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摘要：灯丝装架机是荧光灯生产线中的关键设备之一，本文设计了该生产线中的芯柱传送机构及工业机械手。对于芯柱传送机构，本设计利用槽轮机构和齿轮传动实现间歇运动，根据原始参数，计算出槽轮的相关参数，做出装配图;对于工业机械手，本文首先简要介绍了工业机器手的概念，机械手硬件和软件的组成，比较完丝杠传动，液压传动和气压传动方案的特点，确定为气压传动，确定了机械手的坐标形式和自由度及机械手的技术参数。着重介绍了设计了机械手的夹持式手部结构及手臂结构。绘制了机械手气压系统工作原理图，利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图。
关键词：机械手,PLC,芯柱传送机构,气压传动,可编程程序控制器
一、绪论
1.1 课题背景
灯丝装架机是荧光灯生产线中的关键设备之一。它是一台多工位的专用设备，要完成导丝整形、打扁、打弯、上灯丝、夹紧灯丝、涂电子粉、冷吹、热烘等工序动作。 为提高整条生产线的自动化程度，现要求借助于芯柱传送机构及上料机械手将灯丝装架机与前一设备芯柱机连接起来，从而将芯柱机完成的芯柱自动传送并上至灯丝 装架机工作转盘的上料工位上。
1.2 工业机械手概述
工业机器人由操作机(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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，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。
二、课题研究内容及原始参数
图1 芯柱 图2 各机构相对位置关系
灯丝装架机的分配轴Ⅰ、Ⅱ（外径φ40mm）通过电动机和减速传动装置带动作匀速转动，转速为n=20r/min，转动方向如图4所示，传递功率为P=0.6kW。两轴间通过一对传动比为1的圆锥齿轮连接。轴Ⅰ每转一周为一个运动周期，工作转盘由轴Ⅰ带动通过蜗形凸轮机构作间歇转位运动（转向如图），转位过程对应于轴Ⅰ转过72°，停歇过程对应于轴Ⅰ转过288°。
芯柱传送机构采用链传动，在链节上固定芯柱托架，作间歇送进运动（运动方向如图4），送进一次链轮O2转过36°，对应于轴Ⅰ转过120°，停歇过程对应于轴Ⅰ转过240°。
上料机械手共有三个运动：夹钳开合运动（实现夹住芯柱和松开芯柱）、上下移动（行程30mm）（实现提起芯柱和放下芯柱）及往复摆动（摆角y）（实现芯柱由A位置到B位置的搬运及返回）。上下移动过程及对应的轴Ⅰ转角为：下(48°)，停(12°)，上(48°)，停(72°)，下(48°)，停(12°)，上(48°)，停(72°)（一个运动周期作两次上下移动）。往复摆动过程及对应的轴Ⅰ转角为：顺摆(48°)，停(132°)，逆摆(48°)，停(132°)。夹钳开合运动在本设计任务中不考虑。
灯丝装架机工作转盘与芯柱传送链及上料机械手之间的相对运动关系如图3所示。
图3 运动循环图
设计内容
(1)选择驱使链轮O2作单向间歇转动的机构，要求机构原动件与分配轴Ⅰ或Ⅱ固定作匀速转动，确定机构运动尺寸。
(2)计算确定O5点位置及摆角y。选择使上料机械手作间歇上下移动的机构，要求机构原动件与分配轴Ⅰ或Ⅱ固定作匀速转动，确定机构运动尺寸。
(3)选择使上料机械手作间歇往复摆动的机构，要求机构原动件与分配轴Ⅰ或Ⅱ固定作匀速转动，确定机构运动尺寸。
(4)编程计算所设计上述机构中执行构件的位移与分配轴Ⅰ转角的对应关系，绘制位移规律图，并与图5所给位移规律进行比较。
(5)选择电动机型号，确定电动机至分配轴间的减速传动方案，并进行传动比分配和传动机构的工作能力设计计算。
(6)对下列机构进行结构设计，绘制装配图及若干关键零件工作图：驱使链轮O2作单向间歇转动的机构，使上料机械手作间歇上下移动的机构和间歇往复摆动的机构，机械手部分。
(7)编写机械设计课程设计报告。
三、总体方案确定
3.1 机械手方案确定
3.1.1、电机作为动力源，采用螺旋丝杠传动
使用电动作为驱动方案，传动机构使用传统的齿轮、滚珠丝杠等。该方案具有以下特点：
（1）适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；
（2）由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉外调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机械手个被大量选用；
（3）滚珠丝杠传动时，传动效率高达0.9~0.98有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械手的动态特性和提高工作精度；具有很好的高速性能。只是在安装调试时有点难度。滚珠丝杠已经形成了标准化系列化的产品，易于购买降低成本。
3.1.2、液压动力源，采用液压传动
使用液动作为上升、平移和夹持的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：
2.1、 优点：
（1）液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手；缺点是维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。
（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）。。
（3）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；
（4）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；
（5）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（6）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；
（7）操纵控制简便，自动化程度高；
（8）容易实现过载保护;
（9）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。
2.2 缺点：
（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；
（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；
（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；
（4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作温度在-15℃~60℃范围内较合适。
（5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。
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