[11]，V型塊分別于氣爪的“手指”部分固定連接，利用V型塊對圓柱體工件的自適應性實現(xiàn)對工件的夾持，其中需要考慮夾持機構(gòu)對工件夾緊力是否足夠，V型塊對工件的夾持形式，做出負載圖，分析夾持機構(gòu)對工件作用力的方向及大小，具體如圖2.10所示。圖2.10工件受力分析圖Fig.2.10ForceAnalysisdiagramofworkpiece已知工件重量約為5Kg，得m因有兩個氣爪，所以每個氣爪平均受力為25N因為V形塊是左、右對稱的，所以假定它的重心是光滑的，位于工件的中心。F由力學平衡的分析得出：FF所以工件受到水平方向的夾持力為F查詢氣爪規(guī)格得知氣爪可使用最高壓力位0.6MPa。在此基礎上，以夾緊力為依據(jù)，計算出了工作時需要的水平夾緊力為6.25N，為了保證工作的穩(wěn)定性，選擇了SMC公司MHL2系列10mm氣缸直徑的空氣夾緊裝置。綜合以上因素，選擇了MHL2-10D型氣動抓具。

第3章上下料機械手建模及分析3.1傳動部分建模3.1.1傳動部分的建模過程伺服電機通過聯(lián)軸器與減速器配合使用能夠提高轉(zhuǎn)矩、提高精度以及降低噪聲，實現(xiàn)設備運行的穩(wěn)定性和可靠性，因此，減速器是傳動部件不可缺少的部分。通過solidworks新建零件圖，在草圖模板，右視基準面的圓心為中心繪制一個長130寬130的正方形，通過拉伸凸臺形成一個高155的柱體，然后繪制一個Φ79的圓,反向拉伸切除，形成一個高125的圓柱體，在此圓柱面上繪制一個Φ60的圓，反向切除形成一個高3的圓柱體，在其圓柱面上再次繪制一個Φ20的圓，反向切除形成一個高40的圓柱體，至此形成一個階梯軸，以Φ20圓的圓心為定位基準，在其高12.5處，以原點為中心畫一個長6的直線，垂直向下畫一個完整的與Φ20圓柱面相交的正四方形，拉伸22形成健，而后在其Φ20圓柱上鉆1個M6螺紋孔以及在Φ79的圓柱面均勻的鉆4個M6螺紋孔，在其正方體四角均勻的鉆4個M8螺紋孔，最后在其另一面分別切除1個Φ70高3.5的圓柱和1個Φ19高43.5的圓柱，形成兩個圓柱孔，至此減速器PL80的建模完成。3.1.2傳動部分的建模分析（1）減速器PL80的模型前處理由于X,Y,Z軸中，Z軸受負載最大，所以選用Z軸的受力情況做有限元分析。其三維模型如圖3.1所示，它的作用是把電機產(chǎn)生的扭矩，通過鍵槽傳遞到齒輪，從而驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，使齒條達到傳輸功能。軸在一端安裝齒輪的軸端獲得支撐力，在電機測的軸端受電機通過聯(lián)軸器產(chǎn)生的扭矩，在鍵槽處的輸出軸受齒輪給予的反作用力。因此對它進行靜力學分析，通過在極限工況下，檢查它的應力情況和變形情況，判定輸出軸結(jié)構(gòu)是否滿足齒輪轉(zhuǎn)動的性能需求。從CAD模塊切換到Simulation模塊。圖3.1減速器輸出軸模型Fig.3.1Outputshaftmodelofthereducer（2）選擇分析類型當前工況適用于靜力學分析，因此選擇靜力學分析作為分析對象。（3）模型處理把不影響分析結(jié)構(gòu)的倒角壓縮處理，這樣能降低網(wǎng)格的最小體積要求，加快分析速度，避免因不必要結(jié)構(gòu)導致的分析崩潰。（4）材質(zhì)添加根據(jù)工況，考慮到頻繁啟動，需要選擇一種剛性足但又有一定抵抗疲勞能力的金屬材料，最終選擇普通碳鋼作為材質(zhì)，其相關參數(shù)如表3.1。表3.1普通碳鋼參數(shù)表Table3.1Parametertableofordinarycarbonsteel性能參數(shù)密度(kg/m3)抗剪模量(Mpa)張力強度(Mpa)泊松比彈性模量(Mpa)屈服強度(MPa)普通碳鋼7800790004000.28210000220（5）受力添加根據(jù)輸出軸在齒輪上的安裝情況，判斷輸出軸所受的最大載荷為扭矩。因此將輸出軸的連接電動機端進行固定，而后在接入孔與聯(lián)軸器接觸的平面對其添加來自電機的扭矩，根據(jù)前文計算，正常工作時，扭矩是小于電機的額定扭矩的，但為提升設計的安全性能，按額定扭矩5.39N·m賦予載荷。并由前文得知，輸出轉(zhuǎn)矩為43.12N，按該值賦予輸出軸載荷。則最終完成對減速器輸出軸模型受力的添加如下圖3.2。圖3.2輸動軸模型受力添加Figure3.2Forceadditionofthetransmissionaxismodel（6）網(wǎng)格劃分默認的劃分精準度來對網(wǎng)格進行劃分，如圖3.3為已完成的輸動軸網(wǎng)格劃分。完成網(wǎng)格劃分后啟動分析。圖3.3主動軸模型網(wǎng)格劃分Figure3.3Activeaxismodelmeshing（7）生成分析結(jié)果分析完成后，Simulation生成了應力和變形的分析結(jié)構(gòu)。對主動軸模型的應力分析結(jié)果如圖3.4所示。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)的顯示，主動軸模型在聯(lián)軸器軸端的臺階處的應力最大，為5.24×107N/m2，這個數(shù)值遠遠小于它的屈服力為2.206×108N/m2，故應力分析下，主動軸符合使用要求。\圖3.4主動軸模型應力分析結(jié)果Fig.3.4StressAnalysisresultsoftheactiveaxismodel相比于應力，我們往往更關心變形結(jié)果。如圖3.5所示，輸動軸最大的位移在軸和齒輪對接的階梯處，為9.493um。對于普通設備產(chǎn)品，小于10um的變形屬于可忽略數(shù)值。這個變形趨勢也符合工況預期：受力處總是最大變形處。因此，可判定變形結(jié)果合格。圖3.5輸出軸位移分析結(jié)果Figure3.5Outputaxisdisplacementanalysisresults接下來進行軸的極限設計，由上述分析結(jié)果得知，聯(lián)軸器安裝段是輸出軸的最危險部位，而這一段可能因為設計優(yōu)化，齒輪的規(guī)格變更產(chǎn)生直徑變化的需求，因此在保持同等負載下，通過軟件求出它的極限直徑。依次改變該段的直徑(d=20mm)，模擬在18mm，16mm。。。到12mm，如圖3.6所示，此時應力達到2.312×108N/m2，已經(jīng)略微超出屈服應力，位移也達到0.07mm了，已經(jīng)屬于危險范圍。因此，判定該段軸的直徑有效取值范圍為11mm。在實際設計過程中，可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，選擇其中的任一數(shù)值作為直徑。圖3.6減速器輸動軸極限應力、位移分析結(jié)果Fig.3.6Analysisresultsoflimitstressanddisplacementofreducertransmissionshaft由上述對減速器輸出軸模型的分析結(jié)果，輸出軸極限負載的情況下，依然有足夠安全的余量結(jié)構(gòu)，能滿足正常使用以及突發(fā)故障產(chǎn)生的劇增負載，故本設計選用的減速器輸送軸符合要求。3.2手抓結(jié)構(gòu)建模3.2.1手爪結(jié)構(gòu)的建模過程以前視基準面原點為中心，繪制1個長54寬30的長方形，將其拉伸形成高9的長方體，然后根據(jù)內(nèi)六角圓柱頭螺釘類型的尺寸，以上視基準面為定位基準，在其高14處打兩個孔，以長方體的原點為中心線，兩孔原點相距30，外側(cè)為Φ11高6.8的螺紋孔，內(nèi)測為Φ6.6高9的螺紋孔，然后以長方體為基準，在其一邊繪制1個長80寬60的長方形，將其拉伸形成高30的長方體，以外側(cè)為定位基準，長方體寬30處為中心線，在其定位基準62.5處與中心線的交點為原點繪制一個Φ80的圓，作為外切圓，進行面的切除，形成V型面，以V型的角為原點，繪制一個Φ4的圓，進行切除，在角處形成一個圓形弧，最后通過鏡像生成另一只手爪，手爪部分建模完成。3.2.2手爪結(jié)構(gòu)的建模分析（1）氣爪V型塊CAD模型前處理如圖3.7是本次需要分析的氣爪模型，它的作用是把工件緊緊夾持放到計劃的位置，是該設備的執(zhí)行功能的核心部件。從CAD模塊切換到Simulation模塊。圖3.7氣爪結(jié)構(gòu)模型Fig.3.7Structuralmodeloftheairclaw選擇分析類型當前工況適用于靜力學分析，因此選擇靜力學分析作為分析對象。（3）模型處理把不影響分析結(jié)構(gòu)的倒角壓縮處理，這樣能降低網(wǎng)格的最小體積要求，加快分析速度，避免因不必要結(jié)構(gòu)導致的分析崩潰。（4）材質(zhì)添加考慮到為夾具機械手，初步選定鋁合金作為連桿模型的材質(zhì)，選用1060合金，其相關參數(shù)如表3.2表3.2鋁合金1060參數(shù)表Tab.3.2ParameterTableofaluminumalloy1060性能參數(shù)密度(kg/m3)抗剪模量(Mpa)張力強度(Mpa)泊松比彈性模量(Mpa)屈服強度(MPa)1060合金27002700068.90.336900027.6（5）受力添加根據(jù)前文計算，在每個氣爪上平局受力為25N,由反作用力可知，在氣爪斜45度面同樣受相等的力為8.84N,故可得對氣爪模型的受力添加如3.8圖所示圖3.8氣爪模型受力添加Fig.3.8Forceadditionofairclawmodel（6）網(wǎng)格劃分對氣爪模型選用軟件默認的劃分精準度來對網(wǎng)格進行劃分，如圖3.9為已完成的氣爪模型網(wǎng)格劃分。完成網(wǎng)格劃分后啟動分析。圖3.9氣爪模型網(wǎng)絡劃分Fig.3.9Networkdivisionoftheairclawmodel（7）生成分析結(jié)果分析完成后，Simulation生成了應力和變形的分析結(jié)構(gòu)。對氣爪模型的應力分析結(jié)果如圖3.10所示。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)的顯示，氣爪模型固定連接的“手柄”處的應力最大，為1.427×106N/m2，這個數(shù)值遠小于它的屈服力為27.6×106N/m2，故應力分析下，主動軸符合使用要求。圖3.10氣爪模型應力分析結(jié)果Fig.3.10StressAnalysisResultsofAirModel而對于變形結(jié)果。如圖3.11所示，氣爪最大的位移在軸和聯(lián)軸器對接的軸段處，為4.122um。對于普通設備產(chǎn)品，小于10um的變形屬于可忽略數(shù)值。這個變形趨勢也符合工況預期：且受最大力處的材料厚度并不是最薄處。因此，可判定變形結(jié)果合格。圖3.11氣爪位移分析結(jié)果Fig.3.11Resultsofairclawdisplacementanalysis由上述對氣爪模型的分析結(jié)果，連桿即使在此工況下，應力和位移變動都不會使氣爪被破壞，把故本設計的夾持機構(gòu)的V型塊符合要求。3.3機械手整體裝配建模本課題設計機械手整體裝配是由旋轉(zhuǎn)氣缸安裝板，旋轉(zhuǎn)氣缸HRQ30,雙氣爪安裝板，及雙氣爪組成，如圖3.12依次裝配。機械手的作用是實現(xiàn)機械手X、Y、Z軸方向上的移動，到達指定位置，然后通過360度旋轉(zhuǎn)來無死角夾持，最終實現(xiàn)對工件的夾持，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)整體機器控制。是該設備的執(zhí)行功能的核心部分。圖3.12機械手的整體結(jié)構(gòu)Fig.3.12Theoverallstructureofthemanipulator

第4章第四章機械手驅(qū)動部分設計4.1PLC的選型根據(jù)本課題所設計的原則，提出了一種基于可編程邏輯控制器的設計方案。PLC是一種專用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)字控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用可編程內(nèi)存，把諸如邏輯運算、定時控制運算、計時運算、計數(shù)運算、算數(shù)運算等多種運算命令，并以數(shù)字或仿真的形式向各個裝置或工藝輸出。在圖4.1中可以看到。圖4.1PLC實物圖Fig.4.1PhysicaldiagramofPLC在此基礎上，提出了一種可編程控制器，傳感器，RFID讀寫器，馬達，操作顯示屏等構(gòu)成的控制系統(tǒng)。在圖4.2中有一個特定的層級：圖4.2控制系統(tǒng)框架圖Fig.4.2Frameworkdiagramofthecontrolsystem針對CNC上、下料操作臂的工作特性，提出了一種基于PLC的控制方法，并對其進行了設計。該控制器由西門子的可編程控制器構(gòu)成，包括電源，輸入輸出端口，存儲器和通訊接口；輸入裝置包括感應式，光電式，磁感式感應器及控制按鍵；輸出裝置包括：電磁換向閥，電機驅(qū)動裝置。上、下料操作員可編程序控制器所需的14點I值,均為數(shù)字量點；8個O點，4個數(shù)值，4個模擬點，僅用一臺PLC控制就可以了。對PLC內(nèi)存的需求大致估計為（18×8×15+8×100)*125%=1042B。選用PLC作為上位機,PLC作為從站，構(gòu)成PLC測控網(wǎng)絡。由于所需點數(shù)較少，選用的型號為PLC集成型。選用西門子S7-1200系列的CPU1214C-DC/DC/DC系列PLC，來作為本臂架型機械手的PLC。可編程控制器輸入輸出端口的函數(shù)，如表4.1所示。表4.1輸入輸出端口的函數(shù)Tab.4.1Functionsoftheinputandoutputports輸入輸出地址功能連接設備地址功能連接設備I0.0X軸原點PX1蘭寶LE18SN08DNOQ0.0X軸脈沖步進電機驅(qū)動器I0.1X軸左限位PX2蘭寶LE18SN08DNOQ0.1X軸方向步進電機驅(qū)動器I0.2X軸右限位PX3蘭寶LE18SN08DNOQ0.2Y軸脈沖步進電機驅(qū)動器I0.3Y軸原點PX4蘭寶LE18SN08DNOQ0.3Y軸方向步進電機驅(qū)動器I0.4Y軸上限位PX5蘭寶LE18SN08DNOQ0.4Y軸伺服使能步進電機驅(qū)動器I0.5Y軸下限位PX6蘭寶LE18SN08DNOQ05Y軸報警復位步進電機驅(qū)動器I0.6一號位檢測PH1蘭寶PSC—TM15TNBQ0.6控制手抓氣缸電磁換向閥1I0.7二號位檢測PH2德力西CS1—GQ0.7控制物料二位置的氣缸電磁換向閥2I1.0伺服準備好I1.1報警I1.2啟動I1.3停止I1.4復位I1.5急停4.2控制流程設計4.2.1歸位程序機械手通電后首先要完成的就是回原點，按下返回按鈕后，回原點程序啟動。PLC首先發(fā)出足夠數(shù)量的高速脈沖信號，電機開始旋轉(zhuǎn)，Z軸向上移動，當Z軸的上限開關得電后，PLC接收到上限開關的信號，PLC停止輸出高速脈沖信號，電機停止旋轉(zhuǎn)，Z軸已回歸原點。和Z軸一樣，通過定位命令，X軸向左移動到原點，Y軸向后移動到原點，從而回歸原點。回歸原點以后，機械手進入起始位置，當主程序開始執(zhí)行時，又進入下一循環(huán)。應注意，在回歸過程中，從理論上講，每一次達到光電轉(zhuǎn)換點后，由于慣性的影響，將會繼續(xù)滑移一定距離。但是，因為設置的頻率不高，相應的電機速度也非常慢，經(jīng)過幾次試驗，也沒有找到較大的偏差積累，因此，在此我們暫時將其忽略。4.2.2控制流程設計機械手的運行軌跡如下：首先打開開關，按下回原點開關，機械手在桁架上尋找零點所在位置，先向左移動至X軸原點，再向前移動至Y軸原點，再向上移動至Z軸原點，完成回原點操作，開始正式工作，接下來機械手沿X軸向右移動至X軸所對應的一號位，沿Y軸向后移動至Y軸所對應的一號位，再沿Z軸向下移動至Z軸對應的一號位，進行物料的穩(wěn)定抓取。抓取物料后，開始上料，機械手沿Z軸向上移動至二號位，再沿X軸向右移動至X軸所對應的二號位，最后沿Y軸向前移動至車床卡盤處，手爪對準卡盤，抓取已加工好的零件，完成上料；而后翻轉(zhuǎn)手爪，將另外一只手爪所抓取的工件放置到車床加工位置，完成下料。完成上下料過程后，向右移動至X軸三號位，向后移動至Y軸三號位，向下移動至Z軸三號位，機械手松開零件，實現(xiàn)已加工零件的缺料，而后返回一號位。如此反復進行上下料的工作，即可往復實現(xiàn)自動上下料的過程，最后機械手回歸零點，關閉設備。綜上所述，本設計的控制系統(tǒng)需要滿足以下功能：需要驅(qū)動X,Y,Z軸滑塊在直線導軌移動；讀取機械手工作位置信息；對驅(qū)動機構(gòu)進行控制，以完成操作臂的上、下。針對以上要求，首先要解決機器人操作臂“循跡”問題。AGV常用的“循跡”方式有三種：磁條，激光導航，射頻識別：磁條導航是AGV最常用的一種，它通過在地板上鋪放一塊磁鐵來進行探測和導航，其價格低廉、維修簡便，但是用于數(shù)控機床時，不方便在地上鋪設，而且會被工作人員所影響，并且不能辨認出特定的位置信息。激光導引系統(tǒng)采用在空間中設置一面反射鏡，利用導引頭反射來自AGV的光束來進行探測和導航，不適用于CNC機床，并且價格昂貴；RFID(RadioFrequencyIdentificationTechnology,RFID）是一種近幾年非常流行的一種導航技術，它在特定的位置放置一張RFID卡，然后由機器人對RFID讀寫器進行無線讀取，從而識別出特定的位置、數(shù)量等信息，更適合在本課題中選擇應用。所以，決定了這樣一種控制方法：將RFID卡安裝到數(shù)控機床的卡盤處和每一條直線軌道上，將RFID閱讀器和WIFI路由器安裝在機械手氣爪上，PLC利用路由器與主系統(tǒng)進行信息交流，并利用對RFID閱讀器的信息來判斷行走路線和工件的狀況。另外，通過各個光電開關和伺服控制器，對各個伺服電機和汽缸進行控制。

總結(jié)與展望經(jīng)過幾個月的努力，通過閱讀資料、學習相關知識以及老師和同學的幫助，數(shù)控車床上下料機械手的設計已經(jīng)完成。在完成畢業(yè)設計過程中，我認識到了從需求到方案再到設計的基本過程，在前期的方案設計中，需要查詢相關的資料，在此期間，我對資料檢索方式有了更加深入的認識，知道了怎樣迅速地找到自己想要的資料；在后期的設計中，我對三維建模軟件Solidworks以及Simulation有限元分析的運用有了更深的了解，其中，機械結(jié)構(gòu)的設計使我對以前所學的機械原理、機械設計、材料力學等專業(yè)知識有了一個比較完整的回顧，真正實現(xiàn)了理論和實際的有機結(jié)合。從中我也明白了學無止境，自己并不是學到了全部的知識，未來的路途，還要繼續(xù)努力的學習。在機械手的整體結(jié)構(gòu)設計中，首先提出了機械手的設計原則和技術參數(shù)，為設計機械手提供了基礎思路，包括需要設計一個怎樣的機械手以及機械手需要設計的技術參數(shù)；根據(jù)所要設計的機械手，對傳動方案進行了設計并對機械手進行了運行軌跡的規(guī)劃，通過對比分析對傳動方式、導向零件和驅(qū)動方式進行了合理選擇，根據(jù)取料點、加工點和卸料點的位置對機械手的軌跡進行了設計；而后對其關鍵結(jié)構(gòu)進行了設計，根據(jù)其傳動的特性、各軸系的負載以及工件的形狀進行了X、Y、Z軸傳動機構(gòu)的設計以及末端執(zhí)行器的設計，通過設計使機械手的傳動以及夾取更加靈活可靠；最后通過對關鍵部件選型計算，包括導軌、伺服電機、氣爪，選擇了合適的型號。在建模與分析中，通過solidworks完成了傳動部分和手爪部分等的建模，并將各零件裝配到一起，從而形成完整的機械手，并通過Simulation對傳動部分和手爪部分進行了受力分析，使其傳動和抓取符合要求。最后在驅(qū)動部分的設計對PLC進行了選型，最終選擇了選用西門子S7-1200系列的CPU1214C-DC/DC/DC系列PLC，根據(jù)前面所設計的運行軌跡對機械手的運行進行了控制控制流程的設計，并通過RFID卡、RFID閱讀器以及WIFI路由器與PLC的信息交流解決了最為關鍵的“循跡”問題，完成了控制系統(tǒng)的設計，使機械手能夠自動進行上下料工作從而達到提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。展望未來，數(shù)控車床取放料機械手的設計仍將面臨一系列挑戰(zhàn)和機遇。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對數(shù)控設備的要求將會更加嚴苛，機械手的設計需要更注重智能化、網(wǎng)絡化和可持續(xù)性發(fā)展。在結(jié)構(gòu)設計上，更輕量化、更緊湊的設計將成為趨勢，以適應高速、高效的生產(chǎn)需求?？刂葡到y(tǒng)需要更強大的算法支持，實現(xiàn)更復雜、多樣的操作，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。感知系統(tǒng)將更加智能化，與人工智能和大數(shù)據(jù)技術的結(jié)合，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全方位監(jiān)控和優(yōu)化?？偟膩碚f，數(shù)控車床取放料機械手的設計已經(jīng)在提高制造業(yè)生產(chǎn)效率、減輕工人勞動負擔方面取得了顯著成果。未來的設計方向?qū)⒏幼⒅刂悄芑?、網(wǎng)絡化和可持續(xù)性，以應對制造業(yè)的快速發(fā)展和變化。通過不斷創(chuàng)新和技術突破，數(shù)控車床取放料機械手有望在制造業(yè)中發(fā)揮更為重要的作用，推動整個行業(yè)朝著更智能、更高效的方向發(fā)展。參考文獻楊麗梅,李鵬祥,張春蘭等.車床上下料液壓機械手的設計[J].南方農(nóng)機,2023,54(21):41-43.崔杰生,任飛.自動上下料機械手運動學分析及仿真[J].大眾標準化,2023(17):174-175+178.陳燕.基于串并混聯(lián)的機械手運動數(shù)學模型建立與數(shù)值仿真[J].貴陽學院學報(自然科學版),2023,18(03):95-100.DOI:10.16856/ki.52-1142/n.2023.03.004.劉康寧,李康民,馬超等.基于自動上下料機械手的機車車軸涂油自動化系統(tǒng)設計[J].自動化應用,2023,64(16):20-22.經(jīng)韜,李麒.基于ABBIRB2600機械手的一種數(shù)控車床自動上下料輸送裝備的設計[J].自動化技術與