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PLC控制三自由度工业机械手设计(CAD图).doc
JXFZ01-002@PLC控制三自由度工业机械手设计(CAD图)
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JXFZ01-002@PLC控制三自由度工业机械手设计(CAD图),机械毕业设计全套
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本科学生毕业 设计 PLC 控制三自由度工业机械手设计 （结构部分） 院 部名称 ： 机电工程学院 专业班级 ： 机械 设计制造及其自动化 学生姓名 ： 指导教师 ： 职 称 ： 讲 师 nts I 摘 要 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工业的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等巩固进行加工、装配等作业的自动 化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化，以适应供送不同的物品，这使得供送料机械手在自动机、自动线上得到愈来愈广泛的应用。 本文简要介绍了工业 机械手 的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，气动技术的特点， PLC控制的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。 同时 设计了机械手 各个部份的 结构，计算出 其结构 所需的驱动力和回转气缸的驱动力矩 。 最终完成机械手模型的制作和调试。 关键词 ： 工业 机械手；计算机；气 动； PLC；自动化 nts II ABSTRACT Along with our country industrial production leap development,the automaticity rapid enhancement,realization work piece loading and unloading,welding torch,spray gun,trigger tools and so on changes,the transportation or manages carries onwork and so on processing, assembly automations,has brought to peoples attention increasingly,simultaneously also requests the feeder construction to be more nimble,the flexibility,adapts for delivers the different goods,this enables for the feeding manipulator in the automaton,to obtain the increasingly widespread application from the generation. At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly. Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.Eventually completed the manipulator of the model for manufacturing and testing. Key words： Industrial manipulator;Computer;air operated;PLC;Automationnts 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究的背景和目的 . 1 1.2 国内外发展现状 . 1 1.3 基本内容、拟决定的主要问题 . 4 1.4 技术路线（研究方法） . 5 1.5 课题的提出及主要任务 . 6 1.5.1 课题的提出 . 6 1.5.2 课题的主要任务 . 6 第 2 章 机械手设计方案 . 7 2.1 机械手的总体设计 . 7 2.1.1 机械手总体结构的类型 . 7 2.1.2 设计具体采用方案 . 7 2.2 机械手底座结构的设计 . 8 2.2.1 机械手底座结构的设计 . 8 2.2.2 设计具体采用方案 . 8 2.3 机械手手臂的结构设计 . 8 2.3.1 机械手手臂的设计 . 8 2.3.2 设 计具体采用方案 . 8 2.4 机械手末端执行器 (手爪 )的结构设计 . 9 2.4.1 机械手末端执行器的类型 . 9 2.4.2 机械手夹持器的 运动和驱动方式 . 9 2.4.3 机械手夹持器的典型结构 . 9 2.4.4 本设计具体采用方案 . 10 2.5 机械手驱动系统的设计 . 10 nts 2.5.1 机械手驱动系统类型 . 10 2.5.2 机械手气动驱动系统 . 10 2.6 本章小结 . 11 第 3 章 具体尺寸设计与校核 . 12 3.1 手部气缸的尺寸设计与校核 . 12 3.1.1 手部驱动力计算 . 12 3.1.2 尺寸校核 . 12 3.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 . 13 3.2.1 水平手臂伸缩气缸的尺寸设计 . 13 3.2.2 尺寸校核 . 13 3.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 . 14 3.3.1 尺寸设计 . 14 3.3.2 尺寸校核 . 14 3.4 手臂摆动气缸的尺寸设计与校核 . 15 3.4.1 尺寸设计 . 15 3.4.2 尺寸 校核 . 15 3.5 本章小结 . 16 第 4 章 气动系统设计 . 17 4.1 空气压缩机 . 17 4.1.1 空气压缩机的选择 . 17 4.2 电磁阀的选型 . 18 4.3 气压传动系统工作原理 . 18 4.3.1 气压传动系统的组成 . 18 4.3.2 气压传动工作原理 . 18 4.4 气动系统的安装与调试 . 19 4.5 本章小结 . 20 结论 . 21 参考文献 . 22 致谢 . 23 nts 附录 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究的背景和目的 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分。 机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地取代人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作焊接和装配。因此，它能 大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用。在现代生产企业中，自动化程度较高，大量应用到了机械手。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。 本次设计制作的机械手为通用机械手，它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 1.2 国内外发展现状 在机械 制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理、模锻压力机的上下料以及喷漆等作业，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。例如：机械手发生某些偏离时，会引起零部件甚至机械本身的损坏，但若有了自动传感反馈，机械手就可以根据反馈自行调整。 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制 或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。代表当今最先进的技术在日本，他的自动化，人性化令人叹为观止，这些技术依赖于控制理论、新材料科学，它是融合各种尖端技术的现代机器。我国也陆续在工业中有所应用，对于自动控制，柔性制造系统中应用更为广泛，但我国的自动化水平有待提高。nts 2 随着工业现代化的发展，机械手技术也随之提高，发展的趋势是工作强度高，灵活性强，准确可靠，可以自动检测并下达动作命令，融入先进的人工智能，使人只作平时的简单的维护，这也是现代工厂的发展 趋势。 在 K2010 展会（ 德国杜赛尔多夫国际塑料及橡胶博览会 ）上，库卡机器人有限公司 (KUKA)展出了新一代架装机械手 QUANTEC 系列和新型 KRC4 控制器。库卡展出新型 QUANTEC 架装机械手系列中的两种型号： KR240R3100Kultra 和 KR90R3700Kprime。由于对有效载荷和行程进行了优化，所以用户能选出非常适合于具体应用场合的机械手。QUANTECK 系列拥有 11 个基本机械手类型，型号非常多，对于每个用户的具体应用场合都会有一款特别适用的机械手。一个机械手系列涵盖了 90-270kg 的高有效 载荷，行程2900-3900mm。利用 QUANTECK 系列架装机械手在塑料工业中更容易实现自动化：在系统规划和设计阶段具有极大的灵活性；减少了概念和设计工作，大幅降低了规划风险。所以架装机械手特别适用于从注塑机上取下零件。 法国塑料加工自动化品牌 Sepro Robotique 在 K 展期间推出了由 Visual2CNC 驱动的新型 S5Line 系列 Cartesian 机械手，该产品对用户而言简化了编程，并采用了用户友好的控制系统，通过 Visual2CNC 更容易实现自动化。它的优点是具有较高的速度、较长的行程、较高的灵活 性、可靠性和使用寿命，也是 Sepro 机械手的突出之处。 S5-35 机械手设计用于具有平均合模力 (3500-8000kN)的注塑机，用于取下重量最大 15kg 的部件。功率强大的伺服电机可达到极高的加速度，对模具的干扰时间极短。其采用整体框架式结构和棱柱形导轨，具有极高的刚度，可适应 S5Line 系列机械手运动件的高加速度。S5Line 系列机械手可靠性高，可用于极为复杂的应用场合，如置入插件、堆垛托盘及其它任务。 在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时， 相应地发展通用机械手，有条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。 目前国内己基本掌握了机械手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，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬 运等机械手；其中有 130 多台套喷漆机械手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，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。nts 3 但总的来看，我国的工业机械手工程应用的水平和国外比还有一定的距离，例如 ： 可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，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械手约 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械手产业，当前我国的机械手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。 上海优乐博特自动化工程有限公司生产的 PN ZIP 系列 气动机械手 如图 1.1 所示 ,轻便而紧凑 , 适合应用在垂直偏移量较小及工作循环较快的场合。功能 ： 根据 ATEX生产制造，适合用于与有爆炸风险的环境中 。最大搬运能力 80kg。 安全装置 ： 有保持物体夹紧的安全装置，即使是气压突然终止情况下，可有效保护物体。在停止操作时，特制的制动器能保持机械臂和夹具的禁 止。 图 1.1 PN ZIP 系列气动机械手 nts 4 在机械制造领域，研究人员为了提高机械手系统的性能和智能水平，要求机械手系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机械手系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机械手语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系统很难 (或不可能 )集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放 结构的机械手系统。 此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 1.3 基本内容、拟解决的主要问题 本设计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。 由此特性 总结 内容 如下： （ 1） 总体方案的选择和确定，选择机械手技术参数 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。 （ 2） 设计机械手的夹持式手部结构 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 由气缸实现。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 0.3kg。 （ 3） 设计机械手的手臂结构 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、左右回转和降运动。手臂的回转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。 （ 4） 制作工业机械手模型 由于考虑经济问题，实做计划采取制作模型来节省费用。运动方式和控制方式不变。 （ 5） 需解决的主要问题 1） 底盘旋转任意角度的实现 要通过 实际动手制作反复推理来实现其旋转。 nts 5 2）水平支架和竖直支架的连接需要实际制作过程中确定具体尺寸。 1.4 技术路线（研究方法） 本设计是 PLC 控制的三自由度工业机械手，工作对象是物料的搬运。三自由度机工业械手的机械系统主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构是机械手完成工作任务的 实体，是由驱动系统提供动力。 控制 关系 如图1.2 所示 ： 图 1.2 控制关系 PLC 控制的三自由度工业机械手（机构部分），驱动方式采取气动形式，气动传动装置承受力不能过大。所以搬运的物体质量为 0.3kg。 执行机构设计步骤如下： （ 1） 气动手指：手指是直接与被搬运物体接触的部件，手指的松开和夹紧是通过手指的张开和闭合来实现的。手指形状，张开、闭合尺寸大小要符合被搬运物体的尺寸要求。 （ 2） 水平运动机构：采取气缸传动机构，要求具有足够的强度和刚度，这些主要依靠气缸的尺寸决定。 （ 3） 竖直运动机构：它的要求和水平 运动机构原理相同。要注意竖直运动机构不能 过重，它连接在水平机构上会影响水平机构的运动，同样会影响到（底座 ）的旋转机构。 （ 4） 竖直支撑架：要求具有足够的刚度和强度，不能过重，影响（底 座 ）旋转机构受力情况。 （ 5） （底 座 ）旋转机构：要求具有足够的扭矩。 反应速度要快，能够进行频繁地nts 6 起 动 、制动，正、反转切换。 （ 6） 底 座 ：要求稳固。 驱动系统设计： （ 1） 驱动系 统的 质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率 要高； （ 2） 反应速度要快； （ 3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （ 4） 安全可靠； （ 5） 操作 和维护方便； （ 6） 对环境无污染，噪声要小； （ 7） 经济上合理。 基于以上要求选择气动驱动系统最为理想。 控制系统和位置检测系统设计： 由于本设计为工业机械手所以控制系统采用 PLC（可编程控制器）来控制；位置检测由传感器来实现。 1.5 课题的提出及主要任务 1.5.1 课题的提出 进入 21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业 产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率 。 1.5.2 课题的主要任务 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 ； 4.气压传动系统的设计 ； 5.制作工业机械手模型 。 nts 7 第 2 章 机械手 设计方案 2.1 机械手的总体设计 2.1.1 机械手总体结构的类型 工业机械手的结构形式主 要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。 2.1.2 设计具体采用方案 具体到本设计，因为设计 任务书 要求搬运的 物体 的质量 0.3kg。 考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3 种运动，其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动，另一个为手臂的回转运动，综合考虑，机械手自由度数目取为 3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度 如图 2.1 圆柱型坐标机械手所示 ，其特点是 ： 结构比较简单，手臂运动范围大且有较高的定位准确度。 图 2.1 圆柱坐标型机械手 进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的 底座回转 、手臂、末端执行器等各个部分进行详细设计。 nts 8 2.2 机械手底座结构的设计 2.2.1 机械手底座结构的设计 工业机械手 底 座，就是圆柱坐标机械手回转基座。它是机械手的一个回转关节，机械手的运动部分全部安装在 底 座上，它承受了机械手的全部重量。 底 座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动气（液）压缸或气（液）压马达来实现，目前的趋势是用前者。 2.2.2 设计具体采用方案 考虑其他部件的驱动方式 ,统一驱动方式， 同时考虑摆动运动 需要较小扭矩，而且气动系统动作迅速等优点， 底座回转动作采取气动摆动气缸来实现。 2.3 机械手手臂的结构设计 2.3.1 机械手手臂的设计 机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。 2.3.2 设计具体采用方案 机械手的垂直手臂 (大臂 )升降和水平手臂 (小臂 )的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。 考虑到搬运工件的重量较轻，考虑加工工件的质量 0.3kg,属轻型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳 定性，安全性，对手臂的刚度有较低的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择气压驱动方式，通过气压缸的直接驱动，气压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且气压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。 因为气压系统能提供较小的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂气压缸的设计原则是缸的直径取适合值 (在整体结构允许的情况下 )，再进行强度的较核。 同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅 通过nts 9 增大气压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时采用双轴导向气缸机构，小臂换成双轴导向气缸，两个活塞杆同时工作，尽量增加其刚度 ；大臂采用普通气缸实现运动。这样设计能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。 2.4 机械手末端执行器 (手爪 )的结构设计 2.4.1 机械手末端执行器的类型 机械手末端执行器是安装在机械手手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机械手末端执行器的种类很多，以适应机械手的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用 等。 搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业。 测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。 2.4.2 机械手夹持器的运动和驱动方式 一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。 本设计夹持器采取 气动驱动方式 ， 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调 节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。 2.4.3 机械手夹持器的典型结构 1.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 2.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 3.连杆杠杆式手爪 nts 10 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆 使手爪产生夹紧 (放松 )运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 4.齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 5.平行杠杆式手爪 采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。 2.4.4 本设计具体采用方案 结合具体的工作情况，本设计采用气动平行连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部连杆结构驱动手指张开或闭合。手指的开合尺 寸由搬运物体的尺寸决定。 2.5 机械手驱动系统的设计 2.5.1 机械手驱动系统类型 工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。 由于气动驱动系 具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料搬运机械手和冲压机械手中应用较多。 所以本设计采取气动驱动系统。 2.5.2 机械手气动驱动系统 气动机械手采用压缩空气为动力源，一般从工厂的压缩空 气站引到机械手作业位置，也可以单独建立小型气源系统。由于气动机械手具有气源使用方便、不污染环境、动作灵活迅速、工作安全可靠、操作维修简便以及适宜在恶劣环境下工作等特点，因此它在冲压加工、注塑及压铸等有毒或高温条件下作业，机床上、下料，仪表及轻工行业中、小型零件的输送和自动装配等作业，食品包装及运输，电子产品输送、自动插接，弹药生产自动化等方面获得大量应用。 气动驱动系统在多数情况下是用于实现两位式的或有限点位控制的中、小机械手中的。这类机械手多是圆柱坐标型和直角坐标型或二者的组合型结构； 3-5 个自由 度；nts 11 负荷在 200N 以下；速度 300 1000mm/s；重复定位精度为 0.1 0.5mm。控制装置目前多数选用可编程控制器 (PLC)。在易燃、易爆的场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。气动驱动系统大体由以下几部分组成。 1.气源部分包括空气压缩机，储气罐，气水分离器，调压器，过滤器等。如果没有压缩空气站的条件，可以按机械手及配套的其他气动设备需要配置相应供气量的气源设备。 2.气动三联件由分水滤气器，调压器，油雾器三大件组成，可以是分离式，也可以是三联组装式的，多数情况下用三联组装式结构。 不论是由压缩空气站供气还是用单独的气源，气动三联件是必备的。虽然用无润滑气缸可以不用油雾器，但是一般情况下，建议也在气路上装上油雾器，以减少气缸摩擦力，增加使用寿命。 3.气动阀气动阀的种类很多，在工业机械手的气动驱动系统中，常用的阀件有电磁气阀、节流调速阀、减压阀等。 4.气动执行机构多数情况下使用气缸 (直线气缸或摆动气缸 )。直线气缸分单动式和双动式两类。除个别用单动式气缸外，多数采用双动气缸。为实现端部缓冲，要选用双向端点位置缓冲的气缸。气缸的结构形式以及与机械手机构的连接方式 (如法兰连接，尾部铰接，前端或中间铰接，气缸杆的螺纹连接或铰接等 )由设计机械手时根据结构要求而定。气缸的内径，行程大小可根据对机械手的运动分析和动力分析进行计算。 为了确保气缸的密封要求，同时又要尽量降低摩擦力，密封材料要选用橡胶和氟化塑料组合的密封环。无接触感应式气缸目前在气动系统中己获得广泛的应用，这种气缸在活塞上装有永久磁铁的磁环，通过磁感应，使在气缸外面安装的非接触磁性接近开关动作发讯，进行位置检测。除了直线气缸外，机械手中用得比较多还有有限角摆动气缸，这种摆动缸多用于腰座机构上。 5.限位器 是 气动机械手各运动轴的制动和定位点到位发讯，可由编程器发指令，或由限位开关发讯。根据要求和条件，如果选用无接触感应式气缸，其限位开关行程开关。 2.6 本章小结 本章主要对机械手总体结构的类型的选择，同时对机械手的 底 座结构、手臂的结构、末端执行器结构、机械驱动系统的 的方案进行了简单的介绍，同时对各结构的论证进行了分析 ，了解了各部分特点和类型，结合了设计任务书和本设计工业机械手的工作环境选择了适合工作环境的方案。 nts 12 第 3 章 具体 尺寸设计与校核 3.1 手部气缸的尺寸设计与校核 3.1.1 手部驱动力计算 选择夹 持物质量为 0.3kg。 查阅相关资料后，确定了 手指 和物体之间 摩擦因数为 f 0.5。 机械手的夹持力为夹F物夹 GfF 103.0 fF 夹 N 35.0 夹F N 6夹F N 根据夹持力选择 SNS中国神驰气动公司生产的型号为 MHZ2-10D 的标准规格气动手 MHZ2-10D 气动手指的技术参数 ： 缸径 10mm 动作形式为：双动 开保持力： 17N 关保持力： 9.8N 3.1.2 尺寸校核 9.80.5=4.9N 开关行程： 4mm 最高使用压力为： 1MPa 所以 根据以上资料 MHZ2-10D 关保持力 4.9N夹F=3N nts 13 3.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 3.2.1 水平手臂伸缩气缸的尺寸设计 水平手臂伸缩气缸采用三正气动元件公司生产的标准气缸，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 任务书 要求，气缸用 TN16 30 双轴气缸，尺寸系列初选内 径为 16mm，关于此气缸的资料详情请参看三正气动元件公司主页。 3.2.2 尺寸校核 1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径 D =16mm 半径 R =8mm 的气缸的尺寸满足使用要求即可 ,设计使用压强 4.0p MPa（最高使用压强为 1Mpa） 。 则驱动力： 2RPF =0.41063.14（ 810-3） 2 =80.384N 由于是双轴气缸0F=280.384N=160.768N 测定手指质量为 0.055kg,物体质量为 0.3kg， 竖直手臂质量为 0.5kg，总质量 m 0.855kg 设计加速度 a 0.2 2s/m ，则惯性力 maF 1 =0.8550.2 =0.171N 2.考虑活塞等的摩擦力， 查阅相关资料后 ,设定摩擦系数 1.0k , 1FkFm =0.10.171 =0.0171N 所以总受力为： m1 FFF 总nts 14 =0.171+0.0171 =0.1881N 0FF 总所以标准 TN16 30 气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 3.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 3.3.1 尺寸设计 气缸运行长度设计为 l =150mm 气缸内径为 D =16mm,半径 R =8mm,气缸运行加速度 a =0.1 2s/m ，加速度时间 1t s,压强 4.0p MPa,则驱动力 20 RpG =0.41063.14（ 810-3） 2 =80.384N 3.3.2 尺寸校核 1 测定手指质量为 0.055kg,重物质量为 0.3kg，总质量为 0.355kg。则重力 mgG =0.35510 =3.55N 设计加速度 a 0.1 2s/m ，则惯性力 maG 1 =0.3550.1 =0.0355N 考虑活塞等的摩擦力， 查阅相关资料后 ,设定摩擦系数 1.0k 。 1GkGm =0.10.0355 nts 15 =3.55 310 N 所以 总受力为： mq GGGG 1 =3.55+3.55 210 +3.55 310 =3.59N 0GGq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 3.4 手臂摆动气缸的尺寸设计与校核 3.4.1 尺寸设计 手臂摆动气缸采用 SNS 中国神驰气动元件公司生产的标准气缸，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 任务书 要求，气缸用 CRA1 系列导向气缸，尺寸系列初选内径为 30mm，关于此气缸的资料详情请参看中国神驰气动元件公司主页。 气缸内径为 D =30mm,半径 R =15mm,轴径 d =9.2mm 半径 r =4.6mm,气缸运行角速度 90 s/ ， 加速度时间 t 1s,压强 4.0P MPa，输出力矩为 M =1.9N m 3.4.2 尺寸校核 1测定参与手臂转动的部件的总质量 kg855.0m ,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 =30mm 的圆盘上，那么转动惯量： 221rmJ =2 )1030(855.023 =3.8475 410 2mkg nts 16 tJM .惯 =3.8475 410 190=3.5 210 N m 考虑轴承，油封之间的摩擦力， 查阅相关资料后 ,设定一摩擦系数 2.0k , 惯摩 MkM =0.23.5 210 =0.7 210 N m 总驱动力矩 摩惯驱 MMM =3.5 210 +0.7 210 =4.2 210 N m MM驱 所以 设计尺寸满足使用要求。 3.5 本章小结 本章主要对机械手手部驱动力的计算及水平手臂伸缩气缸、竖直升降气缸、腰座摆动气缸的选型及尺寸校核。 通过对各个结构的计算，符合任务书上的工作要求。 所以本设计中采用的气动元件符合设计要求。 nts 17 第 4 章 气动系统设计 气动系统主要包括空气压缩机、输气管、减压阀、气压表、空气滤清器、汇流板、电磁阀、气压调节器、气缸、有的还有捡测活塞运动位置的电磁传感器等，实现机械手的运动。 4.1 空气压缩机 空气压缩机是气源装置中的主体 。所谓气源装置就是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理作储存的装置，是气动系统的重要组成部分， 它是将原动机的机械能转换成气体压力能的装置。空压机按结构分主要有以下三种类型 ： 往复式、回转式、离心式 。 往复式空压机是变容式压缩机。这种压缩机将封闭在一个密闭空间内的空气逐次压缩 (缩小其体积 )从而提高其气压。回转式空气压缩机也是变容式压缩机，最普通的回转式空压机是单级喷油螺杆式空压机，这种压缩机在机腔内有两个转子 。 通过转子来压缩空气。离心式空压机是一动力型空压机，他通过旋 转的涡轮完成能量的转换，转子通过改变空气的动能和压力来实现以上的转换。由静止的扩压器降低空气的流速来实现动能向压力的变换 。 4.1.1 空气压缩机的选择 空气压缩机的选择主要依据气动系统的工作压力和流量。气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高 20%左右，因为要考虑供气管道的沿程损失和局部损失 .如果系统中某些地方的工作压力要求较低，可以采用减压阀来供气 。 空气压缩机的额定排气压力分为低压 (0.7-1.0MPa)、中压 (1.0-10MPa),高压 (10-100MPa)和超高压(100MPa 以上 )，根据 实际工作条件， 选择型号为 ZBM-0.067/8 型空气压缩机，其技术参数如下： 功率： 1.1KW 容积流量 ： 0.067 min/m3 储气罐容积 ： 8L 额定电压 ： 220VAC 工作压力： 0.8MPa 频率： 50HZ nts 18 电流： 6.5A 整机重量： 15kg 外形尺寸： 585275620 额定转速 ： 2750r/min 4.2 电磁阀的选型 电磁阀定义：它是通过元件内部的可动部件的动作改变气流方向来实现一定逻辑功能的气动控制元件。 本设计采取的电磁阀为 2 位 5 通电磁阀型号为 4V210-08，单电控制，电磁阀接受的是长信号，电磁阀线圈将长带电，随长信号的延续及消失电磁阀开闭转换，电磁阀控制信号可以是一个常开阀的常开（关）接点。 同时电磁阀对控制系统输出的接点有一定要求，首先这种输出接点要能用在控制电磁阀这类感性负载上，其次要求按电磁阀电源种类、电压等级及功率大小供给有源接点。 对电磁阀要求 PLC系统有源接点输出的供电方式是将控制系统的直流 24V电源与I/O 模块相应输出端子间 连接 ，实现控制电磁阀线圈的通断电 。 4.3 气 压 传动系统工作原理 4.3.1 气压传动系统的组成 气压装置：为系统提供合乎质 量要求的压缩空气。 执行元件：将气体压力能装换成机械能并完成做功动作的元件，如气缸、气马达。 控制元件：控制气体压力、流量及运动方向的元件，如各种阀类 。 气动辅件：气动系统中的辅助元件，如消声器、管道、接头等。 4.3.2 气压传动工作原理 气压传动系统的工作原理是利用空气压缩机将电动机或其它原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外作功。 图 4.4 所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压 缩机（排nts 19 气压力大于 0.4 0.6Mpa）提供气体进入储压罐， 通过气阀再 进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部运作。 图 4.1 气压传动系统工作原理 4.4 气动系统的安装与调试 1.管道的安装 (1)安装前要彻底清理管道内的粉尘及杂物 ； (2)管子支架要牢固，工作时不得产生震动 ； (3)接管时要充分注意密封性，防止漏气，尤其注意接头处 ； (4)安装软管要有一定的弯曲半径，不允许有拧扭现象，且应远离热源或安装隔热板 。 2.元件的安装 (1)应注意阀的推荐安装位置和标明的安装方 向 ； (2)逻辑元件应按控制回路的需要，将其成组地装在底板上，并在底板上开出气路，用软管接出 ； nts 20 (3)移动缸的中心线与负载作用力的中心线要同心，否则引起侧向力，使密封件加速磨损，活塞杆弯曲 ； (4)各种自动控制仪表，自动控制器，压力继电器等，在安装前应进行校验。 3.气动系统的调试 注意事项 (1)要熟悉说明书等有关技术资料，力求全面了解系统的原理、结构、性能和操作方法 ； (2)了解元件在设备上的实际位置，需要调整的元件的操作方法及调节旋钮的旋向 ； (3)准备好调试工具等 ； (4)注意观察压力、温度 等 的变化，如发现异常应立即停车检查。待排除故障后才能继续运转。 4.5 本章小结 本章主要对气动系统进行设计。 根据选择的元件的要求对空气压缩机进行了 选型 、 了解了空气压缩机的 使用方法 。通过气动元件的工作要求设计了气压传动系统工作原理图，通过工作原理图进行了气动
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