气动机械手的设计

1中南大学网络教育毕业论文论文题目气动机械手的设计姓名石银法学号13131051012001专业机械设计制造及其自动化层次专升本学习中心菏泽学习中心指导教师张亚静2015年10月30日1中南大学网络教育毕业论文（设计）任务书学生姓名石银法学号13131051012001管理中心入学时间2013年秋专业机械设计制造及其自动化学习中心菏泽学习中心毕业论文（设计）题目气动机械手的设计题目类型1理论研究题目来源2模拟或虚构题毕业论文（设计）时间2015年9月15日至2015年12月10日1毕业论文（设计）内容要求（或内容纲要；字数500字）现代科学技术的发展，推动了不同学科的交叉渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要构成。它是机器人的一个分支,近几十年发展起来的高科技生产设备,它可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械手作业准确且能在各种环境下完成作业，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。这次毕业论文的目的是采用气动通用机械手。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。方法是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。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。在设计机械手臂座的时候，用两个电机提供动力。左边电机1通过谐波减速器减速后，通过齿轮来控制手臂的回转，而手臂弯曲动作的动力，由右边2电机提供。电机2同样也是通过谐波减速器减速后，通过一个长轴，把动力传到底部的小齿轮上，再由小齿轮与大齿轮的啮合，把动力传到竖直的锥齿轮上，又通过锥齿轮之间的啮合，把动力与运动传递到横轴上，这样，再通过键连接，就能把动力传到带轮上。这样，带轮就以一定的速度不停的转，以给臂关节通过同步齿型带传递动力。在设计臂关节结构时，用两个同步齿形带轮来传递动力，而带轮又与轴和机械式离合器的左半边相连，这样，就使轴与左半边相连的离合器转动。在右半边为一电磁制动器，制动器的左半边与离合器的右半边相连，而且通过盘与上臂相连。这时，当电磁铁通电时，制动器吸合，这时离合器也分开。这样，上臂就停止在所要求的位置上了。当电磁铁失电时，由于弹簧力的作用，把制动器推开，同时离合器在弹簧力的作用下自动啮合，手臂恢复原有的运动。1题目类型理论研究，实验研究，工程设计，工程技术研究，软件开发。2题目来源工作任务题，生产实际题，模拟或虚构题，学生自选题。1本任务书必须网上报送学院，学院审批通过后，下载放置在学生论文首页。2主要参考资料期刊文献书写规范作者，论文篇名，刊物名，出版年，卷（期），论文在刊物中的页码。图书文献书写规范作者，书名，出版地，出版社，出版日期，引用内容所在页。1张建民，工业机器人北京北京理工大学出版社，20072蔡自兴，机器人学的发展趋势和发展战略机器人技术，20033金茂青等，国外工业机器人发展势态分析机器人技术与应用，20054王雄耀，近代气动机器人气动机械手的发展及应用液压气动与密封，20045严学高，孟正大机器人原理南京东南大学出版社，20036机械设计师手册，北京机械工业出版社，20067黄锡恺，郑文伟，机械原理北京人民教育出版社，20068成大先，机械设计图册北京化学工业出版社9郑洪生，气压传动及控制北京机械工业出版社，200710吴振顺，气压传动与控制哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，200411徐永生，气压传动北京机械工业出版社，200212傅祥志，机械原理（第二版），武汉华中科技大学出版社，20001013吴昌林等，机械设计（第二版），武汉华中科技大学出版社，2001214徐钢涛等，机械设计基础，北京高等教育出版社，200853毕业论文（设计）进度安排起止时间阶段内容2015年7月17日2015年9月20日收集有关论文（设计）资料，选题、填报任务书2015年9月21日2015年10月10日修改毕业论文（设计）任务书2015年10月11日2015年10月30日撰写论文、提交初稿，指导老师进行论文指导和评阅2015年11月10日2015年11月30日毕业论文（设计）答辩2015年12月10日上传毕业论文（设计）终稿指导教师网络教育学院主管院长张亚静2015年9月18日中南大学网络教育毕业论文（设计）1目录摘要I第一章绪论111机械手概述112机械手的组成和分类2121机械手的组成2122机械手的分类4第二章机械手的设计方案21机械手的坐标型式与自由度522机械手的手部结构方案设计623机械手的手腕结构方案设计624机械手的手臂结构方案设计625机械手的驱动方案设计726机械手的控制方案设计727机械手的主要参数728机械手的技术参数列表8第三章手部结构设计31夹持式手部结构10311手指的形状和分类10312设计时考虑的几个问题10313手部夹紧气缸的设计11第四章手腕结构设计41手腕的自由度1442手腕的驱动力矩的计算14421手腕转动时所需的驱动力矩15422回转气缸的驱动力矩计算17第五章手臂的设计与校核51手臂伸缩部分尺寸设计与校核19511尺寸设计19512尺寸校核19513导向装置20514平衡装置20中南大学网络教育毕业论文（设计）52手臂升降部分尺寸设计与校核20521尺寸设计20522尺寸校核2153手臂回转部分尺寸设计与校核21531尺寸设计21532尺寸校核22第六章机械手的PLC控制设计2361可编程序控制器的选择及工作过程2362可编程序控制器的选择23第七章结论24参考文献25致谢26中南大学网络教育毕业论文（设计）摘要在设计臂关节结构时，我们用两个同步齿形带轮来传递动力，而带轮又与轴和机械式离合器的左半边相连，这样，就使轴与左半边相连的离合器转动。在右半边为一电磁制动器，制动器的左半边与离合器的右半边相连，而且通过盘与上臂相连。这时，当电磁铁通电时，制动器吸合，这时离合器也分开。这样，上臂就停止在所要求的位置上了。当电磁铁失电时，由于弹簧力的作用，把制动器推开，同时离合器在弹簧力的作用下自动啮合，手臂恢复原有的运动。注机械手臂的运动范围受结构的限制，在手臂的运动到达结构位置之前，必须使其自动停止。机械手臂的运动是有关节处牙嵌离合齿上的突起部分而定。手臂在极限位置自动停止，反向运行的条件完全是靠离合齿上的凸起部分与滑块的接触实现的。为了使离合齿轮能顺利的脱开和啮合，对离合齿上的凸起部分斜面的升角ARCTG。只有满足这个条件，离合齿上凸起部分的斜面与滑块在滑动时才不会发生自锁。这样手臂才能自动停止和反向动作关键词机械手臂，极限位置，自锁中南大学网络教育毕业论文（设计）1第一章绪论11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。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率可以减轻劳动强度、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。中南大学网络教育毕业论文（设计）212机械手的组成和分类121机械手的组成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。各系统相互之间的关系如方框图21所示。机械手组成方框图11一执行机构包括手部、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。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的手指有外夹式和内撑式指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通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中南大学网络教育毕业论文（设计）3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I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、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。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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。二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。控制系统有电气控制和射流控制两种，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。122机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，中南大学网络教育毕业论文（设计）4在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。一按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。二按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、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。3、机械传动机械手即由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。中南大学网络教育毕业论文（设计）54、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。三按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。第二章机械手的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，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，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。也可用于操作环境恶劣的生产场合。21机械手的坐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，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。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中南大学网络教育毕业论文（设计）6自由度图21机械手的运动示意图22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。23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。24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。中南大学网络教育毕业论文（设计）725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。26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。27机械手的主要参数1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2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伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为SM/01。最大回转速度设计为S/90。平均移动速度为SM/80。平均回转速度为S/60。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MM1400。手臂升降行程定为MM120。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为MM1。中南大学网络教育毕业论文（设计）828机械手的技术参数列表一、用途用于自动输送线的上下料。二、设计技术参数1、抓重KG52、自由度数4个自由度3、坐标型式圆柱坐标4、最大工作半径MM14005、手臂最大中心高MM12506、手臂运动参数伸缩行程MM1200伸缩速度SMM/400升降行程MM120升降速度SMM/250回转范围1800回转速度S/907、手腕运动参数回转范围1800回转速度S/908、手指夹持范围棒料MMMM150809、定位方式行程开关或可调机械挡块等10、定位精度MM111、驱动方式气压传动12、控制方式中南大学网络教育毕业论文（设计）9机械手臂剖视图图26中南大学网络教育毕业论文（设计）10第三章手部结构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，使用夹持式手部如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。31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。311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。312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中南大学网络教育毕业论文（设计）11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。313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32所示图32齿轮齿条式手部其工件重量G5公斤，V形手指的角度1202，MMRMMB24120,摩擦系数为100F1根据手部结构的传动示意图，其驱动力为RBP2N2根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式50TGN2542560550NTG中南大学网络教育毕业论文（设计）12所以RBP2N245N3实际驱动力21KKPP实际1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取940，并取511K。若被抓取工件的最大加速度取GA3时，则412GAK所以1563940451245NP实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N1563。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ZTFFPDF421式中1F活塞杆上的推力，NTF弹簧反作用力，NZF气缸工作时的总阻力，NP气缸工作压力，PA弹簧反作用按下式计算1SGFFTNDGDGF3141FGNDGD31418式中FG弹簧刚度，N/M1弹簧预压缩量，MS活塞行程，M1D弹簧钢丝直径，M中南大学网络教育毕业论文（设计）131D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PAG910479，在设计中，必须考虑负载率的影响，则TFPDF421由以上分析得单向作用气缸的直径PFTFD41代入有关数据，可得FGNDGD31418433391510308105310479/463677MN1SGFFT622010604636773N所以DPNFTF1461050622049042365MM查有关手册圆整，得MMD65由3020/DD,可得活塞杆直径MMDD519133020圆整后，取活塞杆直径MMD18校核，按公式4/21DF有50/14FD其中，MPA120，NF7501则50120/4904D18282满足实际设计要求。3、缸筒壁厚的设计中南大学网络教育毕业论文（设计）14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2/PDP式中6缸筒壁厚，MMD气缸内径，MMPP实验压力，取PPP51,PA材料为ZL3,3MPA代入己知数据，则壁厚为2/PDP561032/1066565MM取MM57，则缸筒外径为80257651MMD第四章手腕结构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。41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。42手腕的驱动力矩的计算中南大学网络教育毕业论文（设计）15421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41所示为手腕受力的示意图。1工件2手部3手腕图41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封摩偏惯驱MMMMM式中驱M驱动手腕转动的驱动力矩CMN惯M惯性力矩CMN偏M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CMN,封M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CMN中南大学网络教育毕业论文（设计）16下面以图41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1CMNTJJM）（惯式中J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量2SCMN1J工件对手腕转动轴线的转动惯量2SCMN。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量1J为GGJJC1121E式中CJ工件对过重心轴线的转动惯量2SCMN1G工件的重量N1E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/ST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偏偏M11EG33EGCMN式中3G手腕转动件的重量N3E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11EG03、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M封M212DRDRFBACMN中南大学网络教育毕业论文（设计）17式中1D，2D转动轴的轴颈直径CMF摩擦系数，对于滚动轴承010F，对于滑动轴承10FAR,BR处的支承反力N，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据0）（FMA,得33LGLRBLGLG122BRLLGLGLG332211同理，根据BMF0,得LLLGLLGLLGRA332211式中2G的重量N321,LLLL,如图41所示的长度尺寸CM4、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。422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42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222RRPBM,或222RRBMP中南大学网络教育毕业论文（设计）18中南大学网络教育毕业论文（设计）19第五章手臂、回转气缸的设计与校核51手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核511手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参看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100/63512尺寸校核1在校核尺寸时，只需校核气缸内径1D63MM,半径R315MM的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强MPAP40,则驱动力2RPF124603150143104026N测定手腕质量为50KG,设计加速度/10SMA，则惯性力MAF15001050N2考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数20K,1FKFM10050020N中南大学网络教育毕业论文（设计）20总受力MFFF10600100500NFF0所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。513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。514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，务求使两端尽量接近平衡。52手臂升降气缸的尺寸设计与校核521尺寸设计气缸运行长度设计为L118MM,气缸内径为1D110MM,半径R55MM,气缸运行速度，加速度时间T01S,压强P04MPA,则驱动力20RPG26055014310403799N中南大学网络教育毕业论文（设计）21522尺寸校核1测定手腕质量为80KG,则重力MGG8001080N1，设计加速度/5SMA，则惯性力MAG1400580N3考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数10K，1GKGM4040010N总受力MQGGGG1124040400800N0GGQ所以设计尺寸符合实际使用要求。53手臂回转气缸的尺寸设计与校核531尺寸设计气缸长度设计为MMB120,气缸内径为MMD2101,半径R105MM,轴径MMD402半径MMR20,气缸运行角速度S/90，加速度时间T05S,压强MPAP40,中南大学网络教育毕业论文（设计）22则力矩222RRPBM2552020010501201040226MN532尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量KGM1201,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径MMR200的圆盘上，那么转动惯量221RMJ2100120260（2MKG）TJM惯108509060MN考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数20K,惯摩MKM）（MN4510820总驱动力矩摩惯驱MMM）（MN411345108MM驱设计尺寸满足使用要求。中南大学网络教育毕业论文（设计）23第六章机械手的PLC控制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。61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SIMATICN5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。62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4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。中