铁矿粉自动取样设备的设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 次1 绪 论 .11.1 机械手概述 .11.2 机械手的组成和分类 .21.3 国内外发展状况 .61.4 课题的提出及主要任务 .82 机械手的设计方案 .102.1 机械手的座标型式与自由度 .102.2 机械手的手部结构方案设计 .102.3 机械手的手腕结构方案设计 .112.4 机械手的手臂结构方案设计 .112.5 机械手的驱动方案设计 .112.6 机械手的控制方案设计 .112.7 机械手的主要参数 .122.8 机械手的技术参数列表 .123 手腕结构设计 .143.1 手腕的自由度 .143.2 手腕的驱动力矩的计算 .144 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 .224.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 .225 气动系统设计 .256 机械手的 PLC 控制设计 .276.1 可编程序控制器的选择及工作过程 .276.2 可编程序控制器的使用步骤 .286.3 机械手可编程序控制器控制方案 .29结 论 .34致 谢 .35参考文献 .361 绪 论1.1 机械手概述 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页图 2-1 机械手组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和叻口工中心”2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质气源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1)工业机器人性能不断提高(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，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于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)机器人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、力觉等传感器，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)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、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机器人。(6)当代遥控机器人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，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 课题的提出及主要任务1.4.1 课题的要求该取样设备具有自动取样的功能，可以模拟人工定时定量地从传输皮带上提取样品，装入样品箱内。该设备由控制电机、减速传动机构、取样动作机构和电脑程序控制电路等部件组成，配备必要的定位传感器，可实现(1)单次取样动作完整(2) 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页每次取样间隔时间可以设定 (3)取样臂具有机械防冲击性能。取样设备运动机构设计需满足以下条件：取样过程：取样翻腕倒料停留重复取样，铁铲停留在传输皮带和样品箱中间；取样周期10120s，可任意设定，每次取样动作完成时间310s；传输皮带宽度80cm，取样铁铲运动半径65 cm。1.4.2 课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:(1)机械手为专用机械手，因此只适用于本课题。(2)选取机械手的座标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。(4)气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。(6)机械手的控制系统的设计本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页2 机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是专用翻转式机械手，用于铁矿粉的取样和运输。2.1 机械手的座标型式与自由度本机械手采用直角坐标式，具有手臂摆动和手腕摆动两个自由度。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页2.2 机械手的手部结构方案设计采用料勺式设计。如图2-1。前部为铲形，方便取料，后部为半圆形，方便存料和落料。图 2-1 取料勺2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的下料过程，因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计机械手臂由一回转气缸带动完成来回摆动的运动。2.5 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.7 机械手的主要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂回转的速度。该机械手最大回转速度设计为 。平均回转速度为 。机械s/30 s/25手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有工作半径。根据课题要求，该机械手手臂的最大工作半径约为650mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 。m12.8 机械手的技术参数列表 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页3 手腕结构设计手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。3.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。考虑到下料时需要一个翻腕的工作，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 ，并且要求严格的密封。3603.2 手腕的驱动力矩的计算3.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图3-1所示为手腕受力的示意图。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页1.工件2.手腕图3-1手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:封摩偏惯驱 MM式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩( );驱 cmN- 惯性力矩( );惯 c- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转偏M动轴线所产生的偏重力矩( ).,cmN; - 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力封矩( );c 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M 惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的时间为 ，则:t).(1cmNtJ）（惯式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ;J ).(2scmN- 工件对手腕转动轴线的转动惯量 。1 ).(2sc若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为:1JgGJc112e式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量 :c ).(2scmN- 工件的重量(N);1G- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),1e- 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s);t 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏+ ( )偏 1eG2cmN式中: - 手腕转动件的重量(N);2 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)2e当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 .1eG03、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 封M( )封M)(21dRfBAcmN式中: ， - 转动轴的轴颈直径 (cm);1d- 摩擦系数，对于滚动轴承 ，对于滑动轴承 ;f 01.f 1.0f, - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，ARB根据 ,得:0）（ FM2lGB1BRl21同理，根据 (F) ,得:BM0llGRA)()(21式中:) , 如图4-1所示的长度尺寸(cm).21l4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。3.2.2 回转气缸的驱动力矩计算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图3-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个。当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时回转，则低压腔的气从b孔排出。反之， 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:, 或 2)(rRpb)(2rRbMp图 3-2 回转气缸图式中：M回转气缸的驱动力矩（Ncm）；P回转气缸的工作压力（Ncm）；R缸体内壁半径（cm）；r输出轴半径（cm）；b动片宽度（cm）.上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的p应代以工作压力p 1与背压p 2之差。缸体内部，叶片两侧可安装挡块，叶片转动到挡块位置时停止，两挡块的位置即为轴转动的极限位置。3.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核1.尺寸设计气缸长度设计为 ,气缸内径为 =96mm,半径 ,轴径mb101DmR48 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页,半径 ,气缸运行角速度 = ，加速度时间 =0.1s, 压mD26r13s/10 t强 ,MPa1.则力矩2)(rRpb).(5489)026.48.(10.6mN2.尺寸校核1测定参与手腕转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情况，kgm10质量密度等效分布在一个半径 的圆盘上，那么转动惯量：r521rmJ05.2（ ）1.2.mkg工件（样品和铁铲）的质量为5 ,设工件中心与转动轴线重合，那么转动惯量kg).(042.1.52mkglJc。如果工件中心与转动轴线不重合，最大偏心距 ，其转动惯量为:me201 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页).(204.52211mkgeJc惯MtJ1).(01651.0342mN2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合， ，工件重心偏离转动轴线 ,则02e me10+ 偏 1G2).(51.00mN3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ，对于滚动轴承 ，对于滑动轴摩M01.f承 =0.1， ， 为手腕转动轴的轴颈直径， , , , 为f1d2 md301d2ARB轴颈处的支承反力，粗略估计 , ,NRA30B5摩M)(21dRfBA)03.52.03. ).(5mN4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封 ，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 为 的3倍，封M摩 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页3 封M摩05.).(1mN封摩偏惯驱 MM15.0.501.6).(872mNM驱设计尺寸符合使用要求，安全。4 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页4.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核4.1.1 尺寸设计气缸长度设计为 ,气缸内径为 ,半径R=120mm,轴径mb120mD2401半径 ,气缸运行角速度 = ，加速度时间 0.5s,压强mD302r5s/3 t,MPa1.则力矩： 2)(rRpb).(593)015.2.(1.0. 26mN4.1.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情况，kg15质量密度等效分布在一个半径 的圆盘上，那么转动惯量：mr12021rmJ.05（ ）18.2.mkg工件（样品和铁铲和机械臂）的质量为30 ,设工件中心与转动轴线重合，那么kg转动惯量).(264.0135.22mkglJc 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页现工件中心与转动轴线不重合，最大偏心距 ，其转动惯量为:me6501).(93.1265040221mkgeJc惯MtJ1).(8275.0390.mN2、手臂转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手臂转动件重心与转动轴线重合， ，工件重心偏离转动轴线 ,则02e me3251+ 偏 1G2).(59735.00mN3、手臂转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ，对于滚动轴承 ，对于滑摩M01.f动轴承 =0.1， ， 为手臂转动轴的轴颈直径， , , ,f1d2 md351d25AR为轴颈处的力，粗略估计 , ,BRNRA50B20摩M)(21dfBA)035.205. ).(97.0mN4回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 为 的3倍，封M摩 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页3 封M摩0975.).(2.mN封摩偏惯驱 MM295.07.5982.7).(10mNM驱设计尺寸符合使用要求，安全。5 气动系统设计 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页图5-1 机械手气压传动系统工作原理图表5-1 气路元件图序号 型号规格 名称 数量1 QF-44 手动截止阀 12 储气缸 23 QSL-26-S1 分水滤气器 14 QTY-20-S1 减压阀 15 QIU-20-S1 油雾器 16 YJ-1 压力继电器 17 阻尼螺钉 48 Q35D2H-10-S1 三位五通双电电磁滑阀 19 Q25D2H-15-S1 二位五通双电电磁滑阀 110 气液转换器 111 LI-25 单向节流阀 2 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页各执行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果好。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，电磁阀的减少数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称所使用流量相适应来确定的。6 机械手的PLC控制设计 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6.1 可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。6.1.2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。段CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2 可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。6.3 机械手可编程序控制器控制方案6.3.1 系统简介控制对象为直角座标气动机械手。它的手臂具有两个自由度，即手腕转动和手臂转动，均采用气动方式驱动，即用两个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制两个气缸，使机械手完成动作。这样，可用PLC的4个输出端与电磁阀的4个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，每个动作末端需放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。6.3.2 机械手的工作流程此机械手用于铁矿粉的取样。当按下机械手启动按钮之后，机械手有如下动作:手臂先右转至右限位开关1动作(1DT通电) 手腕转至限位开关3后计时1秒(3DT通电) 手腕逆时针转 (4DT通电)至限位开关4(4DT断电) 计时2秒 手臂左转至左限位开关动作2(2DT通电) 手腕逆时针转动(4DT通电) 手腕转至限位开关5后计时60秒 手臂先右转至右限位开关1动作(1DT通电)。至此，一个工作循环完毕。具体如图6-1所示。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页图 6-1 运动位置图6.3.3 机械手工作时序图如图所示(1)I/O分配根据系统输入输出点的数目，选用OMRON C28P型PC，它有16个输入点，标号为0000-0015; 12个输出点，标号为0500-0511.表 6-1 I/O分配I/O 分配输入 输出启动 0000 1DT 0501限位开关 1 0001 2DT 0502限位开关 2 0002 3DT 0503限位开关 3 0003 4DT 0504限位开关 4 0004 限位开关 5 0005 停止 0006 （2）梯形图设计(如图6-2所示) 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页图 6-2 梯形图（3）机械手控制程序表 6-2 程序指令指令 数据 OR HR0003LD 00000 AND NOT HR0004OR HR0000 OUT HR0003AND NOT 00001 LD HR0003AND NOT 00006 OUT NOT 00504OUT HR0000 TIM 00001LD HR0000 #0020OUT 00501 LD TIM001LD 00501 OUT 00502AND 00001 LD 00502OR HR0001 AND 00002AND HR0002OR HR0004 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页NOTOUT HR0001 AND NOT HR0005LD HR0001 OUT HR0004OUT 00503 LD HR0004LD 00503 OUT 00504AND 00003 LD 00504OR HR0002 AND 00005AND NOT HR0003 OR HR0005OUT HR0002 AND NOT HR0006LD HR0002 OUT HR0005TIM 00000 LD HR0005#0010 TIM 00002LD TIM000 #0600OUT 00504 LD TIM002LD 00504 OUT HR0000AND 00004 END 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页结 论1、本次设计的是气