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上海電機(jī)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
課 題 球形工件氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)
專 業(yè) 機(jī)械電子工程
年 級(jí) 2009級(jí)
姓 名 周赟 學(xué) 號(hào) 091002070639
指 導(dǎo) 教 師 （簽字）
學(xué) 院（系）院長(zhǎng)（簽字）
年 月 日
課題來(lái)源
□國(guó)家級(jí) □省部級(jí) □教師科研 ■企業(yè)項(xiàng)目 □自選項(xiàng)目
課題的目的
、
意義
機(jī)械手是一種按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具的典型機(jī)電一體化裝置。氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，其特點(diǎn)是以空氣作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，采用氣缸、氣馬達(dá)或其它氣動(dòng)裝置作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)機(jī)械手是典型的機(jī)、電、氣一體化的產(chǎn)物，以其價(jià)廉、簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。
通過(guò)設(shè)計(jì)，學(xué)生可以綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、微機(jī)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，使用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練的目的。
要求
這種氣動(dòng)機(jī)械手用于拾取搬運(yùn)圓球形工件，要求實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)上的移動(dòng)，傳動(dòng)方式X、Y方向采用滾珠絲杠螺母副，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z軸的運(yùn)行機(jī)構(gòu)為伸縮氣缸，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)形式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是真空吸盤，用來(lái)吸取球形工件。
操作對(duì)象：球形工件。
主要技術(shù)參數(shù)：
1、氣動(dòng)部分采用氣壓驅(qū)動(dòng)，氣壓壓力為0.25MPa。
2、氣動(dòng)機(jī)械手拾取搬運(yùn)圓球形工件，工件最大重量為10N，拾放功能通過(guò)氣動(dòng)吸盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。要求能夠準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)并將工件移動(dòng)至指定位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的拾放功能。
3、行程范圍：X方向800mm，Y方向400mm，Z方向100mm。
工作量要求：
設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書1.5萬(wàn)字以上；
總裝圖，A0圖紙1張；
零件圖，相當(dāng)于A1圖紙1張；氣動(dòng)回路原理圖；
控制系統(tǒng)原理圖，A1圖紙1張；英文資料翻譯2萬(wàn)個(gè)英文字符。
課題主要內(nèi)容及進(jìn)度
設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：
1、氣動(dòng)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)；
2、氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算；
3、氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)；
4、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
進(jìn)度計(jì)劃表：
2012.12.10-2012.12.31收集資料，研讀資料
2013.01.01-2013.01.15擬訂總體設(shè)計(jì)方案
2013.01.15-2013.03.15機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制總裝圖
2013.03.15-2013.04.15主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制零件工作圖
2013.04.15-2013.04.23氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2013.04.23-2013.05.13控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，繪制PLC控制原理圖、編制梯形圖
2013.05.13-2013.05.25撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書；
2013.05.25-2013.06.06修改及答辯
- 3 -
尹志強(qiáng)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，機(jī)械工業(yè)出版社，2007
謝存禧?張鐵，機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2005?
機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，張訓(xùn)文，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京理工大學(xué)出版社，2006
王長(zhǎng)春，姜軍生，機(jī)電一體化綜合實(shí)踐指導(dǎo)，高等教育出版社，2004
陶湘廳，袁銳波，羅璟，啟動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 【期刊】，2007/08
彭國(guó)慶?陳柏金，基于氣動(dòng)機(jī)械手的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室【期刊】2012/06/25
宋志峰，氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院?【期刊】，2011/04/30
諶渭，基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院?【期刊】，2010/07/01
汪歡歡；胡國(guó)清；周青輝，基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院; 福建上潤(rùn)精密儀器有限公司【期刊】2012/09/15
王巍；汪玉鳳，基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手研究，遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣工程系【期刊】2005/12/30
Kyoung Kwan Ahn,Nguyuen Huynh Thai Chau,
【期刊】 Journalof Mechanical Science and Technology July 3,2006
上海電機(jī)學(xué)院
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
論文（設(shè)計(jì)）題目：
球型工件氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)
學(xué) 院： XXXXXXXXX
專 業(yè)：XXXXXXXXXXXXXXXX
班 級(jí)： XXXXXXX
學(xué) 號(hào)：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
2013年04 月19 日
上海電機(jī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 III 頁(yè)
目 錄
目 錄 I
摘 要 III
Abstract IV
第一章 前言 1
1.1 研究的目的及意義 1
1.2 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3 主要研究的內(nèi)容 2
1.4 解決的關(guān)鍵問題 3
第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇 4
2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇 4
2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成 6
2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇 6
2.3.1 手部的選擇 6
2.3.2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇 8
2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理 9
第三章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 10
3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇 10
3.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì) 11
3.3 氣動(dòng)元件選取及工作原理 12
3.3.1 氣源裝置 12
3.3.2 執(zhí)行元件 13
3.3.3 控制元件 13
3.3.4 輔助元件 15
3.3.5 真空發(fā)生器 15
3.3.6 吸盤 15
第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 17
4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 17
4.2 控制系統(tǒng)的性能要求 17
4.3 傳感器的選擇 18
4.3.1 位置檢測(cè)裝置 18
4.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理 18
4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 18
4.4.2 PLC種類及型號(hào)選擇 23
4.4.3 I/O點(diǎn)數(shù)分配 23
4.4.4 PLC外部接線圖 24
4.5 PLC程序設(shè)計(jì) 25
第五章 球型工件氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28
5.1 X軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 28
5.1.1導(dǎo)軌的選擇 28
5.1.2絲杠的選擇 31
5.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 33
5.2 Y軸傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 34
第六章 總結(jié)與展望 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
摘 要
機(jī)械手在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
本文在縱觀了近年來(lái)機(jī)械手發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了用步進(jìn)電機(jī)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和PLC控制的設(shè)計(jì)方案。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對(duì)球型工件氣動(dòng)機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來(lái)完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。最后提出了一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。
通過(guò)以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型球型工件氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，氣動(dòng)控制，可編程控制器（PLC），自動(dòng)化控制。
Abstract
Manipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. It can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. It also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. So it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc.
In this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, We proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by PLC. Integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. We analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. We used pneumatic-driven in the driving system, PLC control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulator's moving, failure alarm and so on. Finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance.
Through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical PLC control system design.
Key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (PLC)； automatic control；
上海電機(jī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 37 頁(yè)
第一章 前言
1.1 研究的目的及意義
機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，可以大量代替單調(diào)往復(fù)或高精度需求的工作，在先進(jìn)制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。
隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械手作為前沿的產(chǎn)品應(yīng)自動(dòng)化設(shè)備更新時(shí)的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。它可以搬運(yùn)貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。
可編程控制器(PLC)是以中央處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前在機(jī)械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。
目前，國(guó)際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。
我國(guó)機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大部分被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面前，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。
隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越多。
在未來(lái)幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
1.3 主要研究的內(nèi)容
隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究球型工件氣動(dòng)機(jī)械手以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
(1) 球型工件氣動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇
執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動(dòng)部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。主要包括X軸，Y軸，Z軸3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。
(2) 球型工件氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動(dòng)力的裝置。通過(guò)對(duì)液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動(dòng)方式的比較，本設(shè)計(jì)選擇氣壓驅(qū)動(dòng)的方式。內(nèi)容包括氣動(dòng)元件的選擇及其工作原理、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)和氣動(dòng)原理圖的繪制。
(3) 球型工件氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對(duì)PLC的型號(hào)選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、I/O口的選擇、對(duì)控制系統(tǒng)原理圖、自動(dòng)程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。
1.4 解決的關(guān)鍵問題
1 解決機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。
2 執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問題。
3 機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。
4 元件的匹配規(guī)則和知識(shí)的獲取及其表達(dá)形式。
5 傳感器的類型選擇。
第二章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇
機(jī)器手的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的布局類型直接影響到機(jī)械手的工作性能。
2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)形式的選擇
機(jī)械手的基本型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。下面就各型式機(jī)械手作簡(jiǎn)單的分析對(duì)比：
1、直角坐標(biāo)式機(jī)械手
直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
其工作范圍可以是一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上個(gè)具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。
直角坐標(biāo)式機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)：
（1） 產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求；
（2） 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機(jī)械相配合；
（3） 適于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更；
（4） 定位精度高，載重發(fā)生變化是不回影響精度；
（5） 易于實(shí)行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。
缺點(diǎn)：機(jī)械手的作業(yè)范圍較小。
2、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間較小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：
（1） 手臂水平回轉(zhuǎn)；
（2） 手臂伸縮；
（3） 手臂上下；
（4） 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
（5） 手爪夾緊動(dòng)作。
圓柱式機(jī)械手的特點(diǎn)是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動(dòng)和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)。
3、球坐標(biāo)式機(jī)械手
球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)八個(gè)動(dòng)作：
（1） 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；
（2） 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
（3） 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；
（4） 手腕上下彎曲；
（5） 手腕左右擺動(dòng)；
（6） 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
（7） 手爪夾緊動(dòng)作；
（8） 機(jī)械手的整體移動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手的特點(diǎn)是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動(dòng)作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，還可以上下擺動(dòng)，工作范圍和人的手類似。它的特點(diǎn)能能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。
4、關(guān)節(jié)式機(jī)械手
關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作傳動(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手的操作機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。
機(jī)械手型式的選擇首先是從滿足它的運(yùn)動(dòng)要求方面進(jìn)行考慮， 然后從機(jī)械手的復(fù)雜程度以及經(jīng)濟(jì)情況等方面來(lái)考慮。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手主要?jiǎng)幼鳛闄C(jī)械手手臂的左右移動(dòng)，升降移動(dòng)和機(jī)械手的整體旋轉(zhuǎn)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手和關(guān)節(jié)式機(jī)械手對(duì)動(dòng)作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，有很多動(dòng)作是不必要的，顯得浪費(fèi)和增加了制造的成本和難度。
直角坐標(biāo)式機(jī)械手具備手臂的伸縮上下、左右直線運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作，可以滿足本設(shè)計(jì)中機(jī)械手的動(dòng)作要求。這樣的修改并沒有改變機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進(jìn)行了局部變動(dòng)，使得整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，所以確定用直角坐標(biāo)式機(jī)械手。
2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成
工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機(jī)械部分組成：
（1） 手部 是機(jī)械手直接握持工件或工具的部分。
（2） 臂部 是機(jī)械手用來(lái)支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)范圍的部件。
（3） 立柱 支承手臂并帶動(dòng)它升降、擺動(dòng)和移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。
（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來(lái)支撐臂部，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部分。
2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分的分析與選擇
2.3.1 手部的選擇
1 手部形式的確定
手部就是用來(lái)握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機(jī)構(gòu)也是多種多樣。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為如下兩類:
1）夾持式
夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機(jī)械廣泛應(yīng)用的一種手部形式。它主要由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動(dòng)作方向相反。
夾持式手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
（1） 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。
（2） 手指應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。
（3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。
（4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。
（5） 通用性和可換性。
2）氣吸式
氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過(guò)吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負(fù)壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機(jī)械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應(yīng)于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。
氣吸式又可分為：
負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。
磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。
真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當(dāng)壓縮空氣高速進(jìn)入噴嘴時(shí)，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達(dá)到臨界速度，此時(shí)的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負(fù)壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導(dǎo)磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來(lái)吸附材料工件。磁吸式手部不會(huì)破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。
通過(guò)以上對(duì)手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機(jī)械手的正常工作等優(yōu)點(diǎn)。而且滿足所設(shè)計(jì)機(jī)械手的要求，所以選用真空式吸盤。
真空吸盤機(jī)構(gòu)如圖2.1所示。
圖2.1 吸盤機(jī)構(gòu)圖
2.3.2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇
手臂是機(jī)械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動(dòng)作是將手部移動(dòng)到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。
1 手臂的組成：
(1) 動(dòng)作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。
(2) 導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。
(3) 手臂，起著連接和承受外力的作用。
2手臂設(shè)計(jì)的要求：
(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。
(2) 手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。
(3) 手臂的動(dòng)作要靈活。
(4) 位置精度要高。
(5) 通用性要強(qiáng)。
3手臂的結(jié)構(gòu)
手臂的伸縮和升降運(yùn)動(dòng)一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動(dòng)。
手臂作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。往復(fù)直線油（氣）缸可以分為以下幾種。
雙作用單活塞桿油缸:液壓機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。活塞在油壓下作雙向運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動(dòng)。
雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時(shí)，將油缸做的很長(zhǎng)、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。
絲桿螺母機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動(dòng)效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長(zhǎng)，制造比較困難。
本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)的雙作用單活塞桿氣缸。
2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理
球型工件氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由X軸方向運(yùn)動(dòng)、Y軸方向運(yùn)動(dòng)、Z軸方向運(yùn)動(dòng)、電磁閥和吸盤等組成。其中X、Y軸采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，Z軸采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手的動(dòng)作基本有上下、左右前后、吸物和放物等動(dòng)作。其動(dòng)作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?→ X軸左移 → Y軸正方向移動(dòng) → Z軸氣缸下降 → 吸物料→ Z軸上升 →Y軸反方向移動(dòng)→X軸右移 →Z軸氣缸下降→ 放物料 →Z軸上升→回到初始位置。機(jī)械手的動(dòng)作在整個(gè)過(guò)程中都是連續(xù)可循環(huán)的。
第三章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機(jī)械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動(dòng)方式。
3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇
液壓驅(qū)動(dòng)，功率重量比大，可實(shí)現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，可自行潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。
電氣驅(qū)動(dòng)，控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動(dòng)方式價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動(dòng)方式。
氣壓驅(qū)動(dòng)具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無(wú)污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動(dòng)技術(shù)作為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的成套設(shè)備與自動(dòng)化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動(dòng)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)：在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，全部自動(dòng)化流程中約有30﹪裝有氣動(dòng)系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動(dòng)操機(jī)、40﹪的鍛造設(shè)備和洗衣設(shè)備、30﹪的采煤機(jī)械，20﹪的紡織機(jī)械、制鞋業(yè)、木材加工、食品機(jī)械，43﹪的工業(yè)機(jī)器人裝有氣壓系統(tǒng)。日、美、德等國(guó)的氣動(dòng)元件銷售平均每年增長(zhǎng)超過(guò)10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的氣動(dòng)元件產(chǎn)值已接近液壓元件的產(chǎn)值，且仍以較大速度發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已經(jīng)成為能夠滿足許多行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐要求的一種重要使用工具。
表3.1給出了各種控制方式的比較：
表3.1 各種控制方式的比較
通過(guò)以上三種驅(qū)動(dòng)方式的比較選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計(jì)的要求，而且節(jié)約了成本。
3.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)
根據(jù)球型工件氣動(dòng)機(jī)械手的要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要是直線運(yùn)動(dòng)（缸體固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)）；
圖3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖
氣動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)個(gè)三位四通電磁換向閥、兩個(gè)二位二通電磁閥、一個(gè)個(gè)氣缸、一個(gè)吸盤、兩個(gè)調(diào)速閥、消聲器（若干）等。圖中的調(diào)速閥控制氣缸上升和下降速度，防止速度過(guò)大對(duì)物料的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動(dòng)方向；真空發(fā)生器的工作原理利用氣體的噴射產(chǎn)生真空吸附物料，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動(dòng)作是由二位二通電磁閥控制的。
3.3 氣動(dòng)元件選取及工作原理
氣壓驅(qū)動(dòng)是利用壓縮氣體的壓力能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種方式，其介質(zhì)主要是空氣，也包括燃?xì)夂驼羝?。典型的氣壓傳?dòng)系統(tǒng)由以下四部分組成：
3.3.1 氣源裝置
氣源裝置是獲得具有一定能量的壓縮空氣的裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)，有的還配有氣源凈化處理裝置、氣罐等附屬設(shè)備。它將原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動(dòng)對(duì)氣源的要求：
(1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。
(2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。
下面對(duì)于主要的氣源裝置元件進(jìn)行如下介紹：
1、空氣壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置，是氣源主要的設(shè)備。按結(jié)構(gòu)和工作原理可分為速度型和容積型兩大類。容積型壓縮機(jī)是利用特殊形狀的轉(zhuǎn)子或活塞壓縮吸入封閉容積室空氣的體積來(lái)增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。本設(shè)計(jì)選用容積型壓縮機(jī)。
2、儲(chǔ)氣罐
儲(chǔ)氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動(dòng)，使輸出氣流連續(xù)和氣壓穩(wěn)定，也可以作為應(yīng)急氣源使用，還可以進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲(chǔ)氣罐上裝有安全閥，使其極限壓力比正常工作壓力高10%，并裝有指示罐內(nèi)壓力的壓力表和排污閥等。罐的型式可分為立式和臥式兩種。本設(shè)計(jì)選用立式儲(chǔ)氣罐，因?yàn)樗倪M(jìn)氣口在下，出氣口在上，以利用進(jìn)一步分離空氣中的油、水。
3.3.2 執(zhí)行元件
執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，如氣缸輸出直線往復(fù)式機(jī)械能，擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)械能。
1、氣缸輸出直線往復(fù)式
氣缸是氣動(dòng)執(zhí)行元件之一。目前最常選用的是標(biāo)準(zhǔn)氣缸，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。水平伸縮氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸。單活塞桿雙作用氣缸一般由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等組成。其工作原理：對(duì)于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無(wú)桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時(shí)活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對(duì)于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無(wú)桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時(shí)，活塞桿下降，反之活塞桿上升。
2、擺動(dòng)氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式
擺動(dòng)氣缸分為單葉片式和雙葉片式。
單葉片式擺動(dòng)氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。
雙葉片式擺動(dòng)氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個(gè)葉片上，同時(shí)通過(guò)軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動(dòng)軸回轉(zhuǎn)。這樣雙葉片式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將是單葉片式的2倍。
本設(shè)計(jì)采用雙葉片式擺動(dòng)氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.3.3 控制元件
控制元件是用來(lái)調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動(dòng)方向，使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動(dòng)控制元件按功能分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。
1、壓力控制閥
調(diào)節(jié)和控制壓力大小的氣動(dòng)元件稱為壓力控制閥。它包括調(diào)壓閥、溢流閥、順序閥及多功能組合閥。
調(diào)壓閥是出口側(cè)壓力可調(diào)，并能保持出口側(cè)壓力穩(wěn)定的壓力控制閥。
溢流閥是在回路中的壓力達(dá)到閥的規(guī)定值時(shí)，使部分氣體從排氣側(cè)排出，以保持回路內(nèi)的壓力在規(guī)定值的閥。
調(diào)速閥是根據(jù)“流量負(fù)反饋”原理設(shè)計(jì)而成的單路流量閥。調(diào)速閥一般用于執(zhí)行元件負(fù)載變化大而運(yùn)動(dòng)速度要求穩(wěn)定的系統(tǒng)中。調(diào)速閥根據(jù)“串聯(lián)減壓式”和“并聯(lián)溢流式”，又分為調(diào)速閥和溢流節(jié)流閥兩種主要類型。本設(shè)計(jì)選用串聯(lián)減壓式調(diào)速閥。
2、方向控制閥
方向控制閥是改變壓縮空氣流動(dòng)方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通常可分為單向型控制閥和換向型控制閥兩類。
(1) 單向型控制閥
單向閥是指氣流只能向一個(gè)方向流動(dòng)而不能反向流動(dòng)通過(guò)的閥，是最簡(jiǎn)單的單向型方向閥。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，單向閥除單獨(dú)使用之外，經(jīng)常與流量閥、換向閥和壓力閥組合成只能單向控制的閥。單向調(diào)速閥就是單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)而成。單向調(diào)速閥是把節(jié)流閥芯分成了上閥芯和下閥芯兩部分。當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，其節(jié)流過(guò)程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過(guò)手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)，靠流體的壓力把閥芯壓下，下閥芯起單向閥作用，單向閥打開，可實(shí)現(xiàn)流體反向自由流動(dòng)。當(dāng)正向流動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動(dòng)時(shí)，單向閥打開，不節(jié)流。
(2) 換向型控制閥
換向型方向控制閥按控制方式分類，分為氣壓控制、電磁控制、人力控制。換向閥是利用閥芯和閥體間相對(duì)位置的不同來(lái)變換不同管路間的通斷關(guān)系，實(shí)現(xiàn)接通、切斷，或改變流體方向的閥。它的用途很廣，種類也很多。
換向閥的性能的主要要求是：（1）油液流經(jīng)換向閥時(shí)的壓力損失小；（2）互不相通的油口間的泄漏小；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無(wú)沖擊。
按換向閥的操縱方式有：手動(dòng)式、機(jī)動(dòng)式、電磁式、液動(dòng)式、電液動(dòng)式、氣動(dòng)式。
按工作位置數(shù)和控制的通道數(shù)有：二位二通閥、二位三通閥、二位四通閥、二位五通閥、三位四通閥、三位五通閥等。
本設(shè)計(jì)選用三位四通電磁換向閥理由如下：
(1) 電磁換向閥是利用電磁鐵吸力推動(dòng)閥芯來(lái)改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此應(yīng)用廣泛。
(2) 當(dāng)三位四通電磁換向閥兩端電磁鐵都斷電時(shí)，閥芯處于中位，各口互不相通。
(3) 使用三位四通電磁換向閥能夠快速實(shí)現(xiàn)氣缸的正反向運(yùn)動(dòng)。
3.3.4 輔助元件
輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤(rùn)滑、元件間的連接及消聲等所必須的?？煞譃闅庠磧艋b置和其他輔助元件兩大類。
1、氣源凈化裝置
過(guò)濾器、調(diào)壓閥和油霧器等組合在一起稱為空氣處理單元，又稱為氣動(dòng)三聯(lián)件。壓縮的空氣中含有各種雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在會(huì)降低氣動(dòng)元件的耐用度和性能，造成誤動(dòng)作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕?lái)清除壓縮空氣的雜質(zhì)，提高空氣質(zhì)量的元件。
2、消聲器
消聲器是降低排氣噪聲的裝置。壓縮空氣完成驅(qū)動(dòng)工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時(shí)的壓縮空氣是以接近音速的狀態(tài)進(jìn)入大氣，由于壓力的驟然變化，使空氣急速膨脹從而發(fā)出噪音，其音量一般為80dB～100dB，為了改善勞動(dòng)條件，應(yīng)使用消聲器。常用的消聲器有三種類型吸收型、膨脹型和吸收膨脹型。吸收型消聲器是依靠吸聲材料來(lái)消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過(guò)時(shí)，讓氣流在其內(nèi)部擴(kuò)散、膨脹、碰壁撞擊、反射、相互干涉而消聲。吸收膨脹型消聲器是上述兩種的結(jié)合。氣流由斜孔引入，氣流束相互撞擊、干涉、進(jìn)一步減速，再通過(guò)設(shè)在消聲器內(nèi)表面的吸聲材料消聲，最后排向大氣。本設(shè)計(jì)選用膨脹型消聲器。
3.3.5 真空發(fā)生器
真空發(fā)生器的作用主要是使吸盤的橡膠皮碗形成真空而將工件吸附。真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動(dòng)。在卷吸流動(dòng)作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。
3.3.6 吸盤
吸盤是直接吸吊物體的元件，一般用橡膠做成。真空吸盤之所以能吸附在工件上的原因是由于環(huán)境壓力（大氣壓力）大于吸盤與工件之間的壓力。將吸盤與真空發(fā)生裝置連接，吸盤內(nèi)部空間的空氣被抽去，當(dāng)吸盤接觸到工件時(shí)，大氣和吸盤之間形成了密封，就會(huì)吸住物料，吸氣大小與大氣壓和吸盤內(nèi)部空間的壓力差成正比。
第四章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)
機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和核心。它在結(jié)構(gòu)和功能上的合理劃分與巧妙實(shí)現(xiàn)，對(duì)提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時(shí)也是降低制造成本、縮短開發(fā)周期的有效途徑。為此本章在分析了當(dāng)前機(jī)械手廣泛采用的控制器結(jié)構(gòu)及PLC的發(fā)展之后，提出了采用PLC的控制方法。
4.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)
機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般是使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的系統(tǒng)硬件和控制軟件。
機(jī)械手的控制部分可分為4個(gè)部分：機(jī)械手及其感知器、環(huán)境、任務(wù)、控制器。機(jī)械手是由各種機(jī)構(gòu)組成的裝置，它通過(guò)感知器的內(nèi)部傳感器實(shí)現(xiàn)本體和環(huán)境狀態(tài)的檢測(cè)和信息交互；環(huán)境即指機(jī)械手所處的周圍環(huán)境；任務(wù)是指機(jī)械手要完成的操作，它需要適當(dāng)?shù)某绦蛘Z(yǔ)言描述，并把它們存入控制機(jī)中，隨著系統(tǒng)的不同，任務(wù)的輸入可能是程序方式，或文字、圖形或聲音方式；控制器包括軟件和硬件兩大部分，相當(dāng)于機(jī)械手的大腦，它以計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來(lái)完成給定的任務(wù)。
控制系統(tǒng)的硬件一般包括3個(gè)部分：
(1) 感知部分 用來(lái)收集機(jī)械手的內(nèi)部和外部的信息，如位置、速度、加速度傳感器可接受機(jī)械手的本體狀態(tài)，而視覺、觸覺、力覺等傳感器可感受機(jī)械手的工作環(huán)境的外部狀態(tài)。
(2) 控制裝置 用來(lái)處理各種信息，完成控制過(guò)程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計(jì)算機(jī)相應(yīng)的接口等。
(3) 驅(qū)動(dòng)部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動(dòng)功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動(dòng)、液動(dòng)、電氣等方式驅(qū)動(dòng)。
4.2 控制系統(tǒng)的性能要求
對(duì)于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求：
(1) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動(dòng)后其運(yùn)動(dòng)性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動(dòng)控制必須滿足的基本要求，對(duì)穩(wěn)定性的研究是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)基本問題。
(2) 過(guò)渡過(guò)程性能 描述過(guò)渡過(guò)程性能可以用平衡性和快速性加以衡量，平衡性指系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)時(shí)具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間表示系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快速程度。
(3) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，期望的穩(wěn)態(tài)輸出量與實(shí)際的穩(wěn)態(tài)輸出量之差?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，說(shuō)明控制精度越高。因此，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)之一就是在兼顧其他性能指標(biāo)的情況下，使穩(wěn)態(tài)誤差盡可能小或者小于某個(gè)允許的限制值。
4.3 傳感器的選擇
傳感器是將被檢測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)本身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。
根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求需要對(duì)位置檢測(cè)裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測(cè)裝置檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機(jī)械手對(duì)物料的識(shí)別。
4.3.1 位置檢測(cè)裝置
在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)械手上升/下降動(dòng)作時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測(cè)裝置檢測(cè)動(dòng)作是否到位，常用的位置檢測(cè)裝置是行程開關(guān)。行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式、滾輪式、微動(dòng)式和組合式。
本設(shè)計(jì)中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測(cè)機(jī)械手動(dòng)作是否到位，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。
4.4 控制系統(tǒng)PLC的選型及控制原理
4.4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
一、 PLC機(jī)型的選擇