半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì),半導(dǎo)體,芯片,氣動(dòng),搬運(yùn),機(jī)械手,設(shè)計(jì) 芯片搬運(yùn)機(jī)械手PLC主要?jiǎng)幼魈菪螆D機(jī)械73 徐方舟 0751516 1. 主程序段節(jié)選2. 子程序梯形圖節(jié)選。I 江 南 大 學(xué) 太 湖 學(xué) 院 機(jī) 電 系 機(jī) 械 工 程 及 其 自 動(dòng) 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 、題目 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 由于本人曾在上海凱虹半導(dǎo)體電子公司暑期實(shí)習(xí)，一次在處 理 SONY 謀 型號(hào)六自由度機(jī)械手臂故障后，讓我感觸很深。Sony 該型號(hào)機(jī)械手臂造價(jià)昂貴，功能強(qiáng)大，但在 6 英寸單晶硅芯片的 生產(chǎn)線上用作簡單動(dòng)作的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手似乎有點(diǎn)大材小用，且運(yùn)營 維護(hù)成本也非常昂貴。為此，我設(shè)想研制一套由 PLC 控制的氣動(dòng) 機(jī)械手完成相同的動(dòng)作，從而降低生產(chǎn)成本。恰逢此次畢業(yè)設(shè)計(jì)， 和指導(dǎo)老師交流后，得到了老師的大力支持，他認(rèn)為此課題非常 具有可行性，且適合本人作為畢業(yè)設(shè)計(jì)。 本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中用于搬運(yùn) 8 英寸芯片的氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運(yùn) 等動(dòng)作，要求 結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速。 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 查閱資料，了解機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景. II 查閱資料，了解氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 根據(jù)生產(chǎn)需要完成氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 完成氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 完成氣動(dòng)機(jī)械手 PLC 電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù) 設(shè)計(jì)要求， 繪制氣動(dòng)原理圖一套， PLC 程序圖一套， 編 輯 PLC 程序，完成 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明書一份，要求一萬五千字以上。 查閱資料和參考文獻(xiàn)，翻譯有關(guān)氣動(dòng)方面的外文資料要求翻 譯一萬字以上。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 73 班 姓名 徐方舟 五、開始及完成日期： 自 2010 年 10 月 25 日 至 2011 年 5 月 22 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所所 長 簽名 系主任 簽名 2010 年 10 月 25 日 III 摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種用于半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中的搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械手實(shí)現(xiàn) 芯片的抓取、釋放以及搬運(yùn)等4個(gè)自由度的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速，安全可靠性 高。采用日本三菱公司的FX2N系列PLC對(duì)機(jī)械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行自動(dòng)化控制。利用可編程技術(shù)結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置控制機(jī)械手完成搬運(yùn)動(dòng)作，來配合 和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。該氣動(dòng)機(jī)械手作為特定工位的搬運(yùn)機(jī)械手，能夠取代國外進(jìn)口的 的多功能通用機(jī)械手，節(jié)約設(shè)備成本和維護(hù)成本80%以上，在自動(dòng)化生產(chǎn)國產(chǎn)化進(jìn)程中具 有積極的意義。 本人在實(shí)習(xí)單位的工作中發(fā)現(xiàn)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中為了便于實(shí)現(xiàn)柔性制造，大部分機(jī) 械手都是6自由度通用機(jī)械手，它采用模塊化安裝，改變工位動(dòng)作時(shí)只需改變相應(yīng)程序即 可。然而用通用機(jī)械手去執(zhí)行特定簡單工位的動(dòng)作，是一種生產(chǎn)資源的浪費(fèi)。在當(dāng)今社 會(huì)追求高效，節(jié)約的大環(huán)境下，本人結(jié)合工作實(shí)際設(shè)計(jì)了一款能滿足特殊工位使用的機(jī) 械手。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC ；氣動(dòng)控制； IV Abstract This paper show a Manipulator which is used for transport IC semiconductor chips. This mechanical arm can catch,release and transport the IC chips ,which is a 4-degree of freedom arm. It have a reasonably structured and a high safe reliability. The FX2N PLC which produced by Mitsubishi used to control the movements,such as up PLC; Pneumatic control V 目 錄 1 緒論 .1 1.1 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 .1 1.2 機(jī)械手的國內(nèi)外的發(fā)展概況 .1 1.2.1 機(jī)械手的發(fā)展史 .1 1.2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 .3 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 .5 2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù) .6 2.1 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) .6 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表 .7 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) .7 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 .7 3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .8 3.1 氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 .8 3.1.1 氣源裝置及輔件 .8 3.1.2 氣動(dòng)控制元件 .9 3.1.3 氣動(dòng)執(zhí)行元件 .10 3.2 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) .11 3.3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣缸的選用 .12 3.3.1 滑臺(tái)氣缸的選用 .13 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸的選用 .13 3.3.3 懸臂氣缸的選用 .14 3.3.4 升降氣缸的選用 .15 3.3.5 模塊化真空發(fā)生器和真空吸盤的選用 .16 4 機(jī)械手電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) .17 4.1 PLC 簡介 .17 4.1.1 PLC 內(nèi)部原理 .18 4.1.2 PLC 的工作原理 .20 4.1.3 PLC 機(jī)型的選擇方法 .22 4.1.4 機(jī)械手 PLC 選擇及參數(shù) .23 4.2 FX2N 系列 PLC.24 4.2.1 FX2N 基本指令運(yùn)用 .25 5 機(jī)械手典型動(dòng)作的 PLC 程序設(shè)計(jì) .27 5.1 電氣氣動(dòng)控制( PLC 控制)要求 .27 5.2 PLC 輸入、輸出點(diǎn)分配 .28 5.3 機(jī)械手關(guān)鍵步驟 PLC 程序 .30 6 結(jié)論與展望 .2 6.1 結(jié)論 .2 VI 6.2 不足之處及未來展望 .2 致 謝 .3 參考文獻(xiàn) .4 附錄 .5 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 基于 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)的意義 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要 求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī) 械手技術(shù)快速發(fā)展。 用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手。機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按 設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運(yùn)工件或工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。 在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 其中氣動(dòng)機(jī)械手采用 PLC 控制氣路及氣壓回路驅(qū)動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，在結(jié) 構(gòu)上，與其他類型的機(jī)械手相比，氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，其氣動(dòng)部件已 系列化和組立化，便于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且維護(hù)方便。由于氣動(dòng)機(jī)械手這些特點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械 手在生產(chǎn)過程自動(dòng)化中的應(yīng)用已日益廣泛。氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不 污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè) 部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及 氣動(dòng)機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣 動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國 家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高 及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。 由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作、 氣源使用方便、不污染環(huán)境、動(dòng)作靈活可靠、工作安全可靠，適用于需要模擬人的重復(fù) 動(dòng)作場(chǎng)合以及惡劣的工作環(huán)境中等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在沖壓加工、注塑、機(jī)床下料、 儀表電子、汽車航空及自動(dòng)化生產(chǎn)線中有著廣闊的應(yīng)用前景。 本文設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 控制的四自由度的氣動(dòng)機(jī)械手，用于半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生 產(chǎn)線中用于搬運(yùn) 8 英寸芯片的氣動(dòng)機(jī)械手，該氣動(dòng)機(jī)械手由氣控真空發(fā)生器、真空吸盤、 懸臂氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、底座滑臺(tái)氣缸等部分組成。運(yùn)用 PLC 可編程技術(shù)進(jìn)行控制，對(duì)氣 動(dòng)機(jī)械手完成生產(chǎn)物料運(yùn)輸搬運(yùn)工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。該氣動(dòng)機(jī)械手能放置在各種不 同的電子產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線或物流流水線中，使芯片盤的搬運(yùn)更快捷、便利、準(zhǔn)確、到位。 1.2 機(jī)械手的國內(nèi)外的發(fā)展概況 1.2.1 機(jī)械手的發(fā)展史 Mechanical hand，也被稱為自動(dòng)手，Auto hand，能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能， 用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī) 械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或 工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或 復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、 旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體， 需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大， 通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 23 個(gè)自由度。 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適 用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連 續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。 機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和 傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由 人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手 在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。 它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是 示教形的。 1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械 手。商名為 Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、 用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上 發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962 年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫 Vewrsatran 機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立 柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六 十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種 Unimate- Vicarm 型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè) 備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后 大力從事機(jī)械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn) 口 1。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要 是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力， 甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī) 能。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持 聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 3 1.2.2 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展史和發(fā)展前景 隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣 泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 近 20 年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛 應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式 更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了 更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論 的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng) 脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研 究。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近 30 多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20 世紀(jì) 70 年代， 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為 9:1，而 30 多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本 等國家，該比例已達(dá)到 6:4，甚至接近 5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá) 20%以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值 平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的 發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。 氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞或信號(hào) 傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。 大約開始于 1776 年，Johnwilkimson 發(fā)明能產(chǎn)生 1 個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。 1880 年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功地用到火車的制動(dòng)上。20 世 紀(jì) 30 年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。至 50 年 代初，大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60 年代，開始構(gòu)成工業(yè) 控制系統(tǒng)，自成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在 70 年代，由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù) 的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80 年代進(jìn)入氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí) 代。90 年代至今，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，人們克服了閥的 物理尺寸局限，真空技術(shù)日趨完美，高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問世，智能氣動(dòng)這一概念 產(chǎn)生，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位，智能閥島十分理想地解決 了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。 氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、 節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 氣動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式，現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn) 的閥島技術(shù)（可重復(fù)編程等），氣動(dòng)伺服系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)任意位置上的精確定位），在執(zhí)行 機(jī)構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。 90 年代初，由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院 YBando 教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電 子氣動(dòng)機(jī)器人“ 阿基里斯 ”六腳勘探員，是氣動(dòng)技術(shù)、 PLC 控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié) 合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物 ”。6 個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有 3 個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放 下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展/退回運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之 用。 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于 一體，成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問題 13。 Tron-X 電子氣動(dòng)機(jī)器人，能與人親切地握手，它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎 曲運(yùn)動(dòng)，并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下（或通過自身的編程控制）能 與人進(jìn)行對(duì)話，或作自我介紹等。Tron-X 電子氣動(dòng)機(jī)器人集電子技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和人工 智能為一體，它告訴我們，氣動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人中最難解決的靈活的自由度，具有 在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力 10。 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng) 磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量 輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、 易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電 行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械 手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定 位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的 氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過程的高度自動(dòng)化，堪稱是 最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。 在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電 子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以 看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送 到指定目標(biāo)位置。 氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工 業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和 擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。 此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié) 病床，Robodoc 機(jī)器人，da Vinci 外科手術(shù)機(jī)器人等。 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝 置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度 比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差 是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍， 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以 及氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越 來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化 拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更 具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 5 由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng) 度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化 氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的 應(yīng)用范圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 智能閥島的出現(xiàn)對(duì)提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支 持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型 CP 閥島，它對(duì)分散上的集 中控制起了十分重要的作用，特別對(duì)機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。 無給油化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不 加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石 墨材料）的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污 染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 機(jī)電氣一體化 由“可編程序控制器 -傳感器 -氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重 要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制” 進(jìn)入到 高精度的“反饋控制 ”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡 單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC 的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線 圈變得越來越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開 PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又 使 PLC 在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)及 氣動(dòng)機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣 動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨 著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國 家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高 及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于 氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見，在不久的將來，氣動(dòng)機(jī)械手將越來越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、 航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 本課題的任務(wù)是研制半導(dǎo)體芯片自動(dòng)化生產(chǎn)線中用于搬運(yùn)芯片的氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī) 械手要實(shí)現(xiàn)芯片的抓取、釋放、搬運(yùn)等動(dòng)作，要求結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作準(zhǔn)確迅速。本課題采 用日本三菱公司的 FX2N 系列 PLC，對(duì)機(jī)械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)以及芯片吸取運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行自動(dòng)化控制。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動(dòng)作， 來配合和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的要求。 由于時(shí)間倉促和個(gè)人水平限制，我的設(shè)計(jì)存在著許多還沒來得及解決的問題，希望 廣大老師、同學(xué)能夠給予批評(píng)指正并予以解決。 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 2 機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)與控制任務(wù) 2.1 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 根據(jù)任務(wù)要求，氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的是搬運(yùn)芯片，可以看成無負(fù)載（零負(fù)載） ，因此設(shè) 計(jì)氣動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)時(shí)只需注意機(jī)械手本身的強(qiáng)度，以及當(dāng)懸臂缸伸出到最大位置時(shí)， 支架底座能否承受該轉(zhuǎn)距而不傾倒。 如圖 2.1，待搬運(yùn)芯片放置于工位 A 的傳送托盤上，氣動(dòng)機(jī)械手的初始位置如圖，要 實(shí)現(xiàn)將芯片從工位 A 搬運(yùn)至工位 B，對(duì)機(jī)械手的自由度提出一定的要求。根據(jù)任務(wù)要求， 機(jī)械手要實(shí)現(xiàn) X 方向與 Y 方向的運(yùn)動(dòng)（ ）繞 Z 方向的旋轉(zhuǎn)（ ） ，同時(shí)在抓取過程YX, Z 中要實(shí)現(xiàn)手臂的升降 和吸放光盤的過程。所以確定該機(jī)械手是一個(gè) 4 自由度的機(jī)械手。Z 圖 2.1 任務(wù)要求 假設(shè)要實(shí)現(xiàn)將芯片從工位 A 搬至工位 B，開始時(shí)機(jī)械手處于初始位置，即要實(shí)現(xiàn)動(dòng) 作如下圖所示： 初始位 置 右移 懸臂伸 出 下降 吸片 上升 回轉(zhuǎn)（逆時(shí)針） 下降放片上升懸臂縮 回 左移 回轉(zhuǎn)（順時(shí)針） 圖 2.2 氣缸動(dòng)作圖 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 7 2.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)列表 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 4631234578910 1. 真空吸盤 2. 真空發(fā)生器 3. 升降缸與真空發(fā)生器的連接法蘭 4. 升降缸 5. 伸縮缸與旋轉(zhuǎn)氣缸的連接法蘭 6. 旋轉(zhuǎn)氣缸 7. 旋轉(zhuǎn)氣缸與鋁合金型材立柱的連接法蘭 8. 鋁合金型材立柱 9. 角鐵 10. 底座 2.2.1 氣動(dòng)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一、用途：搬運(yùn)半導(dǎo)體芯片 二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1. 自由度數(shù):4個(gè)自由度 2. 座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo) 3. 最大工作半徑:300mm 4. 手臂最大中心高:463mm 5. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程：300mm 伸縮速度：53mm/s 升降行程：100mm 升降速度：80mm/s 回轉(zhuǎn)范圍: -180180 圖 2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 3 機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要實(shí)現(xiàn)上述機(jī)械手控制動(dòng)作，機(jī)械手的控制部分包括氣動(dòng)與 PLC 控制部分。其動(dòng)作 是靠氣動(dòng)裝置來完成的。 3.1 氣壓傳動(dòng)的組成及工作原理 氣壓傳動(dòng)，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的一門技術(shù)。氣壓傳 動(dòng)的工作原理是利用空壓機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能， 然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī) 械能，從而完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功 11。 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是： (1) 氣源裝置 獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)?氣體的壓力能； 氣源裝置的組成： A. 空氣壓縮機(jī)（氣源部分） 空氣壓縮機(jī)是氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，它將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣壓能輸送給氣動(dòng) 系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用的是活塞式低壓空壓機(jī)。是一種容積式空氣壓縮機(jī)，是通過機(jī)件的運(yùn) 動(dòng)，使密封容積發(fā)生周期性大小的變化，從而完成對(duì)空氣的吸入和壓縮過程。 B. 氣源凈化處理裝置 (2) 控制元件 用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循 環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等； (3) 執(zhí)行元件 氣動(dòng)執(zhí)行元件是以壓縮空氣為動(dòng)力源，將氣體的壓力能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械 能的裝置，用來實(shí)現(xiàn)既定的工況動(dòng)作。包括氣缸、氣馬達(dá)、擺動(dòng)馬達(dá)； (4) 輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過 濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。 3.1.1 氣源裝置及輔件 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的氣源裝置是為氣動(dòng)系統(tǒng)提供滿足一定質(zhì)量要求的壓縮空氣，它是 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，必須經(jīng)過降溫、凈化、 減壓、穩(wěn)壓等一系列處理后，才能供給控制元件和執(zhí)行元件使用。而用過的壓縮空氣排 向大氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲，應(yīng)采取措施，降低噪聲，改善勞動(dòng)條件和環(huán)境質(zhì)量。 對(duì)壓縮空氣的要求 (1) 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量。 (2) 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度。清潔度是指氣源中含油量，含灰塵雜質(zhì) 的質(zhì)量及顆粒大小都要控制在很低范圍內(nèi)。干燥度是指壓縮空氣中含水量的多少，氣動(dòng) 裝置要求壓縮空氣的含水量越低越好。 混在壓縮空氣中的油蒸氣可能聚集在貯氣罐、管道、氣動(dòng)系統(tǒng)的容器中，有引起爆炸 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 9 的危險(xiǎn)或影響設(shè)備的壽命。 (3) 壓縮空氣中含有的飽和水分，在一定的條件下會(huì)凝結(jié)成水，并聚集在個(gè)別管道中。 在寒冷的冬季，凝結(jié)的水會(huì)使管道及附件結(jié)冰而損壞，影響氣動(dòng)裝置的正常工作。 (4) 壓縮空氣中的灰塵等雜質(zhì)，對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)副 會(huì)產(chǎn)生研磨作用，使這些元件因漏氣而降低效率，影響它的使用壽命。 因此氣源裝置必須設(shè)置一些除油、除水、除塵，并使壓縮空氣干燥，提高壓縮空氣 質(zhì)量，進(jìn)行氣源凈化處理的輔助設(shè)備。 氣動(dòng)三聯(lián)件（圖 3- 1）一般指空氣過濾器、減壓閥、油霧器，有些 品牌的電磁閥和氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)無油潤滑（靠潤滑脂實(shí)現(xiàn)潤滑功能） ，便不 需要使用油霧器！空氣過濾器和減壓閥組合在一起可以稱為氣動(dòng)二聯(lián)件。 還可以將空氣過濾器和減壓閥集裝在一起，便成為過濾減壓閥（功能與 空氣過濾器和減壓閥結(jié)合起來使用一樣） 。有些場(chǎng)合不能允許壓縮空氣中 存在油霧，則需要使用油霧分離器將壓縮空氣中的油霧過濾掉?？傊?， 這幾個(gè)元件可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，并可以將他們組合起來使用。 氣動(dòng)輔件 (1)消聲器 在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)之中，氣缸、氣閥等元件工作時(shí)，排氣速度較高，氣體體積急劇膨 脹，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲。噪聲的強(qiáng)弱隨排氣的速度、排量和空氣 通道的形狀而變化。排氣的速度和功率越大，噪聲也越大，一般 可達(dá) 100120dB，為了降低噪聲可以在排氣口裝消聲器（圖 3- 1- 2） 。 消聲器就是通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣速度和功率， 從而降低噪聲的。氣動(dòng)元件使用的消聲器一般由三種類型：吸收 型消聲器、膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器。 (2)管道連接件 管道連接件包括管子和各種管接頭。有了管子和各種管接頭，才能把氣動(dòng)控制元件、 氣動(dòng)執(zhí)行元件以及輔助元件等連接成一個(gè)完整的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，實(shí)際應(yīng)用中，管 道連接件是不可缺少的。 管子可分為硬管和軟管兩種。如總氣管和支氣管等一些固定不動(dòng)的、不需要經(jīng)常裝 拆的地方，使用硬管。連接運(yùn)動(dòng)部件、臨時(shí)使用、希望裝拆方便的管路應(yīng)使用軟管。硬 管有鐵管、銅管、黃銅管、紫銅管和硬塑料管等；軟管有塑料管、尼龍管、橡膠管、金 屬編織塑料管以及撓性金屬導(dǎo)管等等。常用的是紫銅管和尼龍管。 氣動(dòng)系統(tǒng)中使用的管接頭的結(jié)構(gòu)及工作原理與液壓管接頭 基本相似；分為卡套式、擴(kuò)口螺紋式、卡箍式、插入快換式等。 3.1.2 氣動(dòng)控制元件 在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，氣動(dòng)控制元件是控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的 壓力、流量和方向的各類控制閥，其作用是保證氣動(dòng)執(zhí)行元件 圖 3- 1 三聯(lián)件 圖 3- 2-2 消聲器 圖 3- 3-2.2 方向控制閥 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 （如氣缸、氣馬達(dá)等）按設(shè)計(jì)的程序正常地進(jìn)行工作。 氣壓控制閥按作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。(圖 3- 4-2.2) 3.1.3 氣動(dòng)執(zhí)行元件 氣動(dòng)執(zhí)行元件包括氣缸和氣馬達(dá)。 (1)氣缸 氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一。除幾種特殊氣缸外，普通 氣缸其種類及結(jié)構(gòu)形式與液壓缸基本相同。目前最常選用的是標(biāo) 準(zhǔn)氣缸（圖 3-1-3） ，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)都已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。 QGA 系列為無緩沖普通氣缸；QGB 系列為有緩沖普通氣缸。 其它幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸、薄膜式氣缸和 沖擊式氣缸等。 a. 氣液阻尼缸 普通氣缸工作時(shí)，由于氣體的壓縮性，當(dāng)外部載荷變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“爬行” 或“自 走”現(xiàn)象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，普遍采用氣-液阻尼缸。 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成。利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來獲 得活塞的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速度。它將油缸和氣缸串聯(lián)成一個(gè)整體，兩個(gè)活塞 固定在一根活塞桿上。 b. 薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動(dòng)活塞桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。它由 缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式 和雙作用式兩種。 薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式。膜片形式為夾織物橡膠、 鋼片或磷青銅片。常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為 56mm，有時(shí)也可用 13mm。金 屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中。 薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造容易、成本低、維修 方便、壽命長、泄漏小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是膜片的變形量有限，故其行程短（一般不 超過 4050mm） ，且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小。 c. 沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊 力的一種特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增加了一個(gè)具有一定容積 的蓄能腔和噴嘴。 (2)氣馬達(dá) 氣馬達(dá)也是氣動(dòng)執(zhí)行元件的一種。它的作用相當(dāng)于電 動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)。即輸出力矩，拖動(dòng)機(jī)構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 氣馬達(dá)按結(jié)構(gòu)形式可分為：葉片式氣馬達(dá)、活塞式氣馬達(dá) 和齒輪式氣馬達(dá)等。最為常見的是活塞式氣馬達(dá)（圖 3-1- 4） 和葉片式氣馬達(dá)。葉片式氣馬達(dá)制造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊， 圖 3-1-3 標(biāo)準(zhǔn)氣缸 圖 3-1-4 活塞式氣馬達(dá) 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 11 但低速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、低速性能不好，適由于中低功率的機(jī)械，目前在礦山及風(fēng)動(dòng)工具中 應(yīng)用普遍?；钊綒怦R達(dá)在低速情況下有較大的輸出功率，它的低速性能好，適宜于載 荷較大和要求低速轉(zhuǎn)矩的機(jī)械，如起重機(jī)、鉸車、鉸盤、拉管機(jī)等。 本設(shè)計(jì)采用雙作用氣缸和單作用氣缸。單作用氣缸，壓縮空氣僅作用在氣缸活塞的 一側(cè)，另一側(cè)則與大氣相通。氣缸只在一個(gè)方向上做功，氣缸活塞在復(fù)位彈簧或外力作 用下復(fù)位。在無負(fù)載情況下，彈簧力使氣缸活塞以較快速度回到初始位置。復(fù)位力大小 由彈簧自由長度決定， 雙作用氣缸在壓縮空氣作用下，雙作用氣缸活塞桿既可以伸出，也可以回縮。通過 緩沖調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)其終端緩沖。氣缸活塞上永久磁環(huán)可用于驅(qū)動(dòng)行程開關(guān)動(dòng)作。 (2)氣動(dòng)人工肌肉 氣動(dòng)人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉動(dòng)作， 其過程就像人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。它可以提供很大的力量，而重量卻 比較小，最小的氣動(dòng)人工肌肉重量只有 10g。氣動(dòng)人工肌肉會(huì)在 達(dá)到推拉極限時(shí)自動(dòng)制動(dòng)，不會(huì)突破預(yù)定的范圍。多個(gè)氣動(dòng)人工 肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。如圖 3-1-5 3.2 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) (1) 工作介質(zhì)是空氣，取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動(dòng)通道，用過后可將其 隨時(shí)排入大氣中，不污染環(huán)境。 (2) 空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。且溫 度變化時(shí)，對(duì)空氣的粘度影響極小，故不會(huì)影響傳動(dòng)性能。 (3) 空氣的粘度很?。s為液壓油的萬分之一） ，所以流動(dòng)阻力小，在管道中流動(dòng)的 壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。 (4) 相對(duì)液壓傳動(dòng)而言，氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，一般只需 0.020.3 秒就可達(dá)到工 作壓力和速度。液壓油在管路中流動(dòng)速度一般為 15m/s，而氣體的流速最小也大于 10m/s，有時(shí)甚至達(dá)到音速，排氣時(shí)還達(dá)到超音速。 (5) 氣體壓力具有較強(qiáng)的自保持能力，即使壓縮機(jī)停機(jī)，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可 以維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器， 而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。 (6) 氣動(dòng)元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運(yùn)行百萬次，而氣動(dòng)元件可運(yùn)行 20004000 萬次。 (7) 工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境 中，比液壓、電子、電氣傳動(dòng)和控制優(yōu)越。 (8) 氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便、過載能自動(dòng)保護(hù)。 缺點(diǎn) (1) 因空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性較差。 (2)氣動(dòng)裝置工作壓力低，輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓 圖 3-1-5 氣動(dòng)人工肌肉 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置輸出的力要小得多。 (3) 氣動(dòng)裝置中的信號(hào)傳動(dòng)速度比光、電控制速度慢，所以不宜于信號(hào)傳遞速度要求 十分高的復(fù)雜線路中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的遙控也比較困難，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備，氣 動(dòng)信號(hào)的傳遞速度是能滿足工作要求的。 (4) 噪聲較大，尤其是在超音速排氣時(shí)要加消聲器。 3.3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣缸的選用 根據(jù)上述氣動(dòng)機(jī)械手的任務(wù)要求我主要選擇了由 5 個(gè)氣缸加上相應(yīng)的限位開關(guān)來實(shí) 現(xiàn)它的動(dòng)作要求，這 5 個(gè)缸及其作用分別是： 1 滑臺(tái)氣缸 方向移動(dòng)（左右）X 2 旋轉(zhuǎn)氣缸 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（順逆）Z 3 懸臂氣缸 方向移動(dòng)（前后）Y 4 升降氣缸 方向移動(dòng)（上下）z 5 模塊化真空發(fā)生器（真空吸盤） 吸放芯片 根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作要求和PLC所具有的控制特點(diǎn), 整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)就是要對(duì)4個(gè)氣缸和 一個(gè)真空發(fā)生器的動(dòng)作進(jìn)行順序控制, 這里采用了 4個(gè)兩位五通電磁氣閥組成的閥島的主 控閥和一個(gè)模塊化真空發(fā)生器。另外, 為便于控制各動(dòng)作的速度, 各氣路安裝了可調(diào)單向 節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速。機(jī)械手的氣動(dòng)原理如 圖3.2 所示。 圖 3.2 氣動(dòng)原理圖 半導(dǎo)體芯片氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 13 3.3.1 滑臺(tái)氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，滑臺(tái)氣缸使機(jī)械手完成 方向移動(dòng)，行程為 100mm，由于此滑臺(tái)氣X 缸作為機(jī)械手底座，所以還需要承受一定的重量。故選用 FESTO 雙活塞滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元 SPZ（如圖 3.3.1） 。該型號(hào)雙活塞滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元有以下優(yōu)點(diǎn)： a. 扭轉(zhuǎn)剛度極大，可承受較大作用力 b. 活塞桿間距較大，承載能力強(qiáng) c. 內(nèi)含滑動(dòng)軸承或循環(huán)滾珠，軸承導(dǎo)向裝置 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，旋轉(zhuǎn)氣缸完成 方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Z （順逆） ，由于此機(jī)械手只有兩個(gè)工位，且相互成 180， 沒有分度要求，故選用 FESTO 生產(chǎn)的 DRQD 系列雙 活塞擺動(dòng)氣缸 DRQD-B-20。如圖 3.3.2 選型計(jì)算過程如下： 經(jīng)計(jì)算該旋轉(zhuǎn)氣缸需要承受懸臂氣缸，升降氣缸，真空發(fā)生器吸盤以及芯片的所有重 量之和，總計(jì)約 1000g。安全系數(shù)為 2。故得靜態(tài)垂直于法蘭盤的軸向壓力 Fx,push=20N。 假設(shè)安裝懸臂時(shí)懸臂氣缸重心不與法蘭盤中心軸線重合，作用點(diǎn)距離法蘭盤中心軸線 V=100mm。又查表得 DNC-32-300 氣缸的缸蓋最大尺寸為 45mm，得活塞桿軸線中心高為 22.5mm，即徑向力作用距離 Z=22.5mm。初選型號(hào)為 DRQD-B-20 把 Fx,push=20N，V=100mm 帶入圖表 3.3.2a/b 查詢得 Fx,push,max 靜=200N 遠(yuǎn)大于 Fx,push=20N Fx,push,max 動(dòng)=40N ； 大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 軸向推力滿足設(shè)計(jì)需要。 圖 3.3.1 滑臺(tái)氣缸 圖 3.3.2 旋轉(zhuǎn)氣缸 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 把 Z=22.5mm 帶入圖表 3.3.2c/d 查詢曲線 DRQD-B-20，得： Fy,max 靜=650N 遠(yuǎn)大于 Fy,push=20N Fy,max 動(dòng)=110N； 遠(yuǎn)大于 Fx,push=20N 所以，DRQD-B-20 徑向力滿足設(shè)計(jì)需要。 3.3.3 懸臂氣缸的選用 根據(jù)任務(wù)要求，懸臂氣缸使機(jī)械手完成 方向移動(dòng)，行程為 300mm，由于此懸臂氣缸Y 作為機(jī)械手懸臂，所以還需要考慮懸臂端承受的重量（按 1000g 計(jì)算）