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上海電機(jī)學(xué)院
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
論文（設(shè)計）題目：
球型工件氣動機(jī)械手設(shè)計
學(xué) 院： XXXXXXXXX
專 業(yè)：XXXXXXXXXXXXXXXX
班 級： XXXXXXX
學(xué) 號：
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） 第 III 頁
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)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 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)動系統(tǒng)的分析與選擇 10
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇 10
3.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計 11
3.3 氣動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 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)計的基本原則 18
4.4.2 PLC種類及型號選擇 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 25
第五章 球型工件氣動機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 28
5.1 X軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計 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軸傳動部分設(shè)計 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?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，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，對機(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)和氣動驅(qū)動和PLC控制的設(shè)計方案。采用整體化的設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對球型工件氣動機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用氣動驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實(shí)現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。
通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型球型工件氣動機(jī)械手的設(shè)計方案，對其他經(jīng)濟(jì)型PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手，氣動控制，可編程控制器（PLC），自動化控制。
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） 第 37 頁
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)自動化設(shè)備更新時的需要，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?？梢詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，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)自動化設(shè)備更新時的需要，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，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化；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，綜合了計算機(jī)和自動控制等先進(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的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 機(jī)械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
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、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，提高勞動生產(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，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。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。
我國機(jī)械手起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：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，機(jī)械手市場份額大部分被國外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強(qiáng)手面前，國內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強(qiáng)國”邁進(jìn)，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。
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)用也越來越多。
在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測，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機(jī)械手以下幾個方面的內(nèi)容：
(1) 球型工件氣動機(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) 球型工件氣動機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設(shè)計和氣動原理圖的繪制。
(3) 球型工件氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對機(jī)械手進(jìn)行控制，主要包括對PLC的型號選擇、傳感器類型進(jìn)行選擇、I/O口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動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)計問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。
2 執(zhí)行部件的運(yùn)動精度的問題。
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)械手作簡單的分析對比：
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，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運(yùn)動。
其工作范圍可以是一個直線運(yùn)動；兩個直線運(yùn)動或三個直線運(yùn)動。如在X、Y、Z三個直線運(yùn)動方向上個具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即構(gòu)成六個自由度。
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)和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一個直線運(yùn)動，加一個不在直線運(yùn)動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個直線運(yùn)動加一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個基本動作：
（1） 手臂水平回轉(zhuǎn)；
（2） 手臂伸縮；
（3） 手臂上下；
（4） 手臂回轉(zhuǎn)動作；
（5） 手爪夾緊動作。
圓柱式機(jī)械手的特點(diǎn)是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運(yùn)動和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。
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：一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；二個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動加一個直線運(yùn)動。
球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)八個動作：
（1） 手臂上下動作，即俯仰動作；
（2） 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；
（3） 手臂前后動作，即伸縮動作；
（4） 手腕上下彎曲；
（5） 手腕左右擺動；
（6） 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；
（7） 手爪夾緊動作；
（8） 機(jī)械手的整體移動。
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作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點(diǎn)能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。
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)體操作傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，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，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動。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)情況等方面來考慮。本設(shè)計中的機(jī)械手主要動作為機(jī)械手手臂的左右移動，升降移動和機(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)械手對動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)動等動作，可以滿足本設(shè)計中機(jī)械手的動作要求。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，使得整個系統(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)械手用來支持腕部與手部實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動范圍的部件。
（3） 立柱 支承手臂并帶動它升降、擺動和移動的機(jī)構(gòu)。
（4） 機(jī)座 是機(jī)械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動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、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(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，手爪動作方向相反。
夾持式手部設(shè)計時應(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，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)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(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。
通過以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、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)動的機(jī)構(gòu)。手臂一般有三個運(yùn)動—伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動作是將手部移動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) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件。
(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)計的要求：
(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。
(2) 手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。
(3) 手臂的動作要靈活。
(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)動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。
手臂作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。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。機(jī)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運(yùn)動；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動。
雙作用雙活塞桿油缸：當(dāng)需要很大的行程時，將油缸做的很長、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)傳動的特點(diǎn)是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。
本機(jī)械手的手臂有往復(fù)的直線運(yùn)動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性，選用缸體固定活塞桿運(yùn)動的雙作用單活塞桿氣缸。
2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理
球型工件氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)主要由X軸方向運(yùn)動、Y軸方向運(yùn)動、Z軸方向運(yùn)動、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，Z軸采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機(jī)械手的動作基本有上下、左右前后、吸物和放物等動作。其動作順序?yàn)椋撼跏嘉恢?→ X軸左移 → Y軸正方向移動 → Z軸氣缸下降 → 吸物料→ Z軸上升 →Y軸反方向移動→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)械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。
第三章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，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)動方式。
3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇
液壓驅(qū)動，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)過載保護(hù)，可自行潤滑，使用壽命長。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，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應(yīng)快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應(yīng)用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟(jì)適用的驅(qū)動方式。
氣壓驅(qū)動具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)、在工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用較多。另一方面，氣動技術(shù)作為“廉價的自動化技術(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)備與自動化生產(chǎn)線上，幾乎都配有氣動系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計：在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，全部自動化流程中約有30﹪裝有氣動系統(tǒng)，有90﹪的包裝機(jī)械，70﹪的鑄造、焊接設(shè)備，50﹪的自動操機(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、德等國的氣動元件銷售平均每年增長超過10-15﹪。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家的氣動元件產(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
通過以上三種驅(qū)動方式的比較選用氣動驅(qū)動的方式，不僅能夠滿足了本設(shè)計的要求，而且節(jié)約了成本。
3.2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計
根據(jù)球型工件氣動機(jī)械手的要求，在驅(qū)動系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動方式主要是直線運(yùn)動（缸體固定，活塞桿運(yùn)動）；
圖3.1 驅(qū)動系統(tǒng)原理圖
氣動系統(tǒng)包括一個個三位四通電磁換向閥、兩個二位二通電磁閥、一個個氣缸、一個吸盤、兩個調(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，防止速度過大對物料的沖擊；三位四通電磁換向閥是改變氣缸的運(yùn)動方向；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)對物料的吸取和釋放，真空發(fā)生器的動作是由二位二通電磁閥控制的。
3.3 氣動元件選取及工作原理
氣壓驅(qū)動是利用壓縮氣體的壓力能來實(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５湫偷臍鈮簜鲃酉到y(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。它將原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。氣壓傳動對氣源的要求：
(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增加空氣的壓力。容積型結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本設(shè)計選用容積型壓縮機(jī)。
2、儲氣罐
儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的脈動，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)計選用立式儲氣罐，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，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，擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式機(jī)械能。
1、氣缸輸出直線往復(fù)式
氣缸是氣動執(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：對于前伸/回縮氣缸，當(dāng)左側(cè)無桿腔進(jìn)氣，右側(cè)有桿腔排氣時活塞桿前伸，反之，活塞桿回縮；對于上升/下降氣缸，當(dāng)上側(cè)無桿腔進(jìn)氣，下側(cè)有桿腔排氣時，活塞桿下降，反之活塞桿上升。
2、擺動氣缸輸出回轉(zhuǎn)擺動式
擺動氣缸分為單葉片式和雙葉片式。
單葉片式擺動氣缸：壓縮空氣由進(jìn)氣口輸入，作用在葉片上，帶動軸回轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，另一腔的空氣從排氣口排出。
雙葉片式擺動氣缸：從進(jìn)氣口進(jìn)入的壓縮空氣作用在一個葉片上，同時通過軸上的氣路也作用在另一葉片上帶動軸回轉(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)計采用雙葉片式擺動氣缸，這樣就能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，以利于機(jī)械手的轉(zhuǎn)動。
3.3.3 控制元件
控制元件是用來調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和控制其流動方向，使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動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，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方向和氣流通斷狀態(tài)，使氣動執(zhí)行元件的動作或狀態(tài)發(fā)生變換的控制閥，其通?？煞譃閱蜗蛐涂刂崎y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方向流動而不能反向流動通過的閥，是最簡單的單向型方向閥。在氣動系統(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)流體正向流動時，其節(jié)流過程與調(diào)速閥是一樣的，節(jié)流縫隙的大小可通過手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)流體反向流動時，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。當(dāng)正向流動時，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流。當(dāng)反向流動時，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位置的不同來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)換向閥時的壓力損失??；（2）互不相通的油口間的泄漏??；（3）換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。
按換向閥的操縱方式有：手動式、機(jī)動式、電磁式、液動式、電液動式、氣動式。
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閥芯來改變閥的工作位置。由于它操作輕便，易于實(shí)現(xiàn)自動化，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，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。
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)的存在會降低氣動元件的耐用度和性能，造成誤動作和事故，必須清除?？諝馓幚韱卧褪怯脕砬宄龎嚎s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)動工作后，由換向閥的排氣口排入大氣。此時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消聲的。膨脹型消聲器的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當(dāng)于一段比排氣口徑大的管件，當(dāng)氣流通過時，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。在卷吸流動作用下，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，大氣和吸盤之間形成了密封，就會吸住物料，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
機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個機(jī)械手設(shè)計的關(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)，對提高機(jī)械手整體可靠性、實(shí)用性具有重要的意義，同時也是降低制造成本、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)動協(xié)調(diào)為目的，包括高性能的計算機(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，它以計算機(jī)或?qū)Ｓ每刂破鬟\(yùn)行程序的方式來完成給定的任務(wù)。
控制系統(tǒng)的硬件一般包括3個部分：
(1) 感知部分 用來收集機(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 用來處理各種信息，完成控制過程，產(chǎn)生必要的控制指令，它包括計算機(jī)相應(yīng)的接口等。
(3) 驅(qū)動部分 為了使機(jī)械手完成操作及移動功能，機(jī)械手各關(guān)節(jié)可選用氣動、液動、電氣等方式驅(qū)動。
4.2 控制系統(tǒng)的性能要求
對于一般的控制系統(tǒng)有以下控制的要求：
(1) 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是系統(tǒng)受到短暫的擾動后其運(yùn)動性能從偏離平衡點(diǎn)恢復(fù)到原平衡點(diǎn)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是一般自動控制必須滿足的基本要求，對穩(wěn)定性的研究是自動化控制系統(tǒng)中的一個基本問題。
(2) 過渡過程性能 描述過渡過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)動到新的平衡狀態(tài)時具有較小的超調(diào)和震蕩性；系統(tǒng)由初始狀態(tài)運(yùn)動到新的平衡狀態(tài)經(jīng)歷的時間表示系統(tǒng)過渡過程的快速程度。
(3) 穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是在過渡過程結(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允許的限制值。
4.3 傳感器的選擇
傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。
根據(jù)本設(shè)計的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測裝置檢測機(jī)械手動作是否到位，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)械手對物料的識別。
4.3.1 位置檢測裝置
在本設(shè)計中，當(dāng)機(jī)械手上升/下降動作時，應(yīng)有相應(yīng)的位置檢測裝置檢測動作是否到位，常用的位置檢測裝置是行程開關(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)動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)動作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。行程開關(guān)按其結(jié)構(gòu)可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。
本設(shè)計中采用直線接觸式行程開關(guān)檢測機(jī)械手動作是否到位，當(dāng)運(yùn)動到指定位置時，碰到行程開關(guān)，終結(jié)上一個動作，準(zhǔn)備執(zhí)行下一個動作。
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)計的基本原則
一、 PLC機(jī)型的選擇