礦用多工位氣動機械手設計【含CAD圖紙、說明書】

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壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,咨詢Q 197216396 或 11970985 摘 要 基于現(xiàn)階段在充滿可燃氣體的場所內(nèi)的搬運問題的研究和分析，并結合實際用途和機械結構的可行性，通過對力和工作效率的計算下，設計一種工作效率高，實用性強， 并且是全氣動的礦用機械手。氣動技術使用氣體為動力傳輸介質。氣源來源廣泛，可直接從空氣中汲取，廉價便捷。其次，氣動傳動迅速，穩(wěn)定可靠，結構簡單，質量也較其他機構更輕。在末端執(zhí)行效果來看，使用氣動可使執(zhí)行機構具有很好的柔性，這樣在使用過程中更加的安全，對所工作對象的損傷也較小。另外，由于氣體無害，清潔，其在維修、檢查等方面都較為方便。 本氣動礦用機械手適用于多種場合和各種貨物的運輸，特別是在充滿了瓦斯氣體的礦井下，具有良好的實用價值。 本此設計中主要是通過機械設計的方式，完成對礦用機械手結構的設計，并對其中重要部件進行校核,其中包括手指，腕部，手臂及機械底盤的設計。完成選型后使用Solidworks 對礦用機械手進行三維建模。在完成結構設計之后根據(jù)其特性在加上氣路設計，增加氣壓元件完成各執(zhí)行件的運動。并在后期對控制系統(tǒng)進行了設計，而且使用宇龍仿真軟件對控制系統(tǒng)進行仿真，以驗證其可行性。 關鍵詞：礦用機械手，機械設計，氣壓傳動，Solidworks 三維建模，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 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1. 緒 論................................................... - 1 - 1.1 論文背景、研究意義..........................................................................- 1 - 1.2 氣動礦用機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀......................................................- 1 - 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排..............................................................- 2 - 2. 礦用機械手總體方案設計................................... - 3 - 2.1 礦用機械手結構設計...........................................................................- 3 - 2.2 控制系統(tǒng)的設計...................................................................................- 4 - 2.3 氣壓系統(tǒng)設計......................................................................................- 5 - 3. 礦用機械手手部結構設計................................... - 6 - 3.1 手部結構分類.......................................................................................- 6 - 3.2 夾鉗式手部設計..................................................................................- 7 - 3.3 夾緊力及驅動力的計算......................................................................- 9 - 3.4 軸的載荷分析和計算........................................................................- 11 - 3.5 軸的材料的選擇.................................................................................- 12 - 3.6 銷連接的設計....................................................................................- 12 - 4 礦用機械手主體結構設計................................... - 13 - 4.1 腕部結構的選擇.................................................................................- 13 - 4.2 腕部的設計計算................................................................................- 13 - 4.3 手臂典型運動機構.............................................................................- 15 - 4.4 手臂的設計計算................................................................................- 15 - 5 礦用機械手底盤設計...................................... - 19 - 5.1 底盤的整體設計.................................................................................- 19 - 5.2 底盤各結構的設計方案....................................................................- 19 - 6 PLC 控制程序的設計 ...................................... - 22 - 6.1 PLC 簡介..........................................................................................- 22 - 6.2 礦用機械手控制程序編寫................................................................- 22 - 7 氣壓系統(tǒng)設計............................................. - 30 - 7.1 氣壓元件的選用................................................................................- 30 - 7.2 氣路的設計.........................................................................................- 30 - 結論....................................................... - 33 - 致謝....................................................... - 34 - 參考文獻................................................... - 35 - 附錄 1：外文原文 ........................................... - 36 - 附錄 2：中文翻譯 ........................................... - 42 - 礦用多工位氣動機械手 1. 緒 論 1.1 論文背景、研究意義 1.1.1 論文的背景與研究意義 目前就我國的氣動行業(yè)的發(fā)展來看，我國作為發(fā)展中國家，該行業(yè)發(fā)展迅速。并且由于氣動本身就具有節(jié)能、高效、無污染、低成本、結構簡單等各種優(yōu)點，因此，本月愛越多的運用在不同的領域上。其中，工業(yè)機器人中氣動機構的發(fā)展尤為迅速。并且在上世紀 90 年代后期，微型處理器 PLC 的出現(xiàn)使得控制方面的領域一下子擴大了很多， 而氣動行業(yè)也伴隨著微型控制器的崛起迅速發(fā)展了起來。 本項目是適用于煤礦下各種工具、零件、貨物的夾持工具，通過全氣動的過程控制， 避免因可燃性氣體濃度過大，引起的安全問題。流水線上的夾持設備是根據(jù)各種工件形狀、支撐位置設計的，都具有簡捷實用的特點，設計要求結構簡單，動作迅捷。本設計是對現(xiàn)有的運輸、夾持電動礦用機械手優(yōu)化。著重于研究適用于礦井內(nèi)使用的多工位的氣動礦用機械手。在遠程使用機電裝置控制氣路，使氣成為主要動力用以驅動礦用機械手運動，具有替代人工，安全，高效，清潔的特點。在設計過程中，將主要給出礦用機械手的主要結構，控制等一系列的設計，并進行模擬仿真，以驗證設計的可行性。 1.1.2 論文要求 整個礦用機械手的設計包括機械設計，理論力學，動力分析，三維設計，控制系統(tǒng)設計等方面的專業(yè)知識，需要設計者將結構設計與控制系統(tǒng)相結合。本論文將介紹設計礦用機械手的機械結構并做以力學校核。通過對 PLC 的學習對控制線路進行設計，同時進行程序的編制。力求貫徹機電一體化的概念，完成一整套的礦用機械手整體的設計。 1.2 氣動礦用機械手國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前廣泛使用的氣壓技術以壓縮空氣為介質，具有安全、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、結構簡單、較輕、體積小、節(jié)能、工作壽命長的特點，特別是對易于控制、易維護、無環(huán)境污染場合，因此氣動技術常作為礦用機械手的驅動系統(tǒng)的首選。氣動礦用機械手與其它控制方式的礦用機械手相比，具有無污染、抗干擾性強、價格低廉、結構簡單、功率體積比高等特點。在機械行業(yè)越來越多的自動化設備中采用了礦用機械手，主要是液壓控制和氣壓控制兩種方式。氣壓傳動以清潔能源氣作為傳遞介質，取之不盡用之不竭， 而且價格低廉，環(huán)保。無論是在成本還是在維修等方面都占有巨大的優(yōu)勢，因此在能源正逐漸枯竭的今天，氣壓傳動正在作為一種新的傳動方式而崛起。 - 27 - 從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近 20 多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20 世紀 70 年代， 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為 9：1。40 多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，該比例已達 5:5。由于氣動元件的單價比液壓元件便宜，在相同產(chǎn)值的情況下， 氣動元件的使用量及使用范圍已遠遠超過了液壓行業(yè)。從地區(qū)劃分，可以說美洲(以美國為中心)、歐洲(歐洲各工業(yè)發(fā)達國家)和亞太地區(qū)(以日本為中心)三分天下。作為氣動行業(yè)的知名企業(yè)，有日本的 SMC、德國的 FESTO、英國的 NORGREN 和美國的PARKER 等。SMC 公司在世界 30 個國家建有海外子公司和海外生產(chǎn)工廠。氣動元件的基本生產(chǎn)品種達 9100 種及 53000 種不同的規(guī)格。 中國改革開放以來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。1986 年至 1993 年間，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達 24.2%，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率 10.5% 的水平。1996 年全國氣動行業(yè)的產(chǎn)值約在 6000 萬美元左右。雖然中國的基礎工業(yè)離世界先進工業(yè)國家還有一定的差距，但在氣動行業(yè)同行的努力下，中國的氣動技術正在得到很快發(fā)展和提高。 礦用機械手的組成部分一般為驅動部分，執(zhí)行機構，和控制系統(tǒng)。礦用機械手的手部是末端執(zhí)行器，也是直接和工件接觸的部分。一般的它是根據(jù)被夾持工件的形狀、材料、質量，或者工作條件等特定條件設計的，都具有特定性等。礦用機械手臂部分是連接礦用機械手手部的部分其主要功能是為了控制礦用機械手能夠自由的到達合適的空間坐標之內(nèi)，并且能夠控制礦用機械手末端的仰俯、旋轉等一下裂的動作。為了抓取物體在任何位置和方向上的空間，必須有 6 個自由度。自由度是指礦用機械手在空間內(nèi)運動的自由程度，并將其以精確地數(shù)字表達出來，以顯示其靈活成度。自由度越高，那么礦用機械手的可用性及其靈活性也會大大的提高。最后礦用機械手逇控制系統(tǒng)是指通過各種各樣的控制硬件并配合其相應的軟件編程，合理的完成對相應的控制部件的控制。 1.3 論文的主要工作和章節(jié)安排 本篇論文針對礦用設計氣動礦用機械手，主要是考慮到礦井內(nèi)部充滿瓦斯等可燃性氣體，并且近幾年礦井坍塌及瓦斯爆炸事件頻繁發(fā)生，使得設計一種可以代替人工進行井下工作的礦用機械手成為大勢所趨。這類礦用機械手通過控制通氣的時間長短，實現(xiàn)全方位的物品夾持與釋放。再論文中涉及到的有礦用機械手整體的框架涉及，力學理論計算，三維設計，控制系統(tǒng)設計及程序編制。 論文中第二章主要是對礦用機械手的整體設計方案的確定，包括結構，驅動形式， 控制方案等。從第二章起，一直到第五章是計算部分，分別對礦用機械手的手指，手腕， 手臂進行設計及校核。第六章是對礦用機械手運動底盤的設計。第七章主要是針對控制系統(tǒng)，編程等方面的介紹。其后八、九章是對礦用機械手的三維設計的介紹。 2. 礦用機械手總體方案設計 2.1 礦用機械手結構設計 在本次實際設計中，為了能夠滿足礦用機械手可以在情況多變的礦井下使用，因此盡可能多得增加它的自由度。并且該礦用機械手的目標用途范圍較廣，既可以夾持零部件又可以夾持工具，因此工作范圍較為廣泛。綜上所述，并根據(jù)以上對各類礦用機械手的特點的介紹，此次設計選用關節(jié)式進行設計。 為了擴大礦用機械手的工作范圍和符合本設計的根本理念，模擬人體手指關節(jié)自由活動，同時完成礦用機械手的旋轉與夾持動作，末端執(zhí)行器的兩邊采用完全對稱的結構， 以便于在抓貸物的過程中達到力的均勻分布，并且在末端執(zhí)行機構與礦用機械手臂以一個氣缸連接，這樣就可以達到末端機構可以橫向抓貸物的目的，并配合礦用機械手臂的運動完成整個礦用機械手的貨物搬運的過程。 為了使機械于能夠在任意的場所隨意的運動，設計了一種全向輪底座配合使用。并 且為了符合全氣動的現(xiàn)念，設計時將能量轉換機構從普通的電動電機改為氣動馬達使用， 且在每個輪子上都加上一個氣動馬達，進行分別控制，使每個輪子都可以獨立運動。通 過控制輪子的轉速使輪子存在不同的速度差，以速度合成的方式以達到轉向的目的，從 而做到底盤的全向運動。并且在每個輪子與底盤的連接處都是用彈簧進行減震，是之能 夠適應較大的起伏地面，滿足室外環(huán)境的要求。 根據(jù)各部分機構的選擇，可得機械手裝配總圖如下： 圖 2.1 機械手總裝圖 如上圖所示，機械手整體大致由三部分組成： （1） 機械手手部—利用機械原理等完成對所要夾持件的夾緊和放松； （2） 機械手主體—這包括有機械手腕部及機械臂兩部分結構，其都是帶動手部運動，完成工件的空間上的移動； （3） 機械手底盤—主要是為了擴大機械手工作空間，增多機械手的工作性能。 2.2 控制系統(tǒng)的設計 考慮到該礦用機械手的用途的廣泛性，在控制系統(tǒng)方面的設計應該滿足以下幾個要求： （1） 控制元件應簡單易學； （2） 控制元件應該有較強的互換性，應是模塊化設計，這樣既便于維修，也大大的降低了程序設計時的難度； （3） 控制程序應該簡單易學，這樣可以使得礦用機械手大規(guī)模推廣。 因此，綜上所述，再對控制硬件進行選擇。并且根據(jù)近幾年 PLC 的應用越來越廣泛，功能方面的開發(fā)越來越完善，滿足我們對本礦用機械手控制系統(tǒng)硬件方面的要求。因此硬件方面選用 PLC 進行控制，并結合其匯編語言進行編程。 2.3 氣壓系統(tǒng)設計 驅動機構作為動力來源，是任何一個機器都不可缺少的部分。并且機械設備的價格及其應用范圍等也在很大程度上受到驅動機構的限制。在工業(yè)上，一般的驅動機構有電動、氣動以及液動。在不同的工作條件下選擇不同的驅動方式。其中使用電力為使用最為廣泛的驅動方式。而此次根據(jù)實際情況，本礦用機械手是要在充滿易燃易爆的瓦斯氣體的礦井下使用，因此擬采用氣壓驅動。 其中為了能夠實現(xiàn)礦用機械手逇直線運動，旋轉運動等。為了簡化機構，在對驅動元件選擇時，選擇可以為運動部件直接提供動力的驅動元件。根據(jù)控制系統(tǒng)的設計，設計氣壓系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng)設計是對驅動氣缸等執(zhí)行元件的直接驅動器氣路的設計。 在本次設計中，擬采用 10 個各類氣缸元件，因此為了簡化設計方案，也選用 10 個電磁閥進行控制，并且為了能夠方便的控制氣缸的兩個腔室，使其可以前后兩腔室同樣工作，使用三位四通電磁換向閥，每個換向閥上都帶有兩個電磁線圈，可以控制閥芯兩向運動 。這樣一共會有這樣的分支氣路 10 路，再由總氣路供氣。而整體則有氣泵作為供氣源。 3. 礦用機械手手部結構設計 3.1 手部結構分類 根據(jù)工業(yè)機器人的常用手部結構劃分，機械手手部一般分為吸附類和夾持類。而根據(jù)本次設計的需求來看，各種各樣的夾持元件及工具，顯然吸附類的手部結構顯然不適用，因此選用夾持類的手部結構。 如下圖所示為幾種加持時礦用機械手的類型 圖 3.1 礦用機械手結構類型 圖（a）是單點式夾持手指，其兩根手指皆繞著右側一點進行旋轉，結構簡單，但也限制了其運用范圍。圖（b）為雙點式加持手指，其上下兩根手指分別繞著兩個支點進行轉動，其結構較（a）復雜點，但是也大大的增加了它的實用性。（c）為移動式夾持礦用機械手，它是使用手指的直線運動，將工件夾持，但是其結構復雜，所占范圍也較前兩種大，對工作條件要求高，并且，它的加工制造也較為復雜，成本高，但是其定位精度高。 因此綜上，為能夠適應礦井下惡劣的工作條件，并且又要使礦用機械手能夠如期的完成預想的工作，選用第二種雙點式夾持礦用機械手。 3.2 夾鉗式手部設計 在 3.1 中介紹了幾種基本形式的手部，并且根據(jù)設計要求選用了雙點式夾鉗手指， 下面將對夾鉗式手部進行詳細的介紹及設計。 3.2.1 手部的類型及夾緊裝置 由 3.1 分析得出結論可知本次手部設計擬采用雙點式夾持方式。且使用滑槽杠桿機構。如圖所示 圖 3.2 滑槽杠桿式手部原理圖 圖示為雙點式夾持手指結構。圖中 1 為手指，2 為滑動圓柱，3 為氣缸桿， 在圓柱體用于傳動氣缸桿的動力到手指上。當氣缸桿向前運動時手指開始繞著其支點進行轉動， 同時滑動圓柱與手指之間的相對位置也發(fā)生變化，因此，在手指上有一條槽型滑道可以 允許滑動圓柱在其中運動，以保證手指部位不是卡死的狀態(tài)。 3.2.2 手爪的力學分析 如圖 3.3 所示，其為本次設計選用的滑槽式杠桿手部結構原理圖： F —氣缸桿對手部連接件的拉力； ， 2 — 為兩根手指對滑動圓柱的方向作用力 FN —手部的夾緊力； a —手指回轉軸線與手部中軸線之間的距離； b —手指回轉軸線到夾持部位中軸線距離； 圖 3.3 手部結構受力分析原理圖 由平衡條件計算公式 得  F = 2F1 c oas  （3.1） F = F 由?M01 (F ) = 0 得， 1 2 cosa （3.2） F 'h = F b 1 N F 'h （3.3） FN = 1 b （3.4） h = a c o as  （3.5） FN = a ( 1 2b cosa )2 F  （3.6） 由上述計算得，隨之a(chǎn) 的增大，其所需要的工作里雨大，但是隨著夾角的擴大，氣 缸活塞的行程也會隨之增加加長，導致手部結構整體尺寸增加。因此建議a = 30 ~ 40 。 3.3 夾緊力及驅動力的計算 手指部位的計算是整個礦用機械手的重要計算過程。在所有的工業(yè)機器人中，對手部的設計計算都是至關重要的。 手部夾緊力公式可查閱資料得 K1 — 安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0； FN 3 K1K2 K3G （3.7） K2 — 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。其中 K3 — 空間位置系數(shù)。氣缸的工作力計算： F拉 其中 D — 氣缸內(nèi)壁直徑（m）。 d —氣缸桿直徑（m）。 = p (D2 - d 2 ) p 4 （3.8） P —氣壓缸工作壓力（pa）。 根據(jù)要求，就袖手最大夾持重物重量為 6Kg。因此可得如下計算： 其中取 K1=1.5 并且取 n max = 0.1ms ， t響 = 0.5s ，得 n m a x  0 . 1 K = 1+ a = 1+ 2 g g t響 = 1+ 0 . 5= 1 . 9 . 8  （3.9） 根據(jù)礦用機械手在使用過程中的實際環(huán)境分析，取 K3=4.0 由式 3.2 得 FN = K1 K2 由 K3 G=1 . 5′ 1 . 0′2 4′. 0 F = 2b c o 2sa F ′6 0 =9 . 8 3  （3.10） a N （3.11） 將已知條件 ，a = 35， 帶入，得 F = 2b cos2 a F = 2 ′ 90 ′ cos2 35 ′ 3598.56 = 4575.16N a N 取得 F = F 95 h = 0.85 =4575. 1=6 N5 （3.12） 實際 h 0.85 5382. （3.13） 表 3.1 夾緊氣缸工作壓力 用在活塞上外 力F（N） 氣缸工作壓力 （MPa） 作用在活塞上 外力（N） 氣缸工作壓力 （MPa） 小于 5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 大于 50000 5.0~7.0 如表 3.1 所示， 5000N ￡ F實際 = 5382.54N ￡10000N ，取 p=2MPa 如圖 3.4，當前腔室進氣時，活塞直徑查閱資料可得公式： D =  （3.14） P2=0，因可得  D = = 1.13  （3.15） 當后腔室進氣時，活塞直徑查閱資料可得公式： D =  （3.16） 式中 F —氣缸工作力。 — 氣缸的工作壓力。 h — 氣缸總效率。 d — 活塞桿直徑。 有 d = D （3.17） 表 3.2 夾緊氣缸的工作壓力與速比 氣缸工作壓力 P1(MPa) ≤10 10~20 >20 速比φ 1.33 1.46~2 2 根據(jù)上表查詢可得，取f = 1.33 ，代入到上述公式。得 （3.18） 將以上已知條件代入式 3.5 得： = = F D 1 . 1 3 1 . 1′ 5 3 8 2 . 5 4=  5m7 m. 1 h P 3 ′5 2 取最大值，得：  D2 = 1 0 . 9 = D=50mm d=30mm  = 60.0 （3.19） （3.20） 圖 3.4 夾緊缸示意圖 3.4 軸的載荷分析和計算 根據(jù)手部的分析，礦用機械手手部的軸應為拉緊軸，所受力為兩端的拉緊力，對于夾持式手部的結構分析，軸中由開槽平頭緊定螺釘固定。因此，拉緊軸僅受彎矩影響， 受力分析圖及其彎矩圖如圖 3-4 所示。由已知夾緊力為 5382.54N，根據(jù)參數(shù)以及手部結構的參數(shù)，取夾緊力距離軸為 195mm，根據(jù)彎矩公式 M=Fl 得出彎矩為 1049.595Nm。 圖 3.5 軸的受力分析及其彎矩圖 如上圖所示，F(xiàn)1=F3=5382.84N，F(xiàn)2=10765.68N，所以軸所受最大載荷即為 1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設計公式 d 3 M 0 . 1s[] （3.21） 其中 M 為 1049.595Nm，由前文可知，許用應力[s ] =2MPa，因此可得出軸的直徑d 3 6.8mm，取整則為 8mm。由于這為拉緊軸，因此不需要分段，僅需一段即可。 3.5 軸的材料的選擇 由于礦用機械手手部在抓取物體時會在手抓處產(chǎn)生應力集中，在軸的運轉過程中會產(chǎn)生大量的熱量，需要具有抗氧化性和足夠的高溫強度以及良好的耐熱性能。為了手部抓取不產(chǎn)生松動或脫落，保證抓取的可靠性，同時考慮經(jīng)濟性。因此選用經(jīng)過耐熱鋼作為軸的材料。 3.6 銷連接的設計 銷按用途分為用于定位的定位銷，用來進行零件連接的連接銷等。前者用來個別固定零件對于整體零件的相對位置，它是組合加工和裝配時很重要的零件；后者用于連接， 也可以傳遞較小的載荷。銷的類型有很多，例如圓錐銷，圓柱銷，槽銷等，這些銷都是標準件，因此可直接選用。本設計采用圓柱銷，由于圓柱銷需要進行過盈配合從而固定在銷的孔內(nèi)，所以選擇過盈配合連接。在裝配前，需要對其相關精度進行復查。 4 礦用機械手主體結構設計 手腕部分是用于連接手部和手臂部分的結構。在這里為了盡可能多的增加礦用機械手手部的自由度，將手部的結構設計為兩部分。一部分是用于控制礦用機械手手部的旋轉，使礦用機械手能在是水平方向上能夠更加方便的夾持工件。另一部分是用于控制手部的仰俯，所起作用是使礦用機械手在手指方向上便于礦用機械手的夾持。 4.1 腕部結構的選擇 手腕的動作雖然不多，但它要求結構極其緊湊。 本次設計的礦用機械手需要較大的自由度，因此將其設計為兩處回轉運動，一處是控制手部沿自身軸線回轉。另一個方向上是實現(xiàn)手部可以進行仰俯運動。 4.2 腕部的設計計算 腕部進行旋轉時需要克服以下幾種性質的力： （1） 回轉時的摩擦力矩M摩 （2） 由于重力引起的彎矩M偏 （3） 動量引起的慣性力矩M慣 M摩 = 0 . M1 總 M偏 = G1  （4.1） （4.2） 式中 J工件 —工件轉動慣量(Nms2)。 J — 手腕轉動慣量(Nms2)。 w —角速度(1/s)。 M慣 = (J + J工件 ) w （4.3） t啟 t啟 — 啟動過程所需要的時間。 因此可求得總力矩M總  M總 = M摩 + M偏 + M慣  （4.4） 4.2.1 腕部設計考慮的參數(shù) 將手腕與手指整體近似簡化為一個圓柱體，高 ，直徑高 ，質量為 6kg。 4.2.2 腕部的驅動力矩的計算 （1） M摩 = 0.1M總 （4.5） （2） 式中  w t M慣 = (J + J工件) 啟  （4.6） J = 1 m R2 =0 . 5′ 1 3 2 . 0′ 1 20 . =0 7 N0 m. 2 腕 腕 （4.7） J = 1 m (l 2 + 3R 2) = 1 ′ 60 ′ (0.1 2+ 3′ 0.05 )2= 0.0875Nms 件 12 件 件 件 12 （4.8） 代入公式，有 M = ( J + w = ( 0 . 3 2+ 3′. 5 1 = N 慣 工J 件 ) t啟 3 0 . 0 8 7 5 ) 0 . 2 （4.9） （3） 理想的工作位置為將工件夾持在手部中心位置，所以M偏 = 0 。 （4） 總力矩 M總 = M摩 因此 + M慣 + M偏 =0 . 1 總M +8 . 8 6  （4.10） M = 7.20 = 8.0 總 0.9 （4.11） 由于回旋氣缸所能提供的力矩要大與驅動力拒M總，因此 Pb(R2 - r2 ) M = 2 又 P 3 2M總 b(R2 - r2 ) 3 M總  （4.12） （4.13） 式中 P — 回旋氣缸工作壓力； R —氣缸內(nèi)壁半徑； r —氣缸輸出軸半徑； b — 氣缸片寬度。 由圖可得R=110mm，r=55mm，b=70mm， 得 P 3 2M總 = ?2′ 8 . 0 =0 . 0 2 5M2 P b( R2 - r2 ) 0 . 0′7 ( 02.-1 1 02 . 0 5 5 ) （4.14） 以上為礦用機械手腕部的回旋氣缸的尺寸設計，在手腕的后半部分，還安裝有控制手部仰俯得的一個仰俯氣缸，其所起作用與手部回旋氣缸大致相同，因此在這里不做詳細計算，選用與手部回旋氣缸一樣的型號的回旋氣缸既可。 4.3 手臂典型運動機構 手臂的運動一般都是直線運動，其中也有一部分的旋轉運動。其中直線運動形式一般有手臂的伸縮，平行移動。旋轉運動有沿自身軸線回轉，也有礦用機械手的上下擺動， 左右搖動。 為了使礦用機械手具有足夠多的自由度，能在情況復雜的礦井下如期的完成指定的運動，因此將礦用機械手設計為多關節(jié)的多自由度礦用機械手，使用三組氣缸分別完成礦用機械手的大臂的仰俯，伸縮以及小臂的仰俯。 4.4 手臂的設計計算 氣壓缸活塞的驅動力的計算θ F = F密 + F回 + F慣 式中  （4.15） F密 —密封圈與氣缸內(nèi)壁摩擦力。 F回 —氣缸氣體造成壓力。 F慣 —啟動或制動時內(nèi)部結構的慣性力。 4.4.1 氣缸所需驅動力大小如圖所示： G 圖 4.1 軸的受力分析及其彎矩圖 將機械小臂及手部重量簡化至杠桿的左端 G=650N，由三角函數(shù)關系式可得 F1=963N 4.4.2 手臂密封裝置阻力的分析與計算 在氣缸內(nèi)壓力小于 1MPa 時，O 型密封圈與氣缸內(nèi)圈形成的摩擦力計算公式為 F密 = 0.03F （4.16） 4.4.3 手臂慣性力的分析與計算 手臂慣性力的計算公式為： F 慣 =  G總Du gDt  （4.17） 式中 G總 —部件總重力。 g — 重力加速度。 Du —臂部所需伸縮速度。 Dt — 啟動時間。 本設計中取Du=0.233s Dt=0.2s，因此將數(shù)值帶入公式，得 F = G總Du =7 0 0′ 0 . 2 3=3 取 F回=0.05F ，可得 慣 gDt 9 . 8′ 8 3 .N2 0 . 2 （4.18） 則 F =160.24N F = 0.03F1 + 0.05F1 + 83.2  （4.19） 4.4.4 氣壓缸工作壓力和結構尺寸的確定 由上述計算可得氣壓缸所提供的驅動力大小為 F=260.24N。經(jīng)查表可得，就近選擇氣壓缸的工作壓力為 P=0.8MPa 經(jīng)過計算，確定了氣壓缸的驅動力 F=260.24N，根據(jù)表 3.1，選擇氣壓缸的工作壓 圖 4.2 雙作用氣壓缸示意圖 當氣缸后腔室進氣時，氣缸內(nèi)壁直徑計算公式查閱資料可得： D =  （4.20） 由于 P2=0，所以  D = = 1.13  （4.21） 當氣缸前腔室進氣時，氣缸內(nèi)壁直徑計算公式查閱資料可得： D =  （4.22） 式中 F — 氣缸工作力。 h —總機械效率。 d —氣缸內(nèi)桿直徑， 因此有  d = D  （4.23） 表 4.1 氣壓缸的工作壓力與速比 氣壓缸工作壓 力 P1(MPa) ≤10 10~20 >20 速比φ 1.33 1.46~2 2 根據(jù)上述表格進行參數(shù)選擇，取f = 1.33 ，帶入式中可得： d=0.636D （4.24） 計算得到 D1 D2 = = 1.13 = 1.13′ = 11.57 = （4.25） （4.26） 取其中的最大值，因此各尺寸為： 5 礦用機械手底盤設計 5.1 底盤的整體設計 底盤設計是為了使礦用機械手整體可以完成在工作場地內(nèi)的任意坐標的移動，擴大了礦用機械手的工作范圍。因此將礦用機械手安置在一個可全方位移動的底盤上。考慮到礦井下的空間及地形等惡劣條件，這里主要對底盤的設計提出幾點的要求： （1） 為了能夠更好地適應礦井下凸凹不平的地形，為使礦用機械手能夠更加平穩(wěn)的夾持工件，礦用機械手底盤應具有較好的減震效果； （2） 礦井下地方狹小，底盤在轉彎時的轉彎半徑應盡可能的減??； （3） 底盤的結構設計應該充分的適應地況不平的工作環(huán)境； 5.2 底盤各結構的設計方案 5.2.1 全向輪轉向機構 為了使礦用機械手整體可以在工作場地內(nèi)可以自由轉動，最理想的狀況就是可以使其轉彎半徑減小至零。因此為了實現(xiàn)這一目的，在這里選用全向輪作為本全向底盤的輪子。 這里使用雙排的全向輪，可以使礦用機械手的震動更加的減小。如下圖所示，為全向底盤的三維結構示意圖 圖 5.1 底盤三維設計圖 底盤分為上中下三層，最上面一層用以安置礦用機械手，以作為礦用機械手整體支撐表面。第二層處則連接全向輪，為礦用機械手整體與地面接觸層，并與第一層相連接。 全向輪因為功能特殊，因此安裝的方法與普通輪子的安裝方法不同，它是將各全向輪的軸線相較于一點，這樣既可通過控制每個驅動馬達的不同轉速，來完成礦用機械手整體的轉向。 5.2.2 驅動方式的選擇 為了能夠符合本此設計全氣動礦用機械手的主題，底盤的驅動方式也選擇為了氣動驅動，并且為了簡化機構，這里使用氣動馬達來作為底盤的驅動裝置。 氣動馬達也是氣動驅動元件的一種，使用氣體作為其動力傳輸?shù)慕橘|，將氣體的內(nèi)能轉化為機械能的裝置，其中裝有葉片，使用其中特有的氣路用氣體推動葉片沿中軸旋轉，從而輸出轉矩。 其中氣動馬達相對于普通電機具有以下優(yōu)點 （1） 體積小，功率高； （2） 所需能源清潔； （3） 噪聲小，可進行無極調速，且調速控制方便，只需要控制其進氣的流量既可； （4） 安全可靠，不產(chǎn)生電火花，不會過熱，爆炸等危險現(xiàn)象出現(xiàn)； 5.2.3 減震結構的設計 底盤在經(jīng)過礦井下凸凹不平的地面時，多多少少的都會引起礦用機械手本身的震動， 因此為了減少這一部分的震動，為了簡化結構既節(jié)約成本，這里使用彈簧對礦用機械手 整體進行減震，如圖所示： 將礦用機械手的第一層和第二層之間使用彈簧相連。并且設置了四個彈簧，這樣既可以達到減震的效果，又能起到支撐礦用機械手的作用。這樣，就相當于將礦用機械手整體與全向輪之間以柔性連接，很好的起到了減震的效果，就相當于懸掛減震。 圖 5.2 底盤減震機構 5.2.4 平穩(wěn)結構設計 為了使礦用機械手底盤能夠平穩(wěn)的在凸凹不平的地面上仍然能夠保持四個車輪全部著地，特此設計了一個使用鉸鏈連接的底盤，這種底盤不同于普通的運動底盤。它在安裝有全向輪的底盤第二層實際上是有兩塊對稱的板組成，每一塊板上都裝有兩個全向輪。而這兩部分則是由中間的一組鉸鏈連接，其工作原理是三點定一面，當?shù)孛娌黄绞牵?如果是普通的底盤，必定會有一個輪子懸空，這樣會導致控制程序的混亂以及整個礦用機械手的晃動，而設計這種機構可以保證在遇到不平的地面時，鉸鏈轉動，使四個輪子始終保持全部著地，這樣就彌補了由于不確定情況而造成的控制結果的混亂。 6 PLC 控制程序的設計 6.1 PLC 簡介 隨著計算機的逐漸發(fā)展，人們不再局限于使用大型計算機進行控制各種元件進行工作，因此有人開始將微型計算機與各種繼電器相結合，做成了一種更加油針對性的，模塊化的計算機設備，及 PLC。 PLC 作為一種可編程控制器，是將計算機與各種繼電器巧妙結合的微型計算器，其內(nèi)部是由中央處理器，電源，觸點等部分組成。是人們在不斷地設計研究中不斷地升級所得到的一種模塊化的，使用便捷，簡單大眾化的控制硬件。并且在使用過程中不斷地進行改造設計，使得 PLC 的使用范圍更加的廣泛，功能更加強大。其使用的領域現(xiàn)在越來越多，汽車、輪船、礦用機械手以及各種自動化的設備上。其中 PLC 的軟件設計比較通俗易懂，是通過控制要求制定流程圖，再將之轉化為與 PLC 相匹配的梯形圖， 最后編寫程序注釋，由輸入端輸入信號，內(nèi)部處理器處理，有輸出端輸出信號，以完成整個控制過程。 6.2 礦用機械手控制程序編寫 6.2.1 控制程序任務 根據(jù) PLC 的工作機制完成接線及程序編制。其中 PLC 的工作原理為：PLC 是由微型處理器與繼電器相結合的產(chǎn)物，它可以根據(jù)程序員編寫的 T 形圖完成程序流程，模擬現(xiàn)實電路的運行，完成其中各繼電器的得電及開關的閉合，并最終輸出正確的模擬結果。其輸出的結果即可以控制所連接繼電器的得失電，進而控制主電路的通斷電。 礦用機械手的整體驅動部分是由各個氣缸組成，其控制元件則選擇電磁閥，為了簡化控制程序的編寫，電磁閥的類型皆選用三位四通電磁閥，每個電磁閥只控制一個氣缸的一個氣腔的通放氣（尤其主要注意的是當氣缸的一個氣腔進氣時，必須在編程中控制另外一個氣缸處于放氣狀態(tài)，否則，氣缸將不能工作）?？刂撇糠质褂萌?PLC。 驅動元件分別為手部夾持氣缸，手部回旋氣缸，手部仰俯氣缸，小臂仰俯氣缸，大臂伸縮氣缸，大臂仰俯氣缸以及底盤上作為輪子轉動的驅動元件氣動馬達。 氣源為氣泵，由總氣管輸入氣體，經(jīng)由 PLC 控制的電磁閥，按照順序先后輸送給各個驅動元件。 按照指導老師意見，編寫可以控制驅動元件完成以下的動作的控制順序，即大臂抬起（大臂仰俯氣缸伸出）---大臂伸出（大臂伸縮氣缸伸出）---小臂下降（小臂仰俯氣缸 伸出）---手指張開（手指夾持氣缸收縮）---手指夾持（手指夾持氣缸伸出）--小臂上升 （小臂仰俯氣缸收回），即完成工件的夾持。 以上完成的動作為設定的一系列的礦用機械手所完成的加持動作，此時礦用機械手為工件的夾持狀態(tài)。再經(jīng)過底座上氣動馬達速度合成（此次設計是為了模擬底盤的運動， 因此將設計一種簡單的底盤運動路徑）。底盤上連接有四個氣動馬達，這次設計預定是使礦用機械手原地旋轉 90°，因此根據(jù)全向輪的設計特性，應使四個啟動馬達轉向相同，轉速相同，這樣，可以趨使礦用機械手整體圍繞自身的 Z 軸進行旋轉，即可完成工件在水平面上的移動（以上可知若要完成更加復雜的運動，可通過控制氣動馬達完成）。 之后在完成工件的放下動作，即大臂下降（大臂仰俯氣缸收回） 大臂收縮（大 臂伸縮氣缸收回）---小臂下降（小臂仰俯氣缸伸出） 手指張開（手指夾持氣缸收縮）， 即完成整個礦用機械手夾放工件的動作。 6.2.2 宇龍仿真軟件與程序編寫 宇龍仿真軟件是一款在電腦上就可以完成各種電路的實際模擬的軟件。根據(jù)控制欲求選擇元器件。 熔斷器熔體電流根據(jù)電動機進行選擇。根據(jù)公式, = (1.5~2.5) 其中 = 2.57A 求得 = (3.87~6.34)A 故取熔體電流為 6A 對于熱繼電器的電流，根據(jù)公式 = 0.95~1.051ed 取 = =2.57A。每個氣缸都需要控制前后兩個腔室的進氣與出氣， 因此選用三位四通電磁換向閥?？刂戚敵鲇?20 個線圈，因此在 PLC 硬件上需要有大與20 個輸出點可以使用，因此PLC 選用三菱FX2N-48MR-D 其上有24 個輸出點可以使用。 表 6.1 宇龍機電控制仿真軟件元件 元件名稱 元件型號 數(shù)量 元件相關參數(shù) 直流電源 220V 直流流電源 2 電壓 220V 低壓斷路器 DZ47-60-D5 2 熔斷器 NT0 5 額定電壓 220V 額定電流 125A 電磁閥 10 額定電壓 220V 熱繼電器 HR-1 2 額定電流 100A 按鈕開關 BS-1 1 氣泵 1 額定電壓 220V 直線氣缸 4 回旋氣缸 6 PLC FX2N-48MR -D 1 導線 若干 氣管 若干 表 6.2 輸出、輸入信號接口 輸入信號 輸出信號 名稱 代號 輸入點編號 名稱 代號 輸入點編號 啟動按鈕 SB1 I0.0 電磁閥 KM1 Y1 電磁閥 KM2 Y2 電磁閥 KM3 Y3 電磁閥 KM4 Y4 電磁閥 KM5 Y5 電磁閥 KM6 Y6 電磁閥 KM7 Y7 電磁閥 KM8 Y11 電磁閥 KM9 Y12 電磁閥 KM11 Y13 電磁閥 KM12 Y14 電磁閥 KM13 Y15 電磁閥 KM14 Y16 電磁閥 KM15 Y17 電磁閥 KM16 Y18 電磁閥 KM17 Y19 電磁閥 KM18 Y20 電磁閥 KM19 Y22 電磁閥 KM20 Y23 上表中包含了在設計中所有輸出端每個接觸器代表的都是一個線圈。下表為每個線圈通電后所能完成的氣缸動作。 表 6.3 各線圈得電所完成的動作 線圈代號 完成動作 KM1 手部夾持氣缸伸出 KM2 手部夾持氣缸收縮 KM3 手部回旋氣缸順時針旋轉 KM4 手部回旋氣缸逆時針旋轉 KM5