机械手及控制系统设计.doc

1、河 北 工 程 大 学课 程 设 计 指 导 说 明 书课 程 题 目 : 机 械 手 及 控 制 系 统 设 计专 业 : 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 机 电 方 向班 级 : 机 制 11 班姓 名 : 唐 科学 号 110070118指 导 老 师 : 杨 玉 敏2目 录第 一 章 绪 论1.1 题目要求。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。31.2 题目概况。 。 。

2、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。31.3 气动机械手。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。31.4 气动机械手的发展趋势。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

3、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。31.5 课题的现实意义。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。4第 二 章 气 动 机 械 手 的 操 作 要 求 及 功 能2.1 机械手移动动作示意图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

4、 。 。 。 。 。 。 。 。 。52.2 机械手操作面板图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。52.3 机械手的输入输出信号定义图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。62.4 机械手顺序动作的要求。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

5、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。6第 三 章 机 械 部 分 设 计3.1 气动搬运机械手的结构。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。83.2 机械手的主要部件及运动。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。83.3 驱动机构的选

6、择。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。93.4 机械手的技术参数列表。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。93.5 气动回路的设计。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

7、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。93.6 末端执行器的设计。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。103.7 升降手臂的设计。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。123.8 平移手臂的设计。 。

8、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。14第 四 章 机 械 手 控 制 设 计4.1 PLC 的简介。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。164.2 PLC 的应用领域。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

9、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。164.3 PLC 的系统组成。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。164.4 PLC 的定义及选择。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

10、。 。 。 。 。 。 。 。174.4.1 机械手传送系统输入点和输出点分配表。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。174.4.2 原理接线图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。184.4.3 控制程序流程图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

11、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。194.5 机械手控制软件设计。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 214.5.1 控制系统程序。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。214.5.2 手动单步操作程序。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

12、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。214.5.3 机械手系统梯形图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。234.5.4 语句表程序设计。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。24第 五 章 课 程

13、 设 计 总 结3第 一 章 绪 论机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 ， 它 的 特 点 是 可通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 。 在 构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 的 优 点 ，尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。 机 械 手 作 业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前 景 。1.1 题 目 要 求题 目 ： 机 械 手 及 控 制 系 统 设 计要 求 ： 机

14、械 手 的 各 动 作 由 气 缸 驱 动 ， 并 由 电 磁 阀 控 制1.2 题 目 概 况机 械 手 在 专 用 机 床 及 自 动 生 产 线 上 应 用 十 分 广 泛 ， 主 要 用 于 搬 动 或 装 卸 零件 的 重 复 动 作 ， 以 实 现 生 产 自 动 化 。 我 国 国 家 标 准 （ GB/T1264390） 对机 械 手 的 定 义 是 “具 有 和 人 手 臂 相 似 的 动 作 功 能 ， 可 以 在 空 间 抓 放 物 体 ， 或进 行 其 他 操 作 的 机 械 装 置 ”。机 械 手 可 分 为 专 用 机 械 手 和 通 用 机 械 手 两 大 类 。

15、 专 用 机 械 手 ： 它 作 为 整 机的 附 属 部 分 ， 动 作 简 单 、 工 作 对 象 单 一 、 具 有 固 定 程 序 ， 适 用 于 大 批 量 的 自动 生 产 。 如 自 动 生 产 线 上 的 上 料 机 械 手 、 自 动 换 刀 机 械 手 等 。 通 用 机 械 手 ：它 是 一 种 具 有 独 立 控 制 系 统 、 程 序 可 变 、 动 作 灵 活 多 样 的 机 械 手 。 它 适 用 于可 变 换 生 产 品 种 的 中 小 批 量 自 动 化 生 产 ， 它 的 工 作 范 围 大 、 定 位 精 度 高 、 通用 性 强 ， 广 泛 应 用 于

16、柔 性 自 动 线 。1.3 气 动 机 械 手气 动 机 械 手 与 其 他 控 制 方 式 的 机 械 手 相 比 ， 具 有 价 格 低 廉 、 结 构 简 单 、 功率 体 积 比 高 、 无 污 染 及 抗 干 扰 性 强 等 特 点 。气 动 机 械 手 是 在 已 有 的 机 械 手 基 础 上 发 展 起 来 的 ， 二 者 之 间 的 区 别 在 于 气动 机 械 手 发 展 的 起 点 高 ， 它 强 调 模 块 化 的 形 式 ， 把 专 用 机 械 手 和 通 用 机 械 手结 合 起 来 。 现 代 气 动 机 械 手 的 基 本 结 构 由 感 知 部 分 、 控

17、制 部 分 、 主 机 部 分 和执 行 部 分 四 个 方 面 组 成 。 人 们 可 以 根 据 应 用 情 况 的 不 同 ， 选 择 相 应 功 能 和 参数 的 模 块 。 这 是 一 种 先 进 的 设 计 思 想 ， 代 表 着 气 动 机 械 手 今 后 的 发 展 方 向 ，也 始 终 贯 穿 着 气 动 机 械 手 的 发 展 及 实 用 性 。 因 此 ， 气 动 机 械 手 可 以 代 替 一 些功 能 不 理 想 的 工 业 机 械 手 的 地 位 ， 在 目 前 的 工 业 自 动 化 线 上 有 着 及 其 广 泛 的应 用 前 景 。1.4 气 动 机 械 手

18、的 发 展 趋 势4尽 管 世 界 工 业 经 济 发 展 放 缓 ， 使 得 气 动 机 械 手 的 发 展 受 到 一 定 的 影 响 。 然而 ， 作 为 新 兴 科 学 技 术 的 产 物 ， 气 动 机 械 手 的 发 展 必 将 势 不 可 挡 。 目 前 气 动机 械 手 的 发 展 呈 现 出 以 下 趋 势 ：1、 机 构 模 块 化2、 控 制 智 能 化3、 感 觉 功 能 变 强4、 系 统 应 用 与 集 成 化5、 可 靠 性 越 来 越 高6、 易 操 作 更 灵 活7、 向 微 型 化 方 向 发 展1.5 课 题 的 现 实 意 义机 械 手 是 工 业 自

19、动 化 领 域 中 经 常 遇 到 的 一 种 控 制 对 象 。 年 来 随 着 工 业 自 动化 的 发 展 ， 机 械 手 逐 渐 成 为 一 门 新 兴 学 科 ， 并 得 到 了 较 快 的 发 展 。 机 械 手 广泛 地 应 用 于 锻 压 、 冲 压 、 装 配 、 机 加 等 各 个 行 业 。 特 别 是 在 超 重 、 高 温 、 有毒 、 危 险 、 放 射 性 等 恶 劣 的 生 产 环 境 中 ， 机 械 手 由 于 其 显 著 的 优 点 而 受 到 特别 重 视 。 总 之 ， 机 械 手 是 提 高 劳 动 生 产 率 ， 改 善 劳 动 条 件 ， 减 轻

20、工 人 劳 动 强度 和 实 现 工 业 自 动 化 的 一 个 重 要 手 段 ， 国 内 外 都 十 分 重 视 它 的 应 用 与 发 展 。可 编 程 控 制 器 （ PLC） 是 专 为 在 工 业 环 境 下 应 用 而 设 计 的 实 时 工 业 控 制装 置 。 随 着 微 电 子 技 术 、 自 动 控 制 技 术 和 计 算 机 通 信 技 术 的 飞 速 发 展 ，PLC 在 硬 件 配 置 、 软 件 编 程 、 通 讯 联 网 功 能 以 及 模 拟 量 控 制 等 方 面 均 取 得 了长 足 的 进 步 ， 已 经 成 为 工 厂 自 动 化 的 标 准 配 置

21、之 一 。本 次 课 题 设 计 的 机 械 手 就 是 通 过 PLC 来 实 现 自 动 化 控 制 ， 通 过 此 次 设 计可 以 更 进 一 步 的 学 习 PLC 的 相 关 知 识 ， 了 解 世 界 先 进 水 平 ， 尽 可 能 的 多 应用 于 实 践 。5第 二 章 气 动 机 械 手 的 操 作 要 求 及 功 能2.1 机 械 手 移 动 动 作 示 意 图2.2 机 械 手 操 作 面 板 图62.3 机 械 手 的 输 入 输 出 信 号 定 义 图 2.4 机 械 手 顺 序 动 作 的 要 求1) 按 下 起 动 按 钮 SB1 时 ， 机 械 手 系 统 工

22、 作 。 首 先 上 升 电 磁 阀 通 电 ， 手 臂 上升 ， 至 上 升 限 位 开 关 动 作 。2) 左 转 电 磁 阀 通 电 ， 手 臂 左 转 ， 至 左 转 限 位 开 关 动 作3) 下 降 电 磁 阀 通 电 ， 手 臂 下 降 ， 至 下 降 限 位 开 关 动 作 。4) 启 动 传 送 带 A 运 行 ， 由 光 电 开 关 SP 检 测 传 送 带 A 上 有 无 物 品 送 来 ， 若检 测 到 物 品 ， 则 抓 紧 电 磁 阀 通 电 ， 机 械 手 抓 紧 ， 至 抓 紧 限 位 开 关 动 作 。5) 手 臂 再 次 上 升 ， 至 上 升 限 位 开

23、关 再 次 动 作 。6) 右 转 电 磁 阀 通 电 ， 手 臂 右 转 ， 至 右 转 限 位 开 关 动 作 。7) 手 臂 再 次 下 降 ， 至 下 降 限 位 开 关 再 次 动 作 。8) 放 松 电 磁 阀 通 电 ， 机 械 手 松 开 手 爪 ， 经 延 时 2 秒 后 ， 完 成 一 次 搬 运 任 务 ，7然 后 重 复 循 环 以 上 过 程 。9) 按 下 停 止 按 钮 SB2 或 断 电 时 ， 机 械 手 停 止 在 现 行 工 步 上 ， 重 新 起 动 时 ，机 械 手 按 停 止 前 的 动 作 继 续 工 作 。8第三章 机械部分设计3.1 气动搬运机

24、械手的结构机械手的种类很多，但按手臂坐标类型来分主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、SCARA 型。本次是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计。所针对的机械手属于直角坐标式，如图所示，机械手主要是由基座和手臂两部分组成。基座的主要任务是支撑。手臂装在基座上，作上下直线运动和伸缩运动，手部可夹紧/放松。机械手原理图本机械手的全部动作由气缸驱动。气缸由电磁阀控制。驱动部分有升降气缸、摆动气缸和手部驱动气缸。3.2 机械手的主要部件及运动在 直 角 坐 标 式 机 械 手 的 基 本 方 案 选 定 后 ， 根 据 设 计 任 务 ， 为 了 满 足 设 计要 求 ， 本 设 计

25、 的 机 械 手 具 有 2 个 自 由 度 ： 手 臂 伸 缩 ； 手 指 升 降 。本 设 计 的 机 械 手 主 要 由 3 个 大 部 件 和 3 个 气 缸 组 成 ： （ 1） 手 部 ， 采 用一 个 气 爪 ， 通 过 机 构 运 动 实 现 手 爪 的 张 合 。 （ 2） 升 降 臂 部 ， 采 用 直 线 缸 来实 现 手 臂 的 伸 缩 。 （ 3） 平 移 臂 部 ， 采 用 气 动 滑 台 来 实 现 手 臂 的 平 移 。机械手手部机械手横臂机械手立柱机械手基座93.3 驱动机构的选择驱 动 机 构 是 工 业 机 械 手 的 重 要 组 成 部 分 , 工 业

26、机 械 手 的 性 能 价 格 比 在 很大 程 度 上 取 决 于 驱 动 方 案 及 其 装 置 。 根 据 动 力 源 的 不 同 , 工 业 机 械 手 的 驱动 机 构 大 致 可 分 为 液 压 、 气 动 、 电 动 和 机 械 驱 动 等 四 类 。 气 动 机 械 手 因 为结 构 简 单 、 成 本 低 廉 、 重 量 轻 、 动 作 迅 速 、 平 稳 、 安 全 、 可 靠 、 节 能 和 不污 染 环 境 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 在 生 产 自 动 化 的 各 个 行 业 。 因 此 ， 机 械 手 的驱 动 方 案 选 择 气 压 驱 动 。3.4 机械

27、手的技术参数列表一 、 用 途 ： 车 间 皮 带 机 之 间 的 搬 运二 、 设 计 技 术 参 数 ：1、 抓 重 ： 2Kg (夹 持 式 手 部 )2、 自 由 度 数 ： 2 个 自 由 度3、 坐 标 型 式 ： 圆 柱 坐 标4、 最 大 工 作 半 径 ： 200mm5、 机 身 最 大 中 心 高 ： 415mm6、 主 要 运 动 参 数 ：手 臂 伸 缩 行 程 ： 400mm 手 臂 伸 缩 速 度 ： 300mm/s手 指 升 降 行 程 ： 200mm 手 指 升 降 速 度 ： 200mm/s3.5 气动回路的设计机 械 手 气 动 回 路 的 设 计 主 要

28、是 选 用 合 适 的 控 制 阀 ， 通 过 控 制 和 调 节 各 个气 缸 压 缩 空 气 的 压 力 、 流 量 和 方 向 来 使 气 动 执 行 机 构 获 得 必 要 的 力 、 动 作 速度 和 改 变 运 动 方 向 ， 并 按 规 定 的 程 序 工 作 ， 设 计 的 气 动 回 路 图 如 图 所 示 。10机械手气动回路图本 设 计 的 气 动 机 械 手 完 成 各 个 运 动 的 气 缸 只 有 完 全 伸 出 和 完 全 缩 回 两 个状 态 ， 选 择 两 位 五 通 换 向 阀 控 制 各 个 气 缸 的 运 动 方 向 ， 气 缸 的 进 出 口 回 路

29、各设 置 一 个 单 向 节 流 阀 ， 通 过 控 制 进 出 口 空 气 流 量 的 大 小 来 控 制 气 缸 执 行 器 动力 的 大 小 和 运 动 速 度 。 设 计 中 采 用 PLC 控 制 机 械 手 实 现 各 种 规 定 的 预 定 动作 ， 既 可 以 简 化 控 制 线 路 ， 节 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 。3.6 末端执行器的设计由 于 本 设 计 所 采 用 标 准 气 爪 ， 不 需 要 进 行 设 计 ， 直 接 选 型 即 可 。本 设 计 要 求 机 械 手 手 爪 的 最 大 持 重 m=2Kg， 根 据 具 体 的 工

30、作 要 求 ， 选择 标 准平 行 开 闭 型 气 爪 ， 其 结 构 如 图 所 示 。 当 A 口 进 气 B 口 排 气 时 ， 气 缸 活 塞 杆1 伸 出 ， 通 过 杠 杆 2 绕 杠 杆 轴 8 回 转 ， 带 动 两 个 手 指 4 通 过 一 组 钢 球 3 在11导 轨 5 上 作 向 外 直 线 运 动 ， 两 手 指 便 张 开 ， 松 开 工 件 。 止 动 块 6 限 制 手 指张 开 行 程 ， 定 位 销 7 保 证 直 线 导 轨 不 错 位 。平行开闭型气爪结构原理图1-活塞杆 2-杠杆 3-钢球 4-手指 5-导轨 6-止动块 7-定位销 8-杠杆轴对 夹

31、 持 工 件 进 行 受 力 分 析 如 图 所 示 ， 2 个 手 指 的 总 夹 持 力 产 生 的 摩 擦力 2F 必 须 大 于 夹 持 工 件 的 重 力 mg， 故 应 满 足 2Fmg即 Fmg/2式 中 摩 擦 系 数 ， 本 设 计 的 夹 持 辅 助 件 材 料 为 硬 质 橡 胶 ， 一 般 令=0.65；由 此 Fmg/2=29.8/(20.65)=15.1N 夹持工件受力示意图根 据 计 算 出 的 夹 持 力 的 大 小 和 表 3-1， 可 选 择 合 适 的 末 端 执 行 器 （ 手 爪 ）的 型 号 ： MHZ-10D。表 3-1123.7 升降手臂的设计升

32、 降 手 臂 为 机 械 手 执 行 上 下 伸 缩 运 动 的 机 构 ， 它 是 连 接 机 械 手 末 端 执 行器 和 平 移 手 臂 的 部 件 ， 它 的 基 本 作 用 是 完 成 末 端 执 行 器 的 伸 出 和 缩 回 运 动 。升 降 手 臂 主 要 承 受 末 端 执 行 器 和 夹 持 物 件 的 重 力 ，为 使 设 计 的 标 准 化 和 简 便 化 ， 在 本 设 计 中 ， 伸 缩 手 臂 采 用 新 薄 型 带 导 杆气 缸 （ 如 图 ） 。 该 气 缸 体 积 小 、 轻 巧 ， 耐 横 向 负 载 能 力 强 ， 耐 扭 矩 能 力 强 ，不 回 转

33、精 度 高 ， 导 向 杆 的 轴 承 可 选 择 滑 动 轴 承 或 球 轴 承 ， 安 装 方 便 ， 二 面 接管 位 置 可 供 选 择 。新薄型带导杆气缸根 据 本 机 械 手 的 设 计 技 术 参 数 ， 伸 缩 手 臂 的 行 程 为 200mm， 气 爪 抓 重约 为 2Kg， 加 上 末 端 执 行 器 （ 气 爪 ） 和 连 接 板 的 重 量 ， 总 质 量 约 为 3Kg，13由 此 ， 伸 缩 手 臂 的 最 大 负 载 F=mg=39.8=29.4N。根 据 数 据 要 求 ， 初 步 选 定 为 缸 径 为 20mm 型 号 为 MGPL20200 的 气 缸作

34、 为 机 械 手 的 升 降 手 臂 。伸 缩 手 臂 作 上 下 直 线 运 动 时 ， 主 要 克 服 的 是 摩 擦 阻 力 和 惯 性 力 ， 因 此 ，气 缸 所 需 要 的 驱 动 力 应 由 摩 擦 阻 力 ,重 力 和 惯 性 力 来 确 定 。式 中 摩 擦 阻 力 ， 应 包 括 手 臂 与 伸 缩 导 轨 间 的 摩 擦 阻 力 ， 活 塞 与 密F摩封 装 置 处 的 摩 擦 阻 力 ；手 臂 在 启 动 过 程 的 惯 性 力 。 其 大 小 可 按 以 下 公 式 计 算 ；惯tgVGF总惯其 中 手 臂 移 动 部 件 的 重 量 （ 牛 顿 ） ；总g重 力 加

35、 速 度 （ 9.8 米 /秒 2） ；启 动 或 制 动 前 后 的 速 度 差 （ 米 /秒 ） ；V启 动 或 制 动 所 需 的 时 间 （ 秒 ） 。t惯 性 力 的 计 算 ： 本 设 计 要 求 手 臂 升 降 时 V=200mm/s， 在 计 算 惯 性 力的 时 候 ， 设 置 启 动 时 间 =0.1s， 启 动 速 度 V=V=200mm/s。t= =6 NtgVGF总惯 .9842由 于 升 降 运 动 ， 气 缸 所 受 的 摩 擦 力 很 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。所 以 ：气 缸 所 需 的 驱 动 力 F 驱 = F 摩 + F 惯 +F=0+6+29.

36、4=35.4N气 缸 的 理 论 驱 动 力 F=1/4 d2p其 中 d气 缸 活 塞 杆 的 直 径 （ 米 ） ；p气 缸 的 工 作 压 力 （ 帕 ） 。根 据 设 计 技 术 参 数 d=10mm， p=0.5MPa14代 入 数 据 进 行 计 算 得 F=1/4 d2p=1/43.14（ 0.01）20.5106=39.3 N由 计 算 的 结 果 可 知 FF 驱即 气 缸 提 供 的 理 论 驱 动 力 大 于 气 缸 实 际 所 需 的 驱 动 力 ， 因 此 ， 伸 缩 手 臂的 设 计 符 合 设 计 要 求 。3.8 平移手臂的设计平 移 手 臂 为 机 械 手 执

37、 行 左 右 平 移 运 动 的 机 构 ， 它 是 连 接 机 械 手 升 降 手 臂的 部 件 ， 它 的 基 本 作 用 是 完 成 机 械 手 左 右 平 移 运 动 的 。 平 移 手 臂 主 要 承 受 升降 手 臂 ， 末 端 执 行 器 和 夹 持 物 件 的 重 力 ，为 使 设 计 的 标 准 化 和 简 便 化 ， 在 本 设 计 中 ， 平 移 手 臂 采 用 气 动 滑 台 （ 如图 3-4） 。 该 气 缸 体 积 小 、 轻 巧 ， 耐 横 向 负 载 能 力 强 ， 耐 扭 矩 能 力 强 。图 3-4 气动滑台根 据 本 机 械 手 的 设 计 技 术 参 数

38、 ， 平 移 手 臂 的 行 程 为 400mm， 气 爪 抓 重约 为 2Kg， 加 上 升 降 手 臂 ， 末 端 执 行 器 （ 气 爪 ） 和 连 接 板 的 重 量 ， 总 质 量 约为 4Kg， 由 此 ， 伸 缩 手 臂 的 最 大 负 载 F=mg=49.8=38.2N。根 据 数 据 要 求 ， 初 步 选 定 为 缸 径 为 12mm 型 号 为 mxy12400 的 气 动 滑台 作 为 机 械 手 的 平 移 手 臂 。平 移 手 臂 做 水 平 直 线 运 动 时 ， 主 要 克 服 的 是 摩 擦 阻 力 和 惯 性 力 ， 因 此 ，气 缸 所 需 要 的 驱 动

39、 力 应 由 摩 擦 阻 力 ,和 惯 性 力 来 确 定 。式 中 摩 擦 阻 力 ， 应 包 括 手 臂 与 伸 缩 导 轨 间 的 摩 擦 阻 力 ， 活 塞 与 密F摩封 装 置 处 的 摩 擦 阻 力 ；手 臂 在 启 动 过 程 的 惯 性 力 。 其 大 小 可 按 以 下 公 式 计 算 ；惯tgVGF总惯其 中 手 臂 移 动 部 件 的 重 量 （ 牛 顿 ） ；总15g重 力 加 速 度 （ 9.8 米 /秒 2） ；启 动 或 制 动 前 后 的 速 度 差 （ 米 /秒 ） ；V启 动 或 制 动 所 需 的 时 间 （ 秒 ） 。t惯 性 力 的 计 算 ： 本 设

40、 计 要 求 手 臂 升 降 时 V=300mm/s， 在 计 算 惯 性 力的 时 候 ， 设 置 启 动 时 间 =0.1s， 启 动 速 度 V=V=300mm/s。t= =11.69NtgVGF总惯摩 擦 力 的 计 算 ： 在 垂 直 方 向 ， 可 近 似 认 为 FN=G 总 =.38.2N。导 杆 所 受 到 的 水 平 方 向 的 摩 擦 力 F 摩 =FN 其 中 摩 擦 系 数 ， 气 缸 导 向 杆 的 材 料 为 钢 ， 取 =0.2。将 有 关 数 据 代 入 进 行 计 算F 摩 =FN =0.238.2=7.64N所 以 ：气 缸 所 需 的 驱 动 力 F 驱

41、 = F 摩 + F 惯 +F=7.64+11.69=19.33N气 缸 的 理 论 驱 动 力 F=1/4 d2p其 中 d气 缸 活 塞 杆 的 直 径 （ 米 ） ；p气 缸 的 工 作 压 力 （ 帕 ） 。根 据 设 计 技 术 参 数 d=10mm， p=0.5MPa代 入 数 据 进 行 计 算 得 F=1/4 d2p=1/43.14（ 0.01）20.5106=39.3 N由 计 算 的 结 果 可 知 FF 驱即 气 缸 提 供 的 理 论 驱 动 力 大 于 气 缸 实 际 所 需 的 驱 动 力 ， 因 此 ， 平 移 手 臂的 设 计 符 合 设 计 要 求 。16第

42、四 章 机 械 手 控 制 设 计4.1 PLC 的 简 介可 编 程 控 制 器 简 称 PLC， 国 际 电 工 委 员 会 在 1985 年 的 PLC 标 准 草 案 第三 稿 中 对 PLC 作 了 如 下 定 义 “可 编 程 控 制 器 是 一 种 数 字 运 算 操 作 的 电 子 系 统 ，专 为 在 工 业 环 境 下 应 用 而 设 计 。 它 采 用 可 编 程 程 序 的 存 储 器 ， 用 来 在 其 内 部存 储 执 行 逻 辑 运 算 、 顺 序 控 制 、 定 时 、 计 数 和 算 术 运 算 等 操 作 的 指 令 ， 并 通过 数 字 式 、 模 拟 式

43、 的 输 入 和 输 出 ， 控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程 ”。PLC 具 有 如 下 特 点 ：1.编 程 方 法 简 单 易 学2.功 能 强 、 性 能 价 格 比 高3.硬 件 配 套 齐 全 ， 用 户 使 用 方 便 ， 适 应 性 强4.可 靠 性 高 ， 抗 干 扰 能 力 强5.系 统 的 设 计 、 安 装 、 调 试 工 作 量 少6.维 修 工 作 量 小 ， 维 修 方 便7.体 积 小 ， 能 耗 低4.2 PLC 的 应 用 领 域随 着 社 会 的 发 展 ， PLC 的 应 用 面 越 来 越 广 。 一 方 面 由 于 处 理 器

44、芯 片 及 有关 元 件 的 价 格 大 大 下 降 ， 使 得 PLC 成 本 下 降 ； 另 一 方 面 由 于 PLC 的 功 能 大大 增 加 ， 能 解 决 复 杂 的 计 算 和 通 信 问 题 。PLC 的 应 用 范 围 通 常 分 成 以 下 5 种 类 型1.顺 序 控 制PLC 用 来 取 代 传 统 的 继 电 器 顺 序 控 制 ， PLC 应 用 于 单 机 控 制 、 多 机 控 制 、生 产 自 动 线 控 制 等 。2.运 动 控 制3.过 程 控 制4.数 据 控 制在 机 械 加 工 中 ， PLC 作 为 主 要 的 控 制 和 管 理 系 统 应 用

45、于 CNC 和 NC 系 统中 ， 可 以 完 成 大 量 的 数 据 控 制 。5.通 信 控 制PLC 的 通 信 包 括 主 机 与 远 程 IO 的 通 信 、 多 台 PLC 之 间 的 通 信 、 PLC 和其 他 智 能 控 制 设 备 之 间 的 通 信 。 PLC 与 其 他 智 能 控 制 设 备 一 起 ， 可 以 组 成17“集 中 管 理 ， 分 散 控 制 ”的 分 布 式 控 制 系 统 。4.3 PLC 的 系 统 组 成PLC 是 一 种 工 业 控 制 计 算 机 ， 是 通 过 执 行 反 映 控 制 要 求 的 用 户 程 序 来 实 现的 ， 但 是

46、CPU 是 以 分 时 操 作 方 式 来 处 理 各 项 任 务 的 。PLC 的 工 作 过 程 可 分 为 三 部 分 ： 第 一 部 分 为 上 电 处 理 ， 第 二 部 分 是 扫 描 过 程 ，第 三 部 分 是 出 错 处 理 。4.4 PLC 的 定 义 及 选 择4.4.1 机 械 手 传 送 系 统 输 入 点 和 输 出 点 分 配 表名 称代号输 入 名 称 代 号 输 入 名 称 代 号 输 出启 动 SB1 X0 夹 紧 SB5 X10 电 磁 阀 下 降 YV1 Y0下 限 行 程 SQ1 X1 放 松 SB6 X11 电 磁 阀 夹 紧 YV2 Y1上 限 行

47、 程 SQ2 X2 上 升 SB7 X12 电 磁 阀 上 升 YV3 Y2右 限 行 程 SQ3 X3 下 降 SB8 X13 电 磁 阀 右 行 YV4 Y3左 限 行 程 SQ4 X4 左 移 SB9 X14 电 磁 阀 左 行 YV5 Y4停 止 SB2 X5 单 步 右 移 SB10 X15 原 点 指 示 EL Y5手 动 操 作 SB3 X6 回 原 点 SB11 X16连 续 操 作 SB4 X7 工 件 检 测 SQ5 X17本 次 设 计 中 共 有 16 个 输 入 量 ， 6 个 输 出 量 共 22 点 ， 查 阅 相 关 资 料 可 知 ，选 择 型 号 为 FX2

48、N48MR 的 可 编 程 控 制 器 。4.4.2 原 理 接 线 图184.4.3 控 制 程 序 流 程 图19启 动检 测 物 体 返 回 原 点 开 始 下 降下 降 到 位 继 续 下 降夹 紧 物 体 夹 紧 到 位 继 续 夹 紧开 始 上 升上 升 到 位 继 续 上 升伸 出 手 臂20伸 出 到 位 继 续 伸 出 开 始 下 降 下 降 到 位 继 续 下 降放 松 物 体放 松 完 毕 继 续 放 松开 始 上 升上 升 到 位 继 续 上 升 返 回 原 点214.5 机 械 手 控 制 软 件 设 计4.5.1 控 制 系 统 程 序其 原 理 是 ：把 旋 钮

49、置 于 回 原 点 ， X16 接 通 ， 系 统 自 动 回 原 点 ， Y5 驱 动 指 示 灯 亮 。再 把 旋 钮 置 于 手 动 ， 则 X6 接 通 ， 其 常 闭 触 头 打 开 ， 程 序 不 跳 转 （ CJ 为 一跳 转 指 令 ， 如 果 CJ 驱 动 ， 则 跳 到 指 针 P 所 指 P0 处 ） ， 执 行 手 动 程 序 。 之 后 ，由 于 X7 常 闭 触 点 ， 当 执 行 CJ 指 令 时 ， 跳 转 到 P1 所 指 的 结 束 位 置 。 如 果 旋钮 置 于 自 动 位 置 ， （ 既 X6 常 闭 闭 合 、 X7 常 闭 打 开 ） 则 程 序 执 行 时 跳 过 手 动程 序 ， 直 接 执 行 自 动 程