氣動搬運機械手的plc控制設計-畢業論(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 坐標形式：圓柱坐標 ； 工業機械手的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節型結構四種。 各結構形式及其相應的特點，在這里我們選擇圓柱坐標形式。 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖22。這種機械手構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 圖 22 機械手的 四種坐標形式 河南理工大學本科畢業設計（論文）說明書 13 回轉范圍： ； 手臂最大中心高： mm1200 手臂運動參數 伸縮行程 120mm 伸縮速度 40mm/s 升降行程 120mm 升降速度 60mm/s 手指夾持范圍：光軸棒料， Φ60mm~Φ120mm ，長度 450~1200mm； 定位方式 :行程開關或可調機械擋塊 等 ； 驅動方式：氣壓驅動 ； 定位精度： 177。 1mm。 2． 2 手部結構設計及計算 手部設計要求 手部設計要求如下： (1) 應具有適當的夾緊力和驅動力 應考慮到在一定的夾緊力下， 除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 (2) 手指應具有一定的張開范圍，即開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證當機械手夾持工件時能順利夾住或放松，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件 考慮， 以便于抓取工件。 (3) 在保證本身剛度，強度的前提下，盡可能使結構緊湊，重量輕，以利于減輕手臂負載 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，此外，應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。 (4) 應保證手抓的夾持精度，使工件準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。 第二章 機械手方案設計及計算 14 手部選型及計 算 手部是用來直接握持工件的部件，由于被握工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以手部結構是多種多樣的，歸結起來常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。 夾 持式手部結構由手指 (或手爪 )和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 夾持類常見的主要有夾鉗式，鉤托式和彈簧式。按夾持工件時的運動方式可分為回轉型和平移型。夾持式中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式；按手指夾持工件的部位又可分為內卡式 (或內漲式 )和外夾式兩種；按模 仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型 (或稱直進型 )，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指；同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 通過綜合評估，本設計選擇二指雙支點回轉型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊裝置采用常開式夾緊裝置。 下面 對其基本結構進行力學分析： 滑槽杠桿 : 下圖為常見的滑槽杠桿式手部結構。 在杠桿 3的作用下，銷軸 2 向上的拉力為 F，并通過銷軸中心 O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 F1和 F2。 其力的方向垂直于滑槽的中心線 1oo 和 2oo 并指向 o 點，交 1F 和 2F 的延長線于 A及 B。 由 ?XF =0 得 1F = 2F ?YF =0 得 1F = ?2cosF 1F = 39。1F 河南理工大學本科畢業設計（論文）說明書 15 αααα αα 由 ?Mol(F) =0 得 39。1F = NF 178。h cosah ?? F= 2cosNb Fa ? (21) 式中 a—— 手指的回轉支點到對稱中心的距離 (mm) ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角 。 由分析可知，當驅動力 F 一定時， ? 角增大，則握力 NF 也隨之增大，但 ? 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好 ? = 030 ~ 040 。 手部夾緊力和驅動力計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據 。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 1 2 3NF K K K G? (22) 式中 1K —— 安全系數，通常 ~； 2K —— 工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式 估 ga1K2 ?? 其中 a第二章 機械手方案設計及計算 16 是重力方向的最大上升加速度 maxva t?響， g= m/s ； maxv —— 運載時工件最大上升速度； t響 —— 系統達到最高速度的時間，一般選取 ~； 3K —— 方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇； G—— 被抓取工件所受重力（ N）。 計算： 令 a=50mm,b=150mm,? =30176。；機械手達到最高響應時間為 ，求夾緊力 NF ，驅動力 F 。 (1) 設 1K = maxV =100 mm/s st = ga1K2 ?? = ?= 3K = 根據公式，將已知條件帶入： ? NF =179。 179。 179。 300=225N 根據驅動力公式得： (2) 計算F = abcos2 2? NF = 22550 30c os1502 2 ???? = 取 ?? (3) ?計算實際 FF ?= =1192N 河南理工大學本科畢業設計（論文）說明書 17 圖 23 手爪及氣缸 氣缸的直徑確定 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N； tF 彈簧反作用力， N； zF 氣缸工作時的總阻力， N； P 氣缸工作壓力， Pa。 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? nDGdGf 3141? fG = nDGd31418 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預壓縮量， m 第二章 機械手方案設計及計算 18 s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， m n 彈簧有效圈數 . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，必須考慮負載率 ? 的影響，則 :tFpDF ?? 421 ?? 由以上分析得單向作用氣缸的直徑 :??p FtFD )(4 1 ?? 代入有關數據，可得 ?fGnDGd31418? 4333915)1030(8 )( ??? ??? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?DpnFtF? )1(4 ? ? )(4 ?? ??? )( mm? 查有關手冊圓整，得 mmD 65? 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd )( ???? 圓整后，取活塞桿直徑 mmd 18? 校核，按公式 ][)4//( 21 ?? ?dF 有 : ])[/14( ??Fd ? 其中， [? ] MPa120? ， NF 11921 ? 則 : )120/11924( ??? ?d ?? mm 故其 滿足實際設計要求。 缸筒壁厚的設計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算 : ][2/ ?? pDP? 河南理工大學本科畢業設計（論文）說明書 19 式中 :? 缸筒壁厚， mm D 氣缸內徑， mm pP 實驗壓力，取 PPp ? , Pa 材料為 :ZL3,[? ]=3MPa 代入己知數據，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )( )1032/(1066565mm? ????? 取 ?? ，則缸筒外徑為 : )( mmD ???? 腕部結構設計 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。它的結構緊湊，但回轉角 度小于 ?360 ，并且要求嚴格的密封。 腕部設計要求 ，應根據作業需要來設計。機械手手腕自由度數目愈多，各關節的運動角度愈大，則機械手腕部的靈活性愈高，機械手對對作業的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機械手的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業要求來確定。在滿足作業要求的前提下，應使自由度數盡可能的少。一般的機械手手腕的自由度數為 2至 3個，有的需要更多的自由度，而有的機械手手腕 不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現作業要求的任務。 ，在設計機械手手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機械手腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。 ，因此，要有標準的聯接法蘭，結構上要便于裝卸末端執行器。 第二章 機械手方案設計及計算 20 ，以保證力與運動的傳遞。 機械手的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機械手末端執行器在其工作 空間中的運動位置，而安裝在機械手手臂末端的手腕，則給出了機械手末端執行器在其工作空間中的運動姿態。機械手手腕是機械手操作機的最末端，它與機械手手臂配合運動，實現安裝在手腕上的末端執行器的空間運動軌跡與運動姿態，完成所需要的作業動作。 腕部的總體設計要求如下： (1) 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 (2) 結構考慮，合理布局 腕 部作為機械手的執行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 (3) 必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 因此，要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。在本設計中手腕不需要自由度，作為手爪與手部的鏈接裝置。 臂部結構設計及計算 手臂部件的作用是支 承腕部和手部并帶動它們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內的任意一點。一般來說臂部具有三個自由度就能滿足要求，即手臂的伸縮、左右回轉 (機身 )和升降運動。 臂部設計要求 臂部的設計要求主要如下： ，相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣有利于機械手的控制； 。工作空間的形狀和大小與河南理工大學本科畢業設計（論文）說明書 21 機械手手臂的長度，手臂關節的轉動范圍有密切的關系； ，應在保證機械手手臂 有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機械手手臂； ，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構； ，這對減小電機負載和提高機械手手臂運動的響應速度是非常有利的； 塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。 手臂的各種運動通 常由常用的驅動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。 常見的手臂結構有以下幾種： （ 1）雙導桿手臂伸縮機構。 （ 2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回 轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；復合