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矿用多工位
气动
机械手
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矿用多工位气动机械手设计-三维图.zip,矿用多工位,气动,机械手,设计,三维
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一、选题依据1研究领域 矿机械设计、机电控制、气压传动 2论文（设计）工作的理论意义和应用价值本设计是对现有的运输、夹持电动机械手优化。着重于研究适用于矿井内使用的 多工位的气动机械手。在远程使用机电装置控制气路，使气成为主要动力用以驱动机 械手运动，具有替代人工，安全，高效，清洁的特点。在设计过程中，将主要给出机 械手的主要结构，控制等一系列的设计，并进行模拟仿真，以验证设计的可行性。随着社会与科技的进步，工业生产自动化设备越来越广泛应用，其中机械手的诞 生就是基于生产技术不断提高，是现代生产与科技应用相结合形成的一个重要技术。 工业机械手的应用减轻了劳动强度、可提高产品加工精度、减少危险性生产由人工操 作环节，尤其是在一些危险性大的行业生产中应用较为实用。在机械行业中(铸、锻、 焊接、热处理、电镀、喷漆、装配等)应用也十分广泛，如在柔性生产线中用气动机 械手来搬运上下料材。机械零件的装配生产线中，也利用机械手抓零件与另一零件装 配在一起。以上种种应用极大的减轻了劳动强度、促进安全生产、提高产品质量，适 合现代化的生产趋势，具有较强的生命力。 针对矿用设计气动机械手，主要是考虑到矿井内部充满瓦斯等可燃性气体，并且 近几年矿井坍塌及瓦斯爆炸事件频繁发生，使得设计一种可以代替人工进行井下工作 的机械手成为大势所趋。这类机械手通过控制通气的时间长短，实现全方位的物品夹 持与释放。 这种全气动的机械手可以帮助人们完成矿井下的一部分危险的工作，解放了一大 批劳动力，把空气做为它的主要驱动源，使得安全可靠，清洁无害成为了它的突出特 点。并且多工位使得它可以一次完成多个工件的夹持与释放，体现出了它的高效节能。 将这类机械手运用到矿井内，必定可以实现更加自动化，安全化，绿色化的工业现代 化。 3目前研究的概况和发展趋势 目前广泛使用的气压技术以压缩空气为介质，具有安全、动作迅速、平稳、可靠、结构简单、较轻、体积小、节能、工作寿命长的特点，特别是对易于控制、易维护、 无环境污染场合，因此气动技术常作为机械手的驱动系统的首选。气动机械手与其它 控制方式的机械手相比，具有无污染、抗干扰性强、价格低廉、结构简单、功率体积 比高等特点。在机械行业越来越多的自动化设备中采用了机械手，主要是液压控制和 气压控制两种方式。其中气动机械手以其取之不尽、用之不完的气源，及较低的生产 成本受用户喜爱，各国对气动机械手的研究越来越重视，现已发展成为满足生产需要 的一种重要的实用技术。20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方 式更灵活，性能更加可靠。气动机械手柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出 了更多更高的要求。微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制 理论的发展，也使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高。 由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在 大力开发研究。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从 20 世纪 80 年代中期开始，气动元件 产值的年递增率达 20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、 PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实 现现代传动与控制的关键技术之一。气动技术及气动机械手的发展过程气动技术是以 空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术， 是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。 大约开始于 1776 年，Johnwilkimson 发明能产生 1 个大气压左右压力的空气压缩 机。1880 年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。 20 世纪 30 年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。 至 50 年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60 年代开始 构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技术相提并论。在 70 年代，由于气动技 术与电子技术的结合应用，在自动化控制领域得到广泛的推广。80 年代进入气动集成 化、微型化的时代。90 年代至今，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展， 人们克服了气压阀的物理尺寸局限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问 世，智能气动这一概念产生。气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定位， 智能阀岛的诞生十分理想地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。90 年代 初，由布鲁塞尔皇家军事学院 Bando 教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器 人-“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC 控制技术和传感技术完美结合产生的 “六足动物”，6 个脚中的每一个脚都有 3 个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下， 一个摆动马达控制脚伸展/退回运动，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之 用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术和真空技术 于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。 目前机械手的应用，绝大多数应用于搬运类工作情况下。针对机械手的相关研 究主要集中在以下几个方面: （1）模块化（2）重复高精度（3）无给油化（4）机电一体化 未来气动机械手的应用前景如下：(1)气动机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)， 而单机价格不断下降，平均单机价格将直线下降。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如机械手执行末端和手腕手臂等。 (3)气动机械手控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化。器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构。大大提高了系统的 可靠性、易操作性和可维修性。 (4)气动机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等 传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉传感器，而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配 置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在气动机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如 使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵气动机械手。 (6)当代遥控气动机械手系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作 者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统， 使智能气动机械手走出实验室进入实用化阶段。 经过调查与多本文献的参考，气动矿用机械手还没有得到广泛的应用，可以说还 是一个接近空白的领域，主要原因有以下几点 (1)由于当今进入大工业时代的时间还不够长，机械手还没有普及到各行业，而 矿井下空间狭小，不适合大型机械的安装与工作，大大限制了矿用机械手的发展。 (2)气体的可压缩性强，气压传动等不易控制。并且在气路中，泄露的事件发生 率较高。 (3)人们仍然热衷于电力驱动，对于气压的新能源还不能够在短时间内接受。 正是由于这种针对矿井下气动机械手的市场空白，使得本次设计在未来具有很好 的发展前景，也会成为未来机械手的一种发展趋势。 二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 (1)气动矿用机械手的总体结构设计；(2)基于宇龙控制系统仿真软件，完成控制系统的设计与编程。 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） (1)机械手的总体结构设计； (2)确定控制对象的设计参数； (3)完成机电控制系统的设计； (4)基于宇龙控制系统仿真软件，完成控制系统的设计与编程； (5)绘制安装接线图； (6)气动机械手总装图绘制； (7)完成相关外文文献的翻译。 3.本论文（设计）预期取得的成果 (1)完成并绘制矿用气动机械手主要结构图； (2)基于宇龙仿真的控制系统的设计以及调试； (3)运用三维制图软件对机械手设计进行建模； (4)编写 10000 字以上的说明书。 三、论文（设计）工作安排1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）（1）通过理论设计，完成矿用气动机械手的总体结构设计并绘制图纸 通过使用宇龙仿真软件，控制气动机械手完成其预期工作 （2）设计参数 最大工作半径:1000mm 回转范围: 0-1802.论文（设计）进度计划（1）气动矿用机械手相关资料查询并进行总体构想第 12 周（2）完成一篇外文文献翻译并完成开题报告第 34 周（3）总体结构方案设计及结构图完成第 56 周（4）电气元件的选择及电气控制系统设计第 78 周（5）基于宇龙仿真软件的控制系统的设计与编程第 9 周（6）设计大体完成并撰写说明书第 10 周（7）完成设计说明书，交导师审阅修改第 1112 周（8）设计完成，答辩第 1314 周 四、需要阅读的参考文献01 德伯特,斯托尔著. 气动技术低成本综合自动化M. 李宝仁,译.机械工业出版社,1999; 02 王田苗,丑武胜. 机电控制基础理论及应用M. 北京:清华大学出版社,2003:第二版; 03 鲍燕伟,吴玉兰. 一种通用气动机械手的控制设计J. 机床与液压,2006:9,2527;04 张萍萍. 基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D. 西安:电子科技大学,2013:183; 05 高凌云. 基于 PLC 的气动自动生产线的研究D. 成都:西南石油大学,2011: 178; 06 王雄耀. 近代气动机械手的发展及应用J. 液压气动与密封 1999:5,1316;07 汪欢欢,胡国清,周青辉. 基于 PLC 的气动机械手控制系统设计研究J. 液压与气动.2012:9,3840;08 谢靖,谷敏. 气动机械手 PLC 电路的设计浅析J. 电子测试. 2017:4,2829;09 赵彤. 气动技术的发展及在新领域中的应用J. 液压气动与密封. 2004:5,3537;10 胡志刚. 基于 S7-200 PLC 的气动机械手控制系统设计J. 机械工程师. 2014:3,120121; 11 林立仁. 基于 PLC 气动式机械手控制系统的设计与开发J. 仪表技术与传感器.2015:11,5961;12 成经平,孙颖. 气动搬运机械手的设计及其应用J. 湖北理工工学院学报. 2016:05,13; 13 Zhi-li Zhao, Zhi-cheng Qiu,Xian-min Zhang,Jian-da Han. Vibration control of a pneumaticdriven piezoelectric flexible manipulator using self-organizing map based multiple models.2016:10,345372;14 Jihong Wang,Junsheng Pu,Philip Moore.Accurate Position Control of Servob Penumatic Actuator Systems: a Application to Food Packaging.Control Engmeering Practice.1999：05, 255257;15 A. REZOUG, F. HAMERLAIN, M. HAMERLAIN. Application of Fuzzy Sliding Mode to control of Manipulator Robot actuated by Pneumatic artificial Muscles.2009:09,580585;16 M.Yu. Rachkov, M. Crisstomo, L. Marques, A.T. de Almeida. Positional control pneumatic manipulators for construction tasks. 2002:9,655665;附：文献综述或报告文献综述机械手是在智能物流装备中被广泛应用的一种工业自动化产品,其主要功能是抓 取工件并搬运到生产线上。气动搬运机械手作为一种典型的机电一体化装置，其优点 是:结构简单、维修方便、成本低、节能环保等，它的出现将产品的机械化大生产推 向了又一个新的高度。机械手能代替人类做很多事情,有的是人类能完成但比较枯燥 或劳动强度特别大的，也有的是比较危险的，如高温、高压的恶劣环境。气动机械手 的应用愈来愈广泛，目前多数应用在物料等输送过程中，主要是在有关机械的零部件 生产中负责装卸、搬运所要加工的毛坯或成品。由于其结构紧凑、适用性强，适合中、 小批量生产。传统机器人的自动定位一直是依靠何服电机、步进马达或液压伺服定位系统来完 成的,而 Tron-X 电子气动机器人应用的则是 SPC-100 气动伺服定位系统。通过查阅资 料可知,在气动伺服闭环定位系统的控制下，它的运行速度在 5m/s 的情况下，定位精 度可达士 0.1- 0.2，尽管它的精度比起伺服电机和步进马达要差一个等级,但它结构 简单,速度高,抗环境污染及抗千扰性强,价格要比伺服电机和步进马达便宜得多。因 此,气动伺服定位技术一经出现,便受到工业界和学术界的高度重视,同时为气动机器 人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。【9】气动技术 气动技术被称为工业自动化的“肌肉”，其应用灵活，夹持工件的重量越来越重，在各种机械加工行业和制造行业中，尤其在有毒的环境下作业等其应用程序越来越受重视，并得到相应广泛使用。随着科技不断日新月异发展，自动化控制技术也不断更 新，在微电子技术、计算机技术等技术的迅猛发展形势下，气动技术不断技术创新， 以工程实际应用为目标，不断取得巨大的进步【4】。在煤矿开采的矿井中，气动机械手 可搬运轻小的货物，原因是全气动可避免密闭矿井中因甲烷浓度过高使电火花引起爆 炸的风险。从各国的行业统计资料来看，近 30 多年来气动行业发展很快。20 世纪 70 年代 液压与气动元件的产值比约为 9:1,而 30 多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日 本等国家，该比例已达到 6:4,甚至接近 5:5【6】。随着网络技术的不断应用、电子技术不断精细化、更多的高技术附加于机械手， 促进机械手的智能化水平更高，完成人类许多工作。作为机械制造行业的柔性制造生 产将更大范围应用，比如上海摩恩电气公司新开工的厂区均引入了最先进的生产线， 原来十个人的生产线现只需要二人，大量减少了人力。气动驱动元件： (1) 普通气缸普通气缸由缸筒，前后缸盖，活塞，活塞杆，密封件和紧固件等零件组成(2) 无杆气缸 无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接地实现往复运动。行程为 L 的有活塞杆气缸，沿行程方向的实际占有安装空间约为 2.2L。没有活塞杆， 则占有安装空间仅为 1.2L，且行程缸径比可达 50 100。没有活塞杆，还能避免由于 活塞杆及杆密封圈的损伤而带来的故障。而且由于没有活塞杆，活塞两侧受压面积相 等双向行程具有同样的推力有利于提高定位精度。这种气缸的最适用于小缸径、长行 程的场合，最大优点是节省了安装空间。(3) 摆动气缸 摆动气缸是出力轴被限制在某个角度内做往复摆动的一种气缸，又称为旋转气缸。摆动气缸目前在工业上应用广泛，多用于安装位置受到限制或转动角度小于 360 的回转工作部件，其动作原理也是将压缩空的压力能转变为机械能。常用的摆动气缸 的最大摆动角度分为 90、180、270 三种规格。(4) 气爪 气爪能实现各种抓取功能，是现代气动机械手的关键部件。【6】PLC 的发展及其功用PLC 是微型计算机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器基 础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。 以前所用的继电接触器控制系统，以继电器简单、实用而广泛使用，但因设备体积庞 大、动作慢、功能少，难以实现复杂系统的控制，特别是在工艺发生变化时，需要重 新设计、布线、装配与调试。软件设计主要指以生产工艺要求和现场信号与 PLC 编程 元件的对照表为依据，根据程序设计思想，绘出流程图，然后以编程指令为基础，画 出程序梯形图，编写程序注释【10】。PLC 控制成本相对较低，采用高速的气缸构成能够实现生产线上工件的自动装 卸。基于气动机械手 PLC 电路的程序特点，能够借助模块化设计理念,将气动机械手 PLC 电路程序设计为手动程度与自动程序,在程序编程的过程中，需要科学设计条件跳 转指令,实现合理选择,提升编程的效率,保证气动机械手运行的运行效率，真正发 挥气动机械手 PLC 电路程序设计的价值。自 80 年代以来工业控制软件随着 PC 机的发展获得了空前发展，主要有人机界面 软件、基于 PC 的控制的软件及生产管理软件等。前些年国外的应用软件占垄断地位， 经一些年的研究开发部分软件具有了自主知识产权，如实时监控软件、先进的控制软 件、过程优化软件等。应用于化工、工业控制等产生了较好的经济效益。我国在 70 年代中期开始引进 PLC 技术，发展到现在可以生产一些小中型产品。 在产品的发展上随着计算机技术发展会有更多成果应用于 PLC 上，甚至部分学者认为 可能会被计算机所取代【7】。PLC 硬件主要由中央处理单元 CPU、存储器、输入输出接口、电源、I/O 扩展接口、 外部设备接口、编程器等几个主要部分构成。(1) CPUCPU 作为整个 PLC 的核心，起着总指挥的作用，是 PLC 的运算和控制中心。它的 主要任务是:1 诊断 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误；2 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据寄存器 中的错误; 3 在运行状态时，编译解释后完成各种运算和操作，根据运算结果存储相应数据， 并更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容; (2) 存储器用以存放系统程序。另外 PLC 内部的存储器有两类:一类是系统程序存储器，另 一类是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区; (3) 输入输出接口输入接口通
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