FMC物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

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CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 題目 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 二級(jí)學(xué)院 直屬學(xué)部 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師姓名 職稱 評(píng)閱教師姓名 職稱 2014 年 11 月 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 本課題是為完成車間搬運(yùn)工作而設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手 機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn) 物 它是一種模仿人體上肢的部分功能 按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作 的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備 對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化 推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作 用 因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎 本課題的機(jī)械手是采用氣壓傳動(dòng)裝置 PLC 控制機(jī)械手 它的基本作用是從指定位 置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置 主要完成的是氣壓傳動(dòng)式機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)方面 設(shè)計(jì) 以及用 PLC 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制編程設(shè)計(jì) 使機(jī)械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個(gè)主要運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手分別采用了兩個(gè)直線氣缸 一個(gè)擺動(dòng)氣缸和滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)以上 5 個(gè)運(yùn)動(dòng) 對(duì)于機(jī)械手準(zhǔn)確 高效的工作是當(dāng)今生產(chǎn)上一個(gè)具有很現(xiàn)實(shí)意義的課題 于是利用步 進(jìn)電機(jī)滾珠絲杠來(lái)控制機(jī)械手的手臂升降運(yùn)動(dòng) 達(dá)到了定位精度較高的效果 關(guān)鍵詞 機(jī)械手 PLC 可編程控制器 步進(jìn)電機(jī) 滾珠絲杠副 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 1 1 1 機(jī)器人的起源 1 1 2 我國(guó)搬運(yùn)機(jī)器人基本情況 1 1 3 國(guó)外搬運(yùn)機(jī)械手發(fā)展情況 2 1 4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)和展望 3 1 5 本章小結(jié) 4 2 設(shè)計(jì)的總體思想 5 2 1 機(jī)械手預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo) 5 2 2 基本結(jié)構(gòu)框架 5 2 2 1 機(jī)械手基本形式的選擇 5 2 2 2 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 2 2 3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 2 2 4 控制系統(tǒng)的選擇 6 2 3 本章小結(jié) 6 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 3 1 手部抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 3 1 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 7 3 1 2 抓取裝置原理 7 3 1 3 手部抓取氣缸的設(shè)計(jì) 7 3 1 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 11 3 2 腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 3 2 1 腕部設(shè)計(jì)要求 12 3 2 2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 12 3 2 3 擺動(dòng)氣缸的選擇 14 3 2 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 16 3 3 臂部伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 3 3 1 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17 3 3 2 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 17 3 3 3 導(dǎo)向裝置 19 3 3 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 19 3 4 手臂升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19 3 4 1 工作要求 19 3 4 2 滾珠螺母結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)選擇 20 3 4 3 滾珠絲桿副主要參數(shù) 型號(hào)及絲桿軸向承載能力計(jì)算 20 3 4 4 絲杠支承軸承的選擇 21 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 4 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì) 23 3 5 機(jī)身旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 25 3 5 1 電機(jī)輸出力矩的計(jì)算 25 3 5 2 電機(jī)輸出功率的計(jì)算 27 3 5 3 電動(dòng)機(jī)的選擇 27 3 6 本章小結(jié) 29 4 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 30 4 1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 30 4 2 氣動(dòng)元件的選擇 30 4 3 本章小結(jié) 31 5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 5 1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 32 5 1 1 可編程序控制器的選擇 32 5 1 2 可編程序控制器的工作過(guò)程 32 5 2 可編程序控制器的使用步驟 32 5 3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 33 5 3 1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 33 5 3 2 氣動(dòng)機(jī)械手的工作流程 34 5 3 3 I 0 分配 35 5 3 4 梯形圖設(shè)計(jì) 37 5 4 本章小結(jié) 46 結(jié) 論 47 致 謝 48 參考文獻(xiàn) 49 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1 1 機(jī)器人的起源 機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世都是近幾十年的事 然而人 們對(duì)機(jī)器人的幻想與追求卻已有 3000 多年的歷史 人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器 以便代替人類完成各種工作 機(jī)器人的誕生先后經(jīng)歷了從古代的神話幻想到此后數(shù)千年的艱苦探索 設(shè)計(jì)和試 驗(yàn)的漫長(zhǎng)道路 自古以來(lái) 幻想就是人類創(chuàng)造力的源泉 從人類最早的發(fā)明到當(dāng)今的 人間奇跡無(wú)一不是如此 人們?cè)谛量嗟膭趧?dòng)生產(chǎn)中渴望著有 人 來(lái)幫助自己戰(zhàn)勝困 難 創(chuàng)造幸福 西周時(shí)期 我國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人 這是我國(guó)最早記載 的機(jī)器人 春秋后期 我國(guó)著名的木匠魯班 在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家 據(jù) 墨經(jīng) 記載 他曾制造過(guò)一只木鳥 能在空中飛行 三日不下 體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明 智慧 公元前 2 世紀(jì) 亞歷山大時(shí)代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人 自動(dòng)機(jī) 它是以水 空氣和蒸汽壓力為動(dòng)力的會(huì)動(dòng)的雕像 它可以自己開門 還可以借助蒸汽 唱歌 1800 年前的漢代 大科學(xué)家張衡不僅發(fā)明了地動(dòng)儀 而且發(fā)明了計(jì)里鼓車 計(jì) 里鼓車每行一里 車上木人擊鼓一下 每行十里擊鐘一下 后漢三國(guó)時(shí)期 蜀國(guó)丞相 諸葛亮成功地創(chuàng)造出了 木牛流馬 并用其運(yùn)送軍糧 支援前方戰(zhàn)爭(zhēng) 其實(shí) 在幾百年甚至幾千年以前 人類就制造出了許多可以幫助自己工作的 機(jī) 器人 只是還不成熟 僅僅是一個(gè) 雛形 所以說(shuō) 機(jī)器人發(fā)展的起源 是因?yàn)?人們?yōu)榱烁佑行实?更加節(jié)約人力的進(jìn)行生產(chǎn) 而人類豐富的想象力和智慧造就 了今日的 機(jī)器人 1 2 我國(guó)搬運(yùn)機(jī)器人基本情況 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代 七五 科技攻關(guān)開始起步 在國(guó)家的支持下 通過(guò) 七五 八五 科技攻關(guān) 目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù) 控 制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù) 生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件 開發(fā)出噴漆 弧焊 點(diǎn)焊 裝配 搬運(yùn)等機(jī)器人 其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二 十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 站 上獲得規(guī)模應(yīng)用 弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽 車制造廠的焊裝線上 但總的來(lái)看 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó) 外比還有一定的距離 如 可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品 機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚 應(yīng)用領(lǐng) 域窄 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距 在應(yīng)用規(guī)模上 我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器 人約 200 臺(tái) 約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四 以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求 一客戶 一次重新設(shè)計(jì) 品種規(guī)格多 批量小 零部件通用化程度低 供貨周期長(zhǎng) 成本也不低 而且質(zhì)量 可靠性不穩(wěn)定 因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù) 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃 搞好系列化 通用 化 模塊化設(shè)計(jì) 積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在 863 計(jì) 劃的支持下 也取得了不少成果 其中最為突出的是水下機(jī)器人 6000m 水下無(wú)纜機(jī) 器人的成果居世界領(lǐng)先水平 還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人 雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人 爬壁 機(jī)器人 管道機(jī)器人等機(jī)種 在機(jī)器人視覺 力覺 觸覺 聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng) FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 2 用上開展了不少工作 有了一定的發(fā)展基礎(chǔ) 但是在多傳感器信息融合控制技術(shù) 遙 控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人 智能裝配機(jī)器人 機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)運(yùn)用方面則 剛剛起步 與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大 需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上 有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān) 才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品 以期在 十五 后期立于世界先進(jìn)行列之 中 1 搬運(yùn)作業(yè)在現(xiàn)代企業(yè)的物流管理中占有重要地位 近幾年來(lái)隨著物流業(yè)的發(fā)展 特別是自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn) 加速了搬運(yùn)機(jī)器人的發(fā)展和廣泛應(yīng)用 我國(guó)在 七五 八五 期間已有許多單位研制出搬運(yùn)碼垛機(jī)器人 如上海大學(xué)研制的用于銀行金庫(kù) 的直角坐標(biāo)型碼垛搬運(yùn)機(jī)器人 哈工大研制的堆垛機(jī)器人 物料搬運(yùn)機(jī)器人的操作和 使用推廣屬于自動(dòng)化技術(shù)中增值最快的領(lǐng)域之一 在帶有微型機(jī)電一體化元件的小型 盤 套 罩形零部件的自動(dòng)化封裝運(yùn)送中 借助于物料搬運(yùn)機(jī)器人的圖像識(shí)別技術(shù)和復(fù) 雜的編程技術(shù) 物料搬運(yùn)機(jī)器人可以完成迄今為止人力所無(wú)法完成的艱巨任務(wù) 現(xiàn)今機(jī) 械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合 從而根本 改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài) 1 3 國(guó)外搬運(yùn)機(jī)械手發(fā)展情況 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20 世紀(jì) 50 年代初 是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式 能 適應(yīng)產(chǎn)品種類變更 具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)生 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手 他的結(jié)構(gòu)是 機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂 端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu) 控制系統(tǒng)是 示教型的 1962 年 美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述工件抓放機(jī)構(gòu)方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù) 控示教再現(xiàn)型機(jī)械手 商名為 Unimate 即萬(wàn)能自動(dòng) 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔 臂回 轉(zhuǎn) 俯仰 用液壓驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置 不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是 在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司 Unimaton 專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手 1962 年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫 Versatran 機(jī)械手 原意是靈活搬運(yùn) 該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn) 臂可以回轉(zhuǎn) 升 降 伸縮 采用液壓驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型 雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十 年代初 但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ) 1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué) 麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate Vic arm 型工業(yè)機(jī)械手 裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制 用于裝配作業(yè) 定位誤差可小 于 1 毫米 美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性 改進(jìn)結(jié)構(gòu) 降低成本 如 Unimate 公司建 立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái) 進(jìn)行各種性能的試驗(yàn) 準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間 注 故障前 平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度 它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間 由 400 小時(shí)提高到 1500 小時(shí) 精度可提高到 0 1 毫米 德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手 主要用于起重運(yùn)輸 焊接和設(shè)備的 上下料等作業(yè) 德國(guó) KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手 采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快 應(yīng)用最多的國(guó)家 自 1969 年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī) 械手后 大力研究機(jī)械手的研究 據(jù)報(bào)道 1979 年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校 研究單位多達(dá) 50 多個(gè) 1976 年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用 42 1979 年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元 產(chǎn)量為 14535 臺(tái) 其中固定程序和可 變程序約占一半 達(dá) 222 億日元 是 1978 年的二倍 具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67 億日元 比 1978 年增長(zhǎng) 50 智能機(jī)械手約為 17 億日元 為 1978 年的 6 倍 截 止 1979 年 機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái) 在數(shù)量上已占世界首位 約占 70 并以每 年 50 60 的速度增長(zhǎng) 使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè) 其次是電機(jī) 電器 預(yù)計(jì) 到 1990 年將有 55 萬(wàn)機(jī)器人在工作 2 1 4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)和展望 工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明 它在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平 提高勞 動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量提高經(jīng)濟(jì)效益 改善工人勞動(dòng)條件等方面 有著令世人矚目的作 用 引起了世界各國(guó)和社會(huì)各層人士的廣泛興趣 在新的世紀(jì) 機(jī)器人工業(yè)必將得到 更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用 從近幾年世界機(jī)器人推出的產(chǎn)品來(lái)看 未來(lái)工業(yè) 機(jī)器人具有如下的發(fā)展趨勢(shì) 1 高智能化 未來(lái)工業(yè)機(jī)器人與今天的相比最突出的差異在于其具有更高的智能 隨計(jì)算機(jī)技 術(shù) 模糊控制技術(shù) 專家系統(tǒng)技術(shù) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能工程技術(shù)等高新技術(shù)的不 斷發(fā)展 必將大大提高工業(yè)機(jī)器人學(xué)習(xí)知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力 并具有視覺 聽覺 感覺等功能 能感知環(huán)境的變化 做出相應(yīng)反應(yīng) 有很高的自適應(yīng)能力 幾乎 能象人一樣去干更多的工作 2 結(jié)構(gòu)一體化 工業(yè)機(jī)器人的本體采用桿臂結(jié)構(gòu)或細(xì)長(zhǎng)臂軸向式腕關(guān)節(jié) 并與關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu) 電動(dòng)機(jī) 減速器 編碼器等有機(jī)結(jié)合 全部電 管 線不外露 形成十分完整的防塵 防漏 防暴 防水全封閉的一體化結(jié)構(gòu) 3 組件 構(gòu)件通用化 標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 工業(yè)機(jī)器人是一種高科技產(chǎn)品 其制造 使用維護(hù)成本較高 操作機(jī)和控制器采 用通用元器件 讓機(jī)器人組件 構(gòu)件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化 模塊化是降低成本的重要途徑之一 大力制訂和推廣 三化 將使工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品更能適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境 4 高精度 高可靠性 隨著人類對(duì)產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的要求越來(lái)越高的發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)從事制造業(yè)的工業(yè)機(jī) 器人的要求也相應(yīng)提高 開發(fā)高精度 高可靠性工業(yè)機(jī)器人是必然的發(fā)展結(jié)果 采用 最新交流伺服電動(dòng)機(jī)或 DD 電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 以進(jìn)一步改善機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性 提高 可靠性采用 64 位數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)單元和主機(jī)采用 32 位以上 CPU 控制 不僅可使工業(yè)機(jī) 器人精度大為提高 也可以提高插補(bǔ)運(yùn)算和坐標(biāo)變換的速度 目前 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用主要還是集中在焊接 裝配 工件搬運(yùn) 機(jī)床上下料和 噴漆 涂 等作業(yè)領(lǐng)域 對(duì)于去毛刺 鑄件清理 切削加工和拋光等很有應(yīng)用潛力的 這些作業(yè) 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用數(shù)量目前還較少 主要原因是尚缺少合適的傳感器 阻 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 4 礙了工業(yè)機(jī)器人在這些領(lǐng)域里的迅速增長(zhǎng) 同樣 對(duì)于目前應(yīng)用量較大的弧焊和裝配 機(jī)器人 進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用也需要有傳感器技術(shù)的支持 如進(jìn)行弧焊作業(yè)時(shí) 傳感器用 來(lái)識(shí)別和跟蹤焊縫 進(jìn)行零件裝配時(shí) 工業(yè)機(jī)器人需采用裝有測(cè)力傳感器和柔性手爪 用于識(shí)別零件及其位置的圖象處理系統(tǒng)等 顯然 傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和完善 控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn) 對(duì)擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍和保證其作業(yè)質(zhì)量 越來(lái)越具有重要意義 新的加工工藝的開發(fā)和改進(jìn) 如激光加工 為工業(yè)機(jī)器人開 辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域 例如 應(yīng)用裝有 CO 激光器的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行激光焊接和切割等 3 另外 工業(yè)機(jī)器人在其它一些領(lǐng)域用于代替人的工作或從事人們所難以完成的一 些工作也有一定的潛在市場(chǎng) 例如 采用工業(yè)機(jī)器人在海洋進(jìn)行深水作業(yè) 值得提及 的是 近幾年來(lái)采用工業(yè)機(jī)器人在超凈環(huán)境里制造高性能高集成度電路芯片已引起人 們的重視 隨著工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)智能化 工業(yè)機(jī)器人將從工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)大到生活服務(wù)應(yīng)用 據(jù) 報(bào)道 美國(guó)一家從事生活服務(wù)的企業(yè)打算采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行清潔打掃工作 以便在 大企業(yè)里代替人的勞動(dòng) 目前 在北美一些醫(yī)院里 已開始應(yīng)用機(jī)器人來(lái)自動(dòng)送食品 或藥物 不斷提高工業(yè)機(jī)器人的性能 重視系統(tǒng)配套 同時(shí)努力降低成本 這是進(jìn)一步擴(kuò) 大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的幾個(gè)重要條件 鑒于目前大量應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的主要是一些大型 企業(yè) 為在中小企業(yè)里推廣應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人 一些制造廠提出了低成本自動(dòng)化 Lowcost Automation 策略 以便為中小企業(yè)提供一種具有一定專用性和價(jià)格特別 合適的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng) 可以預(yù)料 在 21 世紀(jì)中 隨著柔性自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 各企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求將會(huì)有較大幅度的增長(zhǎng) 4 綜上所述 工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品 自從 20 世紀(jì) 50 年代美 國(guó)制造第一臺(tái)機(jī)器人以來(lái) 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快 它對(duì)于提高生產(chǎn)自動(dòng) 化水平 勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益 保證產(chǎn)品質(zhì)量 改善勞動(dòng)條件等方面的作用日益顯 著 工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動(dòng)是必然的發(fā)展趨勢(shì) 和計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣 工業(yè)機(jī)器人的 廣泛應(yīng)用 正在日益改變著人類的生產(chǎn)方式和生活方式 機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國(guó) 備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè) 隨著工業(yè)機(jī)器人在今后不斷的向智能化發(fā)展 工業(yè)機(jī)器人必定會(huì)走 向一個(gè)更加繁榮的時(shí)代 1 5 本章小結(jié) 本章介紹了機(jī)器人的起源 國(guó)內(nèi)外搬運(yùn)機(jī)器人的基本情況以及工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的 趨勢(shì)和展望 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 設(shè)計(jì)的總體思想 2 1 機(jī)械手預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo) 采用氣壓傳動(dòng)裝置 PLC 控制機(jī)械手 它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送 到另一個(gè)指定的位置 主要完成機(jī)械手結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì) 以及用 PLC 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的控 制編程設(shè)計(jì) 使機(jī)械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個(gè)主要運(yùn)動(dòng) 在 PLC 程序控制的條件下 采用氣壓傳動(dòng)方式 來(lái)實(shí)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(dòng)軌跡 有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作 同時(shí)按其控制系統(tǒng)的 信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令 必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視 當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生 故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào) 位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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(guò)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 5 如圖 2 1 所示 圖 2 1 機(jī)械手系統(tǒng)控制圖 2 2 基本結(jié)構(gòu)框架 2 2 1 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài) 按坐標(biāo)形式大致可以分為以下 4 種 1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 2 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手 3 球坐標(biāo) 極坐標(biāo) 型機(jī)械手 4 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(jiǎn)單緊湊 定位精度較高 占地 面積小 因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型 6 2 2 2 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由以下部分組成 1 手部 采用一個(gè)直線氣壓缸 通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合 采用夾持式 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 6 手部 抓重 棒料直徑 kg5m80 2 腕部 采用一個(gè)擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 180 s 90 3 臂部 采用直線氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng) 伸縮行程 伸縮速度 m45 m 5 4 機(jī)身 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn) 升降行程 回轉(zhuǎn)范10 圍 回轉(zhuǎn)速度 180 s 70 2 2 3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)大致可分為液壓 氣動(dòng) 電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng) 等四類 采用氣壓驅(qū)動(dòng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 控制方便 無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn) 因此 本設(shè) 計(jì)機(jī)械手的手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)均采用氣壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 此外 機(jī) 械手的手臂升降 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 7 2 2 4 控制系統(tǒng)的選擇 本機(jī)械手采用可編程序控制器 PLC 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制 本課題將要選取 PLC 型號(hào) 初定三菱的 PLC 裝置 根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出 PLC 程序 并畫出梯形 圖 預(yù)定工作流程如圖 2 2 所示 手臂 下降 手臂伸長(zhǎng) 手爪夾緊 手臂縮回 手臂上升 手臂下降 支座 左轉(zhuǎn) 手部左轉(zhuǎn) 手爪放松 手部 右轉(zhuǎn) 手臂 上升 圖 2 2 機(jī)械手循環(huán)動(dòng)作流程圖 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了本課題的總體方案設(shè)計(jì) 分別采用了兩個(gè)直線氣缸 一個(gè)擺動(dòng)氣缸 滾珠絲杠和減速電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手具備手爪張合 手部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 手臂回轉(zhuǎn) 手臂升降 5 個(gè)主要運(yùn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇氣壓傳動(dòng)與電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)選擇可編 程序控制器 PLC 另 附機(jī)械手的技術(shù)參數(shù) 支座右轉(zhuǎn) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 1 手部抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 1 1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 手部處于腕部的最前端 工作時(shí)運(yùn)動(dòng)變化頻率高 其結(jié)構(gòu) 重量和體積直接影響 整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 定位精度 運(yùn)動(dòng)速度等性能 因此 在設(shè)計(jì)手部時(shí) 必須力求結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 體積小 故采用如圖 3 1 所示單活塞桿伸出 活塞式氣缸 該結(jié)構(gòu) 較為簡(jiǎn)單制造方便 8 3 1 2 抓取裝置原理 如圖 3 1 所示 氣缸右腔進(jìn)氣時(shí) 產(chǎn)生壓力夾緊工件 氣缸右腔停止進(jìn)氣時(shí)彈簧 伸展松開工件 圖 3 1 手爪受力圖 3 1 3 手部抓取氣缸的設(shè)計(jì) 1 已知工件質(zhì)量 mhrkgm1045 2 受力分析計(jì)算 手指握力 1F 3 1 fG 5 01 N2 活塞桿拉力 2F 3 2 112 L N304085 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 8 右腔推力 PF 3 3 DP24 輸出力 U 3 4 2FFNP 設(shè)彈簧加緊狀態(tài)彈力為 50NN 3 缸徑計(jì)算 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)氣壓傳動(dòng)單行本 22 114 224FPDN 可得缸徑 51 7mm 3 5 N 2 取 D 55mm 則 NFPU13850 42 4 壁厚的計(jì)算 3 6 PD 28 67 n 12 410 15 1bmax max安 全 系 數(shù) 一 般 取 鋁 合 金材 料 抗 拉 強(qiáng) 度 材 料 為缸 筒 材 料 許 用 應(yīng) 力氣 缸 最 高 工 作 壓 力試 驗(yàn) 耐 壓 力 取 AMPaPP 則 m70 41257 21 5nbmax DP 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 按照公式算出的壁厚較薄 設(shè)計(jì)過(guò)程中按工藝要求取 m3 檢驗(yàn) 故滿足要求 參照 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)氣壓傳動(dòng)單行本 22 105 3 D 115 5 活塞桿的計(jì)算 3 7 8 14032 128 14 bPUbPUFd 根據(jù)實(shí)際情況 取 md0 檢驗(yàn) NPUFPDF 42210950 5 滿足條件 6 活塞桿行程的計(jì)算 L 3 8 8042tan1 L 7 5rct 手爪張開的角度 活塞桿的位移量 3 9 mr192360 故查有關(guān)手冊(cè)圓整為 L 7 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算 I 材料的選擇 根據(jù)工作條件選擇油淬火回火高疲勞級(jí)鋼絲 V DCrV A 50CrVA 查得材料切變模量 G 79 MPa 310 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)袖珍 第三版 表 21 11 初設(shè) d 2mm 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)袖珍 第三版表 21 13 得抗拉強(qiáng)度 MPab1520 根據(jù)表 21 15 按 I 類負(fù)荷取許用應(yīng)力 b3 035 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 10 II 材料直徑 計(jì)算鋼絲直徑 d 按旋繞比 3 10 1428 DC 彈 簧 直 徑 螺 旋 彈 簧 中 徑 d 由圖 21 3 得 1 K 3 11 92 15340 6 6 1 FCd 則取 d 2mm 表 21 4 根據(jù) GB T 1358 的系列值 并與假定值相符 III 彈簧所需的剛度圈數(shù) 彈簧所需剛度 3 12 mNFk 5 20 有效圈數(shù) 3 13 8 258793434 kDGdn 取 取支撐圈 2n 則總?cè)?shù) 圈31 校核 3 14 m 4 238079n8dk34NDG 與所需剛度 k 2 5N mm 相符 則滿足條件 IV 高度的確定 自由高度 查表 21 8 3 15 mH5010 則夾緊狀態(tài)時(shí)高度 31 V 彈簧疲勞強(qiáng)度校核 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 根據(jù) 3 16 MPaFdCK490521 81 422 因此 3 17 32 14903 0 bS 所以符合條件 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)袖珍 第三版 P1134 安全系7 1 S 數(shù)取值 3 1 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消音器 5 二位三通電磁換向閥 6 單向節(jié)流閥 7 單作用氣缸 圖 3 2 手部抓取氣缸氣壓原理圖 工作方式 手爪電磁閥失電 氣缸右腔進(jìn)氣 產(chǎn)生壓力夾緊工件 手爪電磁閥得 電 氣缸右腔停止進(jìn)氣 彈簧伸展松開工件 1 手部右腔工作壓力計(jì)算 3 18 MpaDFSPNPU48 0519422 2 手部右腔流量 活塞移動(dòng)速度為 60mm s 則 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 12 3 19 smVSQ 8 14259603 3 2 腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 2 1 腕部設(shè)計(jì)要求 腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件 腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是用來(lái)改變被夾物體的方位 本 課題腕部需有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度 則可采用一個(gè)擺動(dòng)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)該自由度 9 要求 回轉(zhuǎn)范圍 180 回轉(zhuǎn)速度 s 9 3 2 2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩 手腕的 轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏 重力矩 10 圖 3 3 所示為手腕回轉(zhuǎn)示意圖 1 工件 2 手部 3 手腕 圖 3 3 手碗回轉(zhuǎn)示意圖 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 3 20 摩偏慣驅(qū) TT 式中 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 驅(qū) mN 慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩 慣 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 包括工件 手部 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏T 線所產(chǎn)生的偏重力矩 手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩 摩 下面以圖 3 3 所示 分析各阻力矩的計(jì)算 1 手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間 為 則 t 3 21 1mNtJT 慣 式中 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2mkg 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 2kg 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為 1J 3 22 g GJc11 2e 式中 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 c 2mkg 工件的重量 N 1 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 m e 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 弧度 s 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間 s t 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 弧度 估算抓取部分結(jié)構(gòu)部件總質(zhì)量約為 6kg 根據(jù)特殊情況將抓取部分等效成半徑約為 60mm 的圓柱體 則有 018 26 2 mrJ 2mkg 已知工件質(zhì)量為 5kg 半徑 R 40mm 高 h 100mm 的圓柱體 抓取位置為工件 h 2 處 且工件中心過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 則有 3 23 3221 107 6 04 3 15 3 hRJ 2mkg 公式參考袖珍版 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 表 2 12 已知手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角速度為 90 s 加減速時(shí)間為 0 1s 則帶入公式 3 19 得 27 015 7 6018 31 NtJT 慣 2 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 偏T 3 24 偏 1eG3mN 式中 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量 N 3 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 cm 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí) 則 1e0 通過(guò)質(zhì)量特性估算測(cè)得重心坐標(biāo) 得出 m63 e 則有 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 14 偏T1eG306 m N 3 手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩的計(jì)算 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 深溝球軸承的摩擦系數(shù)為 取 04 2 03 f 令氣缸軸的半徑 則有 6 R 31GfT 摩 05 0 mN 綜上 摩偏慣驅(qū) TT 3 06 27 0 9 3 2 3 擺動(dòng)氣缸的選擇 根據(jù)驅(qū)動(dòng)力矩 選擇合適的擺動(dòng)氣缸 選定型號(hào)為 DSM 25 270 P CC 驅(qū)T 表 3 4 氣缸型號(hào) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 圖 3 5 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與時(shí)間 T 的關(guān)系 表 3 6 基本尺寸 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 16 主要技術(shù)尺寸 缸徑 氣缸輸出效率為 mBmdmD40 12 25 葉 片 長(zhǎng) 度轉(zhuǎn) 子 直 徑 90 3 2 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消聲器 5 消聲器 6 三位五通電磁換向閥 7 單向節(jié)流閥 8 擺動(dòng)氣缸 9 節(jié)流調(diào)速閥 圖 3 7 手部回轉(zhuǎn)氣缸氣壓原理圖 工作方式 手部電磁閥 左邊 得電 電磁閥 右邊 失電 氣缸左腔進(jìn)氣 手 部右轉(zhuǎn) 手部電磁閥 右邊 得電 電磁閥 左邊 失電 氣缸右腔進(jìn)氣 手部左轉(zhuǎn) 1 計(jì)算工作壓力 3 25 10 82 dDBTP驅(qū) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 109 25 406 8 MPa 活塞平均線速度 3 26 rv smdD 5 14 2 2 流量的計(jì)算 3 27 vAq sm BdD 37040 125 4213 3 3 臂部伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 3 1 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂的設(shè)計(jì)要求 1 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 2 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料 3 盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩 以減小驅(qū)動(dòng) 裝置的負(fù)荷 減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊 提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度 4 要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差 提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度 采用 緩沖和限位裝置提高定位精度 11 本設(shè)計(jì)手臂伸縮通過(guò)采用一個(gè)直線氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng) 已知?dú)飧鬃畲笮谐?500mm 氣缸型號(hào)定為 163394 DNC 30 500 PPV 使用行程為 L 450mm 缸徑為 D 30mm 活塞桿直徑為 d 15mm 3 3 2 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 1 摩擦力的計(jì)算 考慮活塞等的摩擦力 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 1 10 定摩擦系數(shù) 2 0 k 鋼與鋼 利用質(zhì)量特性估算出腕部與抓取部分的總質(zhì)量為 gM25 則 3 28 kMgFf FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 18 N5012 2 慣性力的計(jì)算 已知 1 0 450 max tmLsV加 減 速 時(shí) 間行 程 則 加 速 度 3 29 2ax 5 10 st NMF 6 21 總受力 0 3 30 f N5 126 3 左腔工作壓力的計(jì)算 1P 3 31 21R FP a6 210 5 4 左腔流量的計(jì)算 1Q 勻速時(shí)活塞移動(dòng)速度為 則smV 250ax 3 32 sm VSQ 176432502 5 右腔工作壓力的計(jì)算 2P 3 33 2 2rRFP Pa62210 75 則控制壓力位 0 212MPa 6 右腔流量的計(jì)算 2Q 3 34 VSQ2 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 sm 1325 150 432 3 3 3 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí) 為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng) 以保證手指 的正確方向 并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用 以增加手臂的剛性 在設(shè)計(jì)手臂 結(jié)構(gòu)時(shí) 采用導(dǎo)向裝置 具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量 等因素來(lái)確定 12 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿 雙導(dǎo)向桿 四導(dǎo)向桿等 在本設(shè)計(jì)中才用 雙導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性 3 3 4 氣壓回路設(shè)計(jì) 1 氣源設(shè)備 2 減壓閥 3 壓力表 4 消聲器 5 三位五通電磁換向閥 6 單向節(jié)流閥 7 擺動(dòng)氣缸 圖 3 8 臂部伸縮氣壓原理圖 工作方式 手臂電磁閥 左邊 得電 電磁閥 右邊 失電 氣缸左腔進(jìn)氣 手 臂伸長(zhǎng) 手臂電磁閥 右邊 得電 電磁閥 左邊 失電 氣缸右腔進(jìn)氣 手臂縮回 3 4 手臂升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本機(jī)械手采用滾珠絲杠副來(lái)控制手臂的升降運(yùn)動(dòng) 3 4 1 工作要求 工作部件質(zhì)量約 利用質(zhì)量特性估算得工作部件質(zhì)量包含工件 上下行程kg60 為 進(jìn)給最大速度為 重復(fù)定位精度 最小進(jìn)給 壽m150sm m1 0 pm 12 0 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 20 命 電機(jī)轉(zhuǎn)速為 h20min 30r 3 4 2 滾珠螺母結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)選擇 根據(jù)本題的工作情況及要求選擇內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副截面形 狀為雙圓弧形 13 1 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 滾珠循環(huán)鏈較短 反向靈活 結(jié)構(gòu)緊湊 剛性好 使用可靠 工作壽 命長(zhǎng) 螺母配合外徑較小 扁圓形反相器螺母螺母軸向尺寸較短 使用場(chǎng)合 適用于各種高精度 高靈敏 高剛度的進(jìn)給定位系統(tǒng) 2 墊片預(yù)緊 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 軸向剛性好 預(yù)緊可靠 不可調(diào)整 軸向尺寸適中 工藝 性好 使用場(chǎng)合 廣泛用于高速或重載場(chǎng)合 3 雙圓弧形 特點(diǎn) 傳動(dòng)效率 承載能力和軸向剛度比較穩(wěn)定 成型較復(fù)雜 3 4 3 滾珠絲桿副主要參數(shù) 型號(hào)及絲桿軸向承載能力計(jì)算 1 初步計(jì)算導(dǎo)程 hP 在本課題的設(shè)計(jì)中 我直接把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與絲杠直接連接 即 I 1 工 作手臂快速升降的最高速度要求達(dá)到 取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速min 6 3axV 則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也應(yīng)該為 那么絲杠的基本導(dǎo)程 min 30axrn i 0axr 3 35 VPh 120 1 1ax 初選 2 2 計(jì)算平均軸向載荷 mF 根據(jù)條件絲杠的最大軸向載荷即為工作時(shí)手臂重力 已算工件重力 加摩擦力 已知手臂重力為 螺母副間摩擦力及導(dǎo)柱與手臂間的摩擦力通過(guò)查 機(jī)械NG60 設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 1 10 可知鋼與鋼材料之間的摩擦系數(shù)為 0 1 無(wú)潤(rùn)滑 深溝球 軸承的摩擦系數(shù)為 0 003 則估算 Nf 530 6 絲杠最大軸向載荷 maxF 3 36 Ff 056max 絲杠工作時(shí)最小軸向載荷即最大工作載荷減去工件重力 已知工件重力為 50N 絲杠最小軸向載荷 in 3 37 NG in 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 袖珍第三版所查公式計(jì)算得 3 38 Fm 58360232minax 3 計(jì)算平均轉(zhuǎn)速 V 機(jī)械手工作時(shí)升降速度基本保持不變 故升降時(shí)平均速度估算為最大速度 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 300r min mV 4 計(jì)算載荷 Fc 3 39 NKcH3 75016 581 查 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 袖珍第三版得 289 6 0 1 短 行 程 系 數(shù) 見 表硬 度 影 響 系 數(shù) 見 表載 荷 系 數(shù) 見 表HF 5 工作壽命 根據(jù)設(shè)計(jì)要求定使用壽命 hLh0 6 計(jì)算動(dòng)載荷 aC 根據(jù)壽命條件求必須的基本額定動(dòng)載荷 3 40 aChaFnLC 4 10 則 Na 5 14293 75106 234 7 靜載荷 aC 3 41 oamHFoa CK 8 6 查 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 袖珍第三版得 硬 度 影 響 系 數(shù) 見載 荷 系 數(shù) 見 表 27190 1 HF 查 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè) 表 19 23 選擇型號(hào)為 FDM4012 7 P3 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)雙螺母墊 片預(yù)緊導(dǎo)管埋入式公稱直徑為 40mm 導(dǎo)程 12mm 精度等級(jí) 7 級(jí)的定位滾動(dòng)螺旋副滾珠 絲桿副 尺寸參數(shù) mdmPh 40 120 公 稱 直 徑 技術(shù)參數(shù) 81 34750NCaa 滿足設(shè)計(jì)要求 3 4 4 絲杠支承軸承的選擇 1 當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)手冊(cè) 單行本軸承公式 6 2 2 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 22 軸 向 動(dòng) 載 荷 系 數(shù) 徑 向 動(dòng) 載 荷 系 數(shù) 軸 向 載 荷 徑 向 載 荷 當(dāng) 量 動(dòng) 載 荷 中YXFPYaraar 由于本設(shè)計(jì)單向推力球軸承受軸向推力較大 而徑向力較小可忽略 則有 3 42 NGFPa 680 絲 桿 其中 根據(jù)要求定絲桿長(zhǎng)度 0 88m 直徑 0 04m 密度 3 108 7mkg NV 2 6425 1 7hd41g 232 絲 桿 考慮到絲桿兩端加工后去除部分材料 故取 G絲 桿 基本額定動(dòng)載荷 的計(jì)算 參考 機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)手冊(cè) 單行本軸承公式 6 2 1 rC 3 43 aTndmhrPf 126 1948 0 0 25 5 8261 溫 度 因 數(shù)速 度 因 數(shù)沖 擊 載 荷 因 素 表 較 大 時(shí)力 距 載 荷 較 小 時(shí)壽 命 因 數(shù)tnd mmff fff NCr 37 2 當(dāng)量靜載荷 的計(jì)算oaP 3 44 GFPao 680 絲 桿 3 基本額定靜載荷 的計(jì)算OC 安 全 系 數(shù) 1621 OoaSCN806 根據(jù)額定動(dòng)靜載荷和加工工藝的要求選擇單向推力球軸承 51305 尺寸參數(shù) 18mT52 Dm d 技術(shù)參數(shù) KNCoaa 0 3 4 計(jì)算軸承的基本額定壽命 3 45 10PCL 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 滾 子 軸 承 壽 命 指 數(shù) 球 軸 承 當(dāng) 量 動(dòng) 載 荷 基 本 額 定 動(dòng) 載 荷 基 本 額 定 壽 命 式 中 3 103 10 PCLhL7 1428 68035 10 滿足要求 因?yàn)榻z桿承受徑向力較小 所以采用一對(duì)圓錐滾子軸承與一對(duì)深溝球軸承來(lái)防止 絲桿徑向竄動(dòng)且滿足工藝要求 14 3 4 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇與設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量 電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比 例 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率 15 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一 通常被用作定位控制和定速控制 步進(jìn)電機(jī)慣量低 定位精度高 無(wú)累積誤差 控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體 化產(chǎn)品中 如 數(shù)控機(jī)床 包裝機(jī)械 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備 復(fù)印機(jī) 傳真機(jī)等 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí) 首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率 而在選 用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí) 首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù) 載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠 在實(shí)際工作過(guò)程中 各種頻率下的負(fù)載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內(nèi) 一般地說(shuō)最大靜力矩大的電機(jī) 負(fù)載力矩大 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí) 應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配 這樣可以得到所需的脈沖當(dāng)量 在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量 一是可以改變絲桿的導(dǎo)程 二是可以 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來(lái)完成 但細(xì)分只能改變其分辨率 不改變其精度 精度是 由電機(jī)的固有特性所決定 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí) 應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率 使 之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量 使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足機(jī)床快速移動(dòng)的需要 16 1 負(fù)載慣量的計(jì)算 已知工作部件的總質(zhì)量為 折算到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的慣量 可按下式計(jì)kgM60 1J 算 3 2422221 019 0 41 41 4 mKgPnvJh 46 2 轉(zhuǎn)動(dòng)部件絲桿公稱直徑為 0 040m 長(zhǎng)度 0 880m 絲杠材料鋼的密度 根據(jù)下式 計(jì)算絲桿加折合在電動(dòng)機(jī)輸出軸上的慣量 3 108 7mkg FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 24 3 47 2343402 10725 20 18 7 3 mKgDLJ 參考公式來(lái)自于 所以加載于電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量為 3 48 233421 1094 10725 109 kgJL 3 計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 T 3 49 fmeqTT慣機(jī) 械 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 效 率 摩 擦 力 矩 等 效 慣 性 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 等 效 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 慣 fT 3 50 nvMeqg21m NmP15 012 62h 3 51 tJTL 慣 Nmtn31 02 0639423 摩擦力矩主要由滾珠絲杠副絲桿螺母之間摩擦力矩以及軸承的摩擦力矩產(chǎn)生 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 1 10 得 鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)為 有潤(rùn)滑 1 0 5 取摩擦系數(shù) f 0 06 單向推力軸承的摩擦系數(shù)為 0 003 則 有 m76 02 03 68 0 NTf 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 1 7 機(jī)械傳動(dòng)效率概略值 聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率 9 9 7 315 m24 N 4 脈沖頻率的計(jì)算 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 根據(jù)精度要求脈沖當(dāng)量 步距角pm 012 36 12 360 hP 那么步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)為 3 52 p r012 ipbh 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 300r min 那么需要的運(yùn)行的頻率是 sf 5min 310 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 從以上參數(shù)選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為 110BYG550A 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) P100 技術(shù)參數(shù)如下 相數(shù) 5 步距角 0 36 0 72 電壓 100V 相電流 6A 最大靜轉(zhuǎn)矩 3Nm 最高運(yùn)行頻率 5000p s 3 5 機(jī)身旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用減速電機(jī)控制機(jī)身旋轉(zhuǎn) 根據(jù)工作機(jī)械的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn) 沖擊小 以及過(guò) 載情況 調(diào)速范圍 起動(dòng) 制動(dòng)的頻繁程度等選用小型減速電機(jī) 17 3 5 1 電機(jī)輸出力矩的計(jì)算 整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可分為兩個(gè)部分 一部分是繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)身部分 另一部分為 手臂部分 通過(guò)計(jì)算機(jī)身部分轉(zhuǎn)動(dòng)等效負(fù)載力矩 手臂旋轉(zhuǎn)的等效負(fù)載力矩以及摩擦 力矩來(lái)獲得電機(jī)的輸出力矩 此處由于軸承摩擦系數(shù)小 摩擦力矩半徑較小所以忽略 摩擦力矩的計(jì)算 1 機(jī)身部分轉(zhuǎn)動(dòng)等效負(fù)載力矩的計(jì)算 通過(guò)質(zhì)量特性估算出機(jī)身部分的總質(zhì)量約為 整個(gè)機(jī)身部分的質(zhì)量可看kgM65 作均勻分布在半徑 的圓柱上 則有mR185 3 53 21MJ21 85 06mkg FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 26 已知轉(zhuǎn)速 則有sts5 0 70 加 減 速 時(shí) 間 3 54 t JT 3621 mN 72 5 0 2 手臂部分的等效負(fù)載力矩的計(jì)算 已知手臂部分的總質(zhì)量為 手臂總長(zhǎng) kgM60 mL2190 利用質(zhì)量特性間接估算測(cè)得重心與機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)l39018901 ml182 軸線的距離 如圖 3 9 所示 e5 圖 3 9 手臂基本結(jié)構(gòu)尺寸示意圖 則 公式參考 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)常用設(shè)計(jì)資料單行本 表 1 1 84 3 55 312122llMJ 280 5 8 390 9 6mkg 3 56 t JT 362 mN 4 15 0785 機(jī)身旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 3 57 21T 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 mN 2 1349 0 6 7 3 5 2 電機(jī)輸出功率的計(jì)算 已知機(jī)身旋轉(zhuǎn)速度要求 則s 7 in 16037rnw 根據(jù)已知數(shù)據(jù) 由 2 3 式計(jì)算工作機(jī)所需功率 工作機(jī)的效率 90 w 3 58 wWTnP 1 k74 90 23 總效率的計(jì)算 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 1 7 滾動(dòng)球軸承效率 9 01 滾子軸承效率 82231 95 0 由 2 1 式 電動(dòng)機(jī)功率 3 59 kwPWd83 1 74 3 5 3 電動(dòng)機(jī)的選擇 查相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書 根據(jù)輸出功率 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速選擇合適的電機(jī)型號(hào)為 105 GHFZ 輸出額定功率為 2 2kw 機(jī)型號(hào) 50 減速比 1 100 輸出轉(zhuǎn)矩 輸出轉(zhuǎn)mN 140 速 11 8r min 具體相關(guān)參數(shù)見下圖所示 表 3 10 技術(shù)參數(shù) FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 28 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 圖 3 11 法蘭式外形安裝尺寸 3 6 本章小結(jié) 本章完成了機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算 包括手部結(jié)構(gòu)和夾緊氣缸 手腕結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)及回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 手臂伸縮 機(jī)械手本體升降回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及手臂伸 縮驅(qū)動(dòng)力等相關(guān)計(jì)算 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 30 4 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理 圖示為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 它的氣源是由空氣壓縮機(jī)通過(guò)快換 接頭進(jìn)入儲(chǔ)氣罐 經(jīng)分水過(guò)濾器 調(diào)壓閥 油霧器 進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電磁閥 以 控制氣缸和手部動(dòng)作 圖 4 1 氣壓系統(tǒng)工作原理圖 為簡(jiǎn)化氣路 減少電磁閥的數(shù)量 各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器 這樣可 以省去電磁閥和切換節(jié)流閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件 電磁閥的通徑 是根據(jù)各工作氣缸的尺寸 行程 速度計(jì)算出所需壓縮空氣流量 與選用的電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來(lái)確定的 4 2 氣動(dòng)元件的選擇 表 4 2 氣動(dòng)元件列 序號(hào) 型號(hào)規(guī)格 名稱 數(shù)量 1 氣源設(shè)備 1 2 儲(chǔ)氣缸 1 3 壓力表 4 4 OP106 047 P 氣動(dòng)三聯(lián)件 1 5 OP106 047 P 減壓閥 3 序號(hào) 型號(hào)規(guī)格 名稱 數(shù)量 6 K23JD 6 二位三通電磁換向閥 1 7 XQ1004 單向節(jié)流閥 5 8 Q35D CL62三位五通電磁換向閥 2 9 AN103 消聲器 5 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 4 3 本章小結(jié) 本章介紹了機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理以及氣動(dòng)元件的選擇 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 32 5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性 同時(shí)使用點(diǎn)位控制 因此我們采用可編程序控制器 PLC 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制 當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí) 只需改變 PLC 程序即可實(shí)現(xiàn) 非常方便快捷 18 5 1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 5 1 1 可編程序控制器的選擇 目前 國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多 如日本三菱公司的 F 系列 PC 德國(guó) 西門子公司的 SIMATIC N5 系列 PC 日本 OMRON 立石 公司的 C 型 P 型 PC 等 考慮到本機(jī)械手的輸入輸出點(diǎn)不多 工作流程較簡(jiǎn)單 同時(shí)考慮到制造成本 因此在 本次設(shè)計(jì)中選擇了三菱公司的 FX2N 系列可編程序控制器 5 1 2 可編程序控制器的工作過(guò)程 可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的 為此采用了循 環(huán)掃描的工作方式 具體的工作過(guò)程可分為四個(gè)階段 19 第一階段是初始化處理 可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連 CPU 對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是 針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的 輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為 I 0 狀態(tài)表 該表是一個(gè) 專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū) 其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫 存器 存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器 開機(jī)時(shí) CPU 首先使 I 0 狀態(tài) 表清零 然后進(jìn)行自診斷 當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后 進(jìn)入下一階段 第二階段是處理輸入信號(hào)階段 在處理輸入信號(hào)階段 CPU 對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描 將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài) 信息送到 I 0 狀態(tài)表中存放 在同一掃描周期內(nèi) 各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在 I 0 狀態(tài)表中一 直保持不變 不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響 因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂 保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行 第三階段是程序處理階段 當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入 I 0 狀態(tài)表后 CPU 工作進(jìn)入到第三個(gè)階段 在這個(gè)階 段中 可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描 并根據(jù)各 I 0 狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn) 算和處理 最后將結(jié)果寫入 I 0 狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中 第四階段是輸出處理階段 CPU 對(duì)用戶程序已掃描處理完畢 并將運(yùn)算結(jié)果寫入到 I 0 狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中 此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出 送到輸出鎖存電路 驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈 控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作 然后 CPU 又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期 5 2 可編程序控制器的使用步驟 在可編程序控制器與被控對(duì)象 機(jī)器 設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程 構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng) 時(shí) 通常以七個(gè)步驟進(jìn)行 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 即確定被控對(duì)象的工作原理 控制要求 動(dòng)作及動(dòng)作順序 2 I 0 分配 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 即確定哪些信號(hào)是送到可編程序控制器的 并分配給相應(yīng)的輸入端號(hào) 哪些信號(hào) 是由可編程序控制器送到被控對(duì)象的 并分配相應(yīng)的輸出端號(hào) 此外 對(duì)用到的可編 程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器 定時(shí)器等也要進(jìn)行分配 可編程序控制器是通過(guò)編號(hào)來(lái)識(shí) 別信號(hào)的 3 畫梯形圖 它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同 表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系 如 果使用圖形編程器 LCD 或 CRT 則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序 可將梯形圖 直接送入可編程序控制器 對(duì)簡(jiǎn)易編程器 則往往要經(jīng)過(guò)下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過(guò) 程 4 助記符機(jī)器程序 相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序 是面向機(jī)器的 即不同廠家的可編程序控制器 助記 符指令形式不同 用簡(jiǎn)易編程器時(shí) 應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序 才能將其輸入到 可編程序控制器中 5 編制程序 即檢查程序中每條語(yǔ)法錯(cuò)誤 若有則修改 這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行 6 調(diào)試程序 即檢查程序是否能正確完成邏輯要求 不合要求 可以在編程器上修改 程序設(shè) 計(jì) 包括畫梯形圖 助記符程序 編輯 甚至調(diào)試 也可在別的工具上進(jìn)行 如 IBM PC 機(jī) 只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件 7 保存程序 調(diào)試通過(guò)的程序 可以固化在 EPROM 中或保存在磁盤上備用 5 3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 5 3 1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 1 控制對(duì)象為圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手 它具有四個(gè)自由度 即水平方向的前 后 豎 直方向的上 下 繞水平 豎直軸的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)及逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 另外 其末 端執(zhí)行裝置還可完成抓 放 開合 功能 以上各動(dòng)作除了豎直方向的上下和繞豎直 軸的旋轉(zhuǎn)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)外 其余都采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)方式用一個(gè)二位三通和兩 個(gè)三位五通電磁閥 每個(gè)閥有兩個(gè)線圈 對(duì)應(yīng)兩個(gè)相反動(dòng)作 分別控制三個(gè)氣缸 電 機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)用接觸器控制 使機(jī)械手完成前 后 上 下 旋轉(zhuǎn)及機(jī)械手抓放動(dòng)作 這 樣 可用 PLC 的 10 個(gè)輸出端與電磁閥或接觸器的 10 個(gè)線圈相連 通過(guò)編程 使電磁 閥或接觸器各線圈按一定序列激勵(lì) 從而使機(jī)械手按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作 如果 欲改變機(jī)械手的動(dòng)作 不需改變接線 只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可 另外 除抓放外 其余八個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開關(guān) 以檢測(cè)動(dòng)作是否到位 如果 某動(dòng)作沒有到位 則出錯(cuò)指示燈亮 2 控制要求 為了滿足生產(chǎn)需要 機(jī)械手應(yīng)設(shè)置手動(dòng)工作方式 單動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式 20 1 手動(dòng)工作方式 FMC 物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 34 便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修 設(shè)置手動(dòng)工作方式 用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作單獨(dú) 進(jìn)行控制 2 單動(dòng)工作方式 從原點(diǎn)開始 按照自動(dòng)工作循環(huán)的步序 每按下一次起動(dòng)按鈕 機(jī)械手完成一步 的工作后 自動(dòng)停止 3 自動(dòng)工作方式 按下起動(dòng)按鈕 機(jī)械手從原點(diǎn)開始 按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)工作 直到按下停止按 鈕 機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的動(dòng)作后 返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī) 5 3 2 氣動(dòng)機(jī)械手的工作流程 氣動(dòng)機(jī)械手的工作流程如圖 5 1 所示 1 當(dāng)按下機(jī)械手啟動(dòng)按鈕之后 首先立柱右轉(zhuǎn)接觸器通電 機(jī)械手右轉(zhuǎn) 至右 限位 立柱 開關(guān)動(dòng)作 2 立柱下降接觸器通電 立柱下降 至下限位開關(guān)動(dòng)作 3 手部右轉(zhuǎn)電磁閥通電 至右限位 手部 開關(guān)動(dòng)作 4 手臂伸長(zhǎng) 向前 電磁閥通電 手臂開始向前運(yùn)動(dòng) 至限位開關(guān)動(dòng)作 5 手爪抓緊電磁閥通電