玻璃板搬运机械手系统设计说明书.doc

本科生毕业设计（论文）摘 要机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可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，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和plc控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对玻璃搬运机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气压驱动，控制系统中选择plc的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型玻璃搬运机械手的设计方案，对其他经济型plc控制系统的设计也有一定的借鉴价值。关键词: 机械手；气动控制；可编程控制器（plc）； 自动化控制abstractmanipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. it can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the human being. it also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. so it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc.in this paper,by reviewing the developmental status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, we proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by plc. integrative idea was adopted in this design to fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. we analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. we used pneumatic-driven in the driving system, plc control unit in the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting material manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical plc control system design. key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (plc)； automatic control 目录第1章 绪论11.1 研究的目的及意义11.2 机械手在国内外现状和发展趋势11.3主要研究的内容21.4 解决的关键问题3第2章执行系统的分析与选择42.1执行机构坐标形式的选择42.2执行机构的组成62.3执行机构各部分的分析与选择62.3.1 手部的选择及计算62.3.2 手臂结构的选择72.3.3 纵向直动气缸的设计计算与校核82.3.4 横向气缸的设计计算与校核132.3.5 机身回转力矩的计算172.3.6 回转液压缸所驱动力矩计算182.3.7 气压缸盖螺钉的计算192.3.8 静片和输出轴间的连接螺钉202.3.9 矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核212.3.10机座结构的选择222.3.11机身部位轴承选择与校核232.4 执行机构的工作原理23第3章 驱动系统的分析与选择243.1 驱动系统的分析与选择243.2 机械手驱动系统的控制设计253.3 气动元件选取及工作原理263.3.1 气源装置263.3.2 执行元件273.3.3 控制元件283.3.4 辅助元件293.3.5 真空发生器293.3.6 吸盘303.4 气动回路的工作原理30第4章 控制系统的分析设计334.1 控制系统的组成结构334.2 控制系统的性能要求334.3 传感器的选择344.3.1 位置检测装置344.3.2 滑觉传感器344.4 控制系统plc的选型及控制原理354.4.1 plc控制系统设计的基本原则354.4.2 plc种类及型号选择394.4.3 i/o点数分配394.4.4 plc外部接线图414.4.5 机械手控制原理424.5 plc程序设计434.5.1 总体程序框图434.5.2 初始化及报警程序454.5.3 手动控制程序474.5.4 自动控制程序48总 结51参考文献52致 谢53附录：英文及翻译54 iv第1章 绪论1.1研究的目的及意义 机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在高温、腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全，可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。 随着工业的高速发展，机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用。它可以搬运货物、分拣物品、用以代替人的繁重及单调劳动，实现生产的机械化和自动化；并能在高温、腐蚀及有毒气体等有害环境下操作以保护人身安全，被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子能等部门。可编程控制器(plc)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术，具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单、功耗低等优点，已成为目前在机械手控制系统中使用最多的控制方式。使用plc的自动控制系统具有体积小，可靠高，故障率低，动作精度高等优点。适应工业需要，本课题试图开发plc对玻璃搬运机械手的控制，并借助必要的精密传感器，使其能够按预定的程序进行搬运，动作灵活多样，适用于中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用plc控制，是一种预先设定的程序进行玻璃搬运的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并且在产品变化或临时需要对机械手进行新的分配任务时，可以允许方便的改动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安装和转换工作的费用。本设计主要完成机械手的硬件部分与软件部分设计。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。1.2 机械手在国内外现状和发展趋势机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统(fms)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 目前，国际上的机械手公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、otc、松下、fanluc、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的kuka、cloos及瑞典的abb公司。我国机械手起步于20世纪70年代初期，经过30多年发展，大致经历了3个阶段：70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。在我国，机械手市场份额大部分被国外机械手企业占据着。在国际强手面前，国内的机械手企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给机械手产业发展注入新的动力。随着机械手发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域机械手的应用也越来越多。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机器人将在医疗、保健、生物技术和产业、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到应用。1.3主要研究的内容随着机械手技术的飞速发展和机械手应用领域的不断深化，不仅要求其控制可靠性强、使用灵活性高和操作灵活性好，还要其成本低、可开发经济性强。本论文主要研究玻璃搬运机械手以下几个方面的内容：(1) 玻璃搬运机械手执行系统的分析与选择执行系统是由传动部件与机械构件组成，是机械手赖以实现各种运动的实体。主要包括机身、手臂、末端执行器3部分组成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。执行系统的设计主要是对机械手的手部、手臂和机座进行设计。(2) 玻璃搬运机械手驱动系统的分析与选择驱动系统是向执行系统各部分提供动力的装置。通过对液压、气压、电气三种驱动方式的比较，本设计选择气压驱动的方式。内容包括气动元件的选择及其工作原理、气动回路的设计和气动原理图的绘制。(3) 玻璃搬运机械手控制系统的设计控制系统是机械手的指挥系统，它控制驱动系统，让执行系统按规定的要求和时序进行工作。本机械手采用可编程控制器（plc）对机械手进行控制，主要包括对plc的型号选择、传感器类型进行选择、i/o口的选择、对控制系统原理图、自动程序梯形图的绘制等内容。1.4 解决的关键问题1 解决机械手机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济、具有一定的代表性。2 执行部件的运动精度的问题。3 机械手的控制系统，包括控制系统的电路和控制程序，并解决工件和控制 系统的协调问题。4 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。5 传感器的类型选择。第2章 执行系统的分析与选择2.1 执行机构坐标形式的选择机械手的基本型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。下面就各型式机械手作简单的分析对比：1、直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标形式x、y、z三个方向的直线进行运动。其工作范围可以是一个直线运动；两个直线运动或三个直线运动。如在x、y、z三个直线运动方向上个具有a、b、c三个回转运动，即构成六个自由度。直角坐标式机械手的优点：（1） 产量大，节拍短，能满足高速的要求； （2） 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合；（3） 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易变更；（4） 定位精度高，载重发生变化是不回影响精度；（5） 易于实行数控，可与开环或闭环数控机械配合使用。缺点：机械手的作业范围较小。2、圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。圆柱坐标式机械手有五个基本动作：（1） 手臂水平回转；（2） 手臂伸缩；（3） 手臂上下；（4） 手臂回转动作；（5） 手爪夹紧动作。 圆柱式机械手的特点是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可做上下直线运动和水平面内做圆弧状的左右摆动。3、球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现八个动作：（1） 手臂上下动作，即俯仰动作；（2） 手臂左右动作，即回转动作；（3） 手臂前后动作，即伸缩动作；（4） 手腕上下弯曲；（5） 手腕左右摆动；（6） 手腕旋转运动；（7） 手爪夹紧动作；（8） 机械手的整体移动。球坐标式机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内作圆弧状上下俯仰动作，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人的手类似。它的特点能能自动选择最合理的动作路线。所以工作效率高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。4、关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作传动型式。它像人手一样有肘关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄的空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用，随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。它还具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手的操作机能，需要研制最合适的结构。机械手型式的选择首先是从满足它的运动要求方面进行考虑， 然后从机械手的复杂程度以及经济情况等方面来考虑。本设计中的机械手主要动作为机械手手臂的左右移动，升降移动和机械手的整体旋转。直角坐标式机械手虽然具备手臂的伸缩上下、左右直线运动等动作，但是不具备机械手整体旋转动作，所以不考虑用直角坐标式机械手。球坐标式机械手和关节式机械手对动作要求方面足够满足要求，但是它们的结构都比较复杂，有很多动作是不必要的，显得浪费和增加了制造的成本和难度。圆柱坐标式机械手能满足手臂伸缩、手臂上下、手臂回转动等动作。可以将手臂回转动作改换成机械手的整体转动就可以满足本设计中机械手的动作要求。这样的修改并没有改变机械手的总体结构，只是进行了局部变动，使得整个系统经济、实惠，所以确定用圆柱坐标式机械手。2.2 执行机构的组成工业机械手的执行系统主要以下机械部分组成：（1） 手部 是机械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是机械手用来支持腕部与手部实现较大的运动范围的部件。（3） 立柱 支承手臂并带动它升降、摆动和移动的机构。（4） 机座 是机械手用来支撑臂部，并安装驱动装置及其他装置的部分。2.3 执行机构各部分的分析与选择2.3.1 手部的选择及计算1 手部形式的确定手部就是用来握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构也是多种多样。常用的手部结构按其握持原理可以分为如下两类:1）夹持式夹持式手部的结构与人手类似，是工业机械广泛应用的一种手部形式。它主要由手指、传动机构、驱动机构组成。其又可分为内撑式、外夹式和内外夹持式，区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作方向相反。夹持式手部设计时应注意以下事项：（1） 手指应有一定的开闭范围。（2） 手指应具有适当的夹紧力。（3） 要保证工件在手指内的定位精度。（4） 结构紧凑，重量轻，效率高。（5） 通用性和可换性。 2）气吸式气吸式手部又称为真空吸盘式手部，它是通过吸盘内产生真空或负压，利用压差而将工件吸附，是工业机械手常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、质量轻、不易损伤工件、使用方便可靠等优点；但要求工件上与吸盘接触的部位光滑平整、清洁、被吸附工件材质致密，没有透气空隙。主要适应于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张及塑料等表面光滑工件的抓取。气吸式又可分为：负压吸盘：真空式、喷气式、自挤式空气吸盘。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空，故称真空式。喷气式吸附的工作原理是当压缩空气高速进入喷嘴时，由于管路的开始段截面积是逐渐收缩的，所以气流速度逐渐增大，在管路的最小截面处，气流速度达到临界速度，此时的气体受压，密度加大。在排气管路中因界面逐渐增大，气流膨胀减压而使密度大大下降，致使气流速度继续增高，在吸气口处形成负压。吸附头与吸气口连同，故形成真空，以吸住工件。自挤式空气吸盘的工作原理是将软质吸盘按压在工件的表面，挤出吸盘内的空气、从而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的导磁性，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件。磁吸式手部不会破坏被吸附表面质量，但是由于被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑，影响正常工作。通过以上对手部的分析真空式具有结构简单、质量轻、不损伤工件、使用方便、不影响机械手的正常工作等优点。而且满足所设计机械手的要求，所以选用真空式吸盘。2.3.2 手臂结构的选择手臂是机械手的主要部分，是支撑手腕、手指和工件并使它们运动的机构。手臂一般有三个运动伸缩、旋转和升降。手臂的基本动作是将手部移动到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。1 手臂的组成：(1) 动作元件，如油缸、汽缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。(2) 导向装置，是保证手臂的正确方向及承受由工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。(3) 手臂，起着连接和承受外力的作用。 2手臂设计的要求：(1) 手臂承载能力大、刚性好、自重轻。(2) 手臂的运动速度要适当，惯性要小。(3) 手臂的动作要灵活。(4) 位置精度要高。(5) 通用性要强。3手臂的结构手臂的伸缩和升降运动一般采用直线油（气）缸驱动。手臂作直线运动的结构，基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般用油缸、油马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线油（气）缸可以分为以下几种。双作用单活塞杆油缸:液压机械手中实现手臂的往复运动用得最多的是双作用单活塞杆油缸。活塞在油压下作双向运动。机构上可以是油缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。双作用双活塞杆油缸：当需要很大的行程时，将油缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆油缸，既能满足行程要求，油缸的体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。丝杆螺母机构：该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但因其较长，制造比较困难。本机械手的手臂有往复的直线运动，不需要很大的行程，考虑到结构的简单性和设计的经济性，选用缸体固定活塞杆运动的双作用单活塞杆气缸。2.3.3 纵向直动气缸的设计计算与校核1. 真空吸盘的计算吸盘对于工件上的吸力是设计手部的主要依据，必须对其大小、作用点进行分析、计算。一般来说，吸力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。吸盘对工件的吸力可按下列公式计算： (2-1)式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据吸盘与工件形状以及吸盘与工件位置不同进行选定，吸盘与工件位置：吸盘垂直放置 工件垂直放置；根据经验被抓取工件的重量为5kg求得吸力，取整为295n。 2 纵向直动气缸的设计计算与校核（1） 气缸内径的确定表2.1 气缸内径计算公式 项目计 算 公 式缸径双作用气缸推力fd=1.23d=（1.231.6）拉力d=1.27d=（1.231.65） d=1.27=1.27=43.98mm （2-2）f气缸的输出拉力 n；p 气缸的工作压力pa按照gb/t2348-1993标准进行圆整，取d=50mm气缸缸径尺寸系列 表2.2 气缸内径 mm8101262053240506380（90）100（110）25（140）60（180）200（220）250320400500630（2）活塞杆直径的确定由d=0.525d 估取活塞杆直径 d=26.28mm，查表得d=28mm 表2.3 活塞杆直径系列 mm456810121416182022252832364556637083708090100110125140160180200220250280320360400缸筒长度的确定缸筒长度s=l+b+30 （2-3）l为活塞行程；b为活塞厚度活塞厚度b=0.750=35mm由于气缸的行程l=310mm ,所以s=l+b+30=375mm（3）气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算： ( 2-4 )式中 缸筒壁厚（m）；d缸筒内径（m）；p缸筒承受的最大工作压力（mpa）；缸筒材料的许用应力（mpa）；实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考液压与气压传动缸筒壁厚强度计算及校核我们的缸体的材料选择45钢，=600 mpa， =120 mpan为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(pa)p缸筒承受的最大工作压力（mpa）。当工作压力p16 mpa时，p=1.5p；当工作压力p16 mpa时，p=1.25p由此可知工作压力0.6 mpa小于16 mpa，p=1.5p=1.50.6=0.9 mpa =2.5参照下表查得气缸筒的壁厚圆整取=7mm表2.4 气缸筒的壁厚 mm材 料气缸直径5080100125160200250320壁厚铸铁ht15-33781012141616钢a3，45578991112铝合金zl381212141417（4）气缸耗气量的计算q = （2-5）（5）气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度，可取v=1015） 选取v = 12 m/s （2-6）由公式 d0 = （2-7）代入数据得 d0 = =7.33mm （2-8）表2.5 气缸进排气口直径 mm气缸内径d进排气口直径40850 631080 100 12515140 160 18020所以取气缸排气口直径为8mmq 工作压力下输入气缸的空气流量（/s）v-空气流经进排气口的速度，可取v=1025）(6) 活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度l10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本 由气动技术手册稳定性校核：由公式 （2-9）式中 活塞杆承受的最大轴向压力（n）；=123n 纵向弯曲极限力（n）； 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2k活塞杆横截面回转半径，对于实心杆k=d/4代入数据 k =28/4=7mm由于细长杆比 85 即 = （2-10）实心圆杆： j = 式中 l 气缸的安装长度 ；m 末端系数；选择固定自由 m = 1/4e 材料弹性模量，钢材 e = 2.1 1011 pa ；j 活塞杆横截面惯性矩（m4）；d 活塞杆的直径（m）；l 气缸的安装长度为活塞杆的长度为375mm代入数据得 =2.685 n因为= 1.34 所以活塞杆的稳定性满足条件； （2-11）强度校核：由公式 d （2-12），n为安全系数 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(pa)45钢的抗拉强度，=600 mpa ，=12 mpa则 = 4.16 mm d ，所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。（7）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。（8）活塞与缸体得密封：采用o型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55mm2.3.4 横向气缸的设计计算与校核横向气缸的工作载荷主要是纵向气缸和导轨的摩擦力，取摩擦系数 = 0.17。估算纵向气缸的重量=7.9=7.68 kg （2-13）活塞杆的重量 = 7.9l=3.72 kg （2-14）活塞及缸盖重量=8 kg所以横行气缸的总载荷为: =(7.68+3.72+8+5)=41.8n （2-15） （2-16）1. 气缸内径的确定由表2-2计算并选择得出：d=1.27mm （2-17）f气缸的输出拉力 n；p 气缸的工作压力pa按照gb/t2348-1993标准进行圆整，取d=32 mm2.活塞杆直径的确定由d=0.3d 由表2-3估取活塞杆直径 d=10mm3.缸筒长度的确定缸筒长度s=l+b+20l为活塞行程；b为活塞厚度活塞厚度b=(0.61.0)d=0.732=23mm由于气缸的行程l=800mm ,所以s=l+b+20=843mm导向套滑动面长度a:一般导向套滑动面长度a，在d80mm时, 可取a=(0.61.0)d。所以a=20mm最小导向长度h：根据经验，当气缸的最大行程为l，缸筒直径为d，最小导向长度为：h代入数据 即最小导向长度h =56 mm活塞杆的长度l=l+b+a+40=800+23+20+60=903 mm4.气缸筒的壁厚的确定由液压气动技术手册可查气缸筒的壁厚可根据薄避筒计算公式进行计算：式中 缸筒壁厚（m）；d缸筒内径（m）；p缸筒承受的最大工作压力（mpa）；缸筒材料的许用应力（mpa）；实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。参考气压传动缸筒壁厚强度计算及校核,我们的缸体的材料选择45钢，=600 mpa， =120 mpan为安全系数 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉强度(pa)p缸筒承受的最大工作压力（mpa）。当工作压力p16 mpa时，p=1.5p；当工作压力p16 mpa时，p=1.25p由此可知工作压力0.6 mpa小于16 mpa，p=1.5p=1.50.6=0.9 mpa参照下表 气缸筒的壁厚圆整取mm5.气缸耗气量的计算q =6.气缸进排气口直径d0v空气流经进排气口的速度，可取v=1015） 选取v = 12 m/s 由公式 d0 = 代入数据得 d0 = =5.643mm所以取气缸排气口直径为8mmq工作压力下输入气缸的空气流量（/s）v-空气流经进排气口的速度，可取v=1025）7.活塞杆的校核由于所选活塞杆的长度l10d，所以不但要校核强度校核，还要进行稳定性校核。综合考虑活塞杆的材料选择45钢。参考机械设计手册单行本 由气动技术手册稳定性校核：由公式 式中 活塞杆承受的最大轴向压力（n）； 纵向弯曲极限力（n）； 稳定性安全系数，一般取1.54。综合考虑选取2k活塞杆横截面回转半径，对于实心杆k=d/4代入数据 k =10/4=2.5mm由于细长杆比 85 即 = 实心圆杆： j = 式中 l 气缸的安装长度 ；m 末端系数；选择固定自由 m = 1/4e 材料弹性模量，钢材 e = 2.1 1011 pa ；j 活塞杆横截面惯性矩（m4）；d 活塞杆的直径（m）；l 气缸的安装长度为活塞杆的长度为375mm代入数据得 =3.11 n因为 = 1.55 所以活塞杆的稳定性满足条件； 强度校核：由公式 d ，n为安全系数 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉强度(pa)45钢的抗拉强度，=600 mpa ，=12 mpa则 =1.92 mm d ，所以强度满足要求；综上所述：活塞杆的稳定性和强度满足要求。8.活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。9.活塞与缸体得密封：采用o型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.55mm2.3.5机身回转力矩的计算机身回转时，需要克服的阻力有：1.机身回转支承处的摩擦力矩 （2-18） 式中 ，轴承处支反力（n），可由静力平衡方程求得; ,轴承的直径（m）； 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承=0.01-0.02；对于滑动轴承=0.1。为简化计算，取，其中，为工件重量，为手部重量，为机身转动件重量。2.克服由于工件重心偏置所需的力矩 （2-19）式中 e工件重心到机身回转轴线的垂直距离，已知e=426mm.则 3.克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据机身回转的角速度及启动过程转过的角度按下式计算： （2-20）式中 工件对机身回转轴线的转动惯量； 机身回转部分对机身回转轴线的转动惯量； 手腕回转过程的角速度； 启动过程所需的时间，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。回转气压缸转动件等效为一个圆柱体，高为69mm，直径189mm，其重力估算： ,取98n. （2-21）等效圆柱体的转动惯量： （2-22）工件的转动惯量： （2-23）要求工件在0.5s内旋转90度, 取平均角速度，即=，代入得： （2-24） （2-25） 解可得： =0.80832.3.6回转气压缸所驱动力矩计算回转气压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到机身回转的目的。作用在动片上的合成气压力矩即驱动力矩。 或 （2-26）式中 机身回转时的总的阻力矩 回转气压缸的工作压力（pa） 缸体内孔半径（m） 输出轴半径（m），设计时按选取 动片宽度（m）上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等于零。2.3.7气压缸盖螺钉的计算表2.6 螺钉间距t与压力p之间的关系工作压力p（mpa）螺钉的间距t(mm)小于150小于120小于100小于80上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为：，即工作拉力与残余预紧力之和计算如下：气压缸工作压强为p=1mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适z=2个 受力截面 （2-27） （2-28） ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取k=1.6。（2-29） 所以 螺钉材料选择q235，安全系数n取1.5（1.5-2.2）螺钉的直径由下式得出 ，f为总拉力即 （2-30） 螺钉的直径选择d=8mm.2.3.8静片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数。螺钉由于油液冲击产生横向载荷，由于预紧力的作用，将在接合面处产生摩擦力以抵抗工作载荷，预紧力的大小，以接合面不产生滑移的条件确定，故有以下等式： （2-31）为预紧力,为接合面摩擦系数，取（0.10-0.16）范围的0.15，即钢和铸铁零件，为接合面数，取=2，z为螺钉数目，取z=2，d为静片的外径，d为输出轴直径，则可得： （2-32） 螺钉的强度条件为： （2-33） 带入有关数据，得： 螺钉材料选择q235，则（安全系数）螺钉的直径 ，d值极小，取。螺钉选择m6的开槽盘头螺钉， 综上选择dsm-36-180-p型摆动气缸3.9矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核机械手手臂在进行伸缩运动时，为防止手臂沿伸缩方向向中轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。手臂的导向装置系根据安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆，本设计中，伸缩运动中选用双导向杆。(1) 导轨的弯曲应力 ： （2-34） （2-35） （2-36） （2-37） 符合要求。因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。(2) 杆的挠度 此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：， （2-38）式中：ei是截面抗弯刚度 （2-39） （2-40）本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度会更小，符合设计要求。(2) 导轨的表面处理及润滑导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。2.3.10 机座结构的选择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，是支撑起机械手全部重量的构件。对其结构的要求是刚性好、占地面积小、操作维修方便和造型美观。机座结构从形式上分为落地式和悬浮式，或分为固定式、可移动式和行走式。无论哪一种形式，机械手工作时机座一定予以固定。可移动式的机座在停置时能够刹车定位，以保证机械手工作时的位置精度。根据本机械手的设计要求选用落地固定式机座。玻璃搬运机械手手臂需要一个旋转模块，摆动气缸就要固定在机座上。如果水平缸、垂直缸和手部机构直接安装到摆动气缸的输出轴上，机构虽然简单，但摆动气缸的轴向受力增大，对气缸的自身要求较高，并易造成摆动气缸的损坏。同时，机械手本身重心偏离立柱轴线以及各气缸运动产生的冲击都形成作用在摆动气缸转动轴上的倾覆力矩，所以采用一个连接组件，将机械手立柱以上的重量和倾覆力矩由机架来承担。连接组件主要由四部分组成：双向推力球轴承、底座、转台和扣罩。选择双向推力球轴承而不是单向的，因为机座与转台在轴向上无法直接连接。采用双向推力球轴承就可以方便的将轴承内环与转台连接，外环用罩扣固定在底座上。另外，推力球轴承应选择公称尺寸较大一些的，这样可以更好的承受倾覆力矩。2.3.11机身部位轴承选择与校核 主轴选择45，估计轴承所受径向载荷为500n,选用圆锥滚子轴承,现校核轴承。轴承基本数据如下：，当量动载荷，载荷系数取1，则，由公式： （2-41）n为转速，由0.5s完成回转，计算得：，球轴承代入得：，远大于轴承额定寿命。选用轴承为圆锥滚子轴承33110型。2.4 执行机构的工作原理玻璃搬运机械手的结构主要由机座、立柱、水平手臂、垂直手臂、电磁阀和吸盘等组成。其中机座采用摆动气缸进行驱动，手臂及吸盘采用单活塞杆双作用气缸驱动。机械手的动作基本有伸缩、升降、左右旋转、吸物和放物等动作。其结构原理如图2.1所示。其动作顺序为：初始位置 a右旋 b前伸 c气缸下降 d吸物料 c上升 b收缩a左旋 c气缸下降 d放物料 c上升回到初始位置。机械手的动作在整个过程中都是连续可循环的。第3章 驱动系统的分析与选择机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。机械手的驱动系统根据动力源的不同，分为液压、气压、电气、机械、气液联合和电液联合等多种方式。目前采用的主要有液压、气压、电气这三种驱动方式。3.1 驱动系统的分析与选择液压驱动，功率重量比大，可实现频繁平稳的变速和换向，容易实现过载保护，可自行润滑，使用寿命长。但也存在其油液容易泄露污染环境，需要配备油源，成本较高，工作噪声较大。电气驱动，控制精度高，驱动力较大，响应快，信号检测、传递、处理方便。但是由于这种驱动方式价格昂贵，限制了在一些场合的应用。因此，人们寻求其他一些经济适用的驱动方式。气压驱动具有价格低廉、结构简单、功率体积比高、无污染及抗干扰性强、在工业机械手中应用较多。另一方面，气动技术作为“廉价的自动化技术”，由于其元器件性能的不断提高，生产成本的不断降低，被广泛应用于现代化工业生