毕业设计（论文）-吹瓶机上下料机械手设计.doc

桂林理工大学本科毕业设计论文摘 要机械手已经和现在加工制造业密不可分了，特别是在高温、重载、多粉尘的危险环境中，应用工业机械手来完成操作就显得尤其必要。为实现吹瓶机的自动上下料，设计了一套气动机械手，用PLC作为主控制器，用此装置代替人工上下瓶胚，不但减轻了工人的劳动强度,还大大提高了劳动生产率。论文首先分析了气动接受的整体设计方案，然后从机械结构、动力系统以及控制系统三个方面阐述上下料机械手的设计与实现。设计采用PLC作为控制系统，通过控制气压动力系统来实现机械手的自动运动。机械手的具体结构根据动作要求进行设计。本文设计的启动机械手具有控制简单、可靠性强、精度高等特点，可以实现吹瓶机的自动上下料。关键词：机械手；气动系统；滚珠丝杆Blowing machine automatic loading and unloading robot designStudent:LEI Xue-feng Teacher:LI Xian-xuanAbstract：Manipulator has been and is now inseparable from the processing industry, especially at high temperatures, heavy, dusty dangerous environment, the application of industrial robot to complete the operation is especially necessary. Blowing machine to achieve automatic loading and unloading, designed a pneumatic manipulator with PLC as the master controller, use this device instead of doing up and down the preform, not only to reduce the labor intensity, but also greatly improved labor productivity.Thesis analyzes the overall design of pneumatic acceptable, design and implementation of loading and unloading robot then elaborated from three aspects of mechanical structure, power system and control system. Design using PLC as the control system by controlling the pneumatic power system to achieve automatic movement of the robot. Specific structure manipulator designed according to the requirements of the operation.This design start the robot has a simple control, high reliability, high precision, blowing machine can achieve automatic loading and unloading.Key words：Manipulator; pneumatic systems; ball screw目 次摘要IAbstractII1 引言11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 课题研究的主要内容12 上下料机械手设计方案32.1 机械手的坐标样式和自由度32.2 机械手的手爪结构设计方案42.3 手腕结构的设计42.4 手臂方案设计42.5 驱动系统设计方案42.6 机械手控制系统方案52.7 机械手的主要参数52.8 机械手的技术参数52.8.1 用途52.8.2 设计的技术参数:53 机械手手部结构设计73.1 夹持式手部结构73.1.1 手指的形状和分类73.1.2 设计注意事项73.1.3 机械手爪具体结构设计84 手腕结构设计124.1 机器人手腕结构的设计要求124.2 设计具体采用方案125 伸缩臂设计145.1 伸缩臂设计的基本要求145.1.1 功能性的要求145.1.2 适应性的要求145.1.3 可靠性的要求145.1.4 寿命要求145.1.5 经济性要求145.1.6 安全保护和自动报警145.2 方案设计155.2.1 气压驱动方案分析155.2.2 气动系统的设计与计算155.2.3 结构方案设计165.2.4强度及其刚度计算165.3 小臂气缸选型176 升降臂设计196.1 升降臂设计的基本要求196.1.1 功能性的要求196.1.2 适应性的要求196.1.3 其它要求196.2 方案设计196.2.1 气压驱动方案196.2.2 气动系统的设计与计算196.2.3 设计计算参数及具体要求206.3 大臂气缸选型217 机械手底座滚珠丝杆设计与选型237.1 滚珠丝杆的设计校核237.2 十字滑台的选用268 控制系统设计及总装图278.1 气压系统原理图278.2 PLC的机械手控制系统的设计要求278.2.1 瓶胚的夹持设计298.2.2 瓶胚的放入设计308.2.3瓶子成品的取出设计308.3 机械手总装三维图319 结论32致谢33参考文献34331 引言1.1 课题研究的背景和意义随着人类的发展、文明的进步，制造业也随之正不断发展着，实际工作中需要工人们完成的工作量也飞速的增大，特别是重复性大的易使工人产生疲劳的工作以及高危环境的工作。这就迫使人们研究开发一种新装置机械手1，能模仿人手和臂的某些动作功能，按照人们事先设计的好的程序来进行动作。它可以帮助工人们完成繁重劳动并且能在有害环境下进行工作以此来确保人们的生命财产安全。本设计的机械手应该满足一般机械手设计的基本。一般机械手是能够快速、精确完成运送物料输送2。根据这些基本要求我们可以知道，高精度、快速反应、一定的负载能力以及特定的工作空间还有能够满足工作需求的自由度是设计中要具体分析的。总之，在设计上下料机械手的过程中应该遵循：在充分分析吹瓶机的作业技术要求，考虑合理的工作流程，能够满足吹塑作业要求和工作环境；准确知道瓶胚的材料以及形状尺寸和定位精度的要求，并且在输送过程长的受力情况都应进行具体考虑，从而确定机械手的具体结构和控制系统;为了实现设计的最优化尽量选用标准组件或者有专门生产的构件，简化设计制造过程.本次设计的上下料机械手是专用的，是适用于百星系列的吹瓶机，可以手动和自动搬运瓶胚的操作设备，能有效改善劳动强度大和操作单调乏味和存在一定危险这个缺点3。 1.2 国内外研究现状国外吹瓶机技术含量日趋提高。在自动化、稳定性、节能效率、制品一致性、无人操作(包括监控)、伺服电动技术、柔性补偿技术、信息处理技术等方面均处于领先地位。世界吹塑机市场日趋被垄断，高端用户和精品产品均被几大吹塑机企业(集团)所垄断。国内吹瓶机制造业的状况，由原本的两头在外，企业主要关注装配和销售环节的仿制模式，逐渐向设计、零部件制造等布局完善的格局发展。但产品往往多功能单一、产品粗笨、能耗较高。在生产效率提高和产品节能和自动化、精细化化方面才刚有进步，有别于注塑机行业。吹塑机是一个十分分散、规模比较小、发展较慢的行业，自身也存在诸多问题例如：存在资金、装备、技术等薄弱环节。而且，进入门槛较低，消费需求和参与竞争的企业出发点高低不同。总体环境是大多数企业是在水平比较低的设备上徘徊，同时一个地区存在有多家企业在生产，重复性较大，价格也竞争厉害，利润薄弱。1.3 课题研究的主要内容本设计的主要内容是采用PLC和机械手臂相结合设计自动化的机械手臂。能够完成百星系列吹瓶机的上下料。设计的主要工作内容为下列几点：1）认真阅读相关文献资料，研究有关理论知识，弄清楚工作原理，结构特点，确定本次课题的整体设计方案；2）确定机械手的运动方案；3）确定机械手结构方案及尺寸参数；4）画出机械手原理草图；5）确定机械手的传动系统方案；6）确定PLC控制程序；7）画装配图，零件图，实体装配图；8）撰写设计说明书，并完善修改。2 上下料机械手设计方案由百星系列吹瓶机的实际工作中我们可以得出吹瓶机在工作过程中瓶胚的放入这一运动的主要流程如图2.1。从图2.1可以得出吹瓶机的放料的主要工作流程。步骤1和步骤2是取瓶胚的升降运动，在其中间还有瓶胚的夹持这一动作。步骤3和7是铝热装置和吹瓶机之间的往返运动。步骤4和6是放入模具的升降运动，步骤5是因为瓶胚的特殊结构而存在的装夹运动。在步骤5和6中还要经历机械手爪的放松运动。从图中我们可以得到上下料的主要工作动作，但是由于铝热装置的结构形状决定了还应该有从铝热装置中选择瓶胚这一动作和把成品瓶子放入物料箱这一动作。选择瓶胚和放入物料箱这一动作由之后的设计具体决定。图2.1 工作流程图2.1 机械手的坐标样式和自由度实际生产中的机械手手臂根据运动形式的不同以及特殊的组合形式，可以把它们大体分为圆柱坐标形式、球坐标以及关节式还有本设计采用直角坐标形式4。根据吹瓶机工作过程的要求规定了手臂要具有升降、收缩等动作特征，因此经过考虑最终采用直角坐标型式。并且根据其运动流程本设计初步估计三个自由度能够满足工作要求。依据以上的要求本设计初步设定的机械手的整体框架如图2.2所示。图2.2 机械手总体框架图2.2 机械手的手爪结构设计方案设计的上下料机械手是适用于百星系列吹瓶机的专用设备，把机械手的手部结构设计成内卡式固定结构专用于夹持矿泉水瓶胚。采用滑槽杠杆的形式，关节部分采用销钉连接。2.3 手腕结构的设计考虑到专用于百星系列吹瓶机的情况，又因为瓶胚被抓取的时候是竖直放置的，再者考虑到结构的简单化。由此经过考虑确定手腕为无自由度的构件且手腕上具有安装手爪和气缸的孔座。2.4 手臂方案设计按照吹瓶机放料中抓取瓶胚的动作要求，本毕业设计的手臂具有三个自由度，即手臂的前后、左右和升降运动。手臂的前后与升降由气缸来实现，而手臂的左右运动是根据铝热板上瓶胚的位置变化的靠气缸难以完成重复的位置变化。因而采用滚珠丝杆工作台来完成这一系列的运动。2.5 驱动系统设计方案根据气压传动拥有动作迅速的特性，且反应灵敏，工作阻力产生的损失小以及发生的泄漏也较小5，成本低廉并且吹瓶机自带气体压缩装置给机械手提供了气源为设计提供了便利。采用气压传动方式为本设计的主要驱动，采用步进电机与丝杠传动为辅助驱动装置。2.6 机械手控制系统方案考虑到机械手的专用与吹瓶机，同时控制系统使用点位控制，因此本设计决定采用可编程控制器（PLC）对机械手进行控制。并且PLC控制的机械手爪可以更改程序内容完成操作人员要求的运动。2.7 机械手的主要参数机械手的工作当中能够夹持零件的最大质量是其规格的主参数，由于是百星系列吹瓶的专用机械手抓取的物料是瓶胚质量较轻，本设计的抓取的物料为20g。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，为了能够全面了解速度的特性可以采用速度-行程曲线。由于瞬时速度难于测量因此本设计主要采用平均速度来验证。手臂设计的基本参数除了设计速度外还应该考虑手臂的伸出行程等。手臂伸出量如若过大则对设计的受力分析与形状设计等要求很高。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据对吹瓶机和铝热装置的测量与分析，本设计初步决定机械手臂的伸缩行程为600mm ，升降行程定为100mm，平均移动速度为0.5m/s。定位精度也是主要的参数，本设计的精度为0.1mm。2.8 机械手的技术参数2.8.1 用途用于吹瓶机自动上下料。2.8.2 设计的技术参数1）抓重:20g；2）自由度:3自由度；3）坐标选型:直角坐标；4）最大工作距离:1250mm；5）机构中心高度: 600mm；6）手臂动作参数设定； (1)小臂伸缩行程：600mm； (2)伸缩速度500mm/s； (3)大臂升降行程100mm； (4)升降速度250mm/s； (5)手指夹持部件:瓶胚； 7）定位方式:限位开关； 8）定位精度:0.1mm； 9）驱动方式:气压传动，滚珠丝杆； 10）控制方式：PLC。3 机械手手部结构设计本设计的机械手是专用的吹瓶机机械手，因此机械手的手部结构设计成专用于固定直径矿泉水瓶胚夹持的装置。3.1 夹持式手部结构夹持形式构造机械手一般包含由手爪和动力装置。其动力装置形式多样大致可安构件的不同分为齿轮齿条、滑槽形式、楔形块形式以及弹簧形式等。本设计采用滑槽杠杆形式的。3.1.1 手指的形状和分类本设计采用的夹持形式是非常常见的一种手部结构，实际生产工作中一般能够见到的有两指式和三指形式的；根据工件被夹持位置的不同又可分为内卡式和外部夹持形式式两种；按照支点数目的不同又可以分为一支点和和两支点形式6。经过初步构思采用三指形式的手爪，有利于与手爪夹持瓶胚时候的定心。根据构思初步绘制出手爪机械构造如图3.1。图3.1 手爪结构图3.1.2 设计注意事项1）拥有足够的工作动力在确定手指的工作用力的时候，主要设计依据为瓶胚的重量，除此之外工件运输过程中还存在加速度与机械振动都是应该要考虑到的问题7。2）手爪要有一定的动作空间手爪的动作空间一般是指手爪的开闭角度而开闭角度则是根据所夹持工件的形状确定的。手爪的开闭角应该能够确保瓶胚顺利夹紧和松开，因为夹持都是相同直径的瓶胚，所以可以确定手指的开闭角。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。3）保证工件准确定位能够准确保持机械手爪和瓶胚的的相对位置，必须根据被抓取瓶胚的形状，选择相应的手指形状。4）具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持瓶胚的重力的反作用力外，也承受着机械手臂在工作的过程产生的惯性力和机械振动的影响，因此得确保手指有足够的强度和刚度来来抵御工作中的负载与冲击力，并且应尽量使手指自身结构简单紧凑，质量较小。5）考虑瓶胚形状尺寸的要求根据实际工作需要，经过比较与计算，我们采用的手部结构是滑槽杠杆式多指式，由于瓶胚是总体圆柱形，故手指形状设计成半圆形。3.1.3 机械手爪具体结构设计 1）手爪受力分析瓶胚运动时候所受到的作用力是机械手爪设计的主要参数，依据瓶胚所受到作用力的大小、方向还有作用点来设计手爪的形式。根据本次设计的要求，机械手爪必须克服瓶胚的重力8。瓶胚所受到的作用力可以按照下列公式计算： (3-1)公式中：安全系数，通常取1.22，本设计去1.5； 工况系数，依据惯性力的大小还有承受最大的加速度来得出。=1+=1+=1.002； 方位系数，依据瓶胚和机械手爪的位置以及瓶胚的形状还有手指的构造决定的。此处耕具时间要求估取为2.G瓶胚的重量综上，=1.51.00220.029.8=0.0017N 2）机械手爪驱动力根据图3.2的受力分析得出 (3-2)式子中： a销钉到轴套的距离 b瓶胚到销钉的距离可得F=0.001，因为F比较小所以可以忽略不计。图3.2 受力分析图 3）手爪气缸选型各种类型各种规格和用途的气缸已经由各个生产厂商按照国家标准进行系列化的生产，其生产的气缸质量都有保证，成本也比较低廉。因此选择气缸和控制元件还有气源件等一般首先从生产厂商标准化产品中选用，如若有个别特殊要求的工作环境或者客户要求时才自行设计。一般选择标准气缸时按下列步骤进行9。依据气缸实际使用的时候所承受的负载，乘以1.52的系数，以此计算出气缸所需要设计的输出力，并根据气源的稳定时候的压力计算出气缸的缸径，以此查表选择气缸产品缸径并且得满足标准值。气缸的工作载荷R是指小臂在工作中满负荷状态下，启动的时候用一定大小的加速度所产生对气缸总阻力，即 (3-3)公式中：机械手爪杆件以及瓶胚的重力所产生的作用力爪在启动的时候所产生的静摩擦力手爪启动的时候所产生的惯性力 (1)的确定瓶胚的质量为0.02kg（已知），机械手爪的质量为0.1kg（估计），综上： 机械手的自身所受重力：=（0.02+0.1）*10=1.2（N）取=2N的确定 (3-4)的确定=0.4(N) (3-5) 式子中：为气缸启动时间，其加速度的时间约为0.10.5s综上，气缸所受到的总负载 =2+0.4+0.4=2.8（N）估取气缸实际负载为2.81.5=4.2N (2)气压缸内径D选型 (3-6) 公式中p根据相关设计要求估取为1M 则粗取气压缸的缸筒内径为6mm。 (3)对于气缸的行程的选择，将气缸实际的工作行程+1020mm的行程长度，根据所得数据查表选择工作气缸的的标准行程。气压缸的行程L：实际工作行程+20=20+20=40mm一般规格的气缸其活塞的运动速度为50700mm/s。若气缸的活塞是高速运动的，则在选择管道的时候应该选择进（排）气量大、管道内径较大的管道；若是对运动过程中要求运动比较平稳、且相对缓慢的，可以选择汽液阻尼调速气缸；若是采用节流调速气缸时，气缸应该水平安装并且采用排气节流方式；若是气缸采用用垂直安装的方法且动作是推动负载上升时，要求采用进口节流调速；实际工作中规定气缸往复末端无刚冲击时，则应该选用末端带缓冲装置的气缸。综上，由于气缸是安装在吹瓶机上下料机械手手上的应避免刚性冲击，因此选择可调缓冲。气缸的安装方式应该根据实际工作情况而定：分别有固定式气缸、回转气缸、摆动气缸等。在本次毕业设计中采用固定式的气缸足以满足要求。对于气缸是否采用润滑或者防尘和耐热耐高温措施，应该根据实际工作的条件以及工作环境来确定。百星系列的吹瓶机的工作环境决定了，气缸需无需采用润滑无需防尘等其它措施。由以上所得结果，查机械设计实用手册表6.2-47，最终选用上海全伟自动化原件公司的单活塞气缸，系列型号为QQCJ2，气缸内径取6，行径250，可调缓冲，动作形式为双动。 根据本章设计得手爪的三维图如图3.3所示图3.3 手爪三维图4 手腕结构设计小臂在实际工作中的动作能得出机机械手爪在其实际空间中的具体运动位置，而安装在手臂末端的手腕，则可以得到机械手臂末端执行元件在其工作空间中的运动姿态。机器手手腕是机器人操作机的最末端，与机器手臂配合运动以此实现安装在手腕上的机械手爪的动作要求。4.1 机器人手腕结构的设计要求1）机器人手腕的自由度数，应该具体情况具体分析。机器人手腕所拥有的自由度数目愈多，每个手腕关节能够运动的角度幅度愈大，则机械手腕部的灵活性就越高，对作业的环境与要求适应能力也越强。但是，机械手腕自由度的增加，必定会使腕部结构愈加复杂，机器人的控制愈加困难，最终制造成本也必然会倍增。在能满足实际生产要求的前提下，尽可能的减少自由度的数目10。实际生产中机器人手腕的自由度数为2或者3个，特殊要求的工作环境下需要更多的自由度，也存在机器人手腕不需要自由度，依靠手臂和腰部的动作就能实现实际生产作业任务。因此，手腕自由度要具体问题具体分析，依据机器人的布局和运动方案，来选择满足要求的最简方案；2）机器手腕部分安装在机器手臂的最末端，在设计机器手腕的时候，应该尽量减少手腕质量和体积，并且手腕的结构应该简单紧凑。设计中为了减轻机器手腕部分的质量，设计者一般把手腕部分的动力系统设计成分离的形式。手腕部分的动力装置一般设置在手臂上，应该避免使用直接驱动，并且为了拥有足够的刚度与强度一般选用高强度的铝合金材料来制造机械部分；3）机器手手腕部分要和最末端的机械手爪相连，这就要求在设计手腕的时候应该尽量采用标准的联接法兰。手腕的机械结构应便于装卸末端执行元件；4）为了保证力与运动的传递，机械手腕部分应该具有能满足要求的强度和刚度。5）手腕结构不可避免的存在空回间隙，为了使其减小提高传动的精度，应该设置传动间隙调整的机构；6）机械手腕的各关节如若存在轴转动必须要有限位开关，并且是硬限位，避免超限造成严重机械事故。4.2 设计具体采用方案通过对百星系列吹瓶机作业过程的的具体分析，考虑吹瓶机具体形式与布局及人工上下料作业时的具体操作要求，在满足吹瓶机系统工艺要求总体前提下提高吹瓶作业过程的安全和可靠性，同时不提高机械手的总体成本，手腕的结构应该尽量简单。结构的简单化同时有利于降低系统控制的难度。因此，最终确定手腕部分无需增加自由度，从生产实践中也证明此种设计能够胜任实际作业，3个自由度完全能够实现吹瓶机的自动放料作业。具体的机械手腕结构见图4.1。1.手爪固定孔 2.气缸导杆固定孔3.气缸固定孔图4.1 手腕结构图根据本章设计画出三维图如图4.2。图4.2 手腕三维图5 伸缩臂设计5.1 伸缩臂设计的基本要求设计机械手伸缩臂即小臂，小臂固定在大臂滑块连接装置中，前端是机械手腕部分及其安装的手爪，由气缸控制完成手臂直线的伸缩运动11。5.1.1 功能性的要求机械手的伸缩小臂是安装在大臂的滑块上的，最前端是机械手手爪，接受PLC控制系统的指令，完成瓶胚的输送工作。综上，小臂的动作应该平稳灵活并且动作应该迅速，能保证瓶胚的定位精确性，和其它部件保持有序协调的工作。5.1.2 适应性的要求由于本设计的机械手是专门针对百星系列的吹瓶机设计的，因此手臂的工位行程是针对吹瓶机特定的。因为铝热装置与吹瓶机的相对位置是相对的，因此手臂上应该设置可调的定位装置方便调整。为了减小惯性力与手臂工作行程中所造成的刚性冲击，驱动机构选择与设计的的时候应尽量保证驱动力与负载的大小相等。因此来达到工作的平稳且能保证定位的准确性和快捷。5.1.3 可靠性的要求可靠性是一个产品的重要指标特征，它表示一个产品能在规定的工作条件下和规定的工作期限内完成规定的工作任务的能力。因为机械手是代替人工在危险或者人们难以长期正常工作的生产环境下工作的，因此对机械手的可靠性要求非常高对机械手的可靠性分析是必须的。5.1.4 寿命要求有的产品在工作初期能够满足各种工作要求，但是在一定的工作时间后，因为某种货某些原因而失效。这个产品正常工作的时间就叫做产品的寿命。而产品的失效常常是因为零件的疲劳和磨损，因此设计过程中应该考虑减少摩擦和磨损的措施。例如采取润滑措施，零件材料的选择选取耐磨型，设计零件时候应该合理等。因为每个零件的寿命是不同的，因此整机中易于损坏的零件应当便于更换和维修。5.1.5 经济性要求设计产品的经济性首先表现在产品设计过程中人工消耗少且材料资源使用少。使用过程中也存在经济性，当今社会主张节能因此是设计过程中应该考虑使用是能源的消耗问题。将所学的机械设计的贯穿于产品设计的全程。5.1.6 安全保护和自动报警按照安全生产的要求，机械手的设计中应考虑到工作过程中的防范措施。以此来保证操作人员或者生产设备的安全。这是任何设计都应该慎重思考的，是必需的。因此在PLC程序设计的过程中应该考虑到故障时候的处理办法。5.2 方案设计设计参数：1）伸缩长度：600mm；2）单方向伸缩时间：2s；3）定位误差：0.1mm；前端安装机械手，伸缩终点无刚性冲击。5.2.1 气压驱动方案分析小臂的伸缩原理：依据工作要求小臂采用单出杆双向的活塞气压缸12，小臂伸出的时候采用单向调速阀进行小臂的速度进行控制，当瓶胚接近吹瓶机的模具时进行减速（本设计采用缓冲气缸）。小臂的伸出考限位开关决定，当触碰到限位开关小臂停止伸出并保持当前长度。采用导轨导向以此来防治小臂的转动。采用电磁换向阀老控制小臂的伸出或者缩回。如图5.1。 图5.1 手臂布局图5.2.2 气动系统的设计与计算设计中的气压控制系统的满足小臂动作的逻辑要求，气压缸及其控制机构的选取要能满足小臂动力和伸缩的时间的要求，具体的选择标准参考机械设计手册。因为小臂的运动是间歇性的往复动作，有一定的刚性冲击因此可以考虑缓冲气缸或者从气动系统的设计上解决此问题13。设计计算参数及其要求：1）电磁阀的流量：应能满足小臂伸缩速度的要求；2）气缸的缸径：气缸提供的驱动力要能提供足够的动力驱使小臂伸出，并且能够在规定的时间内完成；3）导轨的刚度：在小臂伸出的极限位置，机械手端部的挠度能够在规定的要求内；4）定位方式和原件：采用行程开关控制。5.2.3 结构方案设计结构方案说明：1）螺母2 通过大臂滑块上的孔把气缸固定在大臂的滑块上；2）机械手腕用于机械手抓的安装，其结构根据实际工作要求设计；3）气压缸的伸出杆带动小臂伸出600mm，小臂伸出的工作距离比较大。设计、和安装的时候必须注意到气压缸与小臂的平行度要求；4）导向装置可以选用直线导杆或者直线导轨。直线导轨可以采用外购件，直接从制造生产的厂家哪里选购。导轨的各项参数可以从厂家那里获取。5.2.4强度及其刚度计算 根据本设计所针对的瓶胚重量为20g左右，手爪部分的质量约为0.5kg。从理论力学的受力分析可以看出载荷不大。根据生产经验或者从其他产品设计中对比得出。小臂的受力图如图5.2所示。 图5.2 小臂受力分析手爪夹持的瓶胚，小臂全部伸出 的时候，是气缸导杆受力最大的时候，也是小臂形变量最大的时候。在这种状态下用所学的材料力学的知识计算它的刚度与强度。本设计可以根据经验得出完全满足要求。5.3 小臂气缸选型各种类型各种规格和用途的气缸已经由各个生产厂商按照国家标准进行系列化的生产，其生产的气缸质量都有保证，成本也比较低廉。因此选择气缸和控制元件还有气源件等一般首先从生产厂商标准化产品中选用，如若有个别特殊要求的工作环境或者客户要求时才自行设计。一般选择标准气缸时按下列步骤进行。依据气缸实际使用的时候所承受的负载，乘以1.52的系数，以此计算出气缸所需要设计的输出力，并根据气源的稳定时候的压力计算出气缸的缸径，以此查表选择气缸产品缸径并且得满足标准值14。1）气缸的工作载荷R是指小臂在工作中满负荷状态下，启动的时候用一定大小的加速度所产生对气缸总阻力，即 (5-1)公式中：机械手中小臂上连接的构件以及小臂机械部分的质量所产生的作用力小臂在动作中机械构件的静摩擦力小臂启动的时候所产生的惯性力的确定 瓶胚的质量为0.02kg（已知），机械手爪的质量为0.25kg（估计），小臂的质量为0.5kg（估计），其它零部件的质量为1kg（估计）综上： 机械手的自身所受重力：=（0.02+0.25+0.5+1）*10=17.7（N）取=18N的确定 (5-2)的确定=3.6（N） (5-3) 式子中：为气缸启动时间，其加速度的时间约为0.10.5s综上，气缸所受到的重负载 =17.7+3.6+3.6=14.9（N）估取气缸实际工作中的负载为14.91.5=22.35N2）气压缸内径D计算分析 (5-4) 公式中p以及经验估取为1M 由计算结果以及内径的标准尺寸规定初步选取内径为6mm。3）对于气缸的行程的选择，将气缸实际的工作行程+1020mm的行程长度，根据所得数据查表选择工作气缸的的标准行程。气压缸的行程L：实际工作行程+20=600+20=620mm。一般规格的气缸其活塞的运动速度为50700mm/s。若气缸的活塞是高速运动的，则在选择管道的时候应该选择进（排）气量大、管道内径较大的管道；若是对运动过程中要求运动比较平稳、且相对缓慢的，可以选择汽液阻尼调速气缸；若是采用节流调速气缸时，气缸应该水平安装并且采用排气节流方式；若是气缸采用用垂直安装的方法且动作是推动负载上升时，要求采用进口节流调速；实际工作中规定气缸往复末端无刚冲击时，则应该选用末端带缓冲装置的气缸。综上，由于气缸是安装在吹瓶机上下料机械手手上的应避免刚性冲击，因此选择可调缓冲。4）气缸的安装方式应该根据实际工作情况而定：分别有固定式气缸、回转气缸、摆动气缸等。在本次毕业设计中采用固定式的气缸足以满足要求。对于气缸是否采用润滑或者防尘和耐热耐高温措施，应该根据实际工作的条件以及工作环境来确定。百星系列的吹瓶机的工作环境决定了，气缸需无需采用润滑无需防尘等其它措施。由以上所得结果，查查机械设计实用手册表6.2-47，最终选用烟台未来自动装备公司的单活塞气缸，系列型号为LCZ，气缸内径取25，行径3000，可调缓冲，动作形式为双动。6 升降臂设计6.1 升降臂设计的基本要求设计机械手升降臂即大臂，大臂用螺钉固定在丝杠移动台上，大臂的整体结构是框架结构，中间是固定小臂的滑块，由气缸提供动力完成大臂的升降运动。6.1.1 功能性的要求机械手的大臂是安装在丝杠移动滑台上面的，大臂中的滑台给小臂提供了安装位置。大臂接受PLC的控制，完成瓶胚的升降动作。因此，为保证升降工作的有序进行，大臂的动作响应应该快速平稳且具有足够的定位精度。6.1.2 适应性的要求设计是针对百星系列的吹瓶机。由于机械手是外加设备，为了保证手臂的定位的精度，大臂上得安装可调的定位装置。由于大臂上的滑块连接了小臂手爪等装置具有很大的惯性且动作过程中会产生刚性冲击，因此在气缸的选则上要求具有缓冲作用的气缸。6.1.3 其它要求机械手臂除了要满足上述的要求外，也要满足可靠性的要求以及寿命要求和经济性要求。同时更应该注意设备具有安全保护和自动报警的功能。滑块上安装小臂与气缸，升降终点无刚性冲击6.2 方案设计设计参数：1）升降高度 100；2）单方向伸缩时间：1s；3）定位误差：0.1mm。6.2.1 气压驱动方案升降原理：大臂采用单出杆双向的气压缸，大臂升降作业的时候采用调速阀进行对大臂的速度进行控制，运动端点时候使用具有缓冲作用的气缸可减小冲击。大臂的升降运动靠限位开关的位置确定，接触限位开关的时候大臂停止升高或降级并保持当前 的作业高度。出于对大臂转动的防护采用双导杆对大臂进行导向。大臂的升降控制采用电磁换向阀。6.2.2 气动系统的设计与计算气动控制系统要满足大臂作业运动的逻辑要求，气压缸及其相对应的控制元件具有一定的动力与较短的动作时间满足大臂的动力要求。6.2.3 设计计算参数及具体要求1）电磁阀的流量：能够保证大臂升降的速度要求；2）升降气缸的缸径：气缸能够提供足够大的驱动力来确保大臂的升降，并且动作时间也能在规定的时间之内；3）导杆的刚度：在机械手工作过程中，双导杆的刚性变型应该在规定的范围内。定位方式和原件：采用限位开关控制；4）结构方案说明如图6.1所示 (1)底座1通过丝杆工作台的的孔和螺母把大臂固定在工作台上。(2)大臂上的滑块用于机械手小臂以及气缸的安装，其结构根据实际工作要求设计(3)气压缸的伸出杆带动大臂升高或者降低100mm，小臂伸出的长度比较大。设计、制造和安装的时候要考虑到大臂与小臂的垂直度要求。(4)导向装置选用两根直线导杆。由于制造生产直线导杆的厂家较多因此导杆从制造生产的厂家那里购买。导杆的各项参数可以从厂家那里获取。图6.1 大臂结构图5）强度及其刚度计算根据本设计先前所测算的内容小臂及其相关联的的机构质量约为1.77kg，滑块的质量0.5kg（估计）。从理论力学的受力分析可以看出载荷不大。根据生产经验或者从其他产品设计中对比得出。手爪夹持的瓶胚，小臂全部伸出 的时候，是气缸导杆受力最大的时候，也是大臂形变量最大的时候。在这种状态下用所学的材料力学与理论力学的知识计算它的刚度与强度。本设计可以根据经验得出完全满足要求。6.3 大臂气缸选型各种类型各种规格和用途的气缸已经由各个生产厂商按照国家标准进行系列化的生产，其生产的气缸质量都有保证，成本也比较低廉。因此选择气缸和控制元件还有气源件等一般首先从生产厂商标准化产品中选用，如若有个别特殊要求的工作环境或者客户要求时才自行设计。一般选择标准气缸时按下列步骤进行。1）依据气缸实际使用的时候所承受的负载，乘以1.52的系数，以此计算出气缸所需要设计的输出力，并根据气源的稳定时候的压力计算出气缸的缸径，以此查表选择气缸产品缸径并且得满足标准值。气缸的工作载荷R是指大臂在工作中满负荷状态下，工作的时候以一定大小的加速度造成对气缸总阻力，即 (6-1)公式中：机械手中大臂上连接的构件以及滑块的重力所产生的作用力大臂在工作启动中所产生的静摩擦力大臂工作的时候所产生的惯性力的确定 瓶胚的质量为0.02kg（已知），机械手爪的质量为0.25kg（估计），小臂的质量为0.5kg（估计），滑块的质量0.5kg（估计）其它零部件的质量为1kg（估计）综上： 机械手的自身所受重力：=（0.02+0.25+0.5+0.5+1）*10=22.7（N）取=23N的确定 (6-2)的确定=4.6（N） (6-3) 式子中：为气缸启动时间，其加速度的时间约为0.10.5s综上，气缸所受到的重负载 =22.7+4.6+4.6=31.9（N）估取气缸实际负载为31.91.5=47.85N 2）气压缸内径D的设计 (6-4)公式中p根据经验估取为1M则缸筒内径为8mm。 3）对于气缸的行程的选择，将气缸实际的工作行程+1020mm的行程长度，根据所得数据查表选择工作气缸的的标准行程。气压缸的行程L：实际工作行程+20=100+20=120mm。一般规格的气缸其活塞的运动速度为50700mm/s。若气缸的活塞是高速运动的，则在选择管道的时候应该选择进（排）气量大、管道内径较大的管道；若是对运动过程中要求运动比较平稳、且相对缓慢的，可以选择汽液阻尼调速气缸；若是采用节流调速气缸时，气缸应该水平安装并且采用排气节流方式；若是气缸采用用垂直安装的方法且动作是推动负载上升时，要求采用进口节流调速；实际工作中规定气缸往复末端无刚冲击时，则应该选用末端带缓冲装置的气缸。综上，由于气缸是安装在吹瓶机上下料机械手手上的应避免刚性冲击，因此选择有缓冲垫。 4）气缸的安装方式应该根据实际工作情况而定：分别有固定式气缸、回转气缸、摆动气缸等。在本次毕业设计中采用固定式的气缸足以满足要求。对于气缸是否采用润滑或者防尘和耐热耐高温措施，应该根据实际工作的条件以及工作环境来确定。百星系列的吹瓶机的工作环境决定了，气缸需无需采用润滑无需防尘等其它措施。由以上所得结果，查机械设计实用手册表6.2-47最终选用广东肇庆方大气动公司生产的单杆活塞气缸，气缸的系列型号为10Y-1，气缸内径取8，行径800，特点缓冲垫，动作形式为双动。7 机械手底座滚珠丝杆设计与选型7.1 滚珠丝杆的设计校核1）确定滚珠丝杠副的导程 (7-1) 丝杆副最大移动速度 丝杆副最大相对角度由实际工作得出=4m/min， =500r/min代入得=8mm查机械设计实用手册取=10mm2）确定当量转速与当量载荷当量载荷 (7-2) ,轴向变载荷 对应载荷所对应的转速 对应载荷的所使用的时间带入数据得Fm200N当量转速= (7-4)将数据代入得=500r/min3）额定动载荷 (7-4) (7-5)精度系数可靠性系数载荷性质系数预期丝杆的工作寿命（h）预期工作距离（km）查机械设计实用手册表5.2-17表5.2-18表5.2-19得出=1.0=1 = 1 代入公式=25134N4）估算滚珠丝杆的最大轴向变形 =（1/31/4）重复定位精度 定位精度 (7-6)已知重复定位精度1mm定位精度1mm代入公式，解得结果的最小值=0.25mm。5）估算滚珠丝杆的底径= (7-7)a支撑方式系数，按照手册一端固定另一端自由或者游动时为0.078，若两端固定或铰支时去0.039导轨静摩擦力（N）导轨静摩擦因素L滚珠丝杆两轴承支点的空间距离，常取1.1行程+（1014）W丝杆传动部件的重力丝杆要求预拉伸，取一端固定另一端自由一直行程700mm，W=200N，=0.1代入以上公式求解得=9mm6）滚珠丝杆副的规格代号的确定查机械设计实用手册按表5.2-3选定滚珠螺母形式，按上述估算的、及值从表5.2-12表5.2-15中选出合适的规格代号及有关安装、连接尺寸，并使表中的、表中的，但不宜过大，以免增加转动惯量及结构尺寸。选用外循环滚珠丝杆螺旋槽，垫片式CMFZD20052.5=10mm, =16.7mm7）计算预紧力=b (7-8)系数b，对轻载荷取0.05，中载荷取0.1，重载荷时取0.15由先前查表得=770N8）计算行程补偿值C=11.8 (7-9) 温度变化值，23=行程+（814） (7-10) 滚珠丝杆副有效行程（mm）代入公式得C=0.73mm9）预拉伸力=1.95 (7-11)代入公式得=1360N10）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格由于本设计所受的轴向和径向载荷都较小所以选用向心球轴承轴承内径d略小于d216.7，d=15查机械设计实用手册按表54.2-56得轴承代号6002。11）计算系统刚度K1/K=1/ (7-12) =165滚珠丝杆副的拉压刚度（N/m）轴承刚度，查机械设计实用手册表5.2-21（N/m）R轴向接触刚度，查机械设计实用手册表5.2-12表5.2-15a滚珠螺母中点至轴承支点的距离（mm）代入公式得K=9000 N/m12）滚珠丝杆副的精度选择查机械设计实用手册表5.2-11精度选择10。13）验算滚珠丝杆压杆稳定性= (7-13)安全系数，丝杆垂直安装为1/2，丝杆水平安装取1/3支撑系数，见表5.2-22丝杆最大受压长度，见表5.2-22滚珠丝杆副所受最大轴向压载荷查机械设计实用手册代入公式得14）计算滚珠丝杆副极限转速=10 (7-14)支撑系数，见表5.2-22临界转速计算长度，见表5.2-22 =11500r/min15）校验值 滚珠丝杆副的公称直径（mm） 滚珠丝杆副最大转速（r/min）经过校验满足要求16）验算额定静载荷 (7-15)静态安全系数，一般去12，有冲击和振动时23滚珠丝杆副最大轴向载荷滚珠丝杆副轴向基本额定载荷，见表5.2-12表5.2-15查机械设计实用手册=14KN代入公式校核满足要求17）验算丝杆轴压拉强度 (7-16)综上数据得出 =514 N/mm7.2 十字滑台的选用根据以上的设计与校核，由于当今丝杆制造商非常多可以直接外购。本设计选用THK/150系列的十字滑台。CT型精密定位平台是THK生产的一款精度高、刚度强、可靠性优越采用精密滚珠丝杆定位的自动化工作台。在滑台中安装了一组平行导轨使滑台导向能力高，且能够承受较大的负载。又因为这组导轨的存在滑台拥有十分稳定的行走精度。在滑台的选型和配套设备方面，公司都提供了相应的电机和客户需要的丝杆类型。THK/150系列的十字滑台安装和拆卸也是十分的简单便捷。表7-1 滑台参数品牌/型号：THK/150型号：150使用特性：低温润滑状态：边界润滑承载机理：固体摩擦重量