懸掛式助力機(jī)械真空吸盤手抓的設(shè)計【原創(chuàng)含3張CAD圖】

懸掛式助力機(jī)械真空吸盤手抓的設(shè)計【含3張CAD圖】【需要咨詢購買全套設(shè)計請加QQ1459919609】圖紙預(yù)覽詳情如下： 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609懸掛式助力機(jī)械真空吸盤手抓的設(shè)計摘要工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)械手在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配、輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文的機(jī)械手用于搬運(yùn)物料，在本文中介紹它的組成和分類、自由度和座標(biāo)型式、氣動技術(shù)的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，確定機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計出機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取合適的 PLC 型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定可編程序控制器的控制方案，畫出機(jī)械手的工作時的順序功能圖和梯形圖，并編制可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：機(jī)械手設(shè)計；物料搬運(yùn)；氣動； 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609AbstractThe industrial robot is composed of the operating machine (mechanical body), the controller, the servo drive system and the detection and sensing device. It is a kind of humanoid operation, automatic control, repeatable programming, and the mechanical and electrical integration automation production equipment that can complete various operations in the three-dimensional space. It is especially suitable for flexible production of multiple varieties and batches. It plays a very important role in stabilizing, improving product quality, improving production efficiency, improving labor conditions and upgrading products.The manipulator is becoming more and more widely used in mechanical processing, stamping, casting, forging, welding, heat treatment, electroplating, spray painting, assembly, light industry, transportation and transportation. In this paper, the manipulator is used to carry the material. In this paper, the composition and classification of the manipulator, the degree of freedom and coordinates, the characteristics of the pneumatic technology and the development status at home and abroad are introduced in this paper. The overall plan of the manipulator is designed, the coordinate type and the degree of freedom of the manipulator are determined, the technical parameters of the manipulator are determined and the hand of the manipulator is designed. The structure of manipulator is designed, and the pneumatic system of manipulator is designed, and the working principle of manipulator pneumatic system is plotted. The programmable controller is used to control the manipulator, select the appropriate PLC model, draw up the control scheme of the programmable controller according to the working process of the manipulator, draw the sequence function diagram and ladder diagram of the manipulator working, and compile the control program of the programmable controller.Key words: manipulator design; material handling; pneumatic; 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609目錄摘要 .1Abstract.2第一章、緒論 .41.1 選題背景 .41.2 設(shè)計目的 .51.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 .61.4 工作原理及組成 .61.5 機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展 .71.6 研究內(nèi)容 .8第二章、總體設(shè)計 .92.1 技術(shù)參數(shù) .92.2 工作原理分析 .92.3 助力機(jī)械手方案設(shè)計 .10第三章、真空吸盤的設(shè)計 .113.1 動力學(xué)分析 .113.2 真空吸盤的選取 .113.3 真空發(fā)生器設(shè)計 .123.4 其他元器件選用 .13第四章、助力機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計 .154.1 工作原理 .154.2 運(yùn)動分析 .154.3 臂部設(shè)計 .164.3.1 結(jié)構(gòu)的選擇 .174.3.2 驅(qū)動力計算 .174.3.3 工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 .194.3.4 尺寸參數(shù) .21第五章、PLC 簡介 .225.1 PLC 簡介 .225.2 PLC 發(fā)展趨勢 .235.3 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理 .245.3.1 PLC 的組成 .245.3.2 PLC 程序的表達(dá)方式 .265.3.3 PLC 的工作方式 .27第六章、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 .316.1 需求分析 .316.2 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn) .31結(jié)論 .34致謝 .35 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609參考文獻(xiàn) .40第一章、緒論1.1 選題背景由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計具有重要意義。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時費(fèi)力，又影響效率。為此，我把上下料機(jī)械手作為我研究的課題。氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題.（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。(4) 能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。(5) 工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6) 成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。1.2 設(shè)計目的目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實際結(jié)構(gòu)，利用機(jī) 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。（2）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。（3）機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，使其向智能化方向發(fā)展。（4）關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； （5）焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真?？偟膩碚f，大體是兩個方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器，多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 工作原理及組成機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 圖 1-1 機(jī)械手的組成方框圖 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC 程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.5 機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械手臂在產(chǎn)業(yè)自動化的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，因為各個國家產(chǎn)業(yè)分布的不同，以及各產(chǎn)業(yè)對于機(jī)械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無法進(jìn)行或者會耗費(fèi)較多時間來做的工作，機(jī)械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預(yù)知問題。自從第一臺產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人發(fā)明以來，機(jī)械手臂的應(yīng)用也從原本的汽車工業(yè)、模具制造、電子制程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，更拓展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等等。多軸機(jī)械手臂研發(fā)方面，多軸式機(jī)械手臂廣泛應(yīng)用于汽車制造商、汽車零組件與電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手臂可以提升產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)，而這些初期工作大多可以借由機(jī)械手臂來完成。機(jī)械手臂的精準(zhǔn)、零誤差，對于產(chǎn)品的品質(zhì)掌握自然擁有其優(yōu)勢，減少品管所花費(fèi)的時間與人力。 工業(yè)應(yīng)用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運(yùn)、檢測等，全球目前產(chǎn)業(yè)使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等最大。現(xiàn)在，ROBOT 的應(yīng)用已越來越多元化，依據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會（IFR）的統(tǒng)計，至 2007 年底機(jī)械手臂除了工業(yè)以外，最多應(yīng)用于救援、保全與野地（田野、牧場等） ，近年來，各先進(jìn)國家為了提升臺機(jī)器人的技術(shù)水平，都會推廣機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關(guān)聯(lián)盟，并且特別針對工業(yè)以外的領(lǐng)域進(jìn)行推廣，例如：醫(yī)療、服務(wù)、生活方面等。以醫(yī)療為例，有許多大型醫(yī)學(xué)中心使用以手動操控方式之機(jī)械手臂，結(jié)合顯微影像顯示系統(tǒng)所結(jié)合的手術(shù)型機(jī)器人。 機(jī)械手臂的研發(fā)也朝向節(jié)省人力、減少人類暴露在危險的工作環(huán)境、甚至進(jìn)行更加精密的工作或是輔助操作。機(jī)械手臂的技術(shù)發(fā)展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-14599196091.6 研究內(nèi)容本助力機(jī)械手需對軟體包裝物（硫酸亞鐵）進(jìn)行上下料，對真空吸盤的工作原理進(jìn)行了解，收集相關(guān)工程設(shè)計和實際使用的相關(guān)文獻(xiàn)；查閱真空吸盤相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)，掌握相關(guān)專利的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，使本設(shè)計方案中提出的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)不與已有的技術(shù)要點(diǎn)相重疊。對抓取物料進(jìn)行分析，設(shè)計真空吸盤、動力管路的總體方案，計算相關(guān)力學(xué)性能。繪制平衡氣缸、真空吸盤配管圖一張（A3） ，氣缸模式下的助力機(jī)械手三維仿真 1 份，撰寫設(shè)計計算說明書一份，通過畢業(yè)答辨。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609第二章、總體設(shè)計2.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計一套助力機(jī)械手，利用桁架式懸掛助力機(jī)械手，可實現(xiàn)多向全方位搬運(yùn)，可達(dá)范圍廣，適合本項目搬運(yùn)工作。利用助力機(jī)械手輔助搬運(yùn)，達(dá)到節(jié)省人工及提高工作效率的目的。結(jié)構(gòu)類似圖 1.1圖 1.1 機(jī)械手方案圖2.2 工作原理分析助力機(jī)械手功能原理如圖 1.2 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(jī)、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 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609真空來提供。前者需要配置獨(dú)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(jì)。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(jìn)行動態(tài)分析。2.3 助力機(jī)械手方案設(shè)計對于真空吸盤式氣動的機(jī)械手，其工件的運(yùn)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。本機(jī)械手是專用自動機(jī)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。本機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機(jī)構(gòu)。手部機(jī)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(jī)床加工工件的特征，選擇氣吸式（真空吸盤式）手部結(jié)構(gòu)。常見的工業(yè)機(jī)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(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手、多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)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(jī)械手坐標(biāo)形式分析分析本機(jī)械手臂的運(yùn)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(jī)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。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609第三章、真空吸盤的設(shè)計3.1 動力學(xué)分析在產(chǎn)品包裝、物體傳輸和機(jī)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(yùn)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(jī)、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(dú)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(jì)。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。圖 3.1 真空吸盤的安裝位置在此次設(shè)計中，工件平放；故從水平方向?qū)φ婵瘴P的受力分析進(jìn)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 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609對吸力的影響。3.2 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) 10 13 16 20 25 32 40 50吸持面積（cm） 0.785 1.33 2.01 3.14 4.91 8.04 12.6 19.6吸盤垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.14 5.32 8.04 12.56 19.64 32.16 50.4 78.4由上表可知，當(dāng)工件重量為 50kg 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2.5垂 直 提 升 力許 用 提 升 重 量即可，由表 3.1 選取吸盤直徑為 50mm 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=50mm， 吸盤吸持面積A=12.6，吸盤個數(shù) n=1，真空壓力 P=0.04MPa。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-14599196093.3 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(jī)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(kuò)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(jī)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。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。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。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。3.4 其他元器件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 ， 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609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。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609第四章、助力機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計4.1 工作原理真空吸盤式氣動機(jī)械手是自動化流水生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的工件搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備，它是流水線作業(yè)中不可或缺的運(yùn)輸單元。氣動機(jī)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，圖 4.1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。圖 4.1 機(jī)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。 4.2 運(yùn)動分析1、吸持工件 在整機(jī)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(jìn)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 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609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(jī)械手做上升運(yùn)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 4.1 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(jī)械手大臂做左右擺動運(yùn)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(jī)械手手臂做伸縮運(yùn)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(jī)械手手臂做收縮運(yùn)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(jī)械手大臂做左右擺動運(yùn)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(jī)械手做下降運(yùn)動。至此就完成整個機(jī)械手的循環(huán)運(yùn)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：4.3 臂部設(shè)計臂部應(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 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609和輪廓尺寸； 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)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(yùn)動速度要高，慣性要?。簷C(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)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(jī)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。總結(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(jī)械手。4.3.1 結(jié)構(gòu)的選擇手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層氣壓缸空心結(jié)構(gòu)。通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動,氣壓缸選取雙作用氣壓缸。4.3.2 驅(qū)動力計算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)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(yùn)動的氣壓缸的驅(qū)動力根據(jù)氣壓缸運(yùn)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。FF回摩 密 慣摩擦力的計算 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(jìn)行估算。下圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿， 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609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。 0BMbGLaF總得 ba總0YFbaG總得 aLF總ababF摩 摩摩2LFGa總摩式中 參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件） （N ） ；總 L手臂與運(yùn)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： uuu57.12.4 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609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 0.215.3， ，L=0.8-0.2=0.6m,導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計為 0.1m40N總G將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算 1560N0.24a2LGF總摩 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min/15，啟動速度 V=V= ,0.2ts0.83SGvFgt總慣GvFgt總慣 N94.162.08934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： 。0.3F封經(jīng)過以上分析計算最后計算出氣壓缸的驅(qū)動力： =0.3=170FFN摩 慣4.3.3 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氣壓缸內(nèi)徑的計算，如圖 4.2 所示 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖當(dāng)氣進(jìn)入無桿腔， 214DFp當(dāng)氣進(jìn)入有桿腔中， 224dp氣壓缸的有效面積： 1FSp故 （無桿腔） 114.3Dpp（有桿腔） 21FdF=1625.7N， = ，選擇機(jī)械效率1p620a0.95將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：mpFD2.1095.7621341選擇標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸內(nèi)徑系列及機(jī)械的工作范圍冗余設(shè)計，選擇 D=40mm.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. 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L 大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算：24Fd設(shè)計中活塞桿取材料為 45 剛，故 ，活塞直徑 d=20mm,10Mpa:現(xiàn)在進(jìn)行校核。 622 103.60.4715PdF結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。4.3.4 尺寸參數(shù)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(yùn)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；ypDh43.0Dyp為缸底材料的許用應(yīng)力，氣壓缸選用缸體材料為 45 號鋼， 。 MPa10， mphy 36.105.2.43.043.0 所以選取厚度 。m7 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-1459919609第五章、PLC 簡介5.1PLC 簡介PLC(編程邏輯控制器)是 20 世紀(jì) 60 年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。近幾年來，PLC 技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到極其廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。在 PLC 出現(xiàn)以前，繼電器控制曾得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)電設(shè)備和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但是繼電器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：體積大，可靠性低，故障查找困難，特別是因為它是由硬接線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，造成了接線復(fù)雜，容易出故障，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性較差。20 世紀(jì) 60 年代未，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，試圖尋找一種新的生產(chǎn)線控制方法，使之盡可能地減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)的工作量以及盡量地減少控制系統(tǒng)硬連接線的數(shù)量，以降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，減少生產(chǎn)線的故障率，從而有效地提高生產(chǎn)效率。當(dāng)時，電子計算機(jī)的硬件己經(jīng)基本完備，其主要功能是通過軟件來實現(xiàn)的，因此具有靈活性、通用性等優(yōu)點(diǎn)，但價格相對來說比較昂貴，于是他們想到了把繼電器控制系統(tǒng)簡單易懂、操作方便、價格便宜的長處與計算機(jī)靈活、通用的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，用來制造一種新型的工業(yè)控制裝置，并進(jìn)而采用招標(biāo)的方式，首先山美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出符合上述想法的工業(yè)控制裝置，命名為可編程邏輯控制器， 即 PLC（Programmable Logic Controller） 。 請充值后下載含圖紙源文件壓縮包，需要其他課題加 Q-14599196091969 年，第一臺 PLC 在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上首次運(yùn)行，成功地取代了沿用多年的繼電器控制系統(tǒng)，盡管當(dāng)時的 PLC 功能僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，但卻標(biāo)志著一種新型裝置問世。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，20 世紀(jì) 70 年代中期又出現(xiàn)了微處理器和微型計算機(jī)，這些新技術(shù)很快也被用到 PLC 之中，使得 PLC不僅其有邏輯控制功能，而且還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送等功能，從而成為具有計算機(jī)功能的新型工業(yè)控制裝置。1980 年美國電器制造商協(xié)會(NEMA)正式將其命名為可編程控制器(Programmable Controller)簡稱 PC3。國際電工委員會(IEC)于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月頒布了可編程控制器的第一稿和第二稿，對可編程控制器作了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計。 ”之所以把可編程控制器簡稱為 PC,因為它已經(jīng)不再是僅具有邏輯控制功能的裝置了。只是由于 20 世紀(jì) 80 年代崛起的個人計算機(jī)(Personal Computer)也簡稱為 PC。為了加以區(qū)別，人們又把可編程控制器簡稱為 PLC。本文均稱其為 PLC4。5.2PLC 發(fā)展趨勢1）向高速度、大存儲量方向發(fā)展為提高處理能力，要求 PLC 具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前大中型 PLC 的速度可達(dá) 0.2ms/k 步左右。各大公司都把 PLC 的掃描速度作為一個很重要的競爭指標(biāo)。2）向多品種方向發(fā)展懸掛式助力機(jī)械真空吸盤手抓的設(shè)計摘要工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī) (機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)械手在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配、輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文的機(jī)械手用于搬運(yùn)物料，在本文中介紹它的組成和分類、自由度和座標(biāo)型式、氣動技術(shù)的特點(diǎn)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，對機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計，確定機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計出機(jī)械手的氣動系統(tǒng)，繪制機(jī)械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機(jī)械手進(jìn)行控制，選取合適的 PLC 型號，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定可編程序控制器的控制方案，畫出機(jī)械手的工作時的順序功能圖和梯形圖，并編制可編程序控制器的控制程序。關(guān)鍵詞：機(jī)械手設(shè)計；物料搬運(yùn)；氣動；AbstractThe industrial robot is composed of the operating machine (mechanical body), the controller, the servo drive system and the detection and sensing device. It is a kind of humanoid operation, automatic control, repeatable programming, and the mechanical and electrical integration automation production equipment that can complete various operations in the three-dimensional space. It is especially suitable for flexible production of multiple varieties and batches. It plays a very important role in stabilizing, improving product quality, improving production efficiency, improving labor conditions and upgrading products.The manipulator is becoming more and more widely used in mechanical processing, stamping, casting, forging, welding, heat treatment, electroplating, spray painting, assembly, light industry, transportation and transportation. In this paper, the manipulator is used to carry the material. In this paper, the composition and classification of the manipulator, the degree of freedom and coordinates, the characteristics of the pneumatic technology and the development status at home and abroad are introduced in this paper. The overall plan of the manipulator is designed, the coordinate type and the degree of freedom of the manipulator are determined, the technical parameters of the manipulator are determined and the hand of the manipulator is designed. The structure of manipulator is designed, and the pneumatic system of manipulator is designed, and the working principle of manipulator pneumatic system is plotted. The programmable controller is used to control the manipulator, select the appropriate PLC model, draw up the control scheme of the programmable controller according to the working process of the manipulator, draw the sequence function diagram and ladder diagram of the manipulator working, and compile the control program of the programmable controller.Key words: manipulator design; material handling; pneumatic;目錄摘要 .1Abstract.2第一章、緒論 .41.1 選題背景 .41.2 設(shè)計目的 .51.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 .61.4 工作原理及組成 .61.5 機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展 .71.6 研究內(nèi)容 .8第二章、總體設(shè)計 .92.1 技術(shù)參數(shù) .92.2 工作原理分析 .92.3 助力機(jī)械手方案設(shè)計 .10第三章、真空吸盤的設(shè)計 .113.1 動力學(xué)分析 .113.2 真空吸盤的選取 .113.3 真空發(fā)生器設(shè)計 .123.4 其他元器件選用 .13第四章、助力機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計 .154.1 工作原理 .154.2 運(yùn)動分析 .154.3 臂部設(shè)計 .164.3.1 結(jié)構(gòu)的選擇 .174.3.2 驅(qū)動力計算 .174.3.3 工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 .194.3.4 尺寸參數(shù) .21第五章、PLC 簡介 .225.1 PLC 簡介 .225.2 PLC 發(fā)展趨勢 .235.3 PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理 .245.3.1 PLC 的組成 .245.3.2 PLC 程序的表達(dá)方式 .265.3.3 PLC 的工作方式 .27第六章、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 .316.1 需求分析 .316.2 控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn) .31結(jié)論 .34致謝 .35參考文獻(xiàn) .40第一章、緒論1.1 選題背景由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作已滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)自動化機(jī)械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機(jī)械手是其發(fā)展過程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，可以說是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計具有重要意義。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時費(fèi)力，又影響效率。為此，我把上下料機(jī)械手作為我研究的課題。氣動技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵塞，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問題.（2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。(3)動作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。(4) 能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。(5) 工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。(6) 成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。1.2 設(shè)計目的目前，我國大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動化生產(chǎn)的要求,針對具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計用一臺上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。1.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢目前，國內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。（2）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。（3）機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，使其向智能化方向發(fā)展。（4）關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； （5）焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器，多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.4 工作原理及組成機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 圖 1-1 機(jī)械手的組成方框圖(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在 PLC 程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.5 機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展機(jī)械手臂在產(chǎn)業(yè)自動化的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，因為各個國家產(chǎn)業(yè)分布的不同，以及各產(chǎn)業(yè)對于機(jī)械手臂的需求量也有差異。主要是使用于人工無法進(jìn)行或者會耗費(fèi)較多時間來做的工作，機(jī)械手臂在精度與耐用性上可以減少許人為的不可預(yù)知問題。自從第一臺產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人發(fā)明以來，機(jī)械手臂的應(yīng)用也從原本的汽車工業(yè)、模具制造、電子制程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，更拓展到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等等。多軸機(jī)械手臂研發(fā)方面，多軸式機(jī)械手臂廣泛應(yīng)用于汽車制造商、汽車零組件與電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)。機(jī)械手臂可以提升產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)，而這些初期工作大多可以借由機(jī)械手臂來完成。機(jī)械手臂的精準(zhǔn)、零誤差，對于產(chǎn)品的品質(zhì)掌握自然擁有其優(yōu)勢，減少品管所花費(fèi)的時間與人力。 工業(yè)應(yīng)用上，以裝配、加工、熔接、切削、加壓、貨物搬運(yùn)、檢測等，全球目前產(chǎn)業(yè)使用量是以汽車、汽車零組件、化工、橡膠和塑料等最大?，F(xiàn)在，ROBOT 的應(yīng)用已越來越多元化，依據(jù)國際機(jī)器人協(xié)會（IFR）的統(tǒng)計，至 2007 年底機(jī)械手臂除了工業(yè)以外，最多應(yīng)用于救援、保全與野地（田野、牧場等） ，近年來，各先進(jìn)國家為了提升臺機(jī)器人的技術(shù)水平，都會推廣機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)立相關(guān)聯(lián)盟，并且特別針對工業(yè)以外的領(lǐng)域進(jìn)行推廣，例如：醫(yī)療、服務(wù)、生活方面等。以醫(yī)療為例，有許多大型醫(yī)學(xué)中心使用以手動操控方式之機(jī)械手臂，結(jié)合顯微影像顯示系統(tǒng)所結(jié)合的手術(shù)型機(jī)器人。 機(jī)械手臂的研發(fā)也朝向節(jié)省人力、減少人類暴露在危險的工作環(huán)境、甚至進(jìn)行更加精密的工作或是輔助操作。機(jī)械手臂的技術(shù)發(fā)展都是為了讓人類在工作與生活中更加便利。1.6 研究內(nèi)容本助力機(jī)械手需對軟體包裝物（硫酸亞鐵）進(jìn)行上下料，對真空吸盤的工作原理進(jìn)行了解，收集相關(guān)工程設(shè)計和實際使用的相關(guān)文獻(xiàn)；查閱真空吸盤相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)，掌握相關(guān)專利的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，使本設(shè)計方案中提出的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)不與已有的技術(shù)要點(diǎn)相重疊。對抓取物料進(jìn)行分析，設(shè)計真空吸盤、動力管路的總體方案，計算相關(guān)力學(xué)性能。繪制平衡氣缸、真空吸盤配管圖一張（A3） ，氣缸模式下的助力機(jī)械手三維仿真 1 份，撰寫設(shè)計計算說明書一份，通過畢業(yè)答辨。第二章、總體設(shè)計2.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計一套助力機(jī)械手，利用桁架式懸掛助力機(jī)械手，可實現(xiàn)多向全方位搬運(yùn)，可達(dá)范圍廣，適合本項目搬運(yùn)工作。利用助力機(jī)械手輔助搬運(yùn)，達(dá)到節(jié)省人工及提高工作效率的目的。結(jié)構(gòu)類似圖 1.1圖 1.1 機(jī)械手方案圖2.2 工作原理分析助力機(jī)械手功能原理如圖 1.2 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(jī)、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(dú)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(jì)。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(jìn)行動態(tài)分析。2.3 助力機(jī)械手方案設(shè)計對于真空吸盤式氣動的機(jī)械手，其工件的運(yùn)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。本機(jī)械手是專用自動機(jī)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。本機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機(jī)構(gòu)。手部機(jī)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(jī)床加工工件的特征，選擇氣吸式（真空吸盤式）手部結(jié)構(gòu)。常見的工業(yè)機(jī)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(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手、多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)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(jī)械手坐標(biāo)形式分析分析本機(jī)械手臂的運(yùn)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(jī)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。第三章、真空吸盤的設(shè)計3.1 動力學(xué)分析在產(chǎn)品包裝、物體傳輸和機(jī)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(yùn)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(jī)、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(dú)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(jì)。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。圖 3.1 真空吸盤的安裝位置在此次設(shè)計中，工件平放；故從水平方向?qū)φ婵瘴P的受力分析進(jìn)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。3.2 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) 10 13 16 20 25 32 40 50吸持面積（cm） 0.785 1.33 2.01 3.14 4.91 8.04 12.6 19.6吸盤垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.14 5.32 8.04 12.56 19.64 32.16 50.4 78.4由上表可知，當(dāng)工件重量為 50kg 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2.5垂 直 提 升 力許 用 提 升 重 量即可，由表 3.1 選取吸盤直徑為 50mm 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=50mm， 吸盤吸持面積A=12.6，吸盤個數(shù) n=1，真空壓力 P=0.04MPa。3.3 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(jī)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(kuò)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(jī)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。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。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。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。3.4 其他元器件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。第四章、助力機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計4.1 工作原理真空吸盤式氣動機(jī)械手是自動化流水生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的工件搬運(yùn)機(jī)械設(shè)備，它是流水線作業(yè)中不可或缺的運(yùn)輸單元。氣動機(jī)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，圖 4.1所示為該機(jī)械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。圖 4.1 機(jī)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。 4.2 運(yùn)動分析1、吸持工件 在整機(jī)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(jìn)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(jī)械手做上升運(yùn)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 4.1 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(jī)械手大臂做左右擺動運(yùn)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(jī)械手手臂做伸縮運(yùn)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(jī)械手手臂做收縮運(yùn)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(jī)械手大臂做左右擺動運(yùn)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(jī)械手做下降運(yùn)動。至此就完成整個機(jī)械手的循環(huán)運(yùn)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：4.3 臂部設(shè)計臂部應(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(diǎn)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(yùn)動速度要高，慣性要小：機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)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(jī)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。總結(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(jī)械手。4.3.1 結(jié)構(gòu)的選擇手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層氣壓缸空心結(jié)構(gòu)。通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用氣壓驅(qū)動,氣壓缸選取雙作用氣壓缸。4.3.2 驅(qū)動力計算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)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(yùn)動的氣壓缸的驅(qū)動力根據(jù)氣壓缸運(yùn)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。FF回摩 密 慣摩擦力的計算 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(jìn)行估算。下圖是機(jī)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。 0BMbGLaF總得 bGLFa總0YbaGF總得 aLF總ababF摩 摩摩2LFGa總摩式中 參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件） （N ） ；總 L手臂與運(yùn)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： uuu57.12.4 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 0.215.3， ，L=0.8-0.2=0.6m,導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計為 0.1m40N總G將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算 1560N0.24a2LGF總摩 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min/15，啟動速度 V=V= ,0.2ts0.83SGvFgt總慣GvFgt總慣 N94.162.08934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： 。0.3F封經(jīng)過以上分析計算最后計算出氣壓缸的驅(qū)動力： =0.3=170FFN摩 慣4.3.3 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氣壓缸內(nèi)徑的計算，如圖 4.2 所示圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖當(dāng)氣進(jìn)入無桿腔， 214DFp當(dāng)氣進(jìn)入有桿腔中， 224dFp氣壓缸的有效面積： 1FSp故 （無桿腔） 114.3FDpp（有桿腔） 21dF=1625.7N， = ，選擇機(jī)械效率1p620a0.95將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： mpFD0295.195.07621341 選擇標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸內(nèi)徑系列及機(jī)械的工作范圍冗余設(shè)計，選擇 D=40mm.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.活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L 大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算：24Fd設(shè)計中活塞桿取材料為 45 剛，故 ，活塞直徑 d=20mm,10Mpa:現(xiàn)在進(jìn)行校核。 622 1013.60.4715PadF結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。4.3.4 尺寸參數(shù)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(yùn)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；ypDh43.0Dyp為缸底材料的許用應(yīng)力，氣壓缸選用缸體材料為 45 號鋼， 。 MPa10， mphy 36.105.2.43.043.0 所以選取厚度 。m7第五章、PLC 簡介5.1PLC 簡介PLC(編程邏輯控制器)是 20 世紀(jì) 60 年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。近幾年來，PLC 技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制及各類機(jī)電一體化設(shè)備控制中得到極其廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。 在 PLC 出現(xiàn)以前，繼電器控制曾得到廣泛應(yīng)用，在機(jī)電設(shè)備和工業(yè)過程控制領(lǐng)域中占有主導(dǎo)地位。但是繼電器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：體積大，可靠性低，故障查找困難，特別是因為它是由硬接線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，造成了接線復(fù)雜，容易出故障，對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性較差。20 世紀(jì) 60 年代未，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM)為了適應(yīng)汽車型號不斷更新的需要，試圖尋找一種新的生產(chǎn)線控制方法，使之盡可能地減少重新設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)的工作量以及盡量地減少控制系統(tǒng)硬連接線的數(shù)量，以降低生產(chǎn)成本，縮短制造周期，減少生產(chǎn)線的故障率，從而有效地提高生產(chǎn)效率。當(dāng)時，電子計算機(jī)的硬件己經(jīng)基本完備，其主要功能是通過軟件來實現(xiàn)的，因此具有靈活性、通用性等優(yōu)點(diǎn)，但價格相對來說比較昂貴，于是他們想到了把繼電器控制系統(tǒng)簡單易懂、操作方便、價格便宜的長處與計算機(jī)靈活、通用的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，用來制造一種新型的工業(yè)控制裝置，并進(jìn)而采用招標(biāo)的方式，首先山美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出符合上述想法的工業(yè)控制裝置，命名為可編程邏輯控制器， 即 PLC（Programmable Logic Controller） 。1969 年，第一臺 PLC 在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上首次運(yùn)行，成功地取代了沿用多年的繼電器控制系統(tǒng)，盡管當(dāng)時的 PLC 功能僅具有邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，但卻標(biāo)志著一種新型裝置問世。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，20 世紀(jì) 70 年代中期又出現(xiàn)了微處理器和微型計算機(jī)，這些新技術(shù)很快也被用到 PLC 之中，使得 PLC不僅其有邏輯控制功能，而且還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送等功能，從而成為具有計算機(jī)功能的新型工業(yè)控制裝置。1980 年美國電器制造商協(xié)會(NEMA)正式將其命名為可編程控制器(Programmable Controller)簡稱 PC3。國際電工委員會(IEC)于 1982 年 11 月和 1985 年 1 月頒布了可編程控制器的第一稿和第二稿，對可編程控制器作了如下的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它可采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計。 ”之所以把可編程控制器簡稱為 PC,因為它已經(jīng)不再是僅具有邏輯控制功能的裝置了。只是由于 20 世紀(jì) 80 年代崛起的個人計算機(jī)(Personal Computer)也簡稱為 PC。為了加以區(qū)別，人們又把可編程控制器簡稱為 PLC。本文均稱其為 PLC4。5.2PLC 發(fā)展趨勢1）向高速度、大存儲量方向發(fā)展為提高處理能力，要求 PLC 具有更好的響應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前大中型 PLC 的速度可達(dá) 0.2ms/k 步左右。各大公司都把 PLC 的掃描速度作為一個很重要的競爭指標(biāo)。2）向多品種方向發(fā)展目前中小型 PLC 比較普遍。為適應(yīng)市場的多種需要，今后 PLC 發(fā)展要向多品種方向，特別是向超大型和超小型兩個方向發(fā)展。目前開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)達(dá)到 8192 點(diǎn)的大型 PLC 己比較多。為適應(yīng)大規(guī)模控制系統(tǒng)的需要，輸入輸出點(diǎn)數(shù)還在增加。3）編程語言多樣化PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，編程軟件也在不斷發(fā)展。編程語言朝著多種編程語言的方向發(fā)展。盡管大多數(shù) PLC 采用繼電器梯形圖語言(RLL)，但是新的編程語言還是不斷出現(xiàn)，現(xiàn)在有部分 PLC 已采用高級語言 (如BASIC 語言等) 。4）發(fā)展智能模塊智能模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件。它可以與 PLC 的主 CPU并行工作，占用主 CPU 的時間很少，有利于提高 PLC 的掃描速度。發(fā)展智能模塊可進(jìn)一步提高 PLC 處理信息的能力和控制功能 3。5.3PLC 的結(jié)構(gòu)和工作原理PLC 是以微處理器為核心的數(shù)字式電子、電氣自動控制裝置，也可以說是一種專用微型計算機(jī)。各種 PLC 的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，即都是以微處理器為核心，并輔以外圍電路和 I/O 單元等硬件所構(gòu)成。正像通用的微機(jī)一樣，PLC 的各種功能的實現(xiàn)，不僅基于其硬件的作用，而且要靠其軟件的支持。5.3.1PLC 的組成PLC 主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入/輸出部件(I/O) 、電源和編程器幾大部分組成 5。1）中央處理單元(CPU)不同的 PLC 所采用的 CPU 有所不同，通常有三種：a 通用微處理器 (如 8086, 80286, 80386 等) 。b 單片機(jī)芯片(如 8031, 8096 等)。c 位片式微處理器 (如 AMD-2900 等) 。PLC 的檔次越高， CPU 的位數(shù)也越多，運(yùn)算速度也越快，其指令功能也越強(qiáng)。2）存儲器PLC 的內(nèi)部存儲器 (簡稱內(nèi)存)用來存儲系統(tǒng)管理程序和用戶程序。內(nèi)存有兩種：a 隨機(jī)存儲器 RAM。 b 只讀存儲器 ROM, PROM, EPROM, EEPROM。3）輸入/輸出(I/O 單元)輸入、輸出信號分為開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量。本設(shè)計的輸入和輸出均采用開關(guān)量，所以這里僅以開關(guān)量為例進(jìn)行說明。I/O 單元是 PLC 與被控對象之間傳遞輸入輸出信息的接口部件。為了防止各種干擾和高電壓竄入 PLC