機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、河 北 工 程 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 說(shuō) 明 書(shū) 課程題目: 機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化—機(jī)電方向 班級(jí): 機(jī)制11班 姓名: 唐 科 學(xué)號(hào) 110070118 指導(dǎo)老師: 楊玉敏 目 錄 第一章 緒論 1.1 題目要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3

2、1.2 題目概況。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1.3 氣動(dòng)機(jī)械手。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1.5 課題的現(xiàn)實(shí)意義。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 第二章 氣動(dòng)機(jī)械手的操作要求及功

3、能 2.1 機(jī)械手移動(dòng)動(dòng)作示意圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2.2 機(jī)械手操作面板圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2.3 機(jī)械手的輸入\輸出信號(hào)定義圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2.4 機(jī)械手順序動(dòng)作的要求。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 第三章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

4、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3.5 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

5、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 3.6 末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 3.7 升降手臂的設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3.8 平移手臂的設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。14 第四章 機(jī)械手控制設(shè)計(jì) 4.1 PLC的簡(jiǎn)介。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

6、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 4.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 4.3 PLC的系統(tǒng)組成。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。16 4.4 PLC的定義及選擇。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17 4.4.1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分配表。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17 4.

7、4.2 原理接線圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。18 4.4.3 控制程序流程圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 4.5 機(jī)械手控制軟件設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 21 4.5.1 控制系統(tǒng)程序。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。21 4.5.2 手動(dòng)單步操作程序。。。。。。。。。。。。。

8、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。21 4.5.3 機(jī)械手系統(tǒng)梯形圖。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。23 4.5.4 語(yǔ)句表程序設(shè)計(jì)。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。24 第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 第一章 緒論 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)。在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)

9、的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 1.1 題目要求 題目：機(jī)械手及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求：機(jī)械手的各動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)，并由電磁閥控制 1.2 題目概況 機(jī)械手在專用機(jī)床及自動(dòng)生產(chǎn)線上應(yīng)用十分廣泛，主要用于搬動(dòng)或裝卸零件的重復(fù)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T12643—90）對(duì)機(jī)械手的定義是“具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可以在空間抓放物體，或進(jìn)行其他操作的機(jī)械裝置”。 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類。專用機(jī)械手：它作為整機(jī)的附屬部分，動(dòng)作簡(jiǎn)單、工作對(duì)象單一、具有固定程序，適用于大批量的自動(dòng)生產(chǎn)。如自動(dòng)生產(chǎn)線上的上料機(jī)械手、自動(dòng)換刀機(jī)

10、械手等。通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。它適用于可變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，它的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。 1.3 氣動(dòng)機(jī)械手 氣動(dòng)機(jī)械手與其他控制方式的機(jī)械手相比，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)等特點(diǎn)。 氣動(dòng)機(jī)械手是在已有的機(jī)械手基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，二者之間的區(qū)別在于氣動(dòng)機(jī)械手發(fā)展的起點(diǎn)高，它強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，把專用機(jī)械手和通用機(jī)械手結(jié)合起來(lái)?，F(xiàn)代氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。人們可以根據(jù)應(yīng)用情況的不同，選擇相應(yīng)功能和參數(shù)的模塊。這是

11、一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，代表著氣動(dòng)機(jī)械手今后的發(fā)展方向，也始終貫穿著氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展及實(shí)用性。因此，氣動(dòng)機(jī)械手可以代替一些功能不理想的工業(yè)機(jī)械手的地位，在目前的工業(yè)自動(dòng)化線上有著及其廣泛的應(yīng)用前景。 1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì) 盡管世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，使得氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展受到一定的影響。然而，作為新興科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物，氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展必將勢(shì)不可擋。目前氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)： 1、機(jī)構(gòu)模塊化 2、控制智能化 3、感覺(jué)功能變強(qiáng) 4、系統(tǒng)應(yīng)用與集成化 5、可靠性越來(lái)越高 6、易操作更靈活 7、向微型化方向發(fā)展 1.5 課題的現(xiàn)實(shí)意義 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)

12、化領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手逐漸成為一門新興學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、裝配、機(jī)加等各個(gè)行業(yè)。特別是在超重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視?？傊?，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段，國(guó)內(nèi)外都十分重視它的應(yīng)用與發(fā)展。 可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)工業(yè)控制裝置。隨著微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯(lián)網(wǎng)功能以及模擬量控制等方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)成為工廠

13、自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。 本次課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手就是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，通過(guò)此次設(shè)計(jì)可以更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)知識(shí)，了解世界先進(jìn)水平，盡可能的多應(yīng)用于實(shí)踐。 第二章 氣動(dòng)機(jī)械手的操作要求及功能 2.1 機(jī)械手移動(dòng)動(dòng)作示意圖 2.2 機(jī)械手操作面板圖 2.3 機(jī)械手的輸入\輸出信號(hào)定義圖 2.4 機(jī)械手順序動(dòng)作的要求 1) 按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)工作。首先上升電磁

14、閥通電，手臂上升，至上升限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 2) 左轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂左轉(zhuǎn)，至左轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作 3) 下降電磁閥通電，手臂下降，至下降限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 4) 啟動(dòng)傳送帶A運(yùn)行，由光電開(kāi)關(guān)SP檢測(cè)傳送帶A上有無(wú)物品送來(lái)，若檢測(cè)到物品，則抓緊電磁閥通電，機(jī)械手抓緊，至抓緊限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 5) 手臂再次上升，至上升限位開(kāi)關(guān)再次動(dòng)作。 6) 右轉(zhuǎn)電磁閥通電，手臂右轉(zhuǎn)，至右轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 7) 手臂再次下降，至下降限位開(kāi)關(guān)再次動(dòng)作。 8) 放松電磁閥通電，機(jī)械手松開(kāi)手爪，經(jīng)延時(shí)2秒后，完成一次搬運(yùn)任務(wù)，然后重復(fù)循環(huán)以上過(guò)程。 9) 按下停止按鈕SB2或斷電時(shí)，

15、機(jī)械手停止在現(xiàn)行工步上，重新起動(dòng)時(shí)，機(jī)械手按停止前的動(dòng)作繼續(xù)工作。 第三章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 機(jī)械手的種類很多，但按手臂坐標(biāo)類型來(lái)分主要有直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、SCARA型。 本次是一個(gè)用于傳送帶上輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。所針對(duì)的機(jī)械手屬于直角坐標(biāo)式，如圖所示，機(jī)械手主要是由基座和手臂兩部分組成?；闹饕蝿?wù)是支撐。手臂裝在基座上，作上下直線運(yùn)動(dòng)和伸

16、縮運(yùn)動(dòng)，手部可夾緊/放松。 機(jī)械手手部 機(jī)械手橫臂 機(jī)械手立柱 機(jī)械手基座 機(jī)械手原理圖 本機(jī)械手的全部動(dòng)作由氣缸驅(qū)動(dòng)。氣缸由電磁閥控制。驅(qū)動(dòng)部分有升降氣缸、擺動(dòng)氣缸和手部驅(qū)動(dòng)氣缸。 3.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 在直角坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有2個(gè)自由度：手臂伸縮；手指升降。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和3個(gè)氣缸組成：（1）手部，采用一個(gè)氣爪，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合。（2）升降臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。（3）平移臂

17、部，采用氣動(dòng)滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的平移。 3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。氣動(dòng)機(jī)械手因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇氣壓驅(qū)動(dòng)。 3.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：車間皮帶機(jī)之間的搬運(yùn) 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)： 1、抓重：2Kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù)：2個(gè)自由度 3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo) 4、最

18、大工作半徑：200mm 5、機(jī)身最大中心高：415mm 6、主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)： 手臂伸縮行程：400mm 手臂伸縮速度：300mm/s 手指升降行程：200mm 手指升降速度：200mm/s 3.5氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì) 機(jī)械手氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)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，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路圖如圖所示。 機(jī)械手氣動(dòng)回路圖 本設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手完成各個(gè)運(yùn)動(dòng)的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個(gè)狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，

19、氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個(gè)單向節(jié)流閥，通過(guò)控制進(jìn)出口空氣流量的大小來(lái)控制氣缸執(zhí)行器動(dòng)力的大小和運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)計(jì)中采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，既可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 3.6末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)所采用標(biāo)準(zhǔn)氣爪，不需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接選型即可。 本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手手爪的最大持重m=2Kg，根據(jù)具體的工作要求，選擇標(biāo)準(zhǔn) 平行開(kāi)閉型氣爪，其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)A口進(jìn)氣B口排氣時(shí)，氣缸活塞桿1伸出，通過(guò)杠桿2繞杠桿軸8回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)兩個(gè)手指4通過(guò)一組鋼球3在導(dǎo)軌5上作向外直線運(yùn)動(dòng)，兩手指便張開(kāi)，松開(kāi)工件。止動(dòng)塊6限制手指張開(kāi)行程，定位銷7保證直線導(dǎo)軌不錯(cuò)位。

20、 平行開(kāi)閉型氣爪結(jié)構(gòu)原理圖 1-活塞桿 2-杠桿 3-鋼球 4-手指 5-導(dǎo)軌 6-止動(dòng)塊 7-定位銷 8-杠桿軸 對(duì)夾持工件進(jìn)行受力分析如圖所示， 2個(gè)手指的總夾持力產(chǎn)生的摩擦力2F必須大于夾持工件的重力mg，故應(yīng)滿足 2F>mg 即 F>mg/2 式中 —摩擦系數(shù)，本設(shè)計(jì)的夾持輔助件材料為硬質(zhì)橡膠，一般令=0.65； 由此 F>mg/2=29.8/(20.65)=15.1N 夾持工件受力示意圖

21、根據(jù)計(jì)算出的夾持力的大小和表3-1，可選擇合適的末端執(zhí)行器（手爪）的型號(hào)：MHZ-10D。 表3-1 3.7 升降手臂的設(shè)計(jì) 升降手臂為機(jī)械手執(zhí)行上下伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，它是連接機(jī)械手末端執(zhí)行器和平移手臂的部件，它的基本作用是完成末端執(zhí)行器的伸出和縮回運(yùn)動(dòng)。升降手臂主要承受末端執(zhí)行器和夾持物件的重力， 為使設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)便化，在本設(shè)計(jì)中，伸縮手臂采用新薄型帶導(dǎo)桿氣缸（如圖）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)，不回轉(zhuǎn)精度高，導(dǎo)向桿的軸承可選擇滑動(dòng)軸承或球軸承，安裝方便，二面接管位置可供選擇。 新薄型帶導(dǎo)桿氣缸 根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，伸縮手臂的行程為2

22、00mm，氣爪抓重約為2Kg，加上末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為3Kg，由此，伸縮手臂的最大負(fù)載F=mg=39.8=29.4N。 根據(jù)數(shù)據(jù)要求，初步選定為缸徑為20mm型號(hào)為MGPL20—200的氣缸作為機(jī)械手的升降手臂。 伸縮手臂作上下直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)由摩擦阻力,重力和慣性力來(lái)確定。 式中 —摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； —手臂在啟動(dòng)過(guò)程的慣性力。其大小可按以下公式計(jì)算；

23、 其中—手臂移動(dòng)部件的重量（牛頓）； g—重力加速度（9.8米/秒2）； —啟動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差（米/秒）； —啟動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（秒）。 慣性力的計(jì)算：本設(shè)計(jì)要求手臂升降時(shí)V=200mm/s，在計(jì)算慣性力的時(shí)候，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間=0.1s，啟動(dòng)速度V=V=200mm/s。 ==6 N 由于升降運(yùn)動(dòng)，氣缸所受的摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。 所以： 氣缸所需的驅(qū)動(dòng)力 F驅(qū)= F摩+ F慣+F=0+6+29.4=35.4N 氣缸的理論驅(qū)動(dòng)力 F=1/4πd2p 其中 d

24、—?dú)飧谆钊麠U的直徑（米）； p—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Γㄅ粒? 根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa 代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得 F=1/4πd2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3 N 由計(jì)算的結(jié)果可知 F>F驅(qū) 即氣缸提供的理論驅(qū)動(dòng)力大于氣缸實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)力，因此，伸縮手臂的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。 3.8 平移手臂的設(shè)計(jì) 平移手臂為機(jī)械手執(zhí)行左右平移運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，它是連接機(jī)械手升降手臂的部件，它的基本作用是完成機(jī)械手左右平移運(yùn)動(dòng)的。平移手臂主要承受升降手臂，末端執(zhí)行

25、器和夾持物件的重力， 為使設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)便化，在本設(shè)計(jì)中，平移手臂采用氣動(dòng)滑臺(tái)（如圖3-4）。該氣缸體積小、輕巧，耐橫向負(fù)載能力強(qiáng)，耐扭矩能力強(qiáng)。 圖3-4 氣動(dòng)滑臺(tái) 根據(jù)本機(jī)械手的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，平移手臂的行程為400mm，氣爪抓重約為2Kg，加上升降手臂，末端執(zhí)行器（氣爪）和連接板的重量，總質(zhì)量約為4Kg，由此，伸縮手臂的最大負(fù)載F=mg=49.8=38.2N。 根據(jù)數(shù)據(jù)要求，初步選定為缸徑為12mm型號(hào)為mxy12—400的氣動(dòng)滑臺(tái)作為機(jī)械手的平移手臂。 平移手臂做水平直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要克服的是摩擦阻力和慣性力，因此，氣缸所需要的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)由摩擦阻力,和慣性力來(lái)確定。

26、 式中 —摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力，活塞與密封裝置處的摩擦阻力； —手臂在啟動(dòng)過(guò)程的慣性力。其大小可按以下公式計(jì)算； 其中—手臂移動(dòng)部件的重量（牛頓）； g—重力加速度（9.8米/秒2）； —啟動(dòng)或制動(dòng)前后的速度差（米/秒）； —啟動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（秒）。 慣性力的計(jì)算：本設(shè)計(jì)要求手臂升降時(shí)V=300mm/s，在計(jì)算慣性力的時(shí)候，設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間=0.1s，啟動(dòng)速度V=V=

27、300mm/s。 ==11.69N 摩擦力的計(jì)算：在垂直方向，可近似認(rèn)為 FN=G總=.38.2N。 導(dǎo)桿所受到的水平方向的摩擦力 F摩=FN 其中 —摩擦系數(shù)，氣缸導(dǎo)向桿的材料為鋼，取=0.2。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 F摩=FN =0.238.2=7.64N 所以： 氣缸所需的驅(qū)動(dòng)力 F驅(qū)= F摩+ F慣+F=7.64+11.69=19.33N 氣缸的理論驅(qū)動(dòng)力 F=1/4πd2p 其中 d—?dú)飧谆钊麠U的直徑（米）； p—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫Γㄅ粒? 根據(jù)設(shè)計(jì)

28、技術(shù)參數(shù) d=10mm，p=0.5MPa 代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得 F=1/4πd2p=1/43.14（0.01）20.5106 =39.3 N 由計(jì)算的結(jié)果可知 F>F驅(qū) 即氣缸提供的理論驅(qū)動(dòng)力大于氣缸實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)力，因此，平移手臂的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。 第四章 機(jī)械手控制設(shè)計(jì) 4.1 PLC的簡(jiǎn)介 可編程控制器簡(jiǎn)稱PLC，國(guó)際電工委員會(huì)在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿中對(duì)PLC作了如下定義“可編程控制器是一種

29、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(jì)。它采用可編程程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程”。 PLC具有如下特點(diǎn)： 1.編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 2.功能強(qiáng)、性能價(jià)格比高 3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 4.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 5.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少 6.維修工作量小，維修方便 7.體積小，能耗低 4.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 隨著社會(huì)的發(fā)展，PLC的應(yīng)用面越來(lái)越廣。一方面由于處理器芯片及有關(guān)元件的價(jià)格大大下降，使得PLC成本

30、下降；另一方面由于PLC的功能大大增加，能解決復(fù)雜的計(jì)算和通信問(wèn)題。 PLC的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類型 1.順序控制 PLC用來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器順序控制，PLC應(yīng)用于單機(jī)控制、多機(jī)控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制等。 2.運(yùn)動(dòng)控制 3.過(guò)程控制 4.數(shù)據(jù)控制 在機(jī)械加工中，PLC作為主要的控制和管理系統(tǒng)應(yīng)用于CNC和NC系統(tǒng)中，可以完成大量的數(shù)據(jù)控制。 5.通信控制 PLC的通信包括主機(jī)與遠(yuǎn)程I\O的通信、多臺(tái)PLC之間的通信、PLC和其他智能控制設(shè)備之間的通信。PLC與其他智能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 4.3 PLC的系統(tǒng)組成

31、 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是CPU是以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項(xiàng)任務(wù)的。 PLC的工作過(guò)程可分為三部分：第一部分為上電處理，第二部分是掃描過(guò)程，第三部分是出錯(cuò)處理。 4.4 PLC的定義及選擇 4.4.1 機(jī)械手傳送系統(tǒng)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)分配表 名 稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸入 名 稱 代號(hào) 輸出 啟動(dòng) SB1 X0 夾緊 SB5 X10 電磁閥下降 YV1 Y0 下限行程 SQ1 X1 放松 SB6 X11 電磁閥夾緊 YV2 Y1 上限行

32、程 SQ2 X2 上升 SB7 X12 電磁閥上升 YV3 Y2 右限行程 SQ3 X3 下降 SB8 X13 電磁閥右行 YV4 Y3 左限行程 SQ4 X4 左移 SB9 X14 電磁閥左行 YV5 Y4 停止 SB2 X5 單步右移 SB10 X15 原點(diǎn)指示 EL Y5 手動(dòng)操作 SB3 X6 回原點(diǎn) SB11 X16 連續(xù)操作 SB4 X7 工件檢測(cè) SQ5 X17 本次設(shè)計(jì)中共有16個(gè)輸入量，6個(gè)輸出量共22點(diǎn)，查閱相關(guān)資料可知，選擇型號(hào)為FX2N—48M

33、R的可編程控制器。 4.4.2 原理接線圖 4.4.3 控制程序流程圖 啟動(dòng) 檢測(cè)物體 返回原點(diǎn) 開(kāi)始下降

34、 下降到位 繼續(xù)下降 夾緊物體 夾緊到位 繼續(xù)夾緊 開(kāi)始上升 上升到位 繼續(xù)上升

35、 伸出手臂 伸出到位 繼續(xù)伸出 開(kāi)始下降 下降到位 繼續(xù)下降 放松物體 放松完畢 繼續(xù)放松 開(kāi)始上升

36、 上升到位 繼續(xù)上升 返回原點(diǎn) 4.5 機(jī)械手控制軟件設(shè)計(jì) 4.5.1 控制系統(tǒng)程序 其原理是： 把旋鈕置于回原點(diǎn)，X16接通，系統(tǒng)自動(dòng)回原點(diǎn)，Y5驅(qū)動(dòng)指示燈亮。再把旋鈕置于手動(dòng)，則X6接通，其常閉觸頭打開(kāi)，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ為一跳轉(zhuǎn)指令，如果CJ驅(qū)動(dòng)，則跳到指針P所指P0處），執(zhí)行手動(dòng)程序。之后，由于X7常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行CJ指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到P1所指的結(jié)束位置。如果旋鈕置于自動(dòng)位

37、置，（既X6常閉閉合、X7常閉打開(kāi)）則程序執(zhí)行時(shí)跳過(guò)手動(dòng)程序，直接執(zhí)行自動(dòng)程序。 4.5.2 手動(dòng)單步操作程序 如下圖所示，圖中上升\下降、左移\右移都有聯(lián)鎖和限位保護(hù)。 4.5.3 機(jī)械手系統(tǒng)梯形圖 4.5.4 語(yǔ)句表程序設(shè)計(jì) 第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 在本次課題設(shè)計(jì)中，機(jī)械手模型控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，大大提高了該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減少了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器和硬件接線，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，使用PLC進(jìn)

38、行控制可方便更改生產(chǎn)流程，增強(qiáng)控制功能。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，可以根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的不同工作需求，機(jī)械手控制系統(tǒng)具有了很大的靈活性和可操作性。 本文中介紹的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)對(duì)于教學(xué)有很好的輔助作用。機(jī)械手控制技術(shù)是一項(xiàng)綜合型的技術(shù)，機(jī)械手控制系統(tǒng)又是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)與真正的機(jī)械手控制系統(tǒng)之間還有很大的差距。另外，本文中的機(jī)械手模型控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，還需要不斷改進(jìn)和加強(qiáng)。 參考文獻(xiàn) 1.姜培剛編 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社（2004年9月版） 2.趙松年、張奇鵬主編 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社 3.黃莜調(diào)等編 《機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社（第一版） 4.廖常初 《可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)》(第四版) 重慶大學(xué)出版社，2005年1月版 5.王承義 《機(jī)械手及其應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社 （1981年 12月版） 6.吳建強(qiáng) 《可編程控制器原理及其應(yīng)用》 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社（1998年12月版）