机械毕业设计620多用途气动机器人结构设计

第一章 引 言

1.1 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。

气压传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:介质李源极为方便，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。

气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.

(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及

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其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

1.2 气动机械手的设计要求

1.2.2 课题的设计要求

本课题将要完成的主要任务如下:

(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。

(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。

(4)气压传动系统的设计

本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

(5)机械手的控制系统的设计

本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

1.3 机械手的系统工作原理及组成

机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。

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执行机构 驱动系统 （气压传动） 位置检测装置 控制系统 （PLC） 手部手腕手臂立柱 图1-1机械手的系统工作原理框图

机械手的工作原理：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。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. (一)执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通

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过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱

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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、机座

机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。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。 (三)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 (四)位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

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第二章 机械手的整体设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-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组件，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上下料机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。

图2-1机械手的整体机械结构

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2.1 机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。（如图2-2所示）

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图2-2 机械手的运动示意图

2.2 机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3 机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)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横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5 机械手的驱动方案设计

由于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。

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2.6 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.7 机械手的主要技术参数

一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤。

二.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。（如图2-3所示）而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。最大回转速度设计为90/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为

1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为1mm。

三. 用途:

用于自动输送线的上下料。 四．设计技术参数:

1、抓重 5kg 2、自由度数 4个自由度

3、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 1400mm 5、手臂最大中心高 1250mm 6、手臂运动参数

伸缩行程1200mm 伸缩速度400mm/s

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升降行程120mm 升降速度250mm/s 回转范围0180 回转速度90/s 7、手腕运动参数 回转范围 0180 回转速度90/s

8、手指夹持范围 9、定位方式 10、定位精度 11、驱动方式 12、控制方式 棒料:80mm150mm 行程开关或可调机械挡块等 1mm 气压传动

点位程序控制(采用PLC)

图2-3机械手的工作范围

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第三章 手部结构设计

3.1 夹持式手部结构

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。 3.1.1手指的形状和分类

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。 3.1.2设计时考虑的几个问题 (一)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。 (二)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。 (三)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。 (四)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。 (五)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，其结构如附图所示。

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3.1.3手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2120，b120mmR24mm,摩擦系数为f0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

2bN pR (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

N0.5tg()

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0.55tg(60542')

25(N)所以

p2bN245(N) R(3)实际驱动力:

p实际pK1K2

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取K11.5。若被抓取工件的最大加速度取a3g时，则:K21所以p实际245a4 g1.541563(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。

2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。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:

F1D2P4FtFz

式中: F1 - 活塞杆上的推力，N

Ft - 弹簧反作用力，N Fz- 气缸工作时的总阻力，N

P- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

FtGf(1s)

GfGd134D1n

4Gf =

Gd18D1n3

式中:Gf- 弹簧刚度，N/m

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1- 弹簧预压缩量，m

s- 活塞行程，m d1- 弹簧钢丝直径，m

D1- 弹簧平均直径，.

n- 弹簧有效圈数.

G- 弹簧材料剪切模量，一般取G79.4109Pa

在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

F1D2p4Ft

由以上分析得单向作用气缸的直径:

D4(F1Ft)

p4代入有关数据，可得

79.4109(3.5103) Gf3338(3010)158D1n.46(N/m) 3677Gd14FtGf(1s) 3677.4660103

220.6(N)所以:D4(F1Ft)pn4(490220.6) 60.51065.23(mm)

查有关手册圆整，得D65mm

由d/D0.20.3,可得活塞杆直径:d(0.20.3)D1319.5mm 圆整后，取活塞杆直径d18mm校核，按公式F1/(/4d2)[] 有:d(4F1/[])0.5

其中，[]120MPa，F1750N 则:d(4490/120)0.5

2.2818

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满足实际设计要求。 3、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，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

DPp/2[]

式中:6- 缸筒壁厚，mm

D- 气缸内径，mm

Pp- 实验压力，取Pp1.5P, Pa 材料为:ZL3,[]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

DPp/2[]

656105/(23106)

6.5(mm)取7.5mm，则缸筒外径为:D1657.5280(mm)

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第四章 手腕结构设计

4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

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1.工件2.手部3.手腕 图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱M惯M偏M摩M封

式中: M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm);

M惯- 惯性力矩(Ncm);

M偏- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Ncm).

M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩(Ncm);

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:

1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为t，则:

M惯（JJ1）(N.cm)

t

式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N.cm.s2);

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

J1JcG12e1 g式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s2):

G1- 工件的重量(N);

e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);

t- 起动过程所需的时间(s);

— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏G1e1 +G3e3 (Ncm) 式中: G3- 手腕转动件的重量(N);

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e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e10. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封f(RAd2RBd1)(Ncm) 2式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);

f- 摩擦系数，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f0.1;

RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据M（0,得: AF）RBlG3l3G2l2G1l RBG1l1G2l2G3l3

l同理，根据MB(F)0,得:

RAG1(ll1)G2(ll2)G3(ll3)

l

式中:G2- 的重量(N)

l,l1,l2,l3,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算

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，它的原理如图4-2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。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

pb(R2r2)2MMp

2b(R2r2) 或

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4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计

气缸长度设计为b100mm,气缸内径为D1=96mm,半径R48mm,轴径D226mmD2=26mm,

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半径R13mm,气缸运行角速度=90/s，加速度时间t=0.1s, 压强P0.4MPa, 则力矩：

pb(R2r2) M

20.41060.1(0.04820.0262) 232.6(N.m)2.尺寸校核

（1）测定参与手腕转动的部件的质量m110kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r50mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J

2100.052 

2 0.0125（kg.m2）

工件的质量为5kg,质量分布于长l100mm的棒料上，那么转动惯量：

ml2Jc1250.12 120.0042(kg.m2)

假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l100mm的棒料来说，最大偏心距

e150mm，其转动惯量为:

JJcm1e120.004250.052 0.0167(kg.m2)M惯 (JJ1)t

900.1

(0.01250.0167)26.3(N.m) 19

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心 与转动轴线重合，e10，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e350mm,则：

M偏G1e1 +G3e3

101005100.05

2.5(N.m)（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f=0.1，

d1 ，d2为手腕转动轴的轴颈直径，d130mm, d220mm, RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA300N,RB150N,

f(RAd2RBd1) 20.01(3000.021500.03) 2M摩 0.05(N.m)

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍，

M封3M摩 30.05 0.15(N.m)

 M驱M惯M偏M摩M封 26.32.50.050.15 29(N.m)

M驱〈M

设计尺寸符合使用要求，安全。

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第五章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核

5.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核

5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计

手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页：

www.bota.cn/products.asp.

5.1.2 尺寸校核

1. 在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P0.4MPa, 则驱动力： FPR2

0.41063.140.03152

1246(N)2．测定手腕质量为50kg,设计加速度a10(m/s)，则惯性力：

F1ma

5010

500(N)3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k0.2,

Fmk.F1

0.2500

100(N)  总受力F0F1Fm

500100

600(N) F0F

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。

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5.1.3 导向装置

气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。

导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

5.1.4 平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接*衡。

5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核

5.2.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为l=118mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间t=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：

G0p.R2``

0.41063.140.0552

(N) 37995.2.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力：

Gmg

8010

800(N)2．设计加速度a5(m/s)，则惯性力：

G1ma

805

400(N)3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k0.1，

Gmk.G1

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0.1400

40(N)  总受力GqGG1Gm

80040040

1240(N) GqG0

所以设计尺寸符合实际使用要求。

5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核

5.3.1 尺寸设计

气缸长度设计为b120mm,气缸内径为D1210mm,半径R=105mm,轴径D240mm半径R20mm,气缸运行角速度=90/s，加速度时间t0.5s,压强P0.4MPa,

pb(R2r2) 则力矩：M

20.41060.12(0.10520.0202) 2255(N.m)

5.3.2 尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量m1120kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r200mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J

21200.102 

2 0.6（kg.m2）

23

M惯J.t

90 0.5

108(N.m)0.6考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k0.2, M摩k.M惯 0.21085.（4N.m）

总驱动力矩：

M驱M惯M摩 1085.4113.（4N.m）

M驱〈M

 设计尺寸满足使用要求。

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25

7 8 9 10 11 12 13 24DH-10-S1 24D2H-10-S1 24D2H-15-S1 LI-25 二位五通电磁滑阀 二位五通电磁滑阀 二位五通电磁滑阀 单向节流阀 单向节流阀 快速排气阀 气液转换器 1 4 1 2 2 2 1

各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的特点是结构简单效果好。如平臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。升降气缸采用气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

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第七章 机械手的PLC控制系统设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

7.1 可编程序控制器的选择及工作过程

7.1.1 可编程序控制器的选择

目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。

7.1.2 可编程序控制器的工作过程

可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设

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备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

7.2 可编程序控制器的使用步骤

在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:

(1)系统设计

即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。 (2)I/0分配

即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。

(3)画梯形图

它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。

(4)助记符机器程序

相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。

(5)编制程序

即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。 (6)调试程序

即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。

(7)保存程序

调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。

7.3 机械手可编程序控制器控制方案

7.3.1 控制系统的工作原理及控制要求

1.控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;

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竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置— 机械手，还可完成抓、放功能。以上各动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。

2.控制要求

为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单动工作方式和自动工作方式。 （1）手动工作方式

便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。

（2）单动工作方式

从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步的工作后，自动停止。 （3）自动工作方式

按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续工作，直到按下停止按钮，机械手在完成最后一个周期的动作后，返回原点自动停机。 7.3.2 气动机械手的工作流程（如图7-1所示） 气动机械手的工作流程如下： （1）

当按下机械手启动按钮之后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动作。

（2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9）

立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。 手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。

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（10） （11） （12） （13） （14） （15）

立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作。 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。 手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。

手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。完成一次循环，然后重复以上循环动作。

（16） 按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作。

启动 手腕收缩 立柱右转 手爪松开 立柱上升 立柱下降 手臂伸长 手腕逆时针转 手腕逆时针转 手臂伸长 立柱下降 立柱左转 手爪抓紧 手腕收缩 立柱上升 手腕逆时针转 图7-1机械手自动控制工作流程框图

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7.3.3 I/0分配

根据系统输入输出点的数目，选用OMRON C28P型PC，它有16个输入点，

标号为0000-0015; 12个输出点，标号为0500-0511.如表7-1所示。

其它地址分配：

1、 夹紧定时器:T1,定时5s 2、 放松定时器:T2，定时5s 3、 自动方式标志:M0.0 4 、单动方式标志:M0.1 5、 手动方式标志:M0.2 6、 结束标志:M0.5 7.3.4 梯形图设计

根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，可以画出控制梯形图。控制梯形图可分为子程序部分和主程序部分。

子程序部分包括：自动方式控制梯形图（7-2）和手动方式控制梯形图（7-3）。

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1．自动控制方式梯形图如下： 网络1：启动机械手下降 I0.4I0.6I1.5 Q4.1M1.1(P)Q4.0(S) 网络2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制 Q4.0I0.6I0.5M1.2 (P) 网络3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时5 s Q4.4I0.6I0.5Q4.1T1 (SD)S5T#5 s 网络4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升 T1I0.6I0.5Q4.0M1.3 (P) Q4.0(R)Q4.4(S)Q4.1(S)网络5：机械手上升到位，停止上升并启动右移控制 Q4.1I0.6I0.4Q4.1 (R) Q4.3M1.4 (P)Q4.2(S) 网络6：机械手右移到位，停止右移并启动下降控制

Q4.2I0.4I0.7Q4.1Q4.2(R)M1.1(P)Q4.0(S)网络7：机械手下降到位，停止下降并启动松开控制Q4.0I0.7I0.5M1.2(P)Q4.0(R)Q4.4(R) 32

网络8：机械手松开并启动松开定时器，定时5 sT2(SD) S5T#5 s 网络9：定时时间到，并且机械手没有下降时启动上升控制 网络10：机械手上升到位，停止上升并启动左移控制 Q4.4I0.7I0.5Q4.1T2I0.7I0.5Q4.0M1.3(P)Q4.1(S)Q4.1I0.7I0.4Q4.2Q4.1(R)M1.5(P)Q4.3(S) 网络11：机械手左移到位停止，M0.1＝0，以阻止单动方式下的自动启动 图7-2自动方式控制梯形图

Q4.3I0.4I0.6M1.0(P)Q4.3(R)M0.1(R)2.手动控制方式梯形图如下： 网络1：手动下降 I1.0I0.5Q4.0(R)网络2：手动夹紧，采用置位和复位方式使 夹紧后不允许松开 I1.2I0.6I0.5M1.2(P)Q4.4(S)网络3：手动上升I1.1I0.4Q4.1( ) 33

网络4：手动右移I1.4I0.7Q4.2( )网络5：手动下降I1.0I0.5Q4.2( )网络6：手动放松I1.2I0.7I0.5M1.2(P)Q4.4(S)网络7：手动左移I1.3I0.6Q4.3( )图7-3手动控制方式梯形图 3.主程序梯形图如图7-4所示：

网络1：自动方式启动M0.0＝1，有自锁 网络3：单动方式启动M0.1＝1，有自锁I0.1M0.1M0.0M0.3I0.3M0.1( )网络2：M0.1＝1，单动有效I0.1M0.0M0.1(S)M0.0I0.0M0.1I0.3M0.0(S)网络4：自动方式或单动方式均调用子程序FC10M0.0M0.1M0.1M0.0M0.2M0.5FC10(CALL)网络5：手动方式启动M0.2＝1，有自锁I0.2M0.2M1.1(P)I0.334 M0.2(S)

网络6：手动方式调用子程序FC11 M0.2M0.0M0.1M0.5 网络8：错误操作处理 图7-4主程序梯形图

FC11(CALL)网络7：停止处理I0.3M0.5(S)I0.0I0.0I0.1I0.1I0.2I0.2M0.5(S)

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第八章 结 论

1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

4、机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。

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致 谢

本文是在我尊敬的俞云强老师悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向老师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了学校老师的大力支持和帮助，为我提供了许多有用的资料，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，学校的各位老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢无锡职业技术学院的学习环境。

2008年4日11日

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参考文献：

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