吸盤式機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸盤式機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計,吸盤,機械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計 一 緒論 （一）氣壓傳動技術(shù)的研究發(fā)展動向 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，目前氣壓技術(shù)正向著高壓、高速、大功率、高效、高度集成化的方向發(fā)展。雖然氣壓傳動技術(shù)方便簡潔，但是氣壓傳動中存在著一些亟待解決的問題，如：氣壓系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性、工作介質(zhì)的泄漏、氣壓沖擊對設(shè)備可靠性的影響等等，這些問題都是氣壓傳動技術(shù)需要研究和解決的。任何技術(shù)的改革和創(chuàng)新，都必須以穩(wěn)定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實際意義。 （二）氣壓傳動技術(shù)的應(yīng)用機械制造業(yè)，其中包括機械加工生產(chǎn)線上工件的裝夾及搬送，鑄造生產(chǎn)線上的造型、搗固、合箱等。在汽車制造中，汽車自動化生產(chǎn)線、車體部件自動搬運與固定、自動焊接等。電子IC及電器行業(yè)，如用于硅片的搬運，元器件的插裝與錫焊，家用電器的組裝等。石油、化工業(yè) 用管道輸送介質(zhì)的自動化流程絕大多數(shù)采用氣動控制，如石油提煉加工、氣體加工、化肥生產(chǎn)等。輕工食品包裝業(yè)，其中包括各種半自動或全自動包裝生產(chǎn)線，例如：酒類、油類、煤氣罐裝，各種食品的包裝等。機器人，例如裝配機器人，噴漆機器人，搬運機器人以及爬墻、焊接機器人等。其它，如車輛剎車裝置，車門開閉裝置，顆粒物質(zhì)的篩選，魚雷導(dǎo)彈自動控制裝置等。目前各種氣動工具的廣泛使用，也是氣動技術(shù)應(yīng)用的一個組成部分。 （三）氣壓傳動的特點 氣壓傳動的優(yōu)點 ：以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動相比不必設(shè)置回收的油箱和管道；因空氣的粘度很?。s為液壓油動力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴(yán)重污染環(huán)境；與液壓傳動相比，氣壓傳動動作迅速、反應(yīng)快、維護簡單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題；工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制優(yōu)越；成本低，過載能自動保護。 氣壓傳動的缺點：由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩(wěn)定性稍差，但采用氣液聯(lián)動裝置會得到較滿意的效果；因工作壓力低（一般為0.31.0MPa），又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，總輸出力不宜大于1040kN；噪聲較大，在高速排氣時要加消聲器；氣動裝置中的氣信號傳遞速度在聲速以內(nèi)比電子及光速慢，因此，氣動控制系統(tǒng)不宜用于元件級數(shù)過多的復(fù)雜回路。 （四）機械手的組成工業(yè)的機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。1 執(zhí)行機構(gòu)（1） 手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、楔塊杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、內(nèi)撐連桿式、右絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4）行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用氣壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、可獲得較大的輸出功率、氣體不可壓縮，壓力、流量易于控制，反應(yīng)靈敏、控位精確等優(yōu)秀特點。3 控制系統(tǒng)分類在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 （五）本課題設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計課題名稱為真空吸盤式氣動機械手的設(shè)計，設(shè)計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運動形式，氣壓傳動，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進，動作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟，滿足生產(chǎn)要求。 性能特點：機械手的動作循環(huán)（工件平放）：真空吸盤吸取工件-大臂上升-大臂回轉(zhuǎn)-手臂延伸-真空吸盤放下工件-手臂收縮-大臂反轉(zhuǎn)-大臂下降。主要技術(shù)參數(shù)：吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運動形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮行程范圍0-300mm，手臂升降行程范圍0-200mm；手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0-180；定位方式為定位塊；控制方式為點位式、PLC控制；驅(qū)動方式為氣壓傳動系統(tǒng)。 （六）設(shè)計的基本思路、方案分析、理解設(shè)計任務(wù)書的要求查閱相關(guān)資料初步擬訂設(shè)計方案設(shè)計方案對比并確定最佳方案參數(shù)的設(shè)計計算裝配圖草圖零件設(shè)計零件草圖繪制裝配圖繪制零件圖編寫設(shè)計說明書 （七）設(shè)計原則這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。二 真空吸盤式氣動機械手的總體設(shè)計 （一）真空吸盤式氣動機械手設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運動形式，氣壓傳動，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進，動作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟，滿足生產(chǎn)要求，主要技術(shù)參數(shù)見表2.1：表2.1 主要技術(shù)參數(shù)吸盤吸持力 2kg運動形式 圓柱坐標(biāo)手臂伸縮行程范圍 0-300mm手臂升降行程范圍 0-200mm手臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0-180定位方式 定位塊控制方式 點位式、PLC控制驅(qū)動方式 氣壓傳動系統(tǒng)自由度數(shù) 3 （二）真空吸盤式氣動機械手工作原理分析真空吸盤式氣動機械手功能原理如圖2.1所示圖2.1 功能原理圖真空吸盤工作原理：真空的產(chǎn)生可以是由電動機、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng)來提供，也可以由壓縮空氣通過真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來提供。前者需要配置獨立的真空系統(tǒng)，而后者可以利用一般生產(chǎn)過程中已有的空氣壓縮系統(tǒng)。因此，特別在各種包裝作業(yè)過程中，利用二次真空方法顯得十分方便、經(jīng)濟。真空發(fā)生器的原理是：壓縮空氣通過收縮的噴嘴后，從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動，從而在接受室形成負(fù)壓，誘導(dǎo)二次真空。這樣的真空系統(tǒng)，尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。用真空吸盤來抓取物體，可以根據(jù)物體的不同形狀來實現(xiàn)任意角度的傳遞。以下將從兩種特殊位置，即水平和垂直兩個方向，對真空吸盤的受力進行動態(tài)分析。 （三）真空吸盤式氣動機械手工藝方案設(shè)計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運動形式，氣壓傳動，PLC系統(tǒng)控制。功能原理先進，動作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟，滿足生產(chǎn)要求。 主要技術(shù)參數(shù)：吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運動形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮行程范圍0-300mm，手臂升降行程范圍0-200mm；手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0-180；定位方式為定位塊；控制方式為點位式、PLC控制；驅(qū)動方式為氣壓傳動系統(tǒng)。機械手的動作循環(huán)（工件平放）：真空吸盤吸取工件-大臂上升-大臂回轉(zhuǎn)-手臂延伸-真空吸盤放下工件-手臂收縮-大臂反轉(zhuǎn)-大臂下降。 （四）真空吸盤式氣動機械手方案設(shè)計（1） 對于真空吸盤式氣動的機械手，其工件的運動只需較少的自由度就能完成。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，故采取氣壓傳動方式。（2） 本機械手是專用自動機械手，選擇智能控制方式中的PLC程序控制方式，這樣可以使機械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。（3） 本機械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機構(gòu)。手部機構(gòu)形式多樣，但綜合其總體構(gòu)型，可分為：氣吸式、電磁式和鉗爪式3種。根據(jù)本組合機床加工工件的特征，選擇氣吸式（真空吸盤式）手部結(jié)構(gòu)。（4）常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: 直角坐標(biāo)型機械手、圓柱坐標(biāo)型機械手、球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機械手、多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標(biāo)型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，且根據(jù)本機械手坐標(biāo)形式分析分析本機械手臂的運動形式及其組合情況，采用圓柱坐標(biāo)形式。因此方案確定機械手采用氣壓傳動方式，PLC控制，真空吸盤式手部結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)形式。三 真空元件的設(shè)計及參數(shù)計算 （一）真空吸盤吸持工件的動力學(xué)分析在產(chǎn)品包裝、物體傳輸和機械裝配等自動作業(yè)線上 ,使用真空吸盤來抓取物體的案例越來越多。柔而有彈性的吸盤可以很方便地實現(xiàn)諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運功能 ,并確保不損壞其作用之對象。而吸持力靠真空系統(tǒng)維持 ,真空的產(chǎn)生可以是由電動機、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統(tǒng)來提供，也可以由壓縮空氣通過真空發(fā)生器所產(chǎn)生的二次真空來提供。前者需要配置獨力的真空系統(tǒng) ,而后者可以利用一般生產(chǎn)過程中已有的空氣壓縮系統(tǒng)。因此 ,特別在各種包裝作業(yè)過程中,利用二次真空方法顯得十分方便、經(jīng)濟。真空發(fā)生器的原理是 壓空氣通過收縮的噴騰后 ,從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動 ,從而在接受室形成負(fù)壓 ,誘導(dǎo)二次真空。這樣的真空系統(tǒng),尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優(yōu)越性。真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計 ,可以根據(jù)需的真空度設(shè)計出所需的真空發(fā)生器。用真空吸盤來抓取物體 ,可以根據(jù)物體的不同形狀實現(xiàn)任意角度的傳遞。 在此次設(shè)計中，工件平放；故從水平方向?qū)φ婵瘴P的受力分析進行動態(tài)分析。如圖3.1所示為真空吸盤用于水平位置工作時的安裝方位。在圖3.1吸盤水平安裝時 ,除了要吸持住工件負(fù)載外 ,還應(yīng)該考慮吸盤移動時因工件的慣性力對吸力的影響。圖3.1 真空吸盤的安裝位置 （二）真空吸盤的選取為了確保真空吸盤能完成給定的任務(wù),需考慮一定的安全系數(shù),根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗,真空吸盤的安全系數(shù)N一般取2.5，因此,許用提升重量= 理論提升重量/N=垂直提升力/N 表3.1 吸盤直徑、面積、垂直提升力參數(shù)表吸盤垂直提升力（N）吸盤直徑D(mm) 1013162025324050吸持面積（cm）0.7851.332.013.144.918.0412.619.6吸盤垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.145.328.0412.5619.6432.1650.478.4由上表可知，當(dāng)工件重量為2kg時，許用提升重量為19.6N，欲使安全系數(shù)達(dá)到要求，只需滿足 （3.1）即可，由表3.1選取吸盤直徑為40mm即可滿足考慮到吸附物的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應(yīng)設(shè)定為大于所需吸盤直徑（D）因吸盤在吸附時會變形，吸盤的外徑將增加10%左右。因為真空壓力會使吸盤變形，所以吸附面積要比吸盤直徑小。變形度根據(jù)吸盤的材質(zhì)，形狀，橡膠的硬度而有區(qū)別，因此，在計算得出吸盤直徑時需留出余量。安全系數(shù)中包括變形部分。吸盤直徑雖表示吸盤的外徑，但利用真空壓力吸附物體時，因真空壓會使橡膠變形，吸附面積也會隨之縮小?？s小后的面積即稱為有效吸附面積，此時的吸盤直徑即稱為有效吸盤直徑。根據(jù)真空壓力，吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數(shù)等不同，有效吸盤直徑也會有差異，一般情況可預(yù)估會縮小10%。 綜合上述，所選吸盤參數(shù)為：吸盤直徑D=40mm， 吸盤吸持面積A=12.6，吸盤個數(shù)n=1，真空壓力P=0.04MPa。（三）真空發(fā)生器設(shè)計真空發(fā)生器用于產(chǎn)生真空，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，無可動機械部件，安裝和使用都很方便，因此應(yīng)用很廣泛，真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空度可達(dá)到88kpa，真空發(fā)生器的工作原理如圖3.2所示。它是由先收縮后擴張的拉瓦爾噴管1、負(fù)壓腔2、和接收管3等組成，有供氣口、排氣口和真空口，當(dāng)供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出的超聲速射流。由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負(fù)壓腔內(nèi)的氣體，使該腔形成很低的真空度，在真空口A處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。圖3.2 真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡單，無可動機械部件，故使用壽命長。真空發(fā)生器的耗氣量是指供給拉伐爾噴管的流量，它不但由噴嘴的直徑?jīng)Q定，還與供氣壓力有關(guān)。同意噴嘴直徑，其耗氣量隨供氣壓力的增加而增加，如圖3.3所示。噴嘴直徑是選擇真空發(fā)生器的主要依據(jù)。噴起直徑越大，抽吸流量和耗氣量就越大，真空度越低；噴嘴直徑越小，抽吸流量和耗氣量越小，真空度越高。圖3.3 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系圖3.4所示為真空度特性曲線。由圖可知，真空度存在最大值Pzmax，當(dāng)超過最大值后，即使增加供氣壓力，真空度不但沒有增加反而下降。實際使用時，建議真空度選為（63%-95%）Pzmax。圖3.4 真空發(fā)生器耗氣量與工作壓力的關(guān)系在真空吸盤的選取時，已確定真空壓力為0.04Mpa，由圖3.3、3.4可得，該真空發(fā)生器耗氣量和真空度分別取5L/min，-0.002Mpa。 （四）其他元器件的選用一個完整的真空吸附系統(tǒng)還包括真空過濾器 、 供給閥 、 破壞閥等 ， 真空過濾器的選擇ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空發(fā)生器的最大流量 24L/min， 滿足需求， 真空節(jié)流閥選擇KLA系列單向節(jié)流KLA-L6，公稱通徑是6mm，有效截流面大于5mm2,泄露量小于50cm3/min,單向閥開啟壓力為0.05Mpa。供給閥設(shè)置在壓力管路中，選擇一般的換向閥AB31、AB41系列多流體二位二通直動截止電磁換向閥，型號：AB310-1-6，公稱通徑5mm，AB接管螺紋ZG1/8，有效截面面積15.3mm2,有效截面面積大于真空發(fā)生器噴嘴兒面積的4倍，供氣口得連接管內(nèi)徑大于噴嘴直徑的4倍，減少供給回路的壓力損失。真空換向閥設(shè)置在真空回路中，必須選擇能用在真空條件下的換向閥，真空換向閥要求不泄露，故選擇用截止式和導(dǎo)膜片式結(jié)構(gòu)比較理想，選擇09270、09550系列多種流體二位二通先導(dǎo)膜片式電磁閥，型號：0927000，接管螺紋1/4in,通徑8mm,換向頻率大于0.5HZ。 四 機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 （一）機械手電氣控制系統(tǒng)的概述應(yīng)用PLC作為電氣控制，可以簡化控制線路，降低故障率，實現(xiàn)機械手多種動作線路。一般機械手有手動和自動控制之分，手動控制主要用來硬件調(diào)試。自動控制中也分單步、單周期、周期循環(huán)等工作狀態(tài)。其控制要求為：按下啟動按鈕，檢測氣動機械手是否處于原位，如果不是，按下復(fù)位按鈕回到原位，如果是，則檢測氣動機械手處于何種工作狀態(tài)下，單步意味著每按下一次啟動按鈕，機械手執(zhí)行一步動作；單周期指執(zhí)行一次動作循環(huán)，最后回到初始位置；周期循環(huán)是機械手重復(fù)不斷的執(zhí)行動作，直到按下復(fù)位或停止按鈕為止。根據(jù)機械手的硬件結(jié)構(gòu)，PLC輸入信號有：工作狀態(tài)選擇開關(guān)輸入、啟動停止按鈕輸入、磁性接近開關(guān)信號輸入、手動開關(guān)輸入及程序選擇開關(guān)輸入共22個輸入點；機械手的輸出信號有：驅(qū)動4個氣缸的電磁閥線圈4個，控制真空吸盤的電磁閥線圈2個，原點指示燈1個，共七個輸出點。選擇輸入點大于22點，輸出大于7點的PLC。機械手的定位系統(tǒng)采取定位塊定位，在設(shè)定位置裝置定位塊。并為了達(dá)到緩沖的目的，在滿足工作要求的前提下，設(shè)計盡量輕的零部件。比如將某些鑄鋼件改用鋁合金制造，或者將一些實心的零件做成空心的，以此來減輕總質(zhì)量。采取PLC程序控制，控制系統(tǒng)選擇三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外機械手還可進行回零等，其有手動控制方式和全自動控制。自動生產(chǎn)線機械手的主要參數(shù):吸持力2kg；自由度數(shù)為3；運動形式為圓柱坐標(biāo)；手臂伸縮最大行程300mm；手臂升降最大行程為200mm；手臂回轉(zhuǎn)最大行程180度，手臂升降速度為150mm/s；大臂回轉(zhuǎn)角度范圍0-90，大臂回轉(zhuǎn)速度為135/s；定位方式為定位塊；定位精度為；控制方式為點位式、PLC控制；驅(qū)動方式為氣壓系統(tǒng)。（二）機械手電氣控制程序表4.1機械手自動控制程序步序號指令數(shù)據(jù)步序號指令數(shù)據(jù)步序號指令數(shù)據(jù)1LDX40017ANDT453K1.52ANIX40118ANIT45431OUTY4393ANIT45019OUTY43532OUTT5504OUTY43020OUTT454K25OUTT450K1.533ANDT550K221ANDT45434ANIT5516ANDT45022ANIT45535OUTY5307ANIT45123OUTY43636OUTT5518OUTY43224OUTT455K1.59OUTT451K237ANDX500K0.525ANDT45538ANIT55210ANDT45126ANIT45639OUTY53111ANIT45227OUTY43740OUTY53213OUTY43328OUTT45641OUTT55214OUTT452K0.5K3K1.527ANDT45615OUTY43428ANIT45716OUTT45329OUTY438K230OUTT457 （三）機械手電氣控制系統(tǒng)圖1自動控制系統(tǒng)圖 圖4.1 機械手自動控制系統(tǒng)圖 上圖為機械手自控控制系統(tǒng)圖，他的指令采用FX1S的專用PLC控制器控制，他的工作順序是按照上圖中大臂下降開始直至最后一次大臂回轉(zhuǎn)為完成一個完整的工作周期，每個工作段所用的時間在上圖均已標(biāo)明，從系統(tǒng)啟動到結(jié)束程序，除非系統(tǒng)受到X500停車指令，否則系統(tǒng)均通過各個時間控制器來完成精確的控制。2 手動控制系統(tǒng)圖 圖4.2 機械手手動控制系統(tǒng)圖 上圖為本機械手在進行試運行和系統(tǒng)檢查以及手動控制完成所需動作而設(shè)計的手動控制系統(tǒng)，工作流程在上圖已經(jīng)清晰標(biāo)明。3 機械手自動方式狀態(tài)圖 機械手自動方式狀態(tài)圖如圖4.3所示，其中S2是自動方式的初始狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移開始輔助繼電器M8041，原點位置條件輔助繼電器M8044的狀態(tài)都是在初始化程序中設(shè)定的，在自動系統(tǒng)程序運行中不再改變。 圖4.3 機械手自動方式狀態(tài)圖4 機械手獨立控制面板設(shè)計圖機械手控制獨立控制面板如圖4.4所示 圖4.4 機械手控制面板 面板中的啟動和急停按鈕與PLC的運行程序無關(guān)，這兩個按鈕是用來接通或斷開PLC外部負(fù)載的電源。本機械手由手動和自動兩種運行狀態(tài)的控制系統(tǒng)，所以應(yīng)能根據(jù)所設(shè)置的運行方式自動進入，這就要求系統(tǒng)應(yīng)能自動設(shè)定與各個運行方式相應(yīng)的初始狀態(tài)，其相應(yīng)的輸入設(shè)定按鈕在圖4.4已經(jīng)標(biāo)定。五 機械手氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 （一）機械手的工作原理分析真空吸盤式氣動機械手是自動化流水生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的工件搬運機械設(shè)備，它是流水線作業(yè)中不可或缺的運輸單元。氣動機械手要求氣壓系統(tǒng)完成的主要動作是（工件平放）：吸持工件-大臂上升200mm-大臂回轉(zhuǎn)180-手臂延伸300mm-放下工件-手臂收縮300mm-大臂反轉(zhuǎn)180-大臂下降200mm。整個周期要完成所有動作必須由3個氣壓缸協(xié)調(diào)動作才能做到。 （二）氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖圖5.1所示為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖圖5.1 機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖1-氣源 2-空氣過濾器 5-單向閥 6、9-兩位二通閥 7-先導(dǎo)型閥 8-三位四通電磁閥 10-節(jié)流閥 11-調(diào)速閥其余元件已在上圖說明。 （三）各缸運動過程分析1、吸持工件 在整機啟動的情況下，氣體流經(jīng)單向閥，然后PLC控制程序指令控制電磁鐵3DT通電吸合，此時此二位四通電磁閥處于右位，氣體直接流進右腔，從而拉動滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)吸持工件。2、大臂上升 PLC指令控制電磁鐵4DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第二個三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，接著流向減壓閥和單向閥構(gòu)成的復(fù)合閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的下腔，從而推動機械手做上升運動。3、大臂回轉(zhuǎn) PLC指令控制電磁鐵6DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第一個三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂回轉(zhuǎn)氣壓缸，從而推動機械手大臂做左右擺動運動。4、手臂延伸 PLC指令控制電磁鐵1DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖4.1所示從左到右第三個三位四通電磁閥右位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動機械手手臂做伸縮運動。5、放松工件 氣體流經(jīng)單向閥，然后PLC控制程序指令控制電磁鐵3DT斷電跳開，此時此二位四通電磁閥處于左位，氣體直接流左腔，從而放松工件。6、手臂收縮 PLC指令控制電磁鐵2DT通電吸合氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第三個三位四通電磁閥左位，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動機械手手臂做收縮運動。7、大臂回轉(zhuǎn) PLC指令控制電磁鐵7DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第一個三位四通電磁閥左位，接著氣體流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂回轉(zhuǎn)氣壓缸，從而推動機械手大臂做左右擺動運動。8、大臂下降 PLC指令控制電磁鐵5DT通電吸合。氣體經(jīng)單向閥5，流經(jīng)圖5.1所示從左到右第二個三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的上腔，從而推動機械手做下降運動。至此就完成整個機械手的循環(huán)運動，如果此時接到停止的指令，則10DT和11DT同時通電，電磁鐵將電磁換向閥到上位，此時氣壓系統(tǒng)卸壓，同時上面的各個電磁鐵同時斷電回到默認(rèn)位置，完成卸荷。電磁鐵動作順序表如下：六 機械手臂部的設(shè)計及參數(shù)計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、翻轉(zhuǎn)和升降。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。由于本設(shè)計需要，手部、腕部無需設(shè)計，只需設(shè)計手臂即可。 （一） 臂部設(shè)計的基本要求臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕：根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；合理布置作用力的位置和方向；注意簡化結(jié)構(gòu)；提高配合精度。臂部運動速度要高，慣性要?。簷C械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在10001500mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180/s內(nèi)，大部分平均移動速度為1000mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度在90/s。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。手臂動作應(yīng)該靈活：為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。 （二）手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇1 手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。（2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層氣壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3） 雙活塞桿氣壓缸結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。2 手臂運動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動,氣壓缸選取雙作用氣壓缸。 （三）手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運動的氣壓缸的驅(qū)動力根據(jù)氣壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定氣壓缸所需要的驅(qū)動力。氣壓壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。 （6.1）摩擦力的計算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。下圖是機械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸兩側(cè)。由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。得 得 （6.2） （6.3） （6.4） 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（mm） a導(dǎo)向支撐的長度（mm）; 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于圓柱面： 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取u=0.10.15鋼對鑄鐵：取u=0.180.3計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L=0.8-0.2=0.6m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.1m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度V=V=, （6.5） 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當(dāng)氣壓缸工作壓力小于10Mpa。氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出氣壓缸的驅(qū)動力： （四）氣壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，確定了氣壓缸的驅(qū)動力F=1700N，選擇氣壓缸的工作壓力P=0.04MPa（1） 確定氣壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：氣壓缸內(nèi)徑的計算，如圖6.2所示圖6.2 雙作用氣壓缸示意圖當(dāng)氣進入無桿腔，當(dāng)氣進入有桿腔中， 氣壓缸的有效面積：故 （無桿腔） (6.6) （有桿腔） (6.7)F=1625.7N，=，選擇機械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 選擇標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸內(nèi)徑系列及機械的工作范圍冗余設(shè)計，選擇D=40mm.（2） 氣壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到氣壓缸的臂厚在7mm，所以該氣壓缸的外徑為54mm.（3） 活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： （6.8） 設(shè)計中活塞桿取材料為45剛，故，活塞直徑d=20mm,現(xiàn)在進行校核。結(jié)論： 活塞桿的強度足夠。 （五）氣壓缸的尺寸參數(shù)的確定根據(jù)夾緊力和驅(qū)動力的計算，初步確定了氣壓缸的內(nèi)徑為40mm，行程為500mm；下面要確定氣壓缸的缸筒長度L。缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即： L=l+B+A+M+C （6.9）式中：l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導(dǎo)向長度，取(0.6-1.5)D;M為活塞桿密封長度，由密封方式定；C為其他長度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長度作為緩沖，以免在運動過程中損傷到缸體，所以C取60mm。一般缸筒的長度最好不超過內(nèi)徑的20倍。另外，氣壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸還有最小導(dǎo)向長度H。 所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm 氣壓缸缸底厚度計算，本氣壓缸選用平行缸底，且缸底無氣孔時，其中h為缸底厚度；為氣壓缸內(nèi)徑；為實驗壓力；為缸底材料的許用應(yīng)力，氣壓缸選用缸體材料為45號鋼，。 ，所以選取厚度。七 齒輪齒條機構(gòu)齒輪齒條在傳動過程中會有自己所獨有的運動特點:齒輪傳動用來傳遞任意兩軸間的運動和動力，其圓周速度可達(dá)到300m/s，傳遞功率可達(dá)105KW，齒輪直徑可從不到1mm到150m以上，是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣的一種機械傳動。 齒輪齒條傳動與帶傳動相比主要有以下優(yōu)點： （1）傳遞動力大、效齒輪傳動的特點。齒輪傳動用來傳遞任意兩軸間的運動和動力，其圓周速度可達(dá)到300m/s，傳遞功率可達(dá)105KW，齒輪直徑可從不到1mm到150m以上，是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣的一種機械傳動。 （2） 壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高； （3） 能保證恒定的傳動比，能傳遞任意夾角兩軸間的運動。 齒輪傳動與帶傳動相比主要缺點有： （1）制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高； （2）不宜作遠(yuǎn)距離傳動。由于齒輪齒條傳動，因此傳動比為1。機身重量不大，選取輸入功率為0.8Kw，轉(zhuǎn)速為12r/min。齒輪齒條參數(shù)設(shè)計如下：（1）材料選擇 由機械設(shè)計（第八版）表10-1選擇齒輪材料為Q235，齒齒面硬度為240HBS；齒條材料味Q235，齒條齒面硬度為280HBS，。1）齒輪齒數(shù)，齒條齒數(shù)按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即 （7.1）(2) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1）試選載荷系數(shù)2）計算齒輪的轉(zhuǎn)矩 3)選齒寬系數(shù)4)由機械設(shè)計（第八版）圖10-30選取區(qū)域系數(shù)5)由機械設(shè)計（第八版）圖10-26查得，則6)由機械設(shè)計（第八版）表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)7）由機械設(shè)計（第八版）圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限，大齒輪的接觸疲勞強度極限由機械設(shè)計（第八版）圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得（3）計算1）試算齒輪分度圓直徑，由計算公式得 2)計算圓周速度v3)計算齒寬b及模數(shù) 4)計算載荷系數(shù)根據(jù)，8級精度，由機械設(shè)計（第八版）圖10-8查得動載系數(shù)由機械設(shè)計（第八版）表10-3查得由機械設(shè)計（第八版）表10-2查得使用系數(shù)由機械設(shè)計（第八版）表10-13查得由機械設(shè)計（第八版）表10-4查得接觸強度載荷系數(shù)5）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得6)計算模數(shù)7)按齒根彎曲強度設(shè)計由式 (7.2)（4）確定計算參數(shù)1)確定載荷系數(shù)2)根據(jù)重合度，由機械設(shè)計（第八版）圖10-28查得螺旋角影響系數(shù)3) 由機械設(shè)計（第八版）表10-5查得齒形系數(shù)4) 應(yīng)力校正系數(shù)5） 由機械設(shè)計（第八版）圖10-20C查的齒輪的彎曲疲勞強度極限為500MPa，齒條的彎曲強度極限為380MPa。6） 由機械設(shè)計（第八版）圖10-18取彎曲疲勞強度極限，取安全疲勞系數(shù)S=1.4 7） 計算齒輪、齒條的并加以比較齒輪的數(shù)值大。（5）設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，去=3.5mm，已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑=69.4mm來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由取=23，則=u=31*23=23.(6)幾何尺寸計算（1）計算齒輪的分度圓直徑（2）計算齒輪寬度圓整后取 圖7.1為齒輪結(jié)構(gòu)圖，圖7.2為齒條結(jié)構(gòu)圖，表7.1為齒輪性能參數(shù)。圖7.1 齒輪結(jié)構(gòu)圖圖7.2 齒條結(jié)構(gòu)圖表7.1 齒輪性能參數(shù)表結(jié)論畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次真空吸盤式氣動機械手的設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際問題的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。在設(shè)計中應(yīng)用的是真空吸盤，不同于傳統(tǒng)的機械手爪，讓我在對真空方面的知識得到加深的同時，也認(rèn)識到了其相對手爪的優(yōu)勢。真空吸盤，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、外形美觀、吸持力強等特點。在機械日益發(fā)展的今天，真空吸盤設(shè)備將會得到更廣泛的應(yīng)用。由于經(jīng)驗知識水平、時間的局限，設(shè)計難免有不到之處。參考文獻(xiàn)1 JB3915-85。液壓機安全技術(shù)條件.北京:中華人民共和國機械工業(yè)部,19850208發(fā)布2 許福玲、陳堯明主編。液壓與氣壓傳動（第二版），北京：機械工業(yè)出版社 2004.73 何存興主編。液壓與氣壓傳動，武漢：華中科技大學(xué)出版社 2000.84 李愛華等主編。工程制圖基礎(chǔ) 北京：高等教育出版社，2003.85 鐘毅芳等主編。機械設(shè)計，武漢：華中科技大學(xué)出版社 2001.26 朱理主編。機械原理，北京：高等教育出版社，2004.47 王伯平主編?；Q性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機械工業(yè)出版社 2000.28 趙程、楊建民主編。機械工程材料，北京：機械工業(yè)出版社 2003.19 秦曾煌主編。電工學(xué)，北京：高等教育出版社，2003.210 李建興主編?？删幊绦蚩刂破鲬?yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社 2004.711 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