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摘 要
機(jī)械手是近代新興起的高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，不過區(qū)區(qū)數(shù)十載的發(fā)展歷程，就已經(jīng)成為工業(yè)自動化生產(chǎn)中不可或缺的一部分，對生產(chǎn)效率的提高，產(chǎn)品質(zhì)量的改善，和快速的市場運(yùn)作有著至關(guān)重要的作用 。
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要搬運(yùn)小型物品，主要工作任務(wù)就是將目標(biāo)物品從一個傳送帶搬運(yùn)到另一個傳送帶上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的自動化。本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)首先會根據(jù)目的來確定機(jī)械手的工藝流程，然后確定其自由度和坐標(biāo)形式，再設(shè)計(jì)其外部結(jié)構(gòu)，最后在用可編程控制器來進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制。
本設(shè)計(jì)選用的PLC是西門子公司S7-200PLC，其控制原理是由可編程控制器控制相應(yīng)的電磁閥或者液壓馬達(dá)，由電磁閥控制相對應(yīng)氣缸來驅(qū)動執(zhí)行部件完成抓取，而液壓馬達(dá)則帶動齒輪旋轉(zhuǎn)來完成機(jī)械手底座的旋轉(zhuǎn)動作。有著幾個動作的有序結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物品的搬運(yùn)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手;氣動;PLC控制
目 錄
摘 要 II
目 錄 1
引言 1
第一章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 2
1.1 氣動機(jī)械手功能和設(shè)計(jì)參數(shù) 2
1.2 基本設(shè)計(jì)思路 2
1.3 坐標(biāo)形式和自由度選擇 3
1.4 機(jī)械手驅(qū)動方式的選擇 3
1.5 總體設(shè)計(jì)框圖 4
第二章 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 5
2.1.1夾持器種類 5
2.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 6
2.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 7
2.2.1 初步確定系統(tǒng)壓力 7
2.2.2 升降氣缸計(jì)算 7
2.2.3 活塞桿的計(jì)算校核 8
2.2.4 氣缸工作行程的確定 9
2.2.5 缸體長度的確定 9
2.2.6 氣缸的選型 10
2.3底座回轉(zhuǎn)裝置的計(jì)算校核 11
2.3.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 11
2.3.2 馬達(dá)的選型 13
2.4導(dǎo)向裝置和平衡裝置 13
2.4.1導(dǎo)向裝置 13
2.5機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性 14
2.5.1常用的定位方式 14
2.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 14
2.5.3氣動機(jī)械手運(yùn)動的緩沖裝置 14
2.6工件檢測裝置和壓力傳感器 15
第三章 氣動驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
3.1手部抓取缸 17
3.2 手臂升降氣動回路 18
3.3手臂伸縮缸氣動回路 19
3.4整體系統(tǒng)圖 20
第四章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21
4.1 可編程序控制器的設(shè)計(jì)步驟 21
4.2機(jī)械手PLC控制方案 22
參考文獻(xiàn) 26
附錄 25
致 謝 38
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
引言
工業(yè)機(jī)械手在最早的時候只是被用于汽車的生產(chǎn)領(lǐng)域，主要用于零件的搬運(yùn)，外殼的噴漆等工作。工業(yè)機(jī)械手在某種程度上來說相當(dāng)于人類的手腦功能的外延，他可以代替人類在一些惡劣環(huán)境中工作，完成繁重，單調(diào)或者人類很難完成的工作?，F(xiàn)在主要在制造產(chǎn)業(yè)，特別是汽車制造，和金屬材料加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控控制系統(tǒng)，自動運(yùn)載小車 與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的自動化。而且隨著時代的發(fā)展，機(jī)械手的精度，功能和工作速度都會有很大的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也會有所擴(kuò)大。
本設(shè)計(jì)的目的主要是設(shè)計(jì)通用型的搬運(yùn)機(jī)械手，用來代替人們進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，以下是我設(shè)計(jì)機(jī)械手的意義和目的。
（1）本機(jī)械手可以完成搬運(yùn)目標(biāo)物體，沖壓工件，完成數(shù)控機(jī)床刀具的裝卸以及汽車整車的安裝等工作，并且實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動化，從而減少勞動時間，提高生產(chǎn)量并推動制造業(yè)的發(fā)展。
（2）在一些非常規(guī)的危險的的場合中，直接操作機(jī)器是會對人的身體健康產(chǎn)生危害的或者很難完成的，而這部分工作就可以由機(jī)械手代替完成，從而改善了比較惡劣的勞動環(huán)境。
（3）在以前，一些鋼鐵廠，重型機(jī)械制造廠中的危險笨重的工作都是由工人們親手完成的，而這些危險的工作難免會造成一些事故，對工人的身體健康造成傷害，而機(jī)械手的發(fā)展則完全可以代替工人做這些危險的工作，避免人身事故的發(fā)生。
應(yīng)用機(jī)械手在實(shí)際生產(chǎn)中減輕很大的人力。所以，在現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)線中，幾乎都會配備機(jī)械手以減輕人力，準(zhǔn)確的掌控生產(chǎn)節(jié)奏，并進(jìn)行高效的生產(chǎn)。
因此，在各種自動化生產(chǎn)線上配備相應(yīng)的機(jī)械手，不僅可以減輕人力的消耗，更加可以高效生產(chǎn)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
第一章 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案
1.1 氣動機(jī)械手功能和設(shè)計(jì)參數(shù)
功能 1、機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)自由伸縮300毫米和自由升降500毫米；
2、機(jī)械手能夠完成左右轉(zhuǎn)向180度；
3、機(jī)械手能完成工件的抓緊和松開并且快速完成搬運(yùn)。
設(shè)計(jì)參數(shù)
1、抓重 5kg
2、自由度數(shù) 4個自由度
3、座標(biāo)型式 圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑 600mm
5、手臂最大中心高 1800mm
6、手臂運(yùn)動參數(shù)
伸縮行程300mm
伸縮速度400mm/s
升降行程500mm
升降速度250mm/s
回轉(zhuǎn)范圍
回轉(zhuǎn)速度
7、手爪夾持范圍 80mm-150mm
8、定位方式 限位開關(guān)和可以調(diào)位的機(jī)械擋塊
9、定位精度 2mm
10、驅(qū)動方式 氣壓傳動
11、控制方式 采用PLC（可編程控制器）控制
1.2 基本設(shè)計(jì)思路
進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì)時，應(yīng)從以下步驟進(jìn)行：
（1）了解本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的用處，依次確定設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手的目的。
（2）了解機(jī)械手所在系統(tǒng)的工作情況。
（3）知道工作系統(tǒng)的要求，機(jī)械手的主要功能和基本參數(shù)，比如機(jī)械手的運(yùn)動方式，
39
13
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驅(qū)動方式，檢測方式等。還有氣動手抓取物體的質(zhì)量的極限，外形和大小等狀況，以此確定手手爪的形狀和大小
對此，我做了如下分析：
（1）此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為氣動驅(qū)動，因?yàn)槟繕?biāo)物體為小型物品，搬運(yùn)時不需要太大的動力，因此我選用氣動傳動的方式。
（2）而機(jī)械手的控制系統(tǒng)我選用PLC來控制，因?yàn)槲覍W(xué)過PLC的課程，而且PLC的控制系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定，完全能夠承擔(dān)本次機(jī)械手控制系統(tǒng)的角色。
1.3 坐標(biāo)形式和自由度選擇
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動方式：機(jī)械手的坐標(biāo)形式大致有直角坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)兩種，鑒于本機(jī)械手要完成旋轉(zhuǎn)動作，故圓柱坐標(biāo)是一個很不錯的選擇。而自由度為三，分別是底座的左右旋轉(zhuǎn)，手臂的上下升降，手臂的垂直伸縮，最后還有手爪的松緊。
1.4 機(jī)械手驅(qū)動方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動方式主要是氣壓驅(qū)動，液壓馬達(dá)驅(qū)動和液壓缸驅(qū)動等。
氣壓驅(qū)動具有驅(qū)動效率高，系統(tǒng)不復(fù)雜，維修不難，價格不高等特點(diǎn)。 對于非大型機(jī)械手來說是不錯的選擇。
氣壓傳動有以下優(yōu)點(diǎn):
1、空氣的成本低;
2、空氣的粘度系數(shù)小在氣缸內(nèi)流動阻力小,壓力損失不大;
3、氣壓反應(yīng)快;
4、元件簡單,易于標(biāo)準(zhǔn)化;
5、對環(huán)境適應(yīng)好;
6、空氣的密度小，容易壓縮;
7、設(shè)備可以自行降溫,長期工作不會發(fā)生過熱現(xiàn)象
而液壓驅(qū)動能提供的動力很大響應(yīng)速度快，能夠完成大重量物品的搬運(yùn)任務(wù)，但液壓傳動需要液壓油來完成，成本高，并且液壓油的泄漏會對環(huán)境遭成污染，且工作時噪聲很大。
液壓馬達(dá)驅(qū)動源簡單，而且驅(qū)動速度高和位置控制精度高，便于購買使用，噪聲也低，安裝方便。
氣動驅(qū)動的特點(diǎn)是能夠輸出較大的功率，并且本身結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，靈敏度較高。但也會有空氣的的泄漏，不過不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。本設(shè)計(jì)為搬運(yùn)小型，輕量的物體綜上考慮，方案分成兩個部分驅(qū)動方式。其中，機(jī)器人臂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的驅(qū)動方式，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達(dá)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，再驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)。[1]
1.5 機(jī)械手工作原理圖
驅(qū)動系統(tǒng)
（氣壓傳動）
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
控制系統(tǒng)（PLC）
位置檢測裝置
手臂
手爪
底座
被抓取物品
圖1-5機(jī)械手工作原理圖
說明如下：機(jī)械手工作原理
(1) 控制系統(tǒng)：主要任務(wù)是PLC的CPU的選擇，CPU的程序的編寫等。
(2) 驅(qū)動系統(tǒng)：機(jī)械手在運(yùn)作的時候的驅(qū)動設(shè)備。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括外部整體，機(jī)械手腕、手爪。還要明確機(jī)械手的自由度。
(4) 位置檢測裝置：傳感器的形式的選擇和型號的選用及作用。
1.6 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)和工作流程
此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有水平伸縮和垂直升降的功能，可以將工件從傳送帶搬運(yùn)到另一個傳送帶。機(jī)械手裝置具有四個自由度并且其上有位置檢測裝置，能夠代替人類完成單調(diào)循環(huán)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的智能化。且本機(jī)械手移動方便，固定可靠，能夠十分方便的投入到各類不同的生產(chǎn)線中。
根據(jù)要求：機(jī)械手先?？吭谧筮叺奈恢茫看螁訒r，依次完成機(jī)械手下降，抓取，上升，右轉(zhuǎn)，下降，放松并回到原點(diǎn)的動作。并能實(shí)現(xiàn)手動程序和自動程序，還有單步工作程序和單周期工作程序。機(jī)械手動作順序如圖2-2。
原位
下降
夾緊
上升
旋轉(zhuǎn)
停止
旋轉(zhuǎn)
上升
松開
下降
啟動動
右限
下限
延時
上限
左限
圖2-2 氣動機(jī)械手動作順序圖
第二章 系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
2.1.1夾持器種類
為滿足工業(yè)上各種需求，機(jī)械式夾持器種類繁多，下面介紹集中是有代表性的夾持器類型。
1 .連桿杠桿式夾持器
這種結(jié)構(gòu)的夾持方式可以產(chǎn)生較大的夾緊力，能夠穩(wěn)定的夾持工件，但缺點(diǎn)是鉗爪的張開角較小，工件尺寸誤差對夾緊力的影響較大。[2]
2.楔塊杠桿式夾持器
這種末端夾持器是由楔形塊斜面和滾子間為滾動接觸，這種夾持器工作時摩擦力小，活動靈活，而且結(jié)構(gòu)簡單，但有一個缺點(diǎn)就是夾緊力較小，只能適用于輕載場合。
3.滑槽杠桿式式夾持器
這種手爪的工作原理與連桿式夾持器工作原理相似，并且都有較大的夾緊力，但缺點(diǎn)是張開的角度較小。
4.齒輪齒條連桿式夾持器
齒輪齒條式夾持器主要由齒輪和齒條桿組成，齒條向下移動時，夾持器開始放松，向上移動時夾持器開始夾緊，這種夾持器的夾緊力大，能夠夾持較重的物體。
5.內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器
內(nèi)撐式夾持器采用四連桿機(jī)構(gòu)傳遞撐緊力，其撐緊方向與外夾式相反，鉗壁撐緊工件，完成夾緊動作。這種內(nèi)撐式夾持器多用于內(nèi)孔薄壁零件的夾持。[3]
根據(jù)設(shè)計(jì)的具體需求，采用齒輪齒條連桿式手爪作為本設(shè)計(jì)夾持器種類。而這種夾持器也是通用性比較強(qiáng)的夾持器，能夠滿足本設(shè)計(jì)的的需求，而手爪的最小的張開角是工作的直徑來確定的。而手爪要有以下特點(diǎn)：
a .適當(dāng)夾緊力
當(dāng)機(jī)械手在工作的時候手爪應(yīng)該有一定的夾緊力，這樣才能穩(wěn)定的夾取工件保證機(jī)械手平穩(wěn)運(yùn)行。
b .充足的夾取范圍
夾取范圍就是工作時，手爪位置的最大變化量。而機(jī)械手手爪必須具備充分的開關(guān)范圍，這樣才能有效的抓取工件，如果沒有充分的開關(guān)范圍，就無法抓取體積較大的工件，這樣的設(shè)計(jì)也是不合格的。
c .追求結(jié)構(gòu)簡單，小型輕量機(jī)械手在工作時
機(jī)械手在工作時，它的外部結(jié)構(gòu)，整體重量將直接影響機(jī)械手工作的穩(wěn)定性，工作精度等。過于笨重的結(jié)構(gòu)會對機(jī)械手的精度產(chǎn)生不好的影響。故在設(shè)計(jì)時應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單。
d .手爪應(yīng)該一定的強(qiáng)度和剛度
機(jī)械手的手爪應(yīng)該具有一定的強(qiáng)度和剛度，這樣才能讓能夠保證加持器在工作時的穩(wěn)定性。機(jī)械手爪使用采用外盒式兩手指鉗手爪，氣缸采用單作用缸。這個構(gòu)造簡單，制造方便，且夾緊目標(biāo)時，目標(biāo)受力均勻。
2.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)機(jī)械手抓取目標(biāo)物體滿足的受力條件是
（3-6）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第178頁）
其中，F(xiàn)---手爪夾持力；
k1---安全系數(shù)，一般取1.1-1.8；
k2---為動載系數(shù)
k3---方位系數(shù)，查表選取k3≈1
---工件的重量 10；
由計(jì)算可得 ；
理論驅(qū)動力的計(jì)算： P=2bN （3-7）
P---為氣壓缸缸所需要的力；
B---力到支點(diǎn)的距離
N---為手指夾緊力；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
P=378N
計(jì)算驅(qū)動力計(jì)算公式為：
（3-8）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第182頁）
2.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算
2.2.1 初步確定系統(tǒng)壓力
由以上計(jì)算可知，機(jī)械手所承受的的最大壓力約為15000N，所以確定氣缸的壓力為P1=1MPa。
2.2.2 升降氣缸計(jì)算
為了讓機(jī)械手升降，伸縮速度相等，并且盡可能減小氣泵流量，則氣缸有桿腔與無桿腔的等效面積A2與A1應(yīng)滿足A1=2A2。[2]（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿足：d=0.707D。并取氣缸機(jī)械效率。則氣缸上的平衡方程
故氣缸無桿腔的工作面積：
氣缸的直徑
表1 氣缸內(nèi)徑系列
根據(jù)上表可以得出，氣缸直徑D=63mm；考慮到一些其他的因素，取較大值。
2.2.3 活塞桿的計(jì)算校核
活塞桿是氣缸傳遞力的主要部件，主要承受拉力、壓力、剪切應(yīng)力等多種作用。因此要有很高的剛度和強(qiáng)度。其材料取Q235鋼。[4]
活塞桿直徑的計(jì)算
根據(jù)《氣動傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，選取原則為：活塞桿受到拉力時，取d/D=0.2-0.6，受到壓力時，取d/D=0.4-0.8。
因面積1是面積2的兩倍，所以活塞桿直徑取31.5mm ，結(jié)合表2取32mm）
活塞桿直徑系列表
表2活塞桿直徑系列
檢驗(yàn)氣缸尺寸，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，而工進(jìn)速度
為最小速度，則由式
（4-3）
本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。
2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：
<90mm （4-4）
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa四舍五入后后取400MPa，安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）。[5]
3.活塞桿的密封與防塵
活塞桿的密封與防塵形式有好多種，其中密封圈有Y型的，U型的，O型的和V型的等[6]。為了結(jié)構(gòu)簡單化和維修方便，選擇O型密封圈作為活塞桿的密封防塵裝置。
2.2.4 氣缸工作行程的確定
氣缸的工作行程取決于機(jī)械手的最大伸縮長度和升降距離可以依照下列三個表格選取。
根據(jù)機(jī)械手的工作要求再結(jié)合以上表格給出的數(shù)值，選擇氣缸的行程為420mm。
2.2.5 缸體長度的確定
氣缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外部長度則還需要考慮到氣缸兩端端蓋的厚度[1]。一般情況下氣缸缸體長度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20-30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長度：L=5*100mm=500mm。
2.2.6 氣缸的選型
經(jīng)過以上的計(jì)算和校核，在對比市場上的氣缸型號，我們選擇速易可（上海）有限公司生產(chǎn)的MDA63型的氣缸。氣缸的相關(guān)信息如下表2-6：
標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號表
型號
動作形式
缸徑
標(biāo)準(zhǔn)行程
使用速度
固定裝置
額定壓力
MDA32
復(fù)動
（雙軸）
32
25-500
50-800
空白：標(biāo)準(zhǔn)型
LB:腳架
FA:前法蘭
FB：后法蘭
TC:耳軸
TCM:耳軸附腳架
0.15-0.85
MDA40
40
25-800
MDA50
50
25-1000
MDA63
63
MDA80
80
MDA100
100
表2-6標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號表
在計(jì)算的前提下，根據(jù)上圖的標(biāo)準(zhǔn)型氣缸的種類，在這選擇MDA63標(biāo)準(zhǔn)型氣缸。它的運(yùn)動形式是復(fù)動雙軸，標(biāo)準(zhǔn)行程為25-1000mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。其固定裝置有腳架，前后法蘭等。
2.3底座回轉(zhuǎn)裝置的計(jì)算校核
2.3.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核
因?yàn)橐簤厚R達(dá)帶動齒輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以：
額定功率： （2-24）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第212頁）
加速功率： （2-25）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第215頁）
力矩：
（2-26）
（公式來源：材料力學(xué)第45頁）
（2-27）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第248頁）
起動時間：
（2-28）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第252頁）
制動時間：
（2-29）
（公式來源：機(jī)械設(shè)計(jì)第253頁）
底座的回轉(zhuǎn)只存在摩擦力矩,則在回轉(zhuǎn)軸上有；
（2-30）
（公式來源：材料力學(xué)第78頁）
式中，---為軸承摩擦系數(shù)，取0.005；
---為總重量，取80；
---為傳動大齒輪分度圓半徑，R=210；
經(jīng)計(jì)算得 =0.15；
同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動比定為1/7；
且， 帶入數(shù)值得： =10.5。
將其帶入上（2-24）~（2-30）式，得：
起動時間 ： ；
制動時間 ： ；
那么液壓馬達(dá)所在軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。
2.3.2 馬達(dá)的選型
BM-R100液壓馬達(dá)采用簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的進(jìn)口密封件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，起動靈敏度高，可選轉(zhuǎn)速范圍寬，使用壽命長，小巧輕便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)表2-3BM-R型馬達(dá)型號參數(shù)表選擇合適的馬達(dá)。
BM-R型馬達(dá)型號參數(shù)表
參數(shù)
型號
BM-R80
BM-R100
BM-R125
BM-R160
BM-R200
BM-R250
額定轉(zhuǎn)速
R/min
620
500
400
310
250
200
公稱排量
Ml/r
80
100
125
160
200
250
額定壓力
MPA
12.5
12.5
12.5
12.5
10.0
10.0
額定轉(zhuǎn)矩
N.M
120
150
190
240
250
310
額定轉(zhuǎn)矩
R/min
620
500
400
310
250
200
額定流量
L/min
50
50
50
50
50
50
重量
kg
7.0
7.1
7.3
7.6
7.9
8.5
總效率
68
68
68
68
68
68
長度L
mm
145
148.5
153
159
166
175
表2-3BM-R型馬達(dá)型號參數(shù)表
根據(jù)上表參數(shù)，選則BM-R100液壓馬達(dá)作為機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的動力源。
BM-R100液壓馬達(dá)采用簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和良好的進(jìn)口密封件，因此具有結(jié)構(gòu)簡單，起動靈敏度高，可選轉(zhuǎn)速范圍寬，使用壽命長，小巧輕便等優(yōu)點(diǎn)。而且此液壓馬達(dá)可直接與工作機(jī)構(gòu)相連。就比如本設(shè)計(jì)中，液壓馬達(dá)的末端和主動小齒輪相連，帶動與小齒輪嚙合的大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪又和機(jī)械手的中心主軸通過平鍵連接，帶動機(jī)械手整體旋轉(zhuǎn)。
2.4導(dǎo)向裝置和平衡裝置
2.4.1導(dǎo)向裝置
氣壓機(jī)械手的手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，機(jī)械手臂可能會繞中心軸旋轉(zhuǎn)，這樣會對機(jī)械手的精度產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致機(jī)械手在抓取物體時會偏移一定的距離，盡管這個距離可能很小，但是隨著機(jī)械手不斷的運(yùn)動這個偏移就可能會變的不容忽視，最終導(dǎo)致抓不到工件。為了防止這種情況的發(fā)生，我們需要在氣壓缸上端安裝導(dǎo)向桿，以此來增加手臂的剛性。至于具體的安裝形式要根據(jù)機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)來確定。
本機(jī)械手由于是氣動機(jī)械手，運(yùn)行速度不算太快，手臂產(chǎn)生的偏移也不太大，因此采用單導(dǎo)向桿裝置來提高機(jī)械手臂的剛性和導(dǎo)向性。
2.4 .2平衡裝置
在本設(shè)計(jì)中，由于機(jī)械手伸縮臂不是對稱分布的，如果不安裝平衡裝置會對機(jī)械手的穩(wěn)定性，精度和壽命有影響。因此為了使機(jī)械手臂兩端的力矩相等，需要在其中一端安裝平衡裝置。一般情況下平衡裝置內(nèi)會放置重物來平衡機(jī)械手左右力矩，至于平衡裝置內(nèi)重物的質(zhì)量，則要根據(jù)機(jī)械手抓去的工件質(zhì)量來確定。抓取不同的物體就放之相對應(yīng)的重物，力求手臂兩端力矩相等。因?yàn)檫@樣不僅可以增加機(jī)械手的穩(wěn)定性，精度還會增加機(jī)械手的壽命。
2.5機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性
2.5.1常用的定位方式
本次定位方式選用的是機(jī)械擋塊定位，方式是在每一步的最終位置放置機(jī)械擋塊，機(jī)械手經(jīng)PLC控制到達(dá)最終位置時減速，并且貼著機(jī)械擋塊而停止，從而達(dá)到定位的目的。[6]
2.5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
任何機(jī)器的正常運(yùn)作，實(shí)際上都是空間的定位問題，是由很多線量和角量結(jié)合組成的，而影響這些線量和角量定位誤差的因素有定位速度，制造精度，結(jié)構(gòu)剛度，運(yùn)動件的重量，驅(qū)動源，控制系統(tǒng)等。[7]
2.5.3氣動機(jī)械手運(yùn)動的緩沖裝置
一般情況下，緩沖裝置有兩種，分為內(nèi)緩沖和外緩沖。
本次機(jī)械手設(shè)計(jì)用的氣缸端部緩沖裝置。其作用原理是當(dāng)活塞運(yùn)動到距氣缸蓋一段距離時，端蓋和活塞之間能行成緩沖室，緩沖室可以產(chǎn)生背壓阻力而這個背壓阻力可以是活塞運(yùn)動減速然后停止，從而達(dá)到了避免碰撞的目的，而這個裝置被稱為氣缸端部緩沖裝置。[5]
在設(shè)計(jì)緩沖裝置時， 最大加速度、 緩沖腔最大沖擊壓力和 殘余速度是受外部因素影響的。而我們在這里采取的校核方法是固定變量法，即讓其他因素不變校核一個因素[6]
(1)選擇最大加速度
一般情況下，最大加速度的選取要參考機(jī)械手的外部結(jié)構(gòu)，機(jī)械手越大最大加速度越大，機(jī)械手越小，最大加速度越小。重載低速氣動機(jī)械手，最大加速度一般取 5以下，對于輕載高速氣動機(jī)械手，最大加速度一般取- 取5～10m/s2 。因?yàn)楸緳C(jī)械手是輕載高速機(jī)械手，所以最大加速度取8m/s2。
(2)計(jì)算沿運(yùn)動方向作用在活塞上的外力F
水平運(yùn)動時：
（2.23）
=138N
(3)計(jì)算殘余速度
（2.24）
m/s（來源：機(jī)械動力學(xué)第132頁）
2.6工件檢測裝置和壓力傳感器
本設(shè)計(jì)的工件檢測測裝置為光電傳感器。光電檢測方法檢測目標(biāo)物體時，檢測精度非常高，而且檢測速度很快，不用直接接觸工件，而且能夠測量的參數(shù)很多并且結(jié)構(gòu)簡單，能夠安裝在很多不同裝置上。
當(dāng)光電傳感器可以檢測傳送帶上的工件是否到位，如果工件到位，那么傳感器就會發(fā)送信號到PLC控制系統(tǒng)，然后PLC控制系統(tǒng)就會發(fā)出指令給與其相連的為傳送帶提供動力的電動機(jī)，使電動機(jī)停止，機(jī)械手開始工作，當(dāng)工件離開傳送帶時，電機(jī)工作，檢測到工件就停止。
壓力傳感器是為了保證機(jī)械手能抓到目標(biāo)物體。壓力傳感器(Pressure Transducer)是能感受壓力信號，并且能將壓力信號并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。[8]
壓力傳感器可以保證機(jī)械手在抓取過程中抓到工件，保持機(jī)械手的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如果壓力傳感器感受不到工件的存在，PLC的程序就不會往下走。所以，壓力傳感器可以保證機(jī)械手在抓取工件時高效，正常運(yùn)作。
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第三章 氣動驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動都是是機(jī)械手的控制形式。而氣動驅(qū)動通過氣壓泵壓縮空氣推動活塞運(yùn)動，進(jìn)而使機(jī)械手臂移動。氣動驅(qū)動的運(yùn)行速度室友氣體的流動量和壓力來決定的。
主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)氣壓缸的結(jié)構(gòu)簡單，市場上能直接選購且工作效率高。
(2)氣泵壓縮的空氣具有環(huán)保性，不會因泄漏而污染空氣。
(3)氣動元件可以長時間工作，因?yàn)闅鈩釉梢宰詣咏禍兀粫驗(yàn)榘l(fā)熱而影響工作的正常進(jìn)行。
(4)氣動元件氣動元件的響應(yīng)能力強(qiáng)，能夠在第一時間起動，并且?guī)缀鯖]有后滯現(xiàn)象，能夠快速的制動防止事故發(fā)生。并且其工作時精度很高，位移上幾乎沒有誤差。
缺點(diǎn):氣動控制的主要缺點(diǎn)是其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，檢測裝置補(bǔ)償功能都不如電子系統(tǒng)。
3.1手部抓取缸
圖 3.1 手部抓取缸氣動原理圖
(1) 手部抓取缸氣動原理圖如圖3.1所
工作原理如下：
由圖可知機(jī)械手的手部抓取缸有一個兩位五通閥和一個調(diào)速閥組成。電磁鐵沒有通電時氣泵沒有打開，氣壓不會產(chǎn)生。當(dāng)電磁通電時滑閥可以控制氣流的進(jìn)口方向，當(dāng)氣流從左邊進(jìn)入氣壓缸，會推動活塞向下移動，齒條會帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，此時機(jī)械手爪夾緊；當(dāng)滑閥改變氣流進(jìn)入的方向時，即氣流從右邊進(jìn)入氣缸活塞會向上運(yùn)動，而此時齒輪的轉(zhuǎn)動方向與上面相反，機(jī)械手爪放松。
與此同時，手部抓取缸還設(shè)有調(diào)速閥，可以控制氣體的流速，進(jìn)而控制活塞桿的運(yùn)動速度，來達(dá)到調(diào)整機(jī)械手的抓取速度的目的。
17
3.2 手臂升降氣動回路
圖 3.2 手臂升降缸氣動原理圖
(1) 手臂升降氣動原理圖如圖3.2所示
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工作原理如下：
由上圖知，機(jī)械手臂的升降氣動回路主要由一個兩位三通閥和一個調(diào)速閥組成。當(dāng)電磁鐵通電時，滑閥可以選擇左右入口，當(dāng)氣流從流入入口時，氣流會推動活塞向上運(yùn)動，活塞向上運(yùn)動會帶動導(dǎo)向桿也向上運(yùn)動，此時機(jī)械手開始上升。當(dāng)你想調(diào)整機(jī)械手的上升速度時，我們可以找到回路中有一個和主回路并聯(lián)的調(diào)速閥，撥動開關(guān)，氣流就會從主回路轉(zhuǎn)移到有調(diào)速閥的回路，此時我們可以通過調(diào)速閥來調(diào)節(jié)氣體的流量大小，從而達(dá)到調(diào)整機(jī)械手升降速度的目的。
而當(dāng)氣流從另一個入口進(jìn)入氣壓缸時，活塞會向下運(yùn)動，從而帶動機(jī)械手向下運(yùn)動這就是機(jī)械手的升降氣動回路。
3.3手臂伸縮缸氣動回路
圖 3.3 手臂伸縮缸氣動原理圖
19
(1)小臂伸縮缸氣動原理圖如圖3.3所示
工作原理如下：
機(jī)械手臂的升降氣動回路主要由一個兩位三通閥和一個調(diào)速閥組成。當(dāng)電磁鐵通電時，滑閥可以選擇左右入口，當(dāng)氣流從流入入口時，氣流會推動活塞向上運(yùn)動，活塞向上運(yùn)動會帶動導(dǎo)向桿也向上運(yùn)動，此時機(jī)械手開始上升。當(dāng)你想調(diào)整機(jī)械手的上升速度時，我們可以找到回路中有一個和主回路并聯(lián)的調(diào)速閥，撥動開關(guān)，氣流就會從主回路轉(zhuǎn)移到有調(diào)速閥的回路，此時我們可以通過調(diào)速閥來調(diào)節(jié)氣體的流量大小，從而達(dá)到調(diào)整機(jī)械手升降速度的目的。
3.4氣動系統(tǒng)總體原理圖
圖 3.4氣動系統(tǒng)總體原理圖
（1）整體系統(tǒng)圖如圖3.4所示,
（2）工作過程:
手臂下降→手爪抓緊→手臂上升→底座旋轉(zhuǎn)→手臂下降→手爪放松
（3） 電磁鐵動作順序如表3-5
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電磁鐵動作順序表
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
6DT
手臂伸長
手爪抓緊
底座上升手臂收縮
手部放松
底座下降
-
-
-
+
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
+
-
-
-
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
表3-5電磁鐵動作順序表
第四章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 可編程序控制器的設(shè)計(jì)步驟
用PLC完成對生產(chǎn)過程的控制，通常的設(shè)計(jì)任務(wù)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分。而具體設(shè)計(jì)時，可按照如下步驟:
(1) 工藝流程圖
機(jī)械手的工藝流程如下：首先機(jī)械手原點(diǎn)位置，當(dāng)檢測裝置檢測到傳送帶上有物體時，機(jī)械手下降，下降到指定位置時，機(jī)械手執(zhí)行夾緊動作，夾緊到位后，機(jī)械手上升，上升到位后，兩個嚙合齒輪帶動機(jī)械手向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到位后，機(jī)械手下降，下降到位后，執(zhí)行松開動作，之后再上升，然后向左旋轉(zhuǎn)，到達(dá)左限位后停止，到光電開關(guān)再一次檢測到物品時，再次執(zhí)行以上操作。這就是機(jī)械手的工藝流程。如圖5-1所示
23
（2)PLC硬件的選擇
PLC的型號有很多，選用時要考慮以下幾個因素1.PLC的功能2.輸入接口模塊3.輸出接口模塊，另外還要考慮其可靠性，價格，等問題。
結(jié)合以上因素，我們選擇S7-200CPU226.
(3)編制I/0地址號分配對照表和符號表
即要編寫一個輸入輸出信號代號和分配到PLC內(nèi)的與其相連接的輸入輸出繼電器號的對照表，就是所謂的I/O分配表還要確定的就是控制程序內(nèi)的計(jì)時器，定時器，繼電器等數(shù)量和編號，就是為了現(xiàn)場調(diào)試和查找故障。
（4）畫出接線圖
接線圖就是PLC與現(xiàn)場器件的實(shí)際安裝連線圖。因?yàn)椴煌妮斎胄盘栠B接到PLC輸入端時決定輸入繼電器是通電還是斷電，借助接線圖，我們可以理清邏輯關(guān)系，，按圖進(jìn)行現(xiàn)場接線，從而使系統(tǒng)正常運(yùn)作。如圖5-2
(5)畫出梯形圖
如圖5-5所示，為機(jī)械手自動程序的梯形圖。
本設(shè)計(jì)的程序分為四個子程序，分別為公用程序，手動程序，回原點(diǎn)程序和自動程序。附表會依次給出其梯形圖。
自動程序的順序功能圖如圖5-7
(6)進(jìn)行系統(tǒng)模擬和調(diào)試程序
即檢查程序是否能正常運(yùn)行，如果不能正常運(yùn)行則必須在編輯器上修改程序直至能夠正常運(yùn)行。
在我們進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試的前面，首先進(jìn)行模擬調(diào)試。如果執(zhí)行動作和輸出動作正常則可進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，如果執(zhí)行動作和輸出動作不正常，或者程序不能正常運(yùn)行，則繼續(xù)模擬調(diào)試進(jìn)行修正，當(dāng)程序能夠輸出正確的動作時調(diào)試成功。
(7)保存程序
硬件和軟件都滿足設(shè)計(jì)要求即可保存程序，正常使用?？梢詫⒆罱K程序由打印機(jī)打出，作為技術(shù)文件存檔備用。
4.2機(jī)械手PLC控制方案
4.2 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求
4.2.1 PLC的控制原理
本設(shè)計(jì)為圓柱座標(biāo)氣動機(jī)械手。機(jī)械手臂具有三個自由度，即水平方向的伸縮;豎直方向的升降;底座的左右旋轉(zhuǎn)。其次，機(jī)械手的手爪部分還可以完成對工件的抓放功能。旋轉(zhuǎn)動作采用氣壓馬達(dá)驅(qū)動，其余的動作都采用氣壓缸驅(qū)動，即用三個二位五通電磁閥，分別控制三個氣壓缸和馬達(dá)，使機(jī)械手完成伸縮、升降，旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動作。這樣，可用PLC的輸入端和輸出端各連接相應(yīng)的裝置，通過編寫程序，使機(jī)械手按照程序的指令來進(jìn)行運(yùn)動，當(dāng)你需要改變機(jī)械手的動作時，只要重新編程就可以了，而不用去重新接線。除此之外，機(jī)械手的各個執(zhí)行器的末端都安裝有限位開關(guān)，保證機(jī)械手的動作精確無誤，如果動作出現(xiàn)偏差，則出錯信號燈亮，機(jī)械手就停止工作，知道故障排除才能工作。
4.2.2.控制要求
為了能夠應(yīng)對各種需要，機(jī)械手設(shè)置了手動工作方式、單周期工作方式和自動工作方式和單步工作方式。[9]
（1）手動工作方式
為了便于觀察機(jī)械手的每一步動作和對設(shè)備的調(diào)整和維修，在這里設(shè)置手動工作方式。即用六個按鈕來控制機(jī)械手的各個動作，松開。同時為了機(jī)械手的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，在手動程序中設(shè)置了一些動作相互的連鎖。
手動工作方式的梯形圖如圖5.2.1
用限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)I0.1-I0.4來保證機(jī)械手的工作范圍。設(shè)置升降，左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)之間的連鎖，防止兩個相反的動作同時為運(yùn)行。上限位開關(guān)I0.2的常開觸點(diǎn)與控制旋轉(zhuǎn)的Q0.3和Q0.4的線圈串聯(lián)，機(jī)械手升到指定位置才能左右旋轉(zhuǎn)，以防止機(jī)械手在不合適的位置時和其他東西碰撞。機(jī)械手在最左邊或最右邊時才允許松開工件和升降操作。
（2）自動工作方式
顧名思義，其工作方式是機(jī)械手手從初始位置開始反復(fù)工作下去，但按下停止按鈕時就會停止工作。
自動工作和單周期不一樣的地方在于“連續(xù)標(biāo)志”M0.7和“轉(zhuǎn)換允許”M0.6
自動工作時單步開關(guān)I2.2的常閉觸點(diǎn)接通，轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M0.6接通,允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。且連續(xù)開關(guān)I2.4接通，初始步時系統(tǒng)處于原始狀態(tài)，M0.5和M0.0接通,按下啟動按鈕I2.6,A點(diǎn)降步M2.0為ON，下降閥Q0.0的線圈通電，機(jī)械手下降，同時，M0.7的線圈接通并一直保持下去。
當(dāng)機(jī)械手碰到下限位開關(guān)I0.1時，轉(zhuǎn)換到“夾緊”步M2.1，夾緊閥Q0.1被置位，工件被夾緊。同時接通延時定時器T37開始計(jì)時，2S后時間到，完成加緊，T37常開觸點(diǎn)閉合，A點(diǎn)升M2.2被置為1，機(jī)械手上升，以此類推，機(jī)械手將一步一步走下去。
當(dāng)機(jī)械手返回到最左邊時，左限位開關(guān)為ON，連續(xù)標(biāo)志M0.7為ON,轉(zhuǎn)換條件M0.7I0.4滿足，系統(tǒng)將返回M2.0，以后系統(tǒng)會一直按照這種方式工作下去，除非工作人員按下終止按鈕。
（3） 單周期工作方式
手臂從初始位置開始運(yùn)轉(zhuǎn)，一個周期后就會停止工作。
單周期工作方式中，連續(xù)標(biāo)志M0.7沒有接通。其余的都和自動工作方式一樣，當(dāng)機(jī)械手在最后一步M2.7返回到最左邊時，左限位開關(guān)連接，連續(xù)標(biāo)志非M0.7I0.4滿足，系統(tǒng)停留在原點(diǎn)位置，機(jī)械手運(yùn)動停止。
（4） 單步工作方式
在單步工作方式中，單步開關(guān)I2.2接通，它的常閉觸點(diǎn)斷開，M0.6在一般情況下為斷開，不允許步與步之間的轉(zhuǎn)換。
按下啟動按鈕I2.6，轉(zhuǎn)換允許M0.6在一個掃描周期為接通，A點(diǎn)降M2.0被置為活動步，機(jī)械手得到指令下降，在啟動按鈕接通后，M0.6變?yōu)镺FF。機(jī)械手碰到下限位開關(guān)I0.1時，與下降閥Q0.0線圈串聯(lián)的下限位開關(guān)I0.1常閉觸點(diǎn)斷開，讓Q0.0線圈斷電，機(jī)械手停止下降。此時第四個網(wǎng)絡(luò)的I0.1常開觸點(diǎn)閉合，等到按下啟動按鈕，M0.6常開觸點(diǎn)接通，，夾緊步上升沿，才能轉(zhuǎn)換到夾緊步。以后在完成某一步的操作后，都必須按一次啟動按鈕，使轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志M0.6的常開觸點(diǎn)接通一個掃描周期，才能轉(zhuǎn)換到下一步。
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結(jié) 論
本設(shè)計(jì)為氣壓搬運(yùn)機(jī)械手，具有三個自由度和機(jī)械手爪的抓緊，放松功能。能夠完成對目標(biāo)物品的搬運(yùn)工作，其次，本設(shè)計(jì)為通用型搬運(yùn)機(jī)械手，可以通過修改程序來完成對不同物品的搬運(yùn)。
采用氣動傳動，因?yàn)榘徇\(yùn)目標(biāo)物品較輕，故采用氣動傳動，并且氣動傳動成本低，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。
采用PLC控制，可靠性高，靈活性高，可以根據(jù)具體的情況來編寫程序，通用性強(qiáng)。
因此本設(shè)計(jì)完全可以滿足搬運(yùn)目標(biāo)物體的功能。
基于PLC的機(jī)械手利用PLC編程控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的夾緊、松動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，上下。PLC機(jī)械手，未來的發(fā)展趨勢，不僅易學(xué)，而且更通用。[10]
通過本次設(shè)計(jì)我學(xué)到了很多東西，以前不太懂得知識經(jīng)過不斷的翻閱資料現(xiàn)在都已經(jīng)熟稔于心，而且本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是多門專業(yè)課的綜合，這種跨度大設(shè)計(jì)也鍛煉了我的多種能力，也加強(qiáng)了我對專業(yè)知識掌握。總之，我從畢業(yè)設(shè)計(jì)中受益良多。
參考文獻(xiàn)
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[12]Fuwen, Hu. Loading and Unloading Manipulator Controlled by Built-in PLC in CNC System[J]. Sensors & Transducers,2013,159(11).
附錄
附錄1 I/O地址分配表
附錄2 機(jī)械手外部接線圖
附錄3手動程序梯形圖
附錄4公用程序梯形圖
附錄5自動返回原點(diǎn)程序梯形圖
附錄6自動程序梯形圖
附錄7 PLC程序的仿真
（1）手動程序仿真
（2）自動程序仿真
（3）自動返回原點(diǎn)程序仿真
致 謝
首先向安老師表示誠摯的謝意。本設(shè)計(jì)是安老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從一開始的毫無頭緒，到一步步的熟悉設(shè)計(jì)的大致方向，到最后完成設(shè)計(jì)，安老師都給了我很大的幫助。每當(dāng)自己被設(shè)計(jì)困擾時，都會去辦公室找安老師，每次老師都會耐心的講解我問的問題，然后自己就會豁然開朗，再次帶著熱情投入到接下來的設(shè)計(jì)中。老師也給我們提供了很多的資料，讓我們可以了解到更多的內(nèi)容，完善自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
同時我還要感謝各專業(yè)老師和同學(xué)們，是你們的幫助讓我順利的完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，最后我要感謝我的父母和妹妹，每當(dāng)自己很累的時候，他們最會在我背后默默支持我，鼓勵我。
四年轉(zhuǎn)瞬即逝，但思念會一直留在心中，我不會忘記老師的教誨和同學(xué)的情誼，讓我們后會有期