矿用多工位气动机械手设计

矿用多工位气动机械手设计,矿用多工位气动机械手设计,矿用多工位,气动,机械手,设计 大 连 大 学 本科毕业论文 (设计 )开题报告 论 文 题 目： 矿用多工位气动机械手设计 学 院： 机械工程学院 专 业 、班 级： 机械设计制造及其自动化 机英 144 学 生 姓 名： 任书文 指导教师（职称）： 王艳颖（副教授） 2017 年 12 月 31 日填 毕业论文（设计）开题报告要求 开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节，又是完成高质量毕业论文 （设计）的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化，特制定本要求。 一、选题依据 1.论文（设计）题目及研究领域； 2.论文（设计）工作的理论意义和应用价值； 3.目前研究的概况和发展趋势。 二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题； 2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路）； 3.本论文（设计）预期取得的成果。 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）； 2.论文（设计）进度计划。 四、 文献查阅及文献综述 学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料，并在此基础上通 过分析、研究、综合，形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相 关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通顺， 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。 五、其他要求 1.开题报告应在毕业论文（设计）工作开始后的前四周内完成； 2.开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过； 3.开题报告不合格或没有做开题报告的学生，须重做或补做合格后，方能继续论 文（设计）工作，否则不允许参加答 辩； 4.开题报告通过后，原则上不允许更换论文题目或指导教师； 5.开题报告的内容，要求打印并装订成册（部分专业可根据需要手写在统一纸张 上，但封面需按统一格式打印）。 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 : 0-180 2.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 1 2 周 （ 2）完成一篇外文文献翻译并完成开题报告 第 3 4 周 （ 3）总体结构方案设计及 结构图完成 第 5 6 周 （ 4） 电气元件的选择及电气控制系统设计 第 7 8 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 11 12 周 （ 8）设计完成，答辩 第 13 14 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 pneumatic driven 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) CPU CPU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 输入接口通过光电耦合器件连接 PLC的输入端子接受现场输入设备 (如限位开关、 操作按钮、光电开关、温度开关等 )的控制信号，并 将这些信号转换成 CPU 所能接受 和处理的数字信号。 【 11】 随着 PLC的推广与普及，其产品与数量越来越多，功能也日趋完善。不同系列、 不同型号的 PLC其结构形式、性能、指令系统、编程方式、价格等不尽相同，根据不 同的场合各有侧重。因此选择硬件时主要从以下几方面考虑 : 1、 PLC机型选择 : 主要从结构合理、机型统一 、 功能与任务相适应 、 响应速度等方面进行考虑 ; 2、 PLC容量选择 : 1) I/O 点数选择 根据被控对象的输入输出设备对所需要的输入输出点数进行统计，开关量输入点 与输出点之比一般可按 3:2估算。在满足要求的前 提下尽量使用最少的 I/O点，但要 留一定的 余 量 (通常是所用总点数的 15%左右 )。 (2) 存储内容估算 用户程序所需要的存储容量不仅与 PLC系统的输入与输出点数、运算处理量、程 序结构、控制要求等有关，且与功能实现方法、程序编写水平有关。通常采用经验估 算法来统计所需程序容量：存储容量 (字节 )= 开关 I/O点数 10+模拟量 I/O 通道数 100。 【 4】 在应用 PLC 技术编程时注意以下几点 :其一是认真分析气动机械手控制要求， 用 功能流程图的形式表示程序设计思想，为编程做准备 ； 其二是根据现场信号与 PLC 外 部电路接线、流程图 进行程序编制 ； 其三是严格遵守梯形图、指令语句表的格式规则、 编写程序。 经过对多部文献的参考阅读，本次的矿用气动机械手是以气动技术为主，以机械 结构，控制手段，传感技术等为辅的机电气一体化的机电产品，能够跟好的适应现代 化发展的工业需求，更好的解决在生产过程中的安全，便利等问题，具有良好的发展 前景。 审 核 意 见 指导教师评阅意见 （对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进 行评阅） 签字： 年 月 日 教研室主任意见 签字： 年 月 日 学院教学指导委员会意见 签字： 年 月 日 公章： 大连大学 2018 届毕业论文 （设计） 题目名称： 矿用多工位气动机械手 所 在 学院 ： 机械工程学院 专业（班级）： 机英 144 学生姓名 ： 任书文 指导教师 ： 王艳颖 评阅人 ： 院 长 ： 吴 蒙 华 DALIAN UNIVERSITY 矿用多工位气动机械手 总计：毕 业论 文： 37 页 表 格： 8 表 插 图： 15 幅 指导教师： 王艳颖 评 阅 人： 完成时间： 2018.5.20 I 摘 要 基于现阶段在充满可燃气体的场所内的搬运问题的研究和分析，并结合实际用途和 机械结构的可行性，通过对力和工作效率的计算下，设计一种工作效率高，实用性强， 并且是全气动的 矿用机械手 。气动技术使用气体为动力传输介质。气源来源广泛，可直 接从空气中汲取，廉价便捷。其次，气动传动迅速，稳定可靠，结构简单，质量也较其 他机构更轻。在末端执行效果来看，使用气动可使执行机构具有很好的柔性，这样在 使 用过程中更加的安全，对所工作对象的损伤也较小。另外，由于气体无害，清洁，其在 维修、检查等方面都较为方便。 本气动 矿用机械手 适用于多种场合和各种货物的运输，特别是在充满了瓦斯气体的 矿井下，具有良好的实用价值。 本此设计中主要是通过机械设计的方式，完成对 矿用机械手 结构的设计，并对其中 重要部件进行校核 ,其中包括手指，腕部，手臂及机械底盘的设计 。完成选型后使用 Solidworks 对 矿用机械手 进行三维建模。 在完成结构设计之后根据其特性在加上气路设 计，增加气压元件完成各执行件的运动。 并在后期对控制系统进行了设计，而且 使用宇 龙仿真软件对控制系统进行仿真，以验证其可行性。 关键词：矿用机械手， 机械设计，气压传动， Solidworks 三维建模， PLC II ABSTRACT Based on the research and analysis of the handling problem in the place of combustible gas at the present stage, and combining the practical use and the feasibility of the mechanical structure, a kind of mine manipulator with high efficiency and practicability is designed by calculating the force and working efficiency. The pneumatic technology uses gas as a dynamic transmission medium. The source of gas is extensive and can be directly drawn from the air, which is cheap and convenient. Secondly, pneumatic transmission is fast, stable and reliable, simple in structure and lighter in quality than other institutions. In the end effect, the use of pneumatic can make the actuator have a good flexibility, so that it is more safe in the process of use and less damage to the working object. In addition, because gas is harmless and clean, it is more convenient in maintenance and inspection. The pneumatic mine manipulator is suitable for various occasions and the transportation of various goods, especially in mines full of gas and gas, and has good practical value. In this design, the design of the mechanical hand structure of the mine is completed by the mechanical design, and the important parts are checked, including the design of the finger, wrist, arm and mechanical chassis. After completing the selection, 3D modeling of mine manipulator is carried out by using Solidworks. After completing the structural design, plus pneumatic design according to its characteristics, the pneumatic components are added to complete the movement of each actuator. The control system was designed in the later stage, and the simulation of the control system was carried out using Yulong simulation software to verify its feasibility. Key Words： Mine manipulator, Mechanical design, Pneumatic transmission, Solidworks 3D modeling, PLC 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1. 绪 论 . - 1 - 1.1 论文背景、研究意义 . - 1 - 1.2 气动矿用机械手国内外发展现状 . - 1 - 1.3 论文的主要工作和章节安排 . - 2 - 2. 矿用机械手总体方案设计 . - 3 - 2.1 矿用机械手结构设计 . - 3 - 2.2 控制系统的设计 . - 4 - 2.3 气压系统设计 . - 5 - 3. 矿用机械手手部结构设计 . - 6 - 3.1 手部结构分类 . - 6 - 3.2 夹钳式手部设计 . - 7 - 3.3 夹紧力及驱动力的计算 . - 9 - 3.4 轴的载荷分析和计算 . - 11 - 3.5 轴的材料的选择 . - 12 - 3.6 销连接的设计 . - 12 - 4 矿用机械手主体结构设计 . - 13 - 4.1 腕部结构的选择 . - 13 - 4.2 腕部的设计计算 . - 13 - 4.3 手臂典型运动机构 . - 15 - 4.4 手臂的设计计算 . - 15 - 5 矿用机械手底盘设计 . - 19 - 5.1 底盘的整体设计 . - 19 - 5.2 底盘各结构的设计方案 . - 19 - 6 PLC 控制程序的设计 . - 22 - 6.1 PLC 简介 . - 22 - 6.2 矿用机械手控制程序编写 . - 22 - 7 气压系统设计 . - 30 - 7.1 气压元 件的选用 . - 30 - 7.2 气路的设计 . - 30 - 结论 . - 33 - 致谢 . - 34 - 参考文献 . - 35 - 附录 1：外文原文 . - 36 - 附录 2：中文翻译 . - 42 - 矿用多工位气动机械手 - 1 - 1. 绪 论 1.1 论文背景、研究意义 1.1.1 论文的背景与研究意义 目前就我国的气动行业的发展来看，我国作为发展中国家，该行业发展迅速。并且 由于气动本身就具有节能、高效、无污染、低成本、结构简单等各种优点，因此，本月 爱越多的运用在不同的领域上。其中，工业机器人中气动机构的发展尤为迅速。并且在 上世纪 90 年代后期，微型处理器 PLC 的出现使得控制方面的领域一下子扩大了很多， 而气动行业也伴随着微型控制器的崛起迅速发展了起来。 本项目是适用于煤矿下各种工具、零件、货物的夹持工具，通过全气动的过程控制， 避免因可燃性气体浓度过大， 引起的安全问题。流水线上的夹持设备是根据各种工件形 状、支撑位置设计的，都具有简捷实用的特点，设计要求结构简单，动作迅捷。本设计 是对现有的运输、夹持电动 矿用机械手 优化。着重于研究适用于矿井内使用的多工位的 气动 矿用机械手 。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 矿用机械 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 矿用机 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。 1.1.2 论文要求 整个矿用机械手的设计包括机械设计，理论力学，动力分析，三维设计 ，控制系统 设计等方面的专业知识，需要设计者将结构设计与控制系统相结合。本论文将介绍设计 矿用机械手的机械结构并做以力学校核。通过对 PLC 的学习对控制线路进行设计，同 时进行程序的编制。力求贯彻机电一体化的概念，完成一整套的矿用机械手整体的设计。 1.2 气动矿用机械手国内外发展现状 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 矿用机械手 的驱动系统的首选。气动 矿用机械手 与 其它控 制方式的 矿用机械手 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 矿用机械手 ，主要是液 压控制和气压控制两种方式。 气压传动以清洁能源气作为传递介质，取之不尽用之不竭， 而且价格低廉，环保。无论是在成本还是在维修等方面都占有巨大的优势，因此在能源 正逐渐枯竭的今天，气压传动正在作为一种新的传动方式而崛起。 矿用多工位气动机械手 - 2 - 从各国的行业统计资料来看，近 20 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。 40 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 5:5。 由于气动元件的单价比液压元件便宜，在相同产值的情况下， 气动元件的使用量及使用范围已远远超过了液压行业。从地区划分，可以说美洲 (以美 国为中心 )、欧洲 (欧洲各工业发达国家 )和亚太地区 (以日本为中心 )三分天下。作为气动 行业的知名企业，有日本的 SMC、德国的 FESTO、英国的 NORGREN 和美国的 PARKER 等。 SMC 公司在世界 30 个国家建有海外子公司和海外生产工厂。气动元件的基本生产 品种达 9100 种及 53000 种不同的规格。 中国改革开放以来，气动行业发展很快。 1986 年至 1993 年间，气动元件产值的年 递增率达 24.2%，高于中国机械工业产值平均年递增率 10.5% 的水平。 1996 年全国气 动行业的产值约在 6000 万美元左右。虽然中国的基础工业离世界先进工业国家还有一 定的差距，但在气动行业同行的努力下，中国的气动技术正在得到很快发展和提高。 矿用机械手 的组成部分一般为驱动部分，执行机构，和控制系统。 矿用机械手 的手 部是末端执行器，也是直接和工件接触的部分。一般的它是根据被夹持工件的形状、材 料、质量，或者工作条件等特定条件设计的，都具有特定性等。 矿用机械手 臂部分是连 接 矿用机械手 手 部的部分其主要功能是为了控制 矿用机械手 能够自由的到达合适的空 间坐标之内，并且能够控制 矿用机械手 末端的仰俯、旋转等一下裂的动作。为了抓取物 体在任何位置和方向上的空间，必须有 6 个自由度。自由度是指 矿用机械手 在空间内运 动的自由程度，并将其以精确地数字表达出来，以显示其灵活成度。自由度越高，那么 矿用机械手 的可用性及其灵活性也会大大的提高。最后 矿用机械手 逇控制系统是指通过 各种各样的控制硬件并配合其相应的软件编程，合理的完成对相应的控制部件的控制。 1.3 论文的主要工作和章节安排 本篇论文 针对矿用设计气动 矿用机械手 ，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 矿用机械手 成为大势所趋。这类 矿用机械手 通过控制通气的时间长短，实现 全方位的物品夹持与释放。 再论文中涉及到的有矿用机械手整体的框架涉及，力学理论 计算，三维设计，控制系统设计及程序编制。 论文中第二章主要是对矿用机械手的整体设计方案的确定，包括结构，驱动形式， 控制方案等。从第二章起，一直到第五章是计算部分，分别对矿用机械手的手指，手腕， 手臂进行设计及校核。第六章是对矿用机械手运动底盘的设计 。第七章主要是针对控制 系统，编程等方面的介绍。其后八、九章是对矿用机械手的三维设计的介绍。 矿用多工位气动机械手 - 3 - 2. 矿用机械手 总体方案设计 2.1 矿用机械手结构设计 在本次实际设计中，为了能够满足矿用机械手可以在情况多变的矿井下使用，因此 尽可能多得增加它的自由度。并且该矿用机械手的目标用途范围较广，既可以夹持零部 件又可以夹持工具，因此工作范围较为广泛。综上所述，并根据以上对各类矿用机械手 的特点的介绍，此次设计选用关节式进行设计。 为了扩大矿用机械手的工作范围和符合本设计的根本理念， 模拟人体手指关节自由 活动， 同时完成矿用机 械手的旋转与夹持动作，末端执行器的两边采用完全对称的结构， 以便于在抓贷物的过程中达到力的均匀分布，并且在末端执行机构与矿用机械手臂以一 个气缸连接，这样就可以达到末端机构可以横向抓贷物的目的，并配合矿用机械手臂的 运动完成整个矿用机械手的货物搬运的过程。 为了使机械于能够在任意的场所随意的运动，设计了一种全向轮底座配合使用 。 并 且为了符合全气动的现念，设计时将能 量 转 换 机构从普通的电动电机改为气动 马达 使用， 且在每个轮子上都加上一个气动马达，进行分别控制，使每个轮子都可以独立运动。通 过控制轮子的转速使轮子存在不同的速 度差，以速度合成的方式以达到转向的目的，从 而做到底盘的全向运动。并且在每个轮子与底盘的连接处都是用弹簧进行减震，是之能 够适应较大的起伏地面，满足室外环境的要求。 根据各部分机构的选择，可得机械手装配总图如下： 矿用多工位气动机械手 - 4 - 图 2.1 机械手总装图 如上图所示，机械手整体大致由三部分组成： （ 1） 机械手手部 利用机械原理等完成对所要夹持件的夹紧和放松 ； （ 2） 机械手主体 这包括有机械手腕部及机械臂两部分结构，其都是带动手部运 动，完成工件的空间上的移动； （ 3） 机械手底 盘 主要是为了扩大机械手工作空间，增多机械手的工作性能。 2.2 控制系统的设计 考虑到该矿用机械手的用途的广泛性，在控制系统方面的设计应该满足以下几个要 求： （ 1） 控制元件应简单易学； （ 2） 控制元件应该有较强的互换性，应是模块化设计，这样既便于维修，也大大 的降低了程序设计时的难度； （ 3） 控制程序应该简单易学，这样可以使得矿用机械手大规模推广。 因此，综上所述，再对控制硬件进行选择。并且根据近几年 PLC 的应用越来越广 泛，功能方面的开发越来越完善，满足我们对本矿用机械手控制系统硬件方面的要求。 因此硬件方面选用 PLC 进行控制， 并结合其汇编语言进行编程。 矿用多工位气动机械手 - 5 - 2.3 气压系统设计 驱动机构作为动力来源，是任何一个机器都不可缺少的部分。并且机械设备的价格 及其应用范围等也在很大程度上受到驱动机构的限制。在工业上，一般的驱动机构有电 动、气动以及液动。在不同的工作条件下选择不同的驱动方式。其中 使用电力 为使用最 为广泛的驱动方式。而此次根据实际情况，本 矿用机械手 是要在充满易燃易爆的瓦斯气 体的矿井下使用，因此拟采用气压驱动。 其中为了能够实现矿用机械手逇直线运动，旋转运动等。为了简化机构，在对驱动 元件选择时，选择可以为运动部件直接提供动力的驱动元 件。 根据控制系统的设计 ，设 计气压系统。气压系统 设计 是 对 驱动气缸等执行元件的直接驱动器 气路的设计。 在本次设计中，拟采用 10 个各类气缸元件，因此为了简化设计方案，也选用 10 个 电磁阀进行控制，并且为了能够方便的控制气缸的两个腔室，使其可以前后两腔室同样 工作，使用三位四通电磁换向阀，每个换向阀上都带有两个电磁线圈，可以控制阀芯两 向运动 。这样一共会有这样的分支气路 10 路，再由总气路供气。而整体则有气泵作为 供气源。 矿用多工位气动机械手 - 6 - 3. 矿用机械手 手部结构设计 3.1 手部结构分类 根据工业机器人的常用手部结构 划分 ，机械手手部一般 分为吸附类和夹持类 。 而根 据本次设计的需求来看，各种各样的夹持元件及工具，显然吸附类的手部结构显然不适 用，因此选用夹持类的手部结构。 如下图所示为几种加持时矿用机械手的类型 图 3.1 矿用机械手结构类型 图 （ a）是单点式夹持手指，其两根手指皆绕着右侧一点进行旋转，结构简单，但 也限制了其运用范围。图（ b）为双点式加持手指，其上下两根手指分别绕着两个支点 进行转动，其结构较（ a）复杂点，但是也大大的增加了它的实用性。（ c）为移动式夹 持矿用机械手，它是使用手指的直线运动 ，将工件夹持，但是其结构复杂，所占范围也 较前两种大，对工作条件要求高，并且，它的加工制造也较为复杂，成本高，但是其定 位精度高。 矿用多工位气动机械手 - 7 - 因此综上，为能够适应矿井下恶劣的工作条件，并且又要使矿用机械手能够如期的 完成预想的工作，选用第二种双点式夹持矿用机械手。 3.2 夹钳式手部设计 在 3.1 中介绍了几种基本形式的手部，并且根据设计要求选用了双点式夹钳手指， 下面将对夹钳式手部进行详细的介绍及设计。 3.2.1 手部的类型及夹紧装置 由 3.1 分析得出结论可知本次手部设计拟采用双点式夹持方式。且使用滑槽杠杆机 构。 如图所 示 3 2 1 图 3.2 滑槽杠杆式手部原理图 图示为双点式夹持手指结构。图中 1 为手指， 2 为滑动圆柱， 3 为气缸杆， 在圆柱 体用于传动气缸杆的动力到手指上 。当气缸杆向前运动时手指开始绕着其支点进行转动， 同时滑动圆柱与手指之间的相对位置也发生变化，因此，在手指上有一条槽型滑道可以 允许滑动圆柱在其中运动，以保证手指部位不是卡死的状态。 3.2.2 手爪的力学分析 如图 3.3 所示，其为本次设计选用的滑槽式杠杆手部结构原 理图： 矿用多工位气动机械手 - 8 - F 气缸杆对手部连接件的拉力 ； ， 2 为两根手指对滑动圆柱的方向作用力 FN 手部的夹紧力 ； a 手指回转轴线与手部中轴线之间的距离 ； b 手指回转轴线到夹持部位中轴线距离 ； 图 3.3 手部结构受力分析原理图 由平衡条件计算公式 12 cosFF （ 3.1） 得 1 2cosFF （ 3.2） 由 01( ) 0MF 得， 矿用多工位气动机械手 - 9 - 1 NFh F b （ 3.3） 1 N FhF b （ 3.4） cos ah （ 3.5） 21()2 cosN aFFb （ 3.6） 由上述计算得， 随之 的增大 ， 其所需要的工作里雨大 ， 但是随着夹角的扩大 ， 气 缸活塞的行程也会随之增加加长 ， 导致手部结构整体尺寸增加 。 因此建议 30 40 。 3.3 夹紧力及驱动力的计算 手指部位的计算是整个矿用机械手的重要计算过程。在所有的工业机器人中，对手 部的设计计算都是至关重要的 。 手部夹紧力公式可查阅资料得 1 2 3NF K K K G （ 3.7） K1 安全系数，通常取 1.22.0； K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 其中 K3 空间位置系数。 气缸的 工作力计算： 22()4F D d p拉 （ 3.8） 其中 D 气缸内壁直径 （ m） 。 d 气缸杆直径 （ m） 。 P 气压缸工作压力 （ pa）。 根据要求，就袖手最大夹持重物重量为 6Kg。 因此可得 如下计算 ： 其中 取 K1=1.5 并且取 max 0.1 ms ， 0.5响 ts，得 m a x 2 0 . 10 . 51 1 1 1 . 0 2 9 . 8 taK gg 响 （ 3.9） 矿用多工位气动机械手 - 10 - 根据矿用机械手在使用过程中的实际环境分析，取 K3=4.0 由式 3.2 得 1 2 3 1 . 5 1 . 0 2 4 . 0 6 0 9 . 8 3 5 9 8 . 5 6NF K K K G N （ 3.10） 由 22 cos NbFFa （ 3.11） 将已知条件 ， 35 ， 带入，得 222 2 90c os c os 35 3598.56 4575.1695NbF F Na （ 3.12） 取 0.85 得 4575.16 5382.540.85F 实 际 F N （ 3.13） 表 3.1 夹紧气缸工作压力 如 表 3.1 所示， 5 0 0 0 5 3 8 2 . 5 4 1 0 0 0 0N F N N 实 际 ，取 p=2MPa 如图 3.4， 当前腔室进气时，活塞直径查 阅资料 可得公式 ： 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p （ 3.14） P2=0， 因可得 11 4 1.13FFD PP （ 3.15） 当后腔室进气时，活塞直径查阅资料可得 公式 ： 2 2 4FDdP （ 3.16） 式中 F 气缸工作力 。 用在活塞上外 力 F（ N） 气缸 工作压力 （ MPa） 作用在活塞上 外力（ N） 气缸 工作压力 （ MPa） 小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0 500010000 1.52.0 3000050000 4.05.0 1000020000 2.53.0 大于 50000 5.07.0 矿用多工位气动机械手 - 11 - 气缸 的工作压力 。 气缸总效率。 d 活塞杆直径 。 有 1dD （ 3.17） 表 3.2 夹紧气缸的工作压力与速比 根 据上表查询可得 ，取 1.33 ， 代入到上述公式 。 得 （ 3.18） 将以上已知条件代入式 3.5 得 ： 1 1 5 3 8 2 .5 41 .1 3 1 .1 3 5 7 .9 30 .9 5 2FD m mP （ 3.19） 2222 2 4 4 53 82 .5 4 ( 0. 49 8 ) 60 .03. 14 0. 95 2FD d DP （ 3.20） 取最大值，得： D=50mm d=30mm 图 3.4 夹紧缸示意图 3.4 轴的载荷分析和计算 气缸 工作压力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 矿用多工位气动机械手 - 12 - 根据手部的分析，矿用机械手手部的轴应为拉紧轴，所受力为两端的拉紧力，对于 夹持式手部的结构分析，轴中由开槽平头紧定螺钉固定。因此，拉紧轴仅受弯矩影响， 受力分析图及其弯矩图如图 3-4 所示。由已知夹紧力为 5382.54N，根据参数以及手部结 构的参数，取夹紧力距离轴为 195mm，根据弯矩公式 M=Fl 得出弯矩为 1049.595Nm。 图 3.5 轴的受力分析及其弯矩图 如上图所示， F1=F3=5382.84N， F2=10765.68N，所以 轴所受最大载荷即为 1049.595Nm。根据轴的直径设计公式 0.1Md （ 3.21） 其中 M 为 1049.595Nm，由前文可知，许用应力 =2MPa，因此可得出轴的直径 d 6.8mm，取整则为 8mm。由于这为拉紧轴，因此不需要分段，仅需一段即可。 3.5 轴的材料的选择 由于矿用机械手手部 在抓取物体时会在手抓处产生应力集中，在轴的运转过程中会 产生大量的热量，需要具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能。为了手部 抓取不产生松动或脱落，保证抓取的可靠性，同时考虑经济性。因此选用经过耐热钢作 为轴的材料。 3.6 销连接的设计 销按用途分为用于定位的定位销，用来进行零件连接的连接销等。前者用来个别固 定零件对于整体零件的相对位置，它是组合加工和装配时很重要的零件；后者用于连接， 也可以传递较小的载荷。 销的类型有很多，例如圆锥销，圆柱销，槽销等，这些销都是 标准件，因此可直接选用。本设计采用圆柱销，由 于圆柱销需要进行过盈配合从而固定 在销的孔内，所以选择过盈配合连接。在装配前，需要对其相关精度进行复查。 矿用多工位气动机械手 - 13 - 4 矿用机械手 主体 结构设计 手腕部分是用于连接手部和手臂部分的结构。在这里为了尽可能多的增加 矿用机械 手 手部的自由度，将手部的结构设计为两部分。一部分是用于控制 矿用机械手 手部的旋 转，使 矿用机械手 能在是水平方向上能够更加方便的夹持工件。另一部分是用于控制手 部的仰俯，所起作用是使 矿用机械手 在手指方向上便于 矿用机械手 的夹持。 4.1 腕 部结构的选择 手腕的动作虽然不多，但它要求结构极其紧凑。 本次设计的矿用机械手 需要较大的自由度，因此将其设计为两处回转运动，一处是 控制手部沿自身轴线回转。另一个方向上是实现手部可以进行仰俯运动。 4.2 腕部的设计计算 腕部进行旋转时需要克服以下几种性质的力 ： （ 1） 回转时的摩擦力 矩 M摩 0.1总摩 MM （ 4.1） （ 2） 由于重力引起的弯矩 M偏 1偏 M Ge （ 4.2） （ 3）动量引起的惯性力矩 M惯 ()惯 工 件 启 M J J t （ 4.3） 式中 工 件J 工件 转动惯量 (Nms2)。 J 手腕转动惯量 (Nms2)。 角速度 (1/s)。 启t 启动过程所需要的时间。 因此可求得总力矩 M总 总 摩 偏 惯 M M M M （ 4.4） 4.2.1 腕部设计考虑的参数 将手腕与手指整体近似简化为一个圆柱体，高 ， 直径 高 ， 质量为 6kg。 4.2.2 腕部的驱动力矩的计算 （ 1） 0.1 总摩 MM （ 4.5） 矿用多工位气动机械手 - 14 - （ 2） ()惯 工 件 启M J J t （ 4.6） 式中 2 2 21 0.5 132.01 0.07 0.3232J m R N ms 腕 腕 （ 4.7） 2 2 2 2 211( 3 ) 60 ( 0.1 3 0.0 5 ) 0.0 87 512 12J m l R N ms 件 件 件 件 （ 4.8） 代入公式，有 3 . 5 1( ) ( 0 . 3 2 3 0 . 0 8 7 5 ) 7 . 2 00 . 2M J J N mt 惯 工 件 启 （ 4.9） （ 3） 理想的工作位置为将工件夹持在手部中心位置 ，所以 M0偏 。 （ 4）总力矩 0 . 1 8 . 8 6 0总 总摩 惯 偏 M M M M M （ 4.10） 因此 7.20 8.00.9M 总 （ 4.11） 由于回旋气缸所能提供的力矩要大与驱动力拒 总M ， 因此 22()2 总P b R rMM （ 4.12） 又 22 2()总 MP b R r （ 4.13） 式中 P 回旋气缸工作压力 ； R 气缸内壁半径 ； r 气缸输出轴半径 ； b 气缸片宽度 。 由 图 可得 R=110mm， r=55mm， b=70mm， 得 2 2 2 2 2 2 8 . 0 0 . 0 2 5 2( ) 0 . 0 7 (0 . 1 1 0 . 0 5 5 )MP M P ab R r 总 （ 4.14） 矿用多工位气动机械手 - 15 - 以上为矿用机械手腕部的回旋气缸的尺寸设计 ， 在手腕的后半部分 ， 还安装有控制 手部仰俯得的一个仰俯气缸 ， 其所起作用与手部回旋气缸大致相同 ， 因此在这里不做详 细计 算 ，选用与手部回旋气缸一样的型号的回旋气缸既可。 4.3 手臂典型运动机构 手臂的运动一般都是直线运动，其中也有一部分的旋转运动。其中直线运动 形式 一 般有手臂的伸缩 ，平行移动 。旋转运动有沿自身轴线回转，也有 矿用机械手 的上下摆动， 左右摇动。 为了使矿用机械手具有足够多的自由度，能在情况复杂的矿井下如期的完 成指定的运动，因此将矿用机械手设计为多关节的多自由度矿用机械手，使用三组气缸 分别完成矿用机械手的大臂的仰俯，伸缩以及小臂的仰俯。 4.4 手臂的设计计算 气压缸活塞的驱动力的计算 回密 惯 F F F F （ 4.15） 式中 密F 密封圈与气缸内壁摩擦力 。 回F 气缸气体造成压力 。 惯F 启动或制动时 内部结构的惯性力 。 4.4.1 气缸所需驱动力大小 如图所示： G F 1 图 4.1 轴的受力分析及其弯矩图 将机械小臂及手部重量简化至杠杆的左端 G=650N，由三角函数关系式可得 F1=963N 4.4.2 手臂密封装置阻力的分析与计算 矿用多工位气动机械手 - 16 - 在气缸内压力小于 1MPa 时， O 型密封圈与气缸内圈形成的摩擦力计算公式为 0.03密FF （ 4.16） 4.4.3 手臂惯性力的分析与计算 手臂惯性力的计算公式为： 总惯 GF gt （ 4.17） 式中 总G 部件总重力。 g 重力加速度。 臂部所需伸缩速度。 t 启动时间。 本设计中 取 0.233=s 0.2=st ， 因此将数值带入公式 ，得 7 0 0 0 . 2 3 38 3 . 29 . 8 0 . 2总惯 GFNgt （ 4.18） 取 0.05回 =FF， 可 得 110 .0 3 0 .0 5 8 3 .2 F F F （ 4.19） 则 160.24FN 4.4.4 气压缸工作压力和结构尺寸的确定 由 上述计算可得气压缸所提供的驱动力大小为 F=260.24N。经查表可得，就近选择 气压缸的工作压力为 P=0.8MPa 经过计算，确定了气压缸的驱动力 F=260.24N，根据 表 3.1，选择气压缸的工作压 矿用多工位气动机械手 - 17 - 图 4.2 双作用气压缸示意图 当气缸后腔室进气时 ， 气缸内壁直径计算公式查阅资料可得： 2 2 1 2 1 2 4() dPFD P P p p （ 4.20） 由于 P2=0，所以 11 4 1.13FFD PP （ 4.21） 当气缸前腔室进气时，气缸内壁直径计算公式查阅资料可得 ： 2 2 4FDdP （ 4.22） 式中 F 气缸工作力。 总机械效率。 d 气缸内杆直径 ， 因此 有 1dD （ 4.23） 表 4.1 气压缸的工作压力与速比 根据上述表格进行参数选择 ，取 1.33 ， 带入式中可得： d=0.636D （ 4.24） 1 1 160.241. 13 1. 13 11 .5 70. 95 1. 6 FD P （ 4.25） 2222 2 4 4 1 6 0 .2 4 ( 0 .4 9 8 )3 .1 4 0 .9 5 1 .6 FD d DP （ 4.26） 计算得到 取其 中的最大值，因此各尺寸为： 气压缸工作压 力 P1(MPa) 10 1020 20 速比 1.33 1.462 2 矿用多工位气动机械手 - 18 - 矿用多工位气动机械手 - 19 - 5 矿用机械手底盘设计 5.1 底盘的整体设计 底盘设计是为了使矿用机械手整体可以完成在工作场地内的任意坐标的移动，扩大 了矿用机械手的工作范围。因此将矿用机械手安置在一个可全方位移动的底盘上。考虑 到矿井下的空间及地形等恶劣条件，这里主要对底盘的设计提出几点的要求： （ 1） 为了能够更好地适应矿井下凸凹不平的地形，为使矿用机械手能够更加平稳的夹 持工件，矿用机械手底盘应具有较好的减震效果； （ 2） 矿井下地方狭小，底盘在转弯时的转弯半径应尽可能的减小； （ 3） 底盘的结构设 计应该充分的适应地况不平的工作环境； 5.2 底盘各结构的设计方案 5.2.1 全向轮转向机构 为了使矿用机械手整体可以在工作场地内可以自由转动，最理想的状况就是可以使 其转弯半径减小至零。因此为了实现这一目的，在这里选用全向轮作为本全向底盘的轮 子。 这里使用双排的全向轮，可以使矿用机械手的震动更加的减小。如下图所示，为全 向底盘的三维结构示意图 图 5.1 底盘三维设计图 底盘分为上 中下三层，最上面一层用以安置矿用机械手，以作为矿用机械手整体支 撑表面。第二层处则连接全向轮，为矿用机械手整体与地面接触层，并与第一层相连接。 矿用多工位气动机械手 - 20 - 全向轮因为功能特殊，因此安装的方法与普通轮子的安装方法不同，它是将各全向 轮的轴线相较于一点，这样既可通过控制每个驱动马达的不同转速，来完成矿用机械手 整体的转向。 5.2.2 驱动方式的选择 为了能够符合本此设计全气动矿用机械手的主题，底盘的驱动方式也选择为了气动 驱动，并且为了简化机构，这里使用气动马达来作为底盘的驱动装置。 气动马达也是气动驱动元件的一种，使用气体作为其 动力传输的介质，将气体的内 能转化为机械能的装置 ，其中装有叶片，使用其中特有的气路用气体推动叶片沿中轴旋 转，从而输出转矩。 其中气动马达相对于普通电机具有以下优点 （ 1） 体积小，功率高； （ 2） 所需能源清洁 ； （ 3） 噪声小，可进行无极调速，且调速控制方便，只需要控制其进气的流量既可； （ 4） 安全可靠，不产生电火花 ，不会过热，爆炸等危险现象出现； 5.2.3 减震结构的设计 底盘在经过矿井下凸凹不平的地面时，多多少少的都会引起 矿用机械手 本身的震动， 因此为了减少这一部分的震动，为了简化结构既节约成本，这里使用弹簧对 矿用机械手 整体进行减 震，如图所示： 将矿用机械手的第一层和第二层之间使用弹簧相连 。并且设置了四个弹簧，这样既 可以达到减震的效果，又能起到支撑矿用机械手的作用。 这样 ， 就相当于将矿用机械手 整体与全向轮之间以柔性连接 ， 很好的起到了减震的效果 ， 就相当于悬挂减震 。 矿用多工位气动机械手 - 21 - 图 5.2 底盘减震机构 5.2.4 平稳结构设计 为了使矿用机械手底盘能够平稳的在凸凹不平的地面上仍然能够保持四个车轮全 部着地 ，特此设计了一个使用铰链连接的底盘，这种底盘不同于普通的运动底盘。它在 安装有全向轮的底盘第二层实际上是有两块对称的板组成，每一块板上都装有两 个全向 轮。而这两部分则是由中间的一组铰链连接，其工作原理是三点定一面，当地面不平是， 如果是普通的底盘，必定会有一个轮子悬空，这样会导致控制程序的混乱以及整个矿用 机械手的晃动，而设计这种机构可以保证在遇到不平的地面时，铰链转动，使四个轮子 始终保持全部着地，这样就弥补了由于不确定情况而造成的控制结果的混乱。 矿用多工位气动机械手 - 22 - 6 PLC 控制程序的设计 6.1 PLC 简介 随着计算机的逐渐发展 ， 人们不再局限于使用大型计算机进行控制各种元件进行工 作 ， 因此有人开始将微型计算机与各种继电器相结合 ， 做成了一种更加油针对性的 ， 模 块化 的计算机设备 ， 及 PLC。 PLC 作为一种可编程控制器，是将计算机与各种继电器巧妙结合的微型计算器，其 内部是由中央处理器，电源，触点等部分组成。是人们在不断地设计研究中不断地升级 所得到的一种模块化的，使用便捷，简单大众化的控制硬件。并且在使用过程中不断地 进行改造设计，使得 PLC 的使用范围更加的广泛，功能更加强大。其使用的领域现在 越来越多，汽车、轮船、矿用机械手以及各种自动化的设备上。其中 PLC 的软件设计 比较通俗易懂，是通过控制要求制定流程图，再将之转化为与 PLC 相匹配的梯形图， 最后编写程序注释，由输入端输入信 号，内部处理器处理，有输出端输出信号，以完成 整个控制过程。 6.2 矿用机械手控制程序编写 6.2.1 控制程序任务 根据 PLC 的工作机制完成接线及程序编制。其中 PLC 的工作原理为： PLC 是由微 型处理器与继电器相结合的产物，它可以根据程序员编写的 T 形图完成程序流程，模拟 现实电路的运行，完成其中各继电器的得电及开关的闭合，并最终输出正确的模拟结果。 其输出的结果即可以控制所连接继电器的得失电，进而控制主电路的通断电。 矿用机械手 的整体驱动部分是由各个气缸组成，其控制元件则选择电磁阀，为了简 化控制程序的编写， 电 磁阀的类型皆选用三位四通电磁阀 ，每个电磁阀只控制一个气缸 的一个气腔的通放气（尤其主要注意的是当气缸的一个气腔进气时，必须在编程中控制 另外一个气缸处于放气状态，否则，气缸将不能工作）。控制部分使用三菱 PLC。 驱动元件分别为手部夹持气缸，手部回旋气缸，手部仰俯气缸，小臂仰俯气缸，大 臂伸缩气缸，大臂仰俯气缸以及底盘上作为轮子转动的驱动元件气动马达。 气源为气泵，由总气管输入气体，经由 PLC 控制的电磁阀，按照顺序先后输送给 各个驱动元件。 按照指导老师意见 ， 编写可以控制驱动元件完成以下的动作的控制顺序 ， 即大臂抬 起 （ 大臂仰俯气缸伸出） -大臂伸出 （大臂伸缩气缸伸出） -小臂下降（小臂仰俯气缸 矿用多工位气动机械手 - 23 - 伸出） -手指张开（手指夹持气缸收缩） -手指夹持（手指夹持气缸伸出） -小臂上升 （小臂仰俯气缸收回），即完成工件的夹持。 以上完成的动作为设定的一系列的矿用机械手所完成的加持动作 ， 此时矿用机械手 为工件的夹持状态 。 再经过底座上气动马达速度合成 （此次设计是为了模拟底盘的运动， 因此将设计一种简单的底盘运动路径）。底盘上连接有四个气动马达，这次设计预定是 使矿用机械手原地旋转 90，因此根据全向轮的设计特性，应使四个启动马达转向相 同， 转速相同，这样，可以趋使矿用机械手整体围绕自身的 Z 轴进行旋转，即可完成工件在 水平面上的移动（以上可知若要完成更加复杂的运动，可通过控制气动马达完成）。 之后在完成工件的放下动作，即大臂下降（大臂仰俯气缸收回） -大臂 收缩（大 臂伸缩气缸收回） -小臂下降（小臂仰俯气缸伸出） -手指张开（手指夹持气缸收缩）， 即完成整个矿用机械手夹放工件的动作。 矿用多工位气动机械手 - 24 - 6.2.2 宇龙仿真软件与程序编写 宇龙仿真软件是一款在电脑上就可以完成各种电路的实际模拟的软件。 根据控制欲求选择元器件。 熔断器熔体电流根据电动机进行 选择。根据公式 , = (1.52.5) 其中 = 2.57A 求得 = (3.876.34)A 故取熔体电流为 6A 对于热继电器的电流，根据公式 = 0.951.051ed 取 = =2.57A。每个气缸都需要控制前后两个腔室的进气与出气， 因此选用三位四通电磁换向阀。控制输出有 20 个线圈，因此在 PLC 硬件上需要有大与 20个输出点可以使用，因此 PLC选用三菱 FX2N-48MR-D其上有 24个输出 点可以使用。 表 6.1 宇龙机电控制仿真软件元件 元件名称 元件型号 数量 元件相关参数 直流电源 220V 直流流电源 2 电压 220V 低压断路器 DZ47-60-D5 2 熔断器 NT0 5 额定电压 220V 额定电流 125A 电磁阀 10 额定电压 220V 热继电器 HR-1 2 额定电流 100A 按钮开关 BS-1 1 气泵 1 额定电压 220V 直线气缸 4 回旋气缸 6 PLC FX2N-48MR-D 1 导线 若干 气管 若干 矿用多工位气动机械手 - 25 - 表 6.2 输出、输入信号接口 输入信号 输出信号 名称 代号 输入点编号 名称 代号 输入点编号 启动按钮 SB1 I0.0 电磁阀 KM1 Y1 电磁阀 KM2 Y2 电磁阀 KM3 Y3 电磁阀 KM4 Y4 电磁阀 KM5 Y5 电磁阀 KM6 Y6 电磁阀 KM7 Y7 电磁阀 KM8 Y11 电磁阀 KM9 Y12 电磁阀 KM11 Y13 电磁阀 KM12 Y14 电磁阀 KM13 Y15 电磁阀 KM14 Y16 电磁阀 KM15 Y17 电磁阀 KM16 Y18 电磁阀 KM17 Y19 电磁阀 KM18 Y20 电磁阀 KM19 Y22 电磁阀 KM20 Y23 上表中包含了在设计中所有输出端每个接触器代表的都是一个线圈。下表为每个线 圈通电后所能完成的气缸动作。 矿用多工位气动机械手 - 26 - 表 6.3 各线圈得电所完成的动作 线圈代号 完成动作 KM1 手部夹持气缸伸出 KM2 手部夹持气缸收缩 KM3 手部回旋气缸顺时针旋转 KM4 手部回旋气缸 逆 时针旋转 KM5 手部仰俯气缸顺时针旋转 KM6 手部仰俯气缸 逆 时针旋转 KM7 小臂仰俯气缸伸出 KM8 小臂仰俯气缸收缩 KM9 大臂伸缩气缸伸出 KM10 大臂伸缩气缸收缩 KM11 大臂仰俯气缸伸出 KM12 大臂仰俯气缸收缩 KM13 气动马达 1 顺时针旋转 KM14 气动马达 1 逆时针旋转 KM15 气动马达 2 顺时针旋转 KM16 气动马达 2 逆时针旋转 KM17 气动马达 3 顺时针旋转 KM18 气动马达 3 逆时针旋转 KM19 气动马达 4 顺时针旋转 KM20 气动马达 4 逆时针旋转 接线图使用 1 个输入接口分别控制 1 个按钮开关和，并有 20 个输出接口连接电 磁阀，如图所为 PLC 的外部接线图： 矿用多工位气动机械手 - 27 - I0. 0 SB 1 1M Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 1 Y1 2 Y1 3 Y1 4 Y1 5 Y1 6 Y1 7 Y1 8 Y1 9 Y2 0 Y2 1 Y2 2 Y2 3 24 V 220 V KM 1 KM 2 KM 3 KM 4 KM 5 KM 6 KM 7 KM 8 KM 9 KM1 0 KM1 1 KM1 2 KM1 3 KM1 4 KM1 5 KM1 6 KM1 7 KM1 8 KM1 9 KM2 0 图 6.1PLC 的外部接线图 由 PLC 外部接线图，在宇龙仿真软件上连接元件进行工作原理模拟运行，控制接 线图如下图所示： 矿用多工位气动机械手 -31- 图 6.2 PLC 控制接线图 根据工作顺序的要求，使用三菱 PLC 进行程序编制梯形图，如图所示： 图 6.3 PLC 程序图 矿用多工位气动机械手 -32- 图 6.4 PLC 程序图 2 图 6.5 PLC 程序图 3 矿用多工位气动机械手 -33- 7 气压系统设计 本章主要介绍矿用机械手的整体气压传动系统的设计，其中包括气压元件的选用， 气路的设计等 7.1 气压元件的选用 根据前几章的介绍，机械手总体的可以完成的动作有手指的开合，手部的旋转，手 部的仰俯，机械手小臂的仰俯，大臂的伸缩，大臂的仰俯及底盘上的四个气动马达。 根据上面的各关节的自由度要求，分别对各关节驱动元件进行选择，手指开合，小 臂仰俯，大臂仰俯，大臂伸缩，这些都可以以直线气缸来进行驱动。而在手腕部结构空 间小，且要求回旋运动，因此选用回旋气缸。 7.2 气路的设计 为了使气路控制较为简单，并且 气压元件 尽 可能的少。因此每一个气缸都 有 一个三 位四通电磁换向阀控制，并有 PLC 控制其线圈的得失电。其控制原理图如下 10 54321 6 7 9 8 气动马达2 气动马达4气动马达3 气动马达1大臂仰俯气缸 手指开合气缸 大臂伸缩气缸 小臂仰俯气缸 手部仰俯气缸手部旋转气缸 2 0DT1 9 DT1 8 DT1 7 DT 16 DT15 DT14 DT13 DT 11 DT 12 DT9 DT 10 DT 6 DT5 DT4 DT3 DT 7DT 8 DT1 DT 2 DT 图 7.1 气压原理图 矿用多工位气动机械手 -34- 其工原理是 ， 由气泵供气 ， 通过开启截流阀 ， 再经滤气器等气路元件将气体供给各 个执行元件 。 其中在总气路上有溢流阀 ， 气压表等气路配件 。 由各个电磁换向阀控制各 个气缸的有杆腔或者无杆腔进气或者出气 。 图 7.2 直线气缸与气动马达驱动原理图 如图所示 ， 由进气 口进气 ， 为整个气路提供动力源 ， 再经过截流器 （控制总气 路的通断），蓄气器（储存一定量的压力气体，以作为备用气源），滤气器（过滤气体 中的杂志，以保护气管及通气元件通畅），之后气路中还包括由溢流阀和压力表。溢流 阀在这里做为安全阀使用，当气路中的气压达到溢流阀的调定压力时，溢流阀开启，将 气体排出，以达到保护气路的作用。而为了方便操作者能够更加直观的观察整个气路中 1-截流器 2-蓄气器 3-滤 气 器 4-调速阀 5-油雾器 6-压力表开关 7-压力表 8-单向调速器 9-直线气缸 10-气动马达 11-三位四通电磁换向阀 12-溢流阀 矿用多工位气动机械手 -35- 的气压变化，在这里有做出一个支路直连气压表。经过这样一套主气路的设计及各种辅 助元器件的使用后，进入到对各驱动元件直接连接的各支路中的设计中来，并就以一组 小 臂仰俯气缸和一个气动马达做详细介绍。 如图所示 ， 直线气缸的连接线路上有一个三位四通电磁换向阀以及一个单向调速阀 ， 其中电磁换向阀是用来控制是前腔室进气还是后腔室进气又或者两腔室都不工作，在电 磁换向阀的两侧有两块电磁铁，分别控制阀芯向左移动还是向右移动（说明：这里当电 磁铁的电时是将阀芯推出去而不是吸过来）。比如说，如上图若 12DT 得电，则将阀芯 向左推，因此将右腔室放在了工作位置，则前腔室通气，右腔室出气， 11DT 得电 则反之。 以上是对直线气缸的工作机制的介绍，回旋气缸的工作过程及控制气路与其大 致相同，也是由电磁 换向阀控制其旋转方向，由调速阀控制其旋转速度。 以上介绍的为小臂仰俯气缸和气动马达 1 的气压设计，而其他的是指开合，大臂伸 缩，大臂仰俯与小臂仰俯工作机制相同。手部回旋，手部仰俯及气动马达 2、 3、 4 与气 动马达 1 的工作机制相同。 矿用多工位气动机械手 -36- 结论 通过本次的毕业设计，成功的将各种气压驱动元件及各种零部件进行设计拼接，组 成了一个符合本次课题的矿用气动机械手。根据其完全气动的工作机制，可以将它运用 在充满可燃气体的矿井下使用而不用担心会在工作过程中产生火花而引起瓦斯气体爆 炸。并且其拥有全方位运动底盘，并且可以自己调整轮子的 着地，可以使机械手整体在 矿井下各种不平的地面上自由移动。 在设计过程中，通过实际研究总结发现，本次设计的矿用多工位气动机械手具有以 下几种优点及改进之处。 优点： （ 1） 全气动的运行可在矿井等危险工作环境下安全使用； （ 2） 使用气动驱动方式，柔性较强，对机械手本身或工件造成的伤害较小； （ 3） 结构关节多，自由度大，可灵活操作。 缺点： （ 1） 结构设计关节多，控制复杂； （ 2） 设计简单，改进空间大。 在能源逐渐枯竭，环境污染日趋严重的今天，气动行业的发展将会越来越好，也会 有越来越多的设备使用气动的驱动方式，气动机械手的普及指日可待。 矿用多工位气动机械手 -37- 致谢 通过这五个月的时间，毕业设计即将告一段落。在各老师的谆谆教导下，在同学们 的热心帮助下和自己的不懈钻研努力下，我终于顺利地完成了这一次的毕业设计。 通过这次的毕业设计，我不仅学习到了一个产品的设计过程应该如何思考并设计计 算，同时也温习了曾经自己所学习的专业知识，例如机械设计，工程制图， PLC 等。 在我看来，作为一个机械专业本科的学生，这些专业知识是十分重要的，而且这些学科 也是十分严谨细致的，标准十分严格，无论是标准件还是非标准件，都需要严格按照国 家标准来选取零件，非标准件也需要进行