2881 基于PLC的自动化车间物料搬运装置的控制设计

2881 基于PLC的自动化车间物料搬运装置的控制设计,基于,plc,自动化,车间,物料,搬运,装置,控制,节制,设计 山东理工大学毕业设计（论文）题 目： 搬运机械手及其 控制系统设计 学 院 ： 机 械 工 程 学 院 专 业 ： 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学 生 姓 名 ： 赵文华 指 导 教 师 ： 董 爱 梅 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 时 间 ： 二 九 年 3 月 23 日 6 月 14 日 共 12 周中 文 摘 要- I -摘 要近 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。本 课 题 设 计 源 于 生 产 线 中 的 搬 运 站 ， 传 动 方 式 采 用 气 压 传 动 ， 即 用 各 种气 缸 来 控 制 机 械 手 的 动 作 ， 控 制 部 分 结 合 可 编 程 控 制 技 术 编 写 程 序 进 行 控制 来 实 现 两 站 之 间 的 搬 运 。机 械 手 主 要 由 手 部 、 运 动 机 构 和 控 制 系 统 三 大 部 分 组 成 。 手 部 是 用 来 抓持 工 件 （ 或 工 具 ） 的 部 件 ， 根 据 被 抓 持 物 件 的 形 状 、 尺 寸 、 重 量 、 材 料 和 作业 要 求 而 有 多 种 结 构 形 式 ， 如 夹 持 型 、 托 持 型 和 吸 附 型 等 。 运 动 机 构 ， 使 手部 完 成 各 种 转 动 （ 摆 动 ） 、 移 动 或 复 合 运 动 来 实 现 规 定 的 动 作 ， 改 变 被 抓 持物 件 的 位 置 和 姿 势 。 运 动 机 构 的 升 降 、 伸 缩 、 旋 转 等 独 立 运 动 方 式 ， 称 为 机械 手 的 自 由 度 。 本 课 题 中 设 计 的 搬 运 机 械 手 主 要 有 旋 转 、 伸 缩 、 升 降 、 夹紧 四 个 自 由 度 组 成 。课 题 从 机 械 部 分 、 气 动 部 分 和 控 制 三 部 分 对 气 动 机 械 手 进 行 设 计 ， 要求 机 械 手 实 现 上 下 站 之 间 的 搬 运 功 能 。 机 械 部 分 重 点 是 总 体 结 构 的 设 计 、 各个 气 缸 的 选 择 和 安 装 设 计 、 各 零 部 件 的 结 构 设 计 等 ， 气 动 部 分 主 要 是 给 出 了搬 运 机 械 手 的 气 动 原 理 图 ， 而 控 制 部 分 则 主 要 是 程 序 的 设 计 和 调 试 ， 论 文采 用 西 门 子 （ S7-200） 指 令 编 程 ， 给 出 了 相 应 的 梯 形 图 、 语 句 表 和 简 单 的流 程 图 。由 于 气 动 机 械 手 有 结 构 简 单 、 易 实 现 无 级 调 速 、 易 实 现 过 载 保 护 、 易 实现 复 杂 的 动 作 等 诸 多 独 特 的 优 点 ， 气 动 机 械 手 正 在 向 重 复 高 精 度 ， 模 块化 ， 无 给 油 化 ， 机 电 气 一 体 化 方 向 发 展 。 可 以 预 见 ， 在 不 久 的 将 来 ， 气 动机 械 手 将 越 来 越 广 泛 地 进 人 工 业 、 军 事 、 航 空 、 医 疗 、 生 活 等 领 域 。关键词：可编程控制器，柔性自动生产线，自由度，梯形图 IIAbstractOver the past 20 years, the field of pneumatic technology expand rapidly,which is widely used in a diverse array of automated production line especially.The combine of electrical programmable technology and pneumatic control technology makes the whole system a higher degree of automation, more flexible control and more reliable performance;The rapid develop of pneumatic manipulator and flexible automated production lines requier much more to the development of pneumatic technology . This topic originated from the handling station of the production line;The drive is used pressure transmission, which uses a variety of cylinder to control the robots movement and the control parts combining the programmable control technology make a programme to achieve the control of the transportation between the two places. Manipulator is competed by three major parts including hand, sports bodies and control system. Task of hand is to hold the workpiece (or tool) of the components.According to the grasping objects shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands a variety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.The movement part can complete the prescriptive move and achieve the change of the site and gesture of the grasping objects by varies rotating(twisting),moving or complex movements on hand. The independence movements such as the rise and fall of body, stretching and rotating manner are called the free degrees of manipulator. The handling manipulator of the topic composites four free degrees which are rotation, stretching, lifting and clapingThe pneumatic manipulator design is desided from three parts in chuding the mechanical parts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and down between the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of overall structure , the choice of each cylinder and installation design, structural design of various components etc; pneumatic part is given the pneumatic manipulator handling schematics, and the control part of the procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens (S7-200) instructions program,giving the corresponding ladder diagram, statement forms and IIIsimple flow chart. Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve the stepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number of complex movements,the pneumatic manipulator is developing to the repeat-high-precision, modular, non-oil and electrical integration direction. It is foreseeable that in the near future, pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military, aviation, medical, and other areas of life. Keywords:PLC, flexible automated production lines, free degree, Ladder Diagram目 录- IV -目 录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . 目 录 . IV第一章 引 言 . 11.1 课题的背景和意义 . 11.2 课题国内外发展现状 . 2第二章 总体方案确定 . 42.1 总体方案论证 . 42.1.1 机 械 手 手 臂 结 构 方 案 设 计 . 42.1.2 机 械 手 驱 动 方 案 设 计 . 42.1.3 机 械 手 控 制 方 案 设 计 . 52.1.4 机 械 手 主 要 参 数 . 52.1.5 机 械 手 的 技 术 参 数 列 表 . 6第三章 机械手总体结构设计 . 73.1 动作工况与分析 . 73.2 机械手各部分结构设计 . 83.2.1 机 械 手 底 座 的 设 计 . 83.2.2 立 柱 结 构 的 设 计 . 83.2.3 轴 承 的 选 择 . 93.2.4 上 轴 承 座 的 选 择 . 103.2.5 下 轴 承 座 的 选 择 . 113.2.6 大 臂 的 结 构 设 计 . 123.2.7 小 臂 的 结 构 设 计 . 123.2.8 气 爪 的 结 构 设 计 . 123.2.9 手 部 夹 紧 气 缸 设 计 计 算 . 143.2.10 升 降 气 缸 设 计 计 算 . 18目 录- V -3.2.11 伸 缩 气 缸 设 计 计 算 . 223.2.12 回 转 气 缸 设 计 计 算 . 25第四章 气动部分设计 . 28第五章 PLC 控制部分设计 . 305.1 电磁铁动作顺序 . 305.2 I/O 分配 . 305.3 PLC 控制梯形图 . 315.4 PLC 控制程序指令 . 32结论 . 37参考文献 . 38致谢及声明 . 39第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题的背景和意义近 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。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些动 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 运 物 件 或 操 作 工 具 的 自 动 操 作 装 置 。 它可 代 替 人 的 繁 重 劳 动 以 实 现 生 产 的 机 械 化 和 自 动 化 ， 能 在 有 害 环 境 下 操 作 以保 护 人 身 安 全 ， 因 而 广 泛 应 用 于 机 械 制 造 、 冶 金 、 电 子 、 轻 工 和 原 子 能 等 部门 。通用机械手因具有独立的控制系统、程序可变、可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。近年来随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已越来越多地应用于机械手中，构成气动机械手。气动机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升、下降和左移、右移分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动、转动、抓取等动作。本课题来源于实验课题，模拟生产线由六站组成，各站可独立，可容易的连接在一起组成一条自动加工生产线，。该课题要求设计搬运站，搬运机械手将工件从上料检测站搬至加工站。搬运过程中能实现抓取、提升、回转、下降、松开等动作，且动作顺序、动作速度可调。用气动驱动，PLC 控制。包括总体设计，各执行机构设计，气动系统设计、计算，控制系统设计。技术要求有以下几点：a.装卸、调整方便；b.结构简单，工作安全可靠；c.设计合理，尽量使用标准件，以降低制造成本；d.用 PLC 对机械手进行控制。总体设计思路：a.确定总体结构的组成、框架及各部分的功能与工作目标。b.根据设计任务书的要求，初步计算各工艺参数和结构参数。第一章 引 言- 2 -c.设计机体分级部分的结构及主要零件结构。d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度，检查其加工工艺性和装配工艺性。e.保证与其它部分的接口合理。f.根据设计结果，修正设计参数。1.2 课题国内外发展现状国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:a.工业机器人性能不断提高(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，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。b.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。c.工业机器人控制系统向基于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。d.机器人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、力觉等传感器，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。e.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、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机器人。f.当代遥控机器人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，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。g.机 器 人 化 机 械 开 始 兴 起 。 从 94 年 美 国 开 发 出 “虚 拟 轴 机 床 ”以 来 ，这 种 新 型 装 置 已 成 为 国 际 研 究 的 热 点 之 一 ， 纷 纷 探 索 开 拓 其 实 际 应 用 的 领 域 。我 国 的 工 业 机 器 人 从 80 年 代 “七 五 ”科 技 攻 关 开 始 起 步 ， 在 国 家 的 支 持 下 ，通 过 “七 五 ”、 “八 五 ”科 技 攻 关 ， 目 前 己 基 本 掌 握 了 机 器 人 操 作 机 的 设 计制 造 技 术 、 控 制 系 统 硬 件 和 软 件 设 计 技 术 、 运 动 学 和 轨 迹 规 划 技 术 ， 生 产 了部 分 机 器 人 关 键 元 器 件 ， 开 发 出 喷 漆 、 弧 焊 、 点 焊 、 装 配 、 搬 运 等 机 器 人 ;其第一章 引 言- 3 -中 有 130 多 台 套 喷 漆 机 器 人 在 二 十 余 家 企 业 的 近 30 条 自 动 喷 漆 生 产 线 (站 )上获 得 规 模 应 用 ， 弧 焊 机 器 人 己 应 用 在 汽 车 制 造 厂 的 焊 装 线 上 。 但 总 的 来 看 ，我 国 的 工 业 机 器 人 技 术 及 其 工 程 应 用 的 水 平 和 国 外 比 还 有 一 定 的 距 离 ， 如 :可靠 性 低 于 国 外 产 品 :机 器 人 应 用 工 程 起 步 较 晚 ， 应 用 领 域 窄 ， 生 产 线 系 统 技术 与 国 外 比 有 差 距 ;在 应 用 规 模 上 ， 我 国 己 安 装 的 国 产 工 业 机 器 人 约 200台 ， 约 占 全 球 已 安 装 台 数 的 万 分 之 四 。 以 上 原 因 主 要 是 没 有 形 成 机 器 人 产 业 ，当 前 我 国 的 机 器 人 生 产 都 是 应 用 户 的 要 求 ， “一 客 户 ， 一 次 重 新 设 计 ”，品 种 规 格 多 、 批 量 小 、 零 部 件 通 用 化 程 度 低 、 供 货 周 期 长 、 成 本 也 不 低 ， 而且 质 量 、 可 靠 性 不 稳 定 。 因 此 迫 切 需 要 解 决 产 业 化 前 期 的 关 键 技 术 ， 对 产 品进 行 全 面 规 划 ， 搞 好 系 列 化 、 通 用 化 、 模 块 化 设 计 ， 积 极 推 进 产 业 化 进 程 .我国 的 智 能 机 器 人 和 特 种 机 器 人 在 “863”计 划 的 支 持 下 ， 也 取 得 了 不 少 成 果 。其 中 最 为 突 出 的 是 水 下 机 器 人 ， 6000m 水 下 无 缆 机 器 人 的 成 果 居 世 界 领 先 水平 ， 还 开 发 出 直 接 遥 控 机 器 人 、 双 臂 协 调 控 制 机 器 人 、 爬 壁 机 器 人 、 管 道 机器 人 等 机 种 :在 机 器 人 视 觉 、 力 觉 、 触 觉 、 声 觉 等 基 础 技 术 的 开 发 应 用 上 开展 了 不 少 工 作 ， 有 了 一 定 的 发 展 基 础 。 但 是 在 多 传 感 器 信 息 融 合 控 制 技 术 、遥 控 加 局 部 自 主 系 统 遥 控 机 器 人 、 智 能 装 配 机 器 人 、 机 器 人 化 机 械 等 的 开 发应 用 方 面 则 刚 刚 起 步 ， 与 国 外 先 进 水 平 差 距 较 大 ， 需 要 在 原 有 成 绩 的 基 础 上 ，有 重 点 地 系 统 攻 关 ， 才 能 形 成 系 统 配 套 可 供 实 用 的 技 术 和 产 品 ， 以 期 在“十 五 ”后 期 立 于 世 界 先 进 行 列 之 中 。第 二 章 总 体 方 案 确 定- 4 -第二章 总体方案确定2.1 总体方案论证机 械 手 主 要 由 执 行 机 构 、 驱 动 系 统 、 控 制 系 统 以 及 位 置 检 测 装 置 等 所 组成 。对 气 动 机 械 手 的 基 本 要 求 是 能 快 速 、 准 确 地 拾 一 放 和 搬 运 物 件 ， 这 就 要求 它 们 具 有 高 精 度 、 快 速 反 应 、 一 定 的 承 载 能 力 、 足 够 的 工 作 空 间 和 灵 活 的自 由 度 及 在 任 意 位 置 都 能 自 动 定 位 等 特 性 。 设 计 气 动 机 械 手 的 原 则 是 :充分 分 析 作 业 对 象 (工 件 )的 作 业 技 术 要 求 ， 拟 定 最 合 理 的 作 业 工 序 和 工 艺 ，并 满 足 系 统 功 能 要 求 和 环 境 条 件 ;明 确 工 件 的 结 构 形 状 和 材 料 特 性 ， 定 位 精度 要 求 ， 抓 取 、 搬 运 时 的 受 力 特 性 、 尺 寸 和 质 量 参 数 等 ， 从 而 进 一 步 确 定 对机 械 手 结 构 及 运 行 控 制 的 要 求 ;尽 量 选 用 定 型 的 标 准 件 ， 简 化 设 计 制 造 过 程 ，兼 顾 通 用 性 和 专 用 性 ， 并 能 实 现 柔 性 转 换 和 编 程 控 制 .本 次 设 计 的 机 械 手是 通 用 气 动 机 械 手 ， 是 一 种 适 合 于 小 批 生 产 的 、 可 以 变 动 作 程 序 的 自 动 搬 运或 操 作 设 备 生 产 场 合 。2.1.1 机械手手臂结构方案设计按 照 抓 取 工 件 的 要 求 ， 本 机 械 手 的 手 臂 有 四 个 自 由 度 ， 即 手 臂 的 夹 紧 、左 右 回 转 、 左 右 伸 缩 和 升 降 运 动 。 手 臂 的 回 转 和 升 降 运 动 是 通 过 立 柱 来 实 现的 ， 立 柱 的 横 向 移 动 即 为 手 臂 的 手 臂 的 左 右 伸 缩 ， 手 臂 的 各 种 运 动 由 气 缸 来实 现2.1.2 机械手驱动方案设计气 压 传 动 的 优 点 ：1.对 于 传 动 形 式 而 言 ， 气 缸 作 为 线 性 驱 动 器 可 在 空 间 的 任 意 位 置 组 建 它所 需 的 运 动 轨 迹 ， 安 装 维 护 简 单 ；2 工 作 介 质 是 取 之 不 尽 、 用 之 不 竭 的 空 气 ， 空 气 本 身 不 花 钱 。 排 气 处理 简 单 ， 不 污 染 环 境 ， 成 本 低 。 压 力 等 级 低 ， 使 用 安 全 ；3.气 缸 动 作 速 度 一 般 为 50 500mm/s， 比 液 压 和 电 气 方 式 的 动 作 速 度快 ， 其 间 ， 通 过 单 向 节 流 阀 ， 可 使 气 缸 速 度 无 级 调 节 ；第 二 章 总 体 方 案 确 定- 5 -4.可 靠 性 高 ， 使 用 寿 命 长 。 电 器 元 件 的 有 效 动 作 数 约 为 数 百 万 次 ， 而 进口 的 一 般 电 磁 阀 的 寿 命 大 于 3000 万 次 ， 小 型 阀 超 过 一 亿 次 ；5 利 用 空 气 的 可 压 缩 性 ， 可 储 存 能 量 ， 实 现 集 中 供 气 ；6.全 气 动 控 制 具 有 防 火 、 防 爆 、 耐 潮 的 能 力 。 与 液 压 方 式 相 比 ， 气 动 方式 可 在 高 温 场 合 使 用 ；7.由 于 空 气 损 失 小 ， 压 缩 空 气 可 集 中 供 应 ， 远 距 离 输 送 。根 据 以 上 优 点 可 知 道 气 压 传 动 系 统 的 动 作 迅 速 ， 反 应 灵 敏 ， 阻 力 损 失 和泄 漏 较 小 ， 成 本 低 廉 因 此 本 机 械 手 采 用 气 压 传 动 方 式 。2.1.3 机械手控制方案设计综 合 分 析 机 械 手 的 动 作 要 求 ， PLC 在 机 械 手 中 需 要 完 成 的 控 制 功 能 较多 ， 控 制 精 度 较 高 ， 运 算 速 度 较 快 且 具 有 数 据 处 理 能 力 ， 并 考 虑 整 个 系 统 的经 济 和 技 术 指 标 ， 由 于 PLC 的 输 出 电 流 较 小 ， 需 要 用 功 率 模 块 来 控 制 比 例液 压 阀 ， 选 用 西 门 子 公 司 的 S7-200 系 CPU226 型 PLC， 其 I O 功 能 和 指令 系 统 都 能 满 足 对 该 机 械 手 的 控 制 要 求 。 控 制 按 钮 、 各 处 的 行 程 开 关 及 压 力继 电 器 等 开 关 量 信 号 直 接 与 PLC 的 输 入 端 子 相 连 ， PLC 的 开 关 量 输 出 端 子直 接 与 各 个 电 磁 阀 相 连 ， 用 PLC 上 所 带 的 24V 电 源 或 外 接 24V 电 源 驱 动 ，采 用 编 程 软 件 (STEP 7-Micro WIN V4 4 版 )进 行 编 程 和 运 行 监 控 。2.1.4 机械手主要参数a.主 参 数机 械 手 的 最 大 抓 重 是 其 规 格 的 主 参 数 ， 本 设 计 机 械 手 最 大 抓 重 以 1kg为 数 最 多 。 故 该 机 械 手 主 参 数 定 为 1kg。 b.基 本 参 数运 动 速 度 是 机 械 手 主 要 的 基 本 参 数 。 操 作 节 拍 对 机 械 手 速 度 提 出 了 要 求 ，设 计 速 度 过 低 限 制 了 它 的 使 用 范 围 。 而 影 响 机 械 手 动 作 快 慢 的 主 要 因 素 是 手臂 回 转 的 速 度 。该 机 械 手 最 大 升 降 速 度 设 计 为 100mm/s， 最 大 回 转 速 度 设 计 为 450/s。 平 均 升 降 速 度 为 80m/s， 平 均 回 转 速 度 为 90/s。第 二 章 总 体 方 案 确 定- 6 -2.1.5 机械手的技术参数列表A.设 计 技 术 参 数 :a)抓 重1 公 斤 (夹 持 式 手 部 )b)自 由 度 数4 个 自 由 度c)最 大 工 作 半 径279mmd)手 臂 最 大 中 心 高684.5mmB.手 臂 运 动 参 数夹 紧 行 程 50mm夹 紧 速 度 50mn/s升 降 行 程 100mm升 降 速 度 100mm/s回 转 范 围 0180回 转 速 度 90/sC.手 指 夹 持 范 围塑 料 : 40mmD.定 位 方 式行 程 开 关E.定 位 精 度士 0.5mmF.缓 冲 方 式液 压 缓 冲 器G.驱 动 方 式气 压 传 动H.控 制 方 式点 位 程 序 控 制 (采 用 PLC)第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 7 -第三章 机械手总体结构设计3.1 动作工况与分析气 动 机 械 手 是 以 压 缩 空 气 的 压 力 来 驱 动 执 行 机 构 运 动 的 机 械 手 。 其 主 要特 点 是 :介 质 源 极 为 方 便 ， 输 出 力 小 ， 气 动 动 作 迅 速 ， 结 构 简 单 ， 成 本 低 。但 是 ， 由 于 空 气 具 有 可 压 缩 的 特 性 ， 工 作 速 度 的 稳 定 性 较 差 ， 冲 击 大 ， 而 且气 源 压 力 较 低 ， 抓 重 一 般 在 30 公 斤 以 下 ， 在 同 样 抓 重 条 件 下 它 比 液 压 机械 手 的 结 构 大 ， 所 以 适 用 于 高 速 、 轻 载 、 高 温 和 粉 尘 大 的 环 境 中 进 行 工 作 。机 械 手 的 全 部 动 作 由 电 磁 阀 控 制 的 气 缸 驱 动 。 其 中 ,上 升 /下 降 、 左 移 /右 移 以 及 摆 动 分 别 由 双 线 圈 两 位 电 磁 阀 控 制 ,机 械 手 的 放 松 /夹 紧 由 一 个单 线 圈 两 位 电 磁 阀 (夹 紧 电 磁 阀 )控 制 。 机 械 手 的 任 务 是 将 A 工 作 台 上 的 工件 搬 运 到 B 工 作 台 （ 或 B 到 A） ， 机 械 手 示 意 图 如 图 3-1 所 示 ：图 3-1 机 械 手 示 意 图在 连 续 自 动 工 作 方 式 的 状 态 下 机 械 手 的 顺 序 实 现 的 动 作 如 图 1 示 意 图所 示 ： 手 臂 下 降 手 指 夹 紧 手 臂 上 升 手 臂 右 摆 动 手 臂 右 伸 手 臂 下降 手 指 松 开 手 臂 上 升 手 臂 左 伸 手 臂 左 摆 动 （ 回 到 初 始 位 ） ， 机 械手 可 以 反 复 不 断 的 进 行 上 述 循 环 动 作 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 8 -3.2 机械手各部分结构设计3.2.1 机械手底座的设计底 座 是 机 械 手 的 基 础 部 分 ， 机 械 手 执 行 机 构 的 各 部 件 和 驱 动 系 统 均 安 装于 机 座 上 ， 故 起 支 撑 和 连 接 的 作 用 。底 座 的 设 计 是 根 据 各 个 零 件 的 尺 寸 及 有 助 于 拆 装 方 便 来 设 计 的 如 图2-2 所 示 ： 图 3-2 箱 座箱 座 内 壁 不 需 要 与 其 他 零 件 有 配 合 的 关 系 ， 所 以 内 表 面 不 需 要 加 工 。 左右 厚 壁 上 端 有 M10 的 螺 纹 孔 ， 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度 ， 连 接 轴 承 下 座 的 ， 底版 的 光 孔 是 用 来 固 定 整 个 装 置 的 ， 材 料 为 铸 铁 HT200。3.2.2 立柱结构设计立 柱 是 支 承 手 臂 的 部 件 ， 立 柱 也 可 以 是 手 臂 的 一 部 分 ， 手 臂 的 回 转 运 动和 升 降 (或 俯 仰 )运 动 均 与 立 柱 有 密 切 的 联 系 。 机 械 手 的 立 往 通 常 为 固 定 不动 的 ， 但 机 械 手 的 立 柱 因 工 作 需 要 ， 有 时 也 可 作 横 向 移 动 ， 即 称 为 可 移 式 立柱 。 a.立 柱 的 材 料 及 热 处 理由 于 设 计 功 率 不 是 太 大 ， 对 其 重 量 和 尺 寸 无 特 殊 要 求 ， 故 选 择 常 用 材 料45 钢 ， 调 质 处 理 。b.初 估 轴 径按 扭 矩 初 估 轴 的 直 径 ， 根 据 1查 表 10-2， 得 C=106117， 考 虑 倒 安第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 9 -装 轴 承 受 扭 矩 作 用 ， 取 C=106， 则3minPd（ 3-1）式 中 ： C由 轴 承 的 材 料 和 承 载 情 况 缩 确 定 的 常 数 ；P轴 的 输 出 功 率 ， KW；n轴 的 转 速 ， r/min.各 参 数 值 为 C=106、 P=15KW、 n=280， 则33min1569.d所 以 选 择 轴 径 40mm， 轴 上 面 设 计 个 法 兰 ， 用 法 兰 来 固 定 轴 承 因 为 轴 是靠 气 缸 摆 动 来 旋 转 的 ， 所 以 所 受 的 载 荷 很 小 ， 不 需 要 校 核 。3.2.3 轴承的选择轴 承 是 用 以 支 承 轴 和 轴 上 回 转 或 摆 动 零 件 的 部 件 ,在 各 种 机 械 中 应 用广 泛 。 根 据 轴 承 工 作 时 的 摩 擦 性 质 ， 可 分 为 滚 动 轴 承 和 滑 动 轴 承 两 大 类 。 滚动 轴 承 依 靠 主 要 元 件 间 的 滚 动 接 触 来 承 受 载 荷 ， 它 与 滑 动 轴 承 相 比 ， 具 有 摩擦 阻 力 小 、 效 率 高 、 启 动 容 易 、 润 滑 简 便 等 优 点 。 同 时 ， 滚 动 轴 承 绝 大 部 分已 经 标 准 化 ， 并 由 专 业 厂 家 生 产 ， 选 用 和 更 换 很 方 便 。 其 缺 点 就 是 抗 击 能 力差 ， 工 作 时 有 噪 声 ， 以 及 工 作 寿 命 不 及 液 体 摩 擦 的 滑 动 轴 承 。滚 动 轴 承 的 类 型 很 多 ， 按 照 滚 动 体 的 形 状 ， 滚 动 轴 承 可 分 为 球 轴 承 和 滚子 轴 承 两 大 类 。 球 轴 承 的 滚 动 体 与 内 、 外 圈 是 点 接 触 ， 运 转 时 摩 擦 耗 损 小 ，但 承 载 能 力 和 抗 击 能 力 差 ； 滚 子 轴 承 为 线 接 触 ， 承 载 能 力 和 抗 冲 击 能 力 较 球轴 承 大 ， 但 运 转 是 耗 损 大 。 按 照 滚 动 轴 承 能 否 自 动 调 心 ， 可 分 为 调 心 轴 承 和非 调 心 轴 承 。 按 照 滚 动 体 列 数 多 少 ， 可 分 为 单 列 轴 承 、 双 列 轴 承 和 多 列 轴 承 。按 照 轴 承 能 承 受 的 主 要 载 荷 方 向 和 公 称 接 触 角 的 不 同 ， 可 分 为 向 心 轴 承 和 推力 轴 承 两 大 类 。a.向 心 轴 承向 心 轴 承 主 要 承 受 径 向 载 荷 ， 0 45， 又 可 分 为 ： 径 向 接 触轴 承 ， = 0， 只 能 承 受 径 向 载 荷 ； 角 接 触 向 心 轴 承 ， 0 45， 不 仅 能 承 受 径 向 载 荷 ,而 且 随 着 角 的 增 大 ,其 承 受 轴 向 载 荷 的 能 力 随 之 增大 。b.推 力 轴 承第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 10 -推 力 轴 承 主 要 承 受 轴 向 载 荷 ， 45 90， 又 可 分 为 ： 轴 向 接触 轴 承 ， = 90， 只 能 承 受 轴 向 载 荷 ； 角 接 触 推 力 轴 承 ， 450 90， 它 主 要 承 受 轴 向 载 荷 ,同 时 也 能 承 受 较 小 的 径 向 载 荷 。 随 着角 的 增 大 ,其 承 受 径 向 载 荷 的 能 力 将 减 小 。轴 承 所 受 载 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 质 ， 是 选 择 滚 动 轴 承 的 主 要 依 据 。 本 设计 中 轴 承 既 承 受 径 向 力 及 转 矩 ， 又 承 受 轴 向 力 ， 因 此 选 用 推 力 球 轴 承 和 深 沟球 轴 承 ,推 力 轴 承 主 要 受 轴 向 力 ， 球 轴 承 主 要 受 径 向 力 ， 又 根 据 外 廓 尺 寸 的条 件 和 轴 的 内 径 选 用 6006 深 沟 球 轴 承 和 51213 推 力 球 轴 承 。3.2.4 上轴承座的选择6006 深 沟 球 轴 承 : d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推 力 球 轴 承 : d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根 据 以 上 的 尺 寸 可 以 确 定 轴 承 上 座 的 尺 寸 ,如 图 3-3 所 示 :图 3-3 上 轴 承 座由 于 配 合 接 触 的 面 比 较 多 ,所 以 对 表 面 粗 糙 度 的 要 求 也 高 ,轴 承 配 合 的地 方 要 求 公 差 等 级 ,轴 承 的 配 合 主 要 是 内 圈 与 轴 颈 、 外 圈 与 轴 承 座 孔 的 配 合 。滚 动 轴 承 是 标 准 件 ， 因 此 ， 轴 承 内 圈 与 轴 颈 采 用 基 孔 制 配 合 ， 轴 承 外 圈 与 轴承 座 孔 采 用 基 轴 制 配 合 普 通 圆 柱 公 差 标 准 中 基 准 孔 的 公 差 带 都 在 零 线 之 上 ，第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 11 -故 滚 动 轴 承 内 圈 与 轴 颈 的 配 合 要 比 圆 柱 公 差 标 准 中 规 定 的 基 孔 制 同 名 配 合 要紧 的 多 。 例 如 ， 一 般 圆 柱 体 基 孔 制 的 K6 配 合 为 过 度 配 合 ， 而 在 滚 动 轴 承内 圈 配 合 中 则 为 过 盈 配 合 。滚 动 轴 承 内 、 外 圈 的 处 的 配 合 ， 既 不 能 过 紧 也 不 能 过 松 。 过 紧 的 配 合 会使 轴 承 的 内 、 外 圈 产 生 变 形 ， 可 破 坏 轴 承 的 正 常 工 作 ， 而 增 加 了 装 拆 的 难 度 。过 松 的 配 合 ， 不 仅 会 影 响 轴 的 旋 转 精 度 ， 甚 至 会 使 配 合 表 面 发 生 滑 动 。 因 此 ，轴 承 配 合 种 类 的 选 取 ， 应 根 据 轴 承 的 类 型 与 尺 寸 、 载 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 质以 及 工 作 环 境 决 定 。所 以 30 的 6006 轴 径 上 安 装 轴 承 ， 这 个 轴 径 就 是 根 据 轴 承 的 d 来 的 ， 36 是 6006 轴 承 的 安 装 尺 寸 ， 同 样 根 据 推 力 轴 承 的 尺 寸 来 确 定 轴 承 座 的 尺寸 。3.2.5 下轴承座的选择下 轴 承 座 的 尺 寸 是 根 据 轴 承 尺 寸 来 定 的 。 其 主 要 配 合 的 地 方 也 是 安 装 轴承 的 地 方 ， 需 要 公 差 的 配 合 。 （ 同 上 ） 如 图 3-4：图 3-4 下 轴 承 座在 安 装 轴 承 的 端 面 上 要 注 明 公 差 配 合 ， 分 别 以 其 为 基 准 面 ， 查 机 械设 计 手 册 ， 标 明 几 个 端 面 的 圆 柱 度 和 相 对 基 准 面 的 圆 跳 动 度 ， 还 有 表 面粗 糙 度 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 12 -3.2.6 大臂的结构设计本 设 计 的 手 臂 实 现 的 是 水 平 直 线 运 动 ， 实 现 直 线 往 复 运 动 采 用 的 是 气 压驱 动 的 活 塞 气 缸 。 由 于 活 塞 气 缸 的 体 积 小 、 重 量 轻 ， 因 而 在 机 械 手 的 手 臂 结构 中 应 用 比 较 多 。本 设 计 手 臂 很 简 单 ， 在 手 臂 内 侧 固 定 个 伸 缩 气 缸 ， 如 图 3-5 所 示 ：图 3-5 大 臂 设 计3.2.7 小臂的结构设计本 设 计 的 手 臂 与 上 述 的 大 臂 实 现 的 运 动 方 式 一 样 ， 主 要 是 上 下 直 线 运动 。 实 现 直 线 往 复 运 动 采 用 的 也 是 气 压 驱 动 的 活 塞 气 缸 。本 设 计 手 臂 很 简 单 ， 在 上 面 固 定 个 夹 紧 气 缸 ， 如 图 3-6 所 示 ：图 3-6 小 臂 设 计3.2.8 气爪的结构设计夹 持 式 手 部 结 构 由 手 指 (或 手 爪 )和 传 力 机 构 所 组 成 。 其 传 力 结 构 形 式比 较 多 ， 如 滑 槽 杠 杆 式 、 斜 楔 杠 杆 式 、 齿 轮 齿 条 式 、 弹 簧 杠 杆 式 .等 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 13 -夹 持 式 是 最 常 见 的 一 种 ， 其 中 常 用 的 有 两 指 式 、 多 指 式 和 双 手 双 指 式 :按 手 指 夹 持 工 件 的 部 位 又 可 分 为 内 卡 式 (或 内 涨 式 )和 外 夹 式 两 种 :按 模 仿 人手 手 指 的 动 作 ， 手 指 可 分 为 一 支 点 回 转 型 ， 二 支 点 回 转 型 和 移 动 型 (或 称直 进 型 )， 其 中 以 二 支 点 回 转 型 为 基 本 型 式 。 当 二 支 点 回 转 型 手 指 的 两 个 回转 支 点 的 距 离 缩 小 到 无 穷 小 时 ， 就 变 成 了 一 支 点 回 转 型 手 指 ;同 理 ， 当 二支 点 回 转 型 手 指 的 手 指 长 度 变 成 无 穷 长 时 ， 就 成 为 移 动 型 。 回 转 型 手 指 开 闭角 较 小 ， 结 构 简 单 ， 制 造 容 易 ， 应 用 广 泛 。 移 动 型 应 用 较 少 ， 其 结 构 比 较 复杂 庞 大 ， 当 移 动 型 手 指 夹 持 直 径 变 化 的 零 件 时 不 影 响 其 轴 心 的 位 置 ， 能 适 应不 同 直 径 的 工 件 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 14 -图 3-7 气 爪 设 计本 设 计 是 采 用 两 指 式 ， 内 卡 式 ， 上 下 气 爪 通 过 销 来 连 接 ， 过 盈 配 合 ， 如图 3-7 所 示 。 设 计 时 考 虑 的 几 个 问 题 ：a.具 有 足 够 的 握 力 (即 夹 紧 力 )在 确 定 手 指 的 握 力 时 ， 除 考 虑 工 件 重 量 外 ， 还 应 考 虑 在 传 送 或 操 作 过 程中 所 产 生 的 惯 性 力 和 振 动 ， 以 保 证 工 件 不 致 产 生 松 动 或 脱 落 。b.手 指 间 应 具 有 一 定 的 开 闭 角两 手 指 张 开 与 闭 合 的 两 个 极 限 位 置 所 夹 的 角 度 称 为 手 指 的 开 闭 角 。 手 指的 开 闭 角 应 保 证 工 件 能 顺 利 进 入 或 脱 开 ， 若 夹 持 不 同 直 径 的 工 件 ， 应 按 最 大直 径 的 工 件 考 虑 。 对 于 移 动 型 手 指 只 有 开 闭 幅 度 的 要 求 。c.保 证 工 件 准 确 定 位为 使 手 指 和 被 夹 持 工 件 保 持 准 确 的 相 对 位 置 ， 必 须 根 据 被 抓 取 工 件 的 形状 ， 选 择 相 应 的 手 指 形 状 。 例 如 圆 柱 形 工 件 采 用 带 “V”形 面 的 手 指 ， 以便 自 动 定 心 。d.具 有 足 够 的 强 度 和 刚 度手 指 除 受 到 被 夹 持 工 件 的 反 作 用 力 外 ， 还 受 到 机 械 手 在 运 动 过 程 中 所 产生 的 惯 性 力 和 振 动 的 影 响 ， 要 求 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 以 防 折 断 或 弯 曲 变 形 ，当 应 尽 量 使 结 构 简 单 紧 凑 ， 自 重 轻 ， 并 使 手 部 的 中 心 在 手 腕 的 回 转 轴 线 上 ，以 使 手 腕 的 扭 转 力 矩 最 小 为 佳 。e.考 虑 被 抓 取 对 象 的 要 求根 据 机 械 手 的 工 作 需 要 ， 通 过 比 较 ， 我 们 采 用 的 机 械 手 的 手 部 结 构 是 一支 点 两 指 回 转 型 ， 由 于 工 件 多 为 圆 柱 形 ， 故 手 指 形 状 设 计 成 V 型 。3.2.9 手部夹紧气缸设计计算A 手 部 驱 动 力 计 算本 课 题 气 动 机 械 手 的 手 部 结 构 如 图 3-8 所 示 ， 其 工 件 重 量 G=10 公 斤 ，a=37.5mm,b=70mm,根 据 1摩 擦 系 数 为 f=0. 10。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 15 -图 3-8 手 部 结 构 分 析 图a) 根 据 手 部 结 构 分 析 示 意 图 ， 其 驱 动 力 为 ：aNbP2（ 3-2）b) 根 据 手 指 夹 持 工 件 的 方 位 ， 可 得 握 力 计 算 公 式 :）（fG10.（ 3-3）代 入 公 式 （ 3-2） 得 ： )(3.75.3012NPc)参 照 17实 际 驱 动 力 :21K实 际（ 3-4）因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 ， 根 据 1故 取 ， 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 ， 参 照 17则 ：22K（ 3-5）第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 16 -代 入 公 式 （ 3-4） 得 ： ）（实 际 NP194.02537所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 1191N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 都 参 照 17， 根 据 力 平 衡 原 理 ，单 向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时的 总 阻 力 ， 其 公 式 为 :FzPDFl421（ 3-6）式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 ， N1F弹 簧 反 作 用 力 ， Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 ， Nz气 缸 工 作 压 力 ， PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 :()lfFCS（ 3-7）4138fGdDn（ 3-8）121（ 3-9）式 中 : 弹 簧 刚 度 ， N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS 弹 簧 钢 丝 直 径 ， m1d弹 簧 平 均 直 径 ， mD 弹 簧 外 径 ， m2 弹 簧 有 效 圈 数n第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 17 -一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 ， 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 ， 则 :21lDPF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :14()l代 入 有 关 数 据 ， 可 得 4138fGdCDn93437.0(.5)8015mN64lfFs337.0162所 以 ： 14()lFDP16237.20.6.80.94 m659查 有 关 手 册 圆 整 ， 得 0由 ， 可 得 活 塞 杆 直 径 : 3.02Dd mDd5.193.02圆 整 后 ， 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 ， 按 公 式 214F（ 3-10）有 : 214d其 中 ， ,aMP0N3.71则 : m189.03.7216第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 18 -所 以 满 足 设 计 要 求 。C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 ， 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 参 照 17， 其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP（ 3-11）式 中 : 缸 筒 壁 厚 ， mmD气 缸 内 径 ， mm实 验 压 力 ， 取 , PapPp5.1材 料 为 :ZL3, aM2代 入 己 知 数 据 ， 则 壁 厚 为 : pd365102.10.2m83取 ， 则 缸 筒 外 径 为 :m1D根 据 以 上 计 算 选 择 的 气 缸 型 号 为 ： QGSD q 3250 B LB 其 中 ： QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ；q 派 生 气 缸 代 号 ： q=弹 簧 前 置 型 ；32 汽 缸 内 径 ；50- 气 缸 行 程 ；B 缓 冲 ： B=可 调 缓 冲 ；LB 安 装 方 式 ： LB=轴 向 底 座3.2.10 升降气缸设计计算手 臂 升 降 装 置 由 转 柱 、 升 降 缸 活 塞 轴 、 升 降 缸 体 、 碰 铁 、 可 调 定 位 块 、定 位 拉 杆 、 缓 冲 撞 铁 、 定 位 块 联 接 盘 和 导 向 杆 等 组 成 。 在 转 柱 上 端 用 管 接头 和 气 管 分 别 将 压 缩 空 气 引 到 手 腕 回 转 气 缸 手 部 夹 紧 气 缸 和 手 臂 伸 缩 气 缸 ，转 柱 下 端 的 气 路 ， 将 压 缩 空 气 引 到 升 降 缸 上 腔 ， 当 压 缩 空 气 进 入 上 腔 后 ， 推动 升 降 缸 体 上 升 ， 并 由 两 个 导 向 杆 进 行 导 向 ， 同 时 碰 铁 随 升 降 缸 体 一 同 上 移 ，当 碰 触 上 边 的 可 调 定 位 块 后 ， 即 带 动 定 位 拉 杆 ,缓 冲 撞 铁 向 上 移 动 碰 触 升降 用 液 压 缓 冲 器 进 行 缓 冲 。 上 升 行 程 大 小 通 过 调 整 可 调 定 位 块 来 实 现 ， 手 臂第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 19 -下 降 靠 自 重 实 现 。 结 构 简 图 如 图 3-9 所 示 ：图 3-9 结 构 分 析 简 图A 驱 动 力 计 算根 据 上 图 力 的 作 用 方 向 ， 可 计 算 活 塞 的 驱 动 力 F， 参 照 1可 知 摩 擦系 数 f=0. 17。a) 根 据 结 构 示 意 图 ， 驱 动 力 公 式 为 ：总GFf（ 3-12）b) 质 量 计 算 :手 臂 升 降 部 分 主 要 由 手 臂 伸 缩 气 缸 、 夹 紧 气 缸 、 手 臂 、手 爪 及 相 关 的 固 定 元 件 组 成 。 气 缸 为 标 准 气 缸 ， 根 据 中 国 烟 台 气 动 元 件 厂 的 产 品 样 本 可 估 其 质 量 ， 同 时 测 量 设 计 的 有 关 尺 寸 ， 据 估 计)(40NG总所 以 代 入 公 式 （ 3-12） ： 总Ff总总4017.0）（ N68第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 20 -c) 参 照 17实 际 驱 动 力 : 21KF实 际因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 ， 参 照 1故 取 ， 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 ， 根 据 17则 ：22所 以 ）（实 际 NF149.05468所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 1494N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 均 参 照 17根 据 力 平 衡 原 理 ， 单向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时 的总 阻 力 ， 其 公 式 为 : FzPDFl421式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 ， N1F弹 簧 反 作 用 力 ， Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 ， Nz气 缸 工 作 压 力 ， PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 : ()lfFCS4138fGdDn121式 中 : 弹 簧 刚 度 ， N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS 弹 簧 钢 丝 直 径 ， m1d弹 簧 平 均 直 径 ， mD第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 21 - 弹 簧 外 径 ， m2D 弹 簧 有 效 圈 数n一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 ， 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 ， 则 :21lDF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :14()lP代 入 有 关 数 据 ， 可 得 4138fGdCDn93437.410(.5)80153677.46mNlfFCs3.01220.6所 以 ： 14()lFDP21694.07.6.2035m.查 有 关 手 册 圆 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 杆 直 径 :3.02Dd mDd5.13.圆 整 后 ， 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 ， 按 公 式 214F有 : 4其 中 ， , aMP20N35则 : md 189.35216所 以 满 足 设 计 要 求 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 22 -C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 ， 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 据 17其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP式 中 : 缸 筒 壁 厚 ， mmD气 缸 内 径 ， mm实 验 压 力 ， 取 , PapPp5.1材 料 为 :ZL3, aM2代 入 己 知 数 据 ， 则 壁 厚 为 : 2pd563301.210m87取 ， 则 缸 筒 外 径 为 :m5.2D4.2根 据 以 上 计 算 选 择 气 缸 型 号 为 ： QGSD q 40100 B FB其 中 ： QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ；q 派 生 气 缸 代 号 ： q=弹 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 内 径 ；100- 气 缸 行 程 ；B 缓 冲 ： B=缓 冲 可 调 ；FB- 安 装 方 式 ： FB=后 法 兰 ；3.2.11 伸缩气缸设计计算手 臂 伸 缩 装 置 由 伸 缩 缸 活 塞 轴 、 伸 缩 缸 体 、 碰 铁 、 可 调 定 位 块 、 定 位 拉杆 、 缓 冲 撞 铁 、 定 位 块 联 接 盘 和 导 向 杆 等 组 成 。 在 手 臂 右 端 用 管 接 头 和 气 管分 别 将 压 缩 空 气 引 到 手 腕 回 转 气 缸 手 部 夹 紧 气 缸 ， 手 臂 左 端 的 气 路 ， 将 压 缩空 气 引 到 伸 缩 缸 上 腔 ， 当 压 缩 空 气 进 入 上 腔 后 ， 推 动 升 降 缸 体 右 移 ， 并 由 两个 导 向 杆 进 行 导 向 ， 同 时 碰 铁 随 升 降 缸 体 一 同 右 移 ， 当 碰 触 上 边 的 可 调 定 位块 后 ， 即 带 动 定 位 拉 杆 ,缓 冲 撞 铁 向 右 移 动 碰 触 左 右 用 液 压 缓 冲 器 进 行 缓 冲 。右 移 行 程 大 小 通 过 调 整 可 调 定 位 块 来 实 现 ， 手 臂 左 移 与 右 移 类 似 。 结 构 简 图如 图 3-10 所 示 ：第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 23 -图 3-10 结 构 分 析 简 图A 驱 动 力 计 算根 据 上 图 力 的 作 用 方 向 ， 可 计 算 活 塞 的 驱 动 力 F， 参 照 1可 知 摩 擦系 数 f=0. 17。a) 根 据 结 构 示 意 图 ， 驱 动 力 公 式 为 ：fFb) 质 量 计 算 :小 臂 升 降 部 分 主 要 由 夹 紧 气 缸 、 手 臂 、 手 爪 及 相 关 的 固定 元 件 组 成 。 气 缸 为 标 准 气 缸 ， 根 据 中 国 烟 台 气 动 元 件 厂 的 产 品 样 本 可 估 其 质 量 ， 同 时 测 量 设 计 的 有 关 尺 寸 ， 据 估 计)(30NG总所 以 代 入 公 式 ： fF总3017.）（ N5c) 参 照 17实 际 驱 动 力 : 21KF实 际因 为 传 力 机 构 为 齿 轮 齿 条 传 动 ， 参 照 1故 取 ， 并 取 94.05.1K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g时 ， 根 据 17则 ：22第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 24 -所 以 ）（实 际 NF16394.025所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 163N.B 气 缸 的 直 径本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 以 下 公 式 均 参 照 17根 据 力 平 衡 原 理 ， 单向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出 推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时 的总 阻 力 ， 其 公 式 为 : FzPDFl421式 中 : 活 塞 杆 上 的 推 力 ， N1F弹 簧 反 作 用 力 ， Nl气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 ， Nz气 缸 工 作 压 力 ， PaP弹 簧 反 作 用 按 下 式 计 算 : ()lfFCS4138fGdDn121式 中 : 弹 簧 刚 度 ， N/mfC 弹 簧 预 压 缩 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS 弹 簧 钢 丝 直 径 ， m1d弹 簧 平 均 直 径 ， mD 弹 簧 外 径 ， m2 弹 簧 有 效 圈 数n一 弹 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP在 设 计 中 ， 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 ， 则 :21lDF由 以 上 分 析 得 单 向 作 用 气 缸 的 直 径 :第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 25 -14()lFDP代 入 有 关 数 据 ， 可 得 4138fGdCn93437.410(.5)80153677.46mNlfFCs3.01220.6所 以 ： 14()lFDP21694.07.6.2035m.查 有 关 手 册 圆 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 杆 直 径 :3.02Dd mDd5.13.圆 整 后 ， 取 活 塞 杆 直 径 d18校 核 ， 按 公 式 214F有 : 4其 中 ， , aMP20N35则 : md 189.35216所 以 满 足 设 计 要 求 。C 缸 筒 壁 厚 的 设 计缸 筒 直 接 承 受 压 缩 空 气 压 力 ， 必 须 有 一 定 厚 度 。 一 般 气 缸 缸 筒 壁 厚 与 内径 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 据 17其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 计 算 :2pdP式 中 : 缸 筒 壁 厚 ， mmD气 缸 内 径 ， mm实 验 压 力 ， 取 , PapPp5.1第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 26 -材 料 为 :ZL3, aMP2.1代 入 己 知 数 据 ， 则 壁 厚 为 : 2pd563301.210m87取 ， 则 缸 筒 外 径 为 :m5.2D4.2根 据 以 上 计 算 选 择 气 缸 型 号 为 ： QGSD q 40100 B LB其 中 ： QGSD- 普 通 型 单 作 用 气 缸 ；q 派 生 气 缸 代 号 ： q=弹 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 内 径 ；100- 气 缸 行 程 ；B 缓 冲 ： B=缓 冲 可 调 ；LB- 安 装 方 式 ： LB=轴 向 底 座 ；3.2.12 回转气缸设计计算实 现 机 械 手 手 臂 回 转 运 动 的 机 构 形 式 是 多 种 多 样 的 ， 常 用 的 有 叶 片 式 回转 缸 、 齿 轮 传 动 机 构 、 链 轮 传 动 机 构 、 连 杆 机 构 等 。 在 本 机 械 手 中 ， 手 臂 回转 装 置 由 回 转 缸 体 、 转 轴 、 定 片 、 回 转 定 位 块 、 回 转 中 间 定 位 块 和 回 转 用 液压 缓 冲 器 (此 部 件 位 置 参 见 附 图 )等 组 成 。 当 压 缩 空 气 通 过 管 路 分 别 进 入 手臂 回 转 气 缸 的 两 腔 时 ， 推 动 动 片 连 同 转 轴 一 同 回 转 ， 转 轴 通 过 平 键 而 带 动 升降 气 缸 活 塞 轴 、 定 位 块 联 接 盘 、 导 向 杆 、 定 位 拉 杆 、 升 降 缸 体 和 转 柱 等 同 步回 转 。 因 转 柱 和 手 臂 用 螺 栓 连 接 ， 故 手 胃 亦 作 回 转 运 动 。手 臂 回 转 气 缸 采 用 矩 形 密 封 圈 来 密 封 ， 密 封 性 能 较 好 ， 对 气 缸 孔 的 机械 加 工 精 度 也 易 于 保 证 。手 臂 回 转 运 动 采 用 多 点 定 位 缓 冲 装 置 ， 其 工 作 原 理 见 回 转 用 液 压 缓 冲器 部 分 。 手 臂 回 转 角 度 的 大 小 ， 通 过 调 整 两 块 回 转 定 位 块 和 回 转 中 间 定 位 块的 位 置 而 定 。 在 机 械 手 的 手 腕 回 转 运 动 中 所 采 用 的 回 转 缸 是 单 叶 片 回 转 气 缸 ，它 的 工 作 原 理 如 图 3-10所 示 ， 定 片 1与 缸 体 2固 连 ， 动 片 3与 回 转 轴 5固 连 。动 片 封 圈 4把 气 腔 分 隔 成 两 个 .当 压 缩 气 体 从 孔 a进 入 时 ， 推 动 输 出 轴 作 逆时 4回 转 ， 则 低 压 腔 的 气 从 b孔 排 出 。 反 之 ， 输 出 轴 作 顺 时 针 方 向 回 转 。第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 27 -图 3-10 回 转 气 缸 示 意 图参 照 17单 叶 片 气 缸 的 压 力 p和 驱 动 力 矩 M的 关 系 为 ：2rRPb（ 3-13）或 2rRb式 中 : M- 回 转 气 缸 的 驱 动 力 矩 ;cmNP- 回 转 气 缸 的 工 作 压 力 ;R- 缸 体 内 壁 半 径 ;cr- 输 出 轴 半 径 ;mb- 动 片 宽 度 .上 述 驱 动 力 矩 和 压 力 的 关 系 式 是 对 于 低 压 腔 背 压 为 零 的 情 况 下 而 言 的 。若 低 压 腔 有 一 定 的 背 压 ， 则 上 式 中 的 P应 代 以 工 作 压 力 与 背 压 之 差 。1P2根 据 以 上 计 算 选 择 回 转 气 缸 型 号 为 ： QGH 2 50180 B F S R其 中 ： QGH- 齿 杆 式 回 转 摆 动 气 缸 ；2 - 派 生 气 缸 代 号 ： 2=双 出 轴 ；50- 气 缸 内 径 ；第 三 章 机 械 手 总 体 结 构 设 计- 28 -180- 回 转 动 摆 动 角 度 ；B 缓 冲 ： B=可 调 缓 冲 ；F 法 兰 ；S 单 杆 基 本 型 ；R 耐 热 型 ； R=采 用 氟 橡 胶 密 封 件 ， 最 高 耐 温 200。