需求，一些復(fù)雜的工作環(huán)境以及操作需要智能更高的機(jī)械手，于是，機(jī)械手的智能系統(tǒng)獲得了大力發(fā)展，智能機(jī)械手能根據(jù)周邊環(huán)境進(jìn)行反饋然后改變工作狀態(tài)，具有擬人的感官等等，國(guó)外的機(jī)械手智能化的水平越來(lái)越高。
機(jī)械手臂是機(jī)械手最直觀參與工作的部分，根據(jù)機(jī)械手手臂的不同來(lái)進(jìn)對(duì)機(jī)械手的類型進(jìn)行分類，根據(jù)坐標(biāo)形式來(lái)劃分的話大概可以分為4種:(1)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(3)多關(guān)節(jié)型機(jī)械手;(4)球坐標(biāo)型機(jī)機(jī)械手。下圖1-2是機(jī)械手搬送物品的簡(jiǎn)單示意圖，圖中將工件從A運(yùn)到B就是機(jī)械手的任務(wù)。
圖1-2.示意圖
1.2.3可編程控制器（P L C）氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展與運(yùn)用
用PLC來(lái)控制機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)裝置為氣缸，通過(guò)PLC來(lái)進(jìn)行控制比較穩(wěn)定，具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如精、，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在國(guó)內(nèi)很多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
2.機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
2.1研究?jī)?nèi)容
該課題棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)棒料的搬運(yùn)，主要完成的動(dòng)作有上升、下降、伸縮、順/逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、手爪張開、手爪抓緊等。從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：
1.棒料搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械部分，包括執(zhí)行系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算與校核來(lái)完成相應(yīng)部件的選擇與設(shè)計(jì)。
2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制執(zhí)行系統(tǒng)工作。
2.2研究方案
2.2.1總體方案設(shè)計(jì)
棒料搬運(yùn)機(jī)械手基本要求能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的搬運(yùn)棒料，同時(shí)兼具效率與安全。機(jī)械手能夠快速反應(yīng)，運(yùn)行安全，足夠的自由度，精準(zhǔn)的動(dòng)作到位。
棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì):根據(jù)機(jī)械手實(shí)際工作狀況，設(shè)計(jì)正確的工作工序和操作流程，并且能滿足需求，完成任務(wù);工件的尺寸材料都已經(jīng)確定，定位精度要求，以及在工作當(dāng)中的各部件的受力情況、尺寸和各種參數(shù)等，以此來(lái)更進(jìn)一步的確定機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制;盡可能多的去選擇標(biāo)準(zhǔn)組件，盡可能簡(jiǎn)單化機(jī)械手設(shè)計(jì)的過(guò)程，但是也要照顧到它的通用性和經(jīng)濟(jì)性。
1. 旋轉(zhuǎn)裝置2.垂直升降絲杠3.橫移絲杠4.夾緊氣缸5.手抓6.基座
圖2-1.棒料搬運(yùn)機(jī)械手總示意簡(jiǎn)圖
如圖2-1所示為機(jī)械手的工作行程:首先氣缸3工作伸出機(jī)械手臂，然后夾緊氣缸4工作氣爪5從平臺(tái)上抓取芯模，氣缸3工作收縮機(jī)械手臂，步進(jìn)電機(jī)2工作，手臂上升到一定高度，由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)體旋轉(zhuǎn)，橫移氣缸3伸出到一定位置，然后夾緊氣缸4工作氣爪5放松，物體被放置在正確位置，收縮旋轉(zhuǎn)手臂后再作垂直下降，最后棒料搬運(yùn)機(jī)械手復(fù)位。
2.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
按照初始設(shè)計(jì)方案，為了滿足機(jī)械手的通用性，機(jī)械手爪是為了抓取芯模，所以決定采用V型指夾鉗式。如下圖2-2所示：
1.傳動(dòng)部分2.支架3.手指4.芯模
圖2-2.棒料搬運(yùn)機(jī)械手手爪
（2）機(jī)械手的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
絲桿連接在步進(jìn)電機(jī)上面，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械手臂的升降。絲桿螺母副安裝在機(jī)械手臂上，從而驅(qū)動(dòng)手臂的升降。絲杠傳動(dòng)有很多優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定，自鎖，經(jīng)濟(jì)。
（3） 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)
通過(guò)底部的步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖2-3所示。步進(jìn)電機(jī)價(jià)格比較低，而且運(yùn)行基本不會(huì)出錯(cuò)，很穩(wěn)定，維修也很方便，通過(guò)計(jì)算就可以得到要選取的電機(jī)類型。
1.電動(dòng)機(jī)2.軸承3.軸承套4.旋轉(zhuǎn)部件5.固定電機(jī)基座
圖2-3.棒料搬運(yùn)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
（4） 機(jī)械手的控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)
使用PLC控制機(jī)械手，控制穩(wěn)定，精確，可靠性也很高，同時(shí)降低成本具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)械手工作流程圖如下2-4所示。
圖2-4.機(jī)械手循環(huán)工作過(guò)圖
3.機(jī)械手本體設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械手氣爪的設(shè)計(jì)
棒料搬運(yùn)機(jī)械手最直接參與棒料的搬運(yùn)結(jié)構(gòu)就是氣爪，所以氣爪是一個(gè)很重要的部件，一個(gè)優(yōu)秀的氣爪要能夠快速、安全的抓取棒料。
在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要注意的點(diǎn)：
（1）能否有足夠的夾緊力，工件質(zhì)量以及在運(yùn)送過(guò)程中的動(dòng)載荷也要計(jì)算到。
（2）機(jī)械手氣爪的工作范圍是否足夠，手爪在抓取工作的過(guò)程中對(duì)工作環(huán)境的影響。
（3）機(jī)械手爪能否準(zhǔn)備無(wú)誤的到位。
（4）是否有緊湊的結(jié)構(gòu)以利于手臂的設(shè)計(jì)。
3.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手爪有著各種不同的類型，有些直接參與工作，有的需要抓取一些工具。一般直接參與的機(jī)械手部分，比如氣爪，采用了一種擬人的方式，跟人們的手非常的相似。因?yàn)樽ト」ぜ诓煌ぷ鳁l件下有很多不同的外形、尺寸、狀態(tài)等等，所以機(jī)械手氣爪的樣子是多種多樣的，有下列分類：
（1） 夾鉗式取料手；
（2） 吸附式取料手；
（3） 操作器及轉(zhuǎn)換器；
（4） 仿生多指靈巧手。
（1）夾鉗式取料手
夾鉗式取料手的手部很像人手，在國(guó)內(nèi)眾多行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。，該氣爪抓取物體是通過(guò)手爪的張開與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
（2）吸附式取料手
該吸附式取料手可以分為氣吸附以及磁吸附，將一個(gè)工件的平面作為目標(biāo)進(jìn)行抓取，該機(jī)械手適用于有較大平面的工件，有著廣泛的應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手選擇夾鉗式取料手,如下圖3-1所示。采用滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型的抓取方式。
1. 工件2.手指3.鉸銷4.圓柱銷5.驅(qū)動(dòng)桿
圖3-1.機(jī)械手爪
3.1.2夾緊力的計(jì)算
夾緊力大小要適度，太小了則在夾持工件時(shí)容易松動(dòng)，容易發(fā)生安全事故等力度，太大了會(huì)讓工件變形損壞等。
在正常工作中，涉及到夾緊力方面時(shí)再由工人進(jìn)行操作時(shí)，是不需要對(duì)設(shè)備的夾緊力進(jìn)項(xiàng)精確計(jì)算的，但是本課題中夾緊力是由氣缸提供的，所以要計(jì)算夾緊力的大小，根據(jù)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果來(lái)確定氣缸的壁厚以及大小等。
在本課題中對(duì)夾緊力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要計(jì)算工件的重量，還有考慮到摩擦力，重力等等外在力。
夾緊力有三個(gè)三要素，分別去確定他們是一個(gè)包含很多方面的問(wèn)題。
手爪對(duì)于工件重力為M1=8KG，工件最中心部位到圓柱銷的距離S=5cm。
(3-1)
式中K1是安全系數(shù)，常取1.2～2.0
K2取1
g取9.8
代入公式3-1中，得
驅(qū)動(dòng)桿的力是F，3-2為手指的受力圖。
圖3-2.機(jī)械手指受力圖
3.1.3手爪夾緊氣缸設(shè)計(jì)
通過(guò)夾緊氣缸工作來(lái)對(duì)機(jī)械手指的夾緊和放開進(jìn)行控制。氣缸伸長(zhǎng)時(shí)氣爪張開，氣缸收縮時(shí)氣爪夾緊。
氣缸內(nèi)徑D的計(jì)算
公式如下：
D≥（3-2）
作用力F驅(qū)動(dòng)力=67.9 N，
系統(tǒng)的壓力P=0.4 MPa
代入公式3-2
D≥
≈15（mm）
根據(jù)設(shè)計(jì)需要，把上述計(jì)算的D值增大20%，再調(diào)整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。
升降氣缸D=15+15×20%
=18（mm）
氣缸行程選取L=15 mm
表3.1氣缸筒的壁厚
氣缸直徑D/mm
鑄鐵HT150
45鋼，Q235
鋁合金ZL203
50
7
5
8~12
80
8
7
100
10
8
12~14
125
10
8
160
12
9
200
14
9
14~17
250
16
11
320
16
12
查表得3.1氣缸壁厚取8 mm。
3.2伸縮手臂的氣缸設(shè)計(jì)
已知，工件重量M1=8kg，估算得到氣爪重量M2=4kg。
氣缸內(nèi)徑D計(jì)算
公式如下所示：
D≥（3-2）
其中作用力F驅(qū)動(dòng)力=(8+4)x9.8x0.8=94.08 N，
系統(tǒng)壓力P=0.4 MPa
代入公式3-2
D≥
≈17（mm）
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，將上述計(jì)算的D值再增加20%，再調(diào)整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。
伸縮氣缸D=17+17×20%
=20（mm）
氣缸行程取L=80 mm
查表3.1得到氣缸壁厚取7 mm。
3.3滾珠絲杠螺母副的選型以及計(jì)算
滾珠絲杠副是一種很巧妙地設(shè)計(jì)，它可以將直線運(yùn)動(dòng)變成曲線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或者相反將曲線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)的形式。
滾珠絲杠副傳送效率比較高、經(jīng)濟(jì)性好、使用壽命長(zhǎng)等特性，在工業(yè)設(shè)備、精密儀器以及數(shù)控機(jī)床等方面都有著廣泛的應(yīng)用。滾珠絲杠副有專門的工廠進(jìn)行制造，通過(guò)計(jì)算選定型號(hào)后，可以直接購(gòu)買或者定制。
滾珠絲杠副使用需要注意的事項(xiàng)
1、滾珠絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)是具有有效行程，為了避免發(fā)生意外，需要在兩端安裝限位開關(guān)。
2.、滾珠絲杠副不能自鎖，所以在使用時(shí)要防止其突然停止工作，產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?dòng)。
滾珠絲杠副的計(jì)算
（1） 最大工作載荷的計(jì)算
工作臺(tái)在上升下降時(shí)（與絲杠垂直）時(shí)受到=G氣缸+G氣爪+G工件+G工作臺(tái)
估算：G氣缸=60N，G工作臺(tái)=190N,G氣爪=40N
已知：G工件=78.4N
則部件重量G總=368.4N按照導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算
查表后3-29，取顛覆力矩
影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦因數(shù)μ=0.005。
求滾珠絲杠副的最大工作載荷：
（2） 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
工作臺(tái)上下升降時(shí)速度v=20mm/s，初次選絲杠導(dǎo)程=5mm，則此時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速
取滾珠絲杠的工作壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù)（單位為：）。
查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入上式求得最大動(dòng)載荷大小為：
（3） 初選型號(hào)
根據(jù)計(jì)算得到的最大動(dòng)載荷和開始選的絲杠桿導(dǎo)程，查表3-31，選取GD系列2005-3型滾珠絲杠副，名稱為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其導(dǎo)程為5mm，公稱直徑為20mm，精度等級(jí)取5級(jí)，循環(huán)滾珠為3圈x 2列，額定動(dòng)載荷9309N，大于，符合要求。
（4） 傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑，導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入，得傳動(dòng)效率。
4.機(jī)械手傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4.1電機(jī)的類型與特點(diǎn)
電動(dòng)機(jī)的種類有很多，可謂是五花八門。我們選取電動(dòng)機(jī)首先要考慮能不能滿足設(shè)計(jì)所需要求，這是原則性的一點(diǎn)，再然后電動(dòng)機(jī)的性能方面的好壞，是否滿足經(jīng)濟(jì)性，維修是否方便，購(gòu)買方面是否方面等等問(wèn)題都要考慮到。
(1)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)。在三相籠型異步電動(dòng)機(jī)中電源采所用的是應(yīng)用最為普遍的電源——三相交流電源。該電機(jī)購(gòu)買方便，很多廠家都可以買到，并且價(jià)格低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，維修起來(lái)也很方便。缺點(diǎn)就是啟動(dòng)以及調(diào)速性能較差。所以，在不太要求調(diào)速和啟動(dòng)性能要求不是很高的一些場(chǎng)合，比如各種機(jī)床、水泵、通風(fēng)機(jī)等部分機(jī)械上應(yīng)優(yōu)先選用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)；對(duì)于一些要求大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械，比如一些紡織機(jī)械、空氣壓縮機(jī)、傳送機(jī)等，就可以選擇具有比較高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)；三相籠型異步電動(dòng)機(jī)還適合于需要有級(jí)調(diào)速的一些生產(chǎn)設(shè)備。
(2)三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)適用于生產(chǎn)機(jī)械對(duì)于調(diào)速有一定要求的生產(chǎn)機(jī)械上面，比如一些起重機(jī)而且大多使用轉(zhuǎn)子串接電阻，因?yàn)樵撾姍C(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)次數(shù)比較多。調(diào)速范圍是有限的，使用晶閘管串級(jí)進(jìn)行調(diào)速，擴(kuò)大了繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的工作范圍，比如水泵、風(fēng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速。
(3)三相同步電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)大多數(shù)在一些空氣壓縮機(jī)，大型水泵設(shè)備上使用，因?yàn)檫@些設(shè)備都需要比較大的功率該電機(jī)還可以保持恒定的轉(zhuǎn)速。
(4)直流電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能比較好，可以很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，而且調(diào)速的范圍廣、精確度高，所以，對(duì)于要求在比較大的范圍內(nèi)平滑調(diào)速以及需要準(zhǔn)確的位置控制的生產(chǎn)機(jī)械，比如一些要求高精度的機(jī)床或者機(jī)械上面近年來(lái)，在一些大功率的生產(chǎn)機(jī)械上，廣泛的采用晶閘管勵(lì)磁的直流發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組或晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)組。
電氣驅(qū)動(dòng)同時(shí)還需考慮采用伺服驅(qū)動(dòng)器。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服器分類如下：
（1）直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器
脈沖寬度調(diào)制伺服驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前大多數(shù)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。電流內(nèi)環(huán)以及速度外環(huán)構(gòu)成了該伺服驅(qū)動(dòng)器三極管是一種開關(guān)元件，想要改變加在電機(jī)上的電壓，只需要改變它的脈沖的數(shù)值就可以對(duì)電路進(jìn)行控制就可以改變脈沖寬度。末級(jí)一般采用采用大功率三極管構(gòu)成橋式開關(guān)電路。
P W M伺服驅(qū)動(dòng)器具有很多優(yōu)點(diǎn)比如調(diào)速范圍寬、低速特性好，響應(yīng)快、精確度高、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等。在一些精密機(jī)床，機(jī)器人等產(chǎn)品的的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)都是它參與在其中。
（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器以及功率放大器等幾部分組成步進(jìn)電機(jī)的控制裝置。
脈沖發(fā)生器控制電機(jī)靠的是改變頻率只需要簡(jiǎn)單地進(jìn)行速度的控制就可以了環(huán)形分配器控制繞組一組一組的通過(guò)，保持設(shè)定的次序。它的主要作用是把脈沖發(fā)生器傳輸來(lái)的的信號(hào)按規(guī)定的循環(huán)規(guī)律分配給各繞組，以此能夠讓使步進(jìn)電機(jī)按著一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)我們需要設(shè)計(jì)的機(jī)械進(jìn)行短暫高頻率的工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)是很適合的可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制不需要反饋。伺服電機(jī)價(jià)格過(guò)高，不符合經(jīng)濟(jì)性所以排除。推薦選擇步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)配合驅(qū)動(dòng)器使用，很多驅(qū)動(dòng)器都能夠支持細(xì)分功能，控制更加精確。
由上述可以知道步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人有著很多無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、控制精準(zhǔn)誤差小。相對(duì)來(lái)說(shuō)體積較小自重較輕，可以完成比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。
所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是本設(shè)計(jì)將要選擇的電動(dòng)機(jī)類型。
4.2滾珠絲杠的電機(jī)選擇
（1） 計(jì)算軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
由于已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程=5mm，選用材料密度；移動(dòng)部件總重力G=368.4N。
如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的動(dòng)慣量如下：
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
聯(lián)軸器
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為55BF009，從表4-5查的該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的存在的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（2） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
可分為所能承受最大載荷以及空載啟動(dòng)兩種情況來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
①當(dāng)空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式，可知，包括三個(gè)部分：一部分是當(dāng)電機(jī)空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)中心軸上的最大加速度轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)中心轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)緊后相對(duì)于到電動(dòng)機(jī)中心轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)閭鲃?dòng)效率很高，相對(duì)于和比較小，則忽略不計(jì)。則有：
（4-1）
因?yàn)閭鲃?dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)中心轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
（4-2）
式中——對(duì)應(yīng)空載最快運(yùn)動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，單位為；
——步進(jìn)電機(jī)從靜止不動(dòng)到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，單位為s。
其中：
（4-3）
式中——空載最快移動(dòng)速度，且任務(wù)書上面要求為；
———步進(jìn)電機(jī)步距角，已經(jīng)預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.9°；
———脈沖當(dāng)量，。
代入式子（4-3），算得。
假設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止不動(dòng)到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。則由式（4-2）求得：
由式可知，部件工作時(shí)，相對(duì)于到電動(dòng)機(jī)中心軸上面的摩擦轉(zhuǎn)矩為：
（4-4）
式中———摩擦因數(shù)，??；
——物體總重量不包括工件，；
———傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。
則由式（4-4），得：
由式（4-1），求得空載動(dòng)作時(shí)時(shí)電動(dòng)機(jī)中心軸上所能承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
②滿工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所能承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為，由式，可知，包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)中心軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件動(dòng)作時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)中心軸上面的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠經(jīng)過(guò)預(yù)緊后相對(duì)于到電動(dòng)機(jī)中心軸上的所能附加的摩擦轉(zhuǎn)矩。由于滾珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于以及很小，所以可以忽略不計(jì)。則有：
（4-5）
其中，折算至電動(dòng)機(jī)中心軸的滿工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由，則有：
式中———摩擦因數(shù)，?。?
——物體總重量，；
———傳動(dòng)鏈總效率，取0.7.
那么由式（4-4），得：
由式可知，當(dāng)移動(dòng)部件動(dòng)作時(shí)，相對(duì)于到中心軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：
最后由式（4-5），求得滿工作負(fù)載狀態(tài)下中心軸所能夠承載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：
經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算后，步進(jìn)電機(jī)中心軸最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：
4.3旋轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)選擇
通過(guò)安裝在支座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在頂部的步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器來(lái)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠保證手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4-1所示，為設(shè)計(jì)中的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)。
1.絲杠電機(jī)2.滾珠絲杠3.氣缸手臂4.氣缸放置平臺(tái)5.旋轉(zhuǎn)臺(tái)6.旋轉(zhuǎn)電機(jī)
圖4-1.旋轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)
圖4-2.旋轉(zhuǎn)平臺(tái)受力
（1）通過(guò)4-2平臺(tái)中各零件受力，算得各個(gè)零部件的動(dòng)慣量如下：
絲杠平臺(tái)
工件與氣爪
工件與氣爪
總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2） 已知為，物體轉(zhuǎn)速3r/min
電機(jī)功率
選擇反應(yīng)式電機(jī)75BF003。
5.機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)
5.1電控的選擇與優(yōu)點(diǎn)
5.1.1 P L C的基本概念
PLC，即可編程邏輯控制器，為以前的可編程控制器，其主要實(shí)現(xiàn)的就是放棄繼電器來(lái)進(jìn)行邏輯控制。目前，科技發(fā)展迅速，邏輯控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，利用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能的裝置已廣泛運(yùn)用在各類機(jī)器中。所以，這種邏輯控制的裝置我們成為可編程控制器，即PC，但是，個(gè)人計(jì)算機(jī)常常也被稱之為PC，所以為了區(qū)分，我們將其簡(jiǎn)稱為PLC，1969年，美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司研發(fā)出第一臺(tái)PLC，后來(lái)不斷發(fā)展完善，目前，美國(guó)、德國(guó)、日本生產(chǎn)研發(fā)的的PLC功能較好，可靠性較高。
5.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)
實(shí)際上，可編程控制器PLC就是一種微型計(jì)算機(jī)，其一般用于工業(yè)控制機(jī)器上，內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)也大致相同。其主要組成部分：
（1）電源
PLC一般需要選用優(yōu)質(zhì)可靠的電源，其電源在整個(gè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要，需要一個(gè)好的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)其正常工作，所以，在生產(chǎn)PLC的時(shí)候，對(duì)電源的選用也較為嚴(yán)格，正常情況下，交流電壓的波動(dòng)在10%之內(nèi)，可以直接接到PLC之上，不需要采取整流穩(wěn)壓等操作。
（2） 中央處理器（CPU）
PLC的大腦，控制中心，即是中央處理器（CPU），PLC控制系統(tǒng)會(huì)給其信號(hào)，讓其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，即其能收到從輸入端輸入的信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，如：電源狀態(tài)，存儲(chǔ)器，輸入輸出，定時(shí)器狀態(tài)，并能其具有自檢功能，檢查程序中的錯(cuò)誤所在，PLC開始工作，其工作方式為掃描，以這種工作方式接收輸入信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)，放在I/O映象區(qū)，然后再進(jìn)行讀取，從存儲(chǔ)器中一條一條的讀出用戶所編的應(yīng)用程序，再通過(guò)內(nèi)部分析后，按程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算或者數(shù)字運(yùn)算，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)執(zhí)行結(jié)果。這樣完成整個(gè)程序， 最后將結(jié)果傳到輸出端，循環(huán)往復(fù)的完成動(dòng)作，直到結(jié)束指令。
通常大型的PLC一般會(huì)選用兩個(gè)CPU，或者三個(gè)CPU，當(dāng)其中的一個(gè)PLC發(fā)生問(wèn)題的時(shí)候，能保證系統(tǒng)能正常工作，不影響生產(chǎn)，提高整體可靠性。
（3） 存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器分兩類，一種是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，其功能為存放系統(tǒng)軟件。另一種是用戶程序存儲(chǔ)器，其功能是存放應(yīng)用軟件。
（4） 輸入輸出電路
PLC將用電路與控制接口相連接，即需要輸入接口電路。PLC的輸出信號(hào)將于執(zhí)行元件相連接，即需要輸出接口電路。
（5） 通信模塊
RS485、Profibus-DP，以太網(wǎng)等。
（6） 功能模塊
定時(shí)器，計(jì)數(shù)器等。
5.1.3 P L C的特點(diǎn)
P L C具有以下鮮明的特點(diǎn):
（1）功能，組合靈活，擴(kuò)容方便，實(shí)用。PLC可以組成各種大小尺寸不同的系統(tǒng)，滿足不同的要求，以適應(yīng)各種工業(yè)控制需要的。要切換控制其專業(yè)也是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程P I D閉環(huán)控制;與主機(jī)機(jī)構(gòu)成復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如D D C和D C S等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程綜合自動(dòng)化。
（2）對(duì)編程人員要求低，簡(jiǎn)單易懂。利用了P L C可以在網(wǎng)上做的修改程序，改變程序，而無(wú)需拆卸控制設(shè)備。它可以運(yùn)行在不同的環(huán)境中，可靠性是非常強(qiáng)大的。
（3）PLC的維護(hù)工作特別簡(jiǎn)便可以在工作環(huán)境中直接修改運(yùn)行。只需要各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與P L C相應(yīng)的I/O端子的連接，寫的程序運(yùn)行。各個(gè)模塊的運(yùn)行和故障指示裝置，易于理解的用戶操作和故障調(diào)查。P L C具有強(qiáng)大的自檢功能，它提供了其易于維護(hù)。
（4）抗干擾能力強(qiáng)以及可靠性的能力都非常強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于別的類型的模型。的分離和過(guò)濾，是兩個(gè)主要的抗干擾措施。就算是PLC的電源都會(huì)采取各種措施來(lái)保障它的正常運(yùn)行，確保它的安全。此外PLC內(nèi)部不同部位采取不同的電源就是為了消除不同點(diǎn)源之間的影響，為了適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境也密封，防塵，防震的外殼封裝結(jié)構(gòu)。這么多措施，就是為了能夠讓PLC穩(wěn)定的運(yùn)行，提供控制，從而使平均故障間隔時(shí)間長(zhǎng)度，故障維修時(shí)間短。
（5）環(huán)境要求低。P L C可以再各種惡劣的環(huán)境下工作比如溫度過(guò)高，灰塵較多的車間以及靜電較強(qiáng)等，有著很高的性價(jià)比。
5.1.4 P L C與單片機(jī)相比的優(yōu)點(diǎn)
(1) 通用性強(qiáng)，使用方便
(2)PLC內(nèi)部接口都被隔離開來(lái)，能夠使內(nèi)部電路與外部環(huán)境完全分開內(nèi)部模塊也都被分隔開來(lái)加以保護(hù)，具有很高的可靠性，PLC電源也會(huì)與外部隔離，能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)有很多的I/O接口模塊，足夠滿足需求。
(4)結(jié)構(gòu)模塊化，有很多種組合方式。
(5)PLC更容易讓人理解加以學(xué)習(xí)，不需要計(jì)算機(jī)專門知識(shí)也能理解
(6)安裝簡(jiǎn)單，維修方便
(7)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，單片機(jī)不夠穩(wěn)定，不能抵抗較強(qiáng)的干擾。單片機(jī)的編程也比PLC更加復(fù)雜，需要了解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作方式。
所以，最終本設(shè)計(jì)采用PLC進(jìn)行控制。
5.2機(jī)械手的工作流程
首先需要按下啟動(dòng)按鈕，然后選擇自動(dòng)擋或者手動(dòng)擋，機(jī)械手隨后開始工作。如下圖5-1就是機(jī)械手工作流程圖。
當(dāng)選擇自動(dòng)檔位時(shí)：
（1） 從原點(diǎn)開始立柱向左旋轉(zhuǎn)9 0°，到達(dá)左限位開關(guān)時(shí)停止；
（2） 立柱垂直向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下限位開關(guān)停止；
（3） 手臂氣缸伸出，到達(dá)前進(jìn)限位開關(guān)停止；
（4） 氣爪抓緊工件；
（5） 手臂氣缸收縮，到達(dá)后退限位開關(guān)停止；
（6） 立柱垂直向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)上限位開關(guān)停止；
（7） 立柱向右旋轉(zhuǎn)1 8 0°，達(dá)到右限位開關(guān)停止；
（8） 手臂氣缸伸出，到達(dá)前進(jìn)限位開關(guān)停止；
（9） 氣爪松開工件；
（10） 手臂氣缸收縮，到達(dá)后退限位開關(guān)停止；
（11） 立柱左旋轉(zhuǎn)9 0°回到原點(diǎn)，原點(diǎn)燈亮起。
①按下停止按鈕，機(jī)械手停止工作，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)先歸零，在開始運(yùn)動(dòng)。
②如果選擇手動(dòng)擋可以繼續(xù)按下任何按鈕進(jìn)行操作，直到運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)為止。
初始位置
立柱左轉(zhuǎn)
手抓松開
立柱下降
手臂伸出
手臂伸出
立柱右轉(zhuǎn)
抓取芯模
立柱上升
手臂收縮
圖5-1.機(jī)械手工作流程
5.3控制面板按鍵分布圖
圖5-2.控制面板按鍵分布圖
5.4 I/O口分配
信號(hào)送給可編程控制器，然后分配對(duì)應(yīng)的輸入端口；一些信號(hào)由可編程控制器輸送到被控制的對(duì)象，分配對(duì)應(yīng)的輸出端口。另外，計(jì)數(shù)器以及定時(shí)器也要向?qū)?yīng)的分配可編程序控制器是通過(guò)編號(hào)來(lái)識(shí)別信號(hào)的。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)的數(shù)目，決定選擇三菱的FX2N系列FX2N-48MR。如圖所示：
表5-1輸入點(diǎn)分配表
名稱
代號(hào)
輸入
啟動(dòng)
SB1
X0
右轉(zhuǎn)限位
SQ1
X1
左轉(zhuǎn)限位
SQ2
X2
上升限位
SQ3
X3
下降限位
SQ4
X4
手臂前進(jìn)限位
SQ5
X5
手臂后退限位
SQ6
X6
停止
SB2
X7
手動(dòng)
1SA
X10
自動(dòng)
2SA
X11
手爪夾緊
SB3
X12
手爪張開
SB4
X13
上升
SB5
X14
下降
SB6
X15
手臂前進(jìn)
SB7
X16
手臂后退
SB8
X17
左轉(zhuǎn)
SB9
X20
右轉(zhuǎn)
SB10
X21
回原點(diǎn)
SB11
X22
原點(diǎn)限位
SQ7
X23
表5-2輸出點(diǎn)分配表
名稱
代號(hào)
輸出
絲杠上升
絲杠下降
Y3
平臺(tái)左轉(zhuǎn)
平臺(tái)右轉(zhuǎn)
Y4
氣爪張開電磁閥
1YA
Y5
氣爪夾緊電磁閥
2YA
Y6
手臂前進(jìn)電磁閥
3YA
Y7
手臂退后電磁閥
4YA
Y8
原點(diǎn)燈
Y9
5.5氣壓接線圖
下圖所示的連接方式就是手臂氣缸與手指氣缸的連接方式。
圖5-4.氣爪連接三位五通閥
圖5-5.手臂氣缸連接三位五通閥
5.6PLC梯形圖
圖5-3.PLC梯形圖
6.結(jié)論
本課題綜合運(yùn)用了大學(xué)四年來(lái)所學(xué)習(xí)的所學(xué)習(xí)的機(jī)電專業(yè)所學(xué)習(xí)的知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足要求的棒料搬運(yùn)機(jī)械手。完成整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)大學(xué)的學(xué)習(xí)是一個(gè)很好的總結(jié)，將整個(gè)大學(xué)所學(xué)習(xí)的知識(shí)溫習(xí)了一遍，串聯(lián)在了一起。形成了一個(gè)完整的知識(shí)框架，將實(shí)踐與理論真正結(jié)合在了一起，對(duì)于今后的學(xué)習(xí)生活，有著重要的意義。
進(jìn)行設(shè)計(jì)棒料搬運(yùn)機(jī)械手時(shí)實(shí)事求是，先以國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展作為參考，但不會(huì)去盲區(qū)跟風(fēng)去選擇高性能、昂貴的一些原件，而是要根據(jù)要求本身去設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況的機(jī)械手，堅(jiān)決杜絕盲目模仿抄襲。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手盡可能的選用標(biāo)準(zhǔn)件，一方面盡可能降低成本，另一方面，也方便以后的維護(hù)與檢修。在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，在設(shè)計(jì)中對(duì)于機(jī)械手爪稍微做了改變，就可以輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)更多的工件進(jìn)箱行操作，適用于更多的工作環(huán)境，也就提高了它的性價(jià)比，能夠給企業(yè)帶來(lái)更多的利益。
在對(duì)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了PLC來(lái)進(jìn)行控制，這種控制系統(tǒng)具有很高的靈活性的同時(shí)也非常穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)從控制系統(tǒng)時(shí)，為了讓設(shè)備適應(yīng)更多的工作環(huán)境，對(duì)于機(jī)械手的控制，可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，即可以進(jìn)行手動(dòng)操作，也可以自動(dòng)運(yùn)行工作。并且在實(shí)際操作時(shí)，如遇到不同的情況，只要重新編寫一個(gè)PLC系統(tǒng)就可以滿足其他類系的工作情況。
此次我選的畢業(yè)論文的題目是棒料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)，在剛開始做這個(gè)課題的時(shí)候，感覺沒(méi)有頭緒，不知從何下手，所以為了能更好、更順利的完成這個(gè)課題，我去圖書館翻閱了大量資料，也在網(wǎng)上自己買了幾本相關(guān)書籍參考，并且指導(dǎo)老師也很負(fù)責(zé)任，每周都會(huì)要求我們和她見一次面，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)我們，我嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)度完成每個(gè)任務(wù)，然后完成了整個(gè)課題設(shè)計(jì)。
在整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我也遇到了很多問(wèn)題，有些問(wèn)題書本上學(xué)過(guò)，有些通過(guò)查資料能找到，有些沒(méi)聽說(shuō)過(guò)的，不知從何下手，然后老師告訴我應(yīng)該怎么做，幫助我完成了機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由于控制系統(tǒng)學(xué)的不是很好，所以很難下手，指導(dǎo)老師推薦我們?nèi)フ译姎鈱W(xué)院研究生，經(jīng)過(guò)兩天的悉心學(xué)習(xí)，終于把控制系統(tǒng)做了出來(lái)，并且把整個(gè)機(jī)器的所有問(wèn)題都弄明白了，指導(dǎo)老師人很好，性格也很好，很負(fù)責(zé)任，很有責(zé)任心，答辯老師也指出了我的論文中所存在的問(wèn)題?？梢栽谶@么好的老師手下做完此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感到很幸運(yùn)，在這里，非常感謝各位老師，同學(xué)的幫助與支持。
在一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)課程中，從一無(wú)所有到最后的課題完成，可以說(shuō)是一步一個(gè)腳印，從最開始的資料收集到中間的零件計(jì)算，再到最后的控制系統(tǒng)PLC編程，都讓我對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)有了更加深刻的學(xué)習(xí)，所謂溫故而知新不過(guò)如此吧。同時(shí)在繪圖時(shí)，也讓自己對(duì)工程更加深刻理解，從開始畫圖到最后一步步的修改，讓我明白，每一個(gè)尺寸都需要精密的計(jì)算，決不能憑空捏造。也讓我能夠踏踏實(shí)實(shí)面對(duì)以后的學(xué)習(xí)與挑戰(zhàn)。
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致 謝
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，收獲了許多，首先把我近4年來(lái)的只是做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，鍛煉了自我的學(xué)習(xí)的獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了我綜合處理并且運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)。在這次設(shè)計(jì)中，讓我學(xué)會(huì)了運(yùn)用多種途徑來(lái)搜索查找所需要的資料方法，與同學(xué)間一同分享資料和討論處理問(wèn)題。為了繼續(xù)提升自己處理問(wèn)題的能力，以后還學(xué)要更加勤奮的學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)要完美的設(shè)計(jì)出來(lái)時(shí)相當(dāng)困難的，大大小小的問(wèn)題不斷發(fā)生，還會(huì)發(fā)現(xiàn)自己未學(xué)過(guò)的知識(shí)等，就因?yàn)樵O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不充足導(dǎo)致設(shè)計(jì)的停頓問(wèn)題。
隨著畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文的完成，能夠繼續(xù)在校園學(xué)習(xí)的時(shí)間也不多了，校園生活也終于告一段落。回首在上海電機(jī)學(xué)院四年生活，酸甜苦辣，學(xué)到了很多，也失去了很多，酸甜苦辣都在其中，這將是我人生中最寶貴的經(jīng)歷，也是最美好的回憶。在校園里有著很多知識(shí)淵博的老師，四年大學(xué)生讓我在生活與學(xué)習(xí)兩方面都受益匪淺。能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，各位老師給了我巨大的幫助。
論文的寫作是枯燥艱辛而又富有挑戰(zhàn)的。在學(xué)富五車的老師幫助下，克服了重重困難，讓我最終完成了論文。在此，我要特別感謝孫淵老師。孫淵老師為了幫助我們盡快完整的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，舍棄了自己很多的休息時(shí)間，基本上，無(wú)論何時(shí)何地，只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)上碰到任何困難，老師都會(huì)不遺余力的幫助我們解決。正是由于孫淵老師對(duì)我們的負(fù)責(zé)，付出了足夠多的心血我們才能順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，在此，祝老師美滿幸福。同時(shí)對(duì)我?guī)椭€有我的同學(xué)們，在生活與學(xué)習(xí)上給了我很多的幫助，經(jīng)常鼓勵(lì)我，有一些小的疑問(wèn)，也會(huì)相互討論，在我迷茫的時(shí)候，給了我堅(jiān)持下去的動(dòng)力。
在最后，同樣給我了信心和勇氣的是我的家人，家人朋友總是在生活上關(guān)心我，對(duì)我學(xué)習(xí)生活也是一直支持理解，這對(duì)我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)有著重要的意義。我知道我現(xiàn)在的設(shè)計(jì)還有很多的不足之處，但是，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)給我?guī)?lái)的知識(shí)也好、經(jīng)驗(yàn)也好，都是不能替代的，也許在將來(lái)的工作中也會(huì)被用到，知識(shí)是越多越好，它只會(huì)幫助到我。但是畢竟我學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)不足，時(shí)間倉(cāng)促，在論文中肯定存在錯(cuò)誤，還請(qǐng)各位老師多多指正，我將虛心改正。