2013机械手模型结题.doc

西安思源学院本科毕业设计基于PLC的全气动组合式机械手教学模型 结题报告 项目负责人：许万宝 成 员：袁延延 周建宇 王 彬 樊登高 指导老师：梁 艳 2013年10月 摘 要机械技术和以计算机为代表的微电子技术在相互渗透中获得迅速发展，形成了机电一体化技术，本次设计是在以机电一体化思想为基础的前提下进行的，其中应用了一些现代机电一化的常用技术，充分体现本次设计的内涵。在本文中确定基于PLC的全气动组合式多功能机械手的主要技术参数，整体尺寸。设计基于PLC的全气动组合式多功能机械手的三种机械手爪，分别为机械夹持器、真空吸附手、充气膨胀手。在本文的撰写过程中，还给出了三种机械手的据图设计方案和具体零件的选择。基于PLC的全气动组合式多功能机械手在设计的工程中还增加了了一个导向装置和平衡装置，这样使得机械手在运动的过程中更加的准确平稳。在当今的工业领域中，环保和科技处在科研的前端，利用先进的机械设备，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也可减少了企业在生产中出现的环境问题，更为优越的是减少了企业产品的制造成本，缩短了产品生产周期。此款工业设计不仅利用了环保的工作介质而且实现了多角度，多方位，多工作环境的设计理念。同样也把“安全生产”的目标放在首位，更是体现了我们国家“以人为本”“科教兴国”的战略方针。关键词：基于PLC的全气动组合式多功能机械手；机电一体化；自由度；可编程控制器（PLC）；IO点；梯形图基于PLC的全气动组合式机械手教学模型 第一章 绪论一、课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人们对生产率也不断提出新要求，由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术得以快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不会污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已经渗透到工业领域的各个部门中，在工业发展中占有非常重要的地位。现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等等，这些恶劣的生产环境不利于工人进行生产操作。气动机械手的问世，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。目前，常用的机械手都是针对某一固定工件而设计的专用型机械手，没有通用性。为了扩大机械手的功能，实现“一手多用”的需要，我们对机械手采取了模块化设计，针对不同的抓取对象，如圆形棒料、圆锥形零件及薄板零件等等，选择设计了相应的手爪附件，如机械夹持器、真空吸附手和气袋膨胀手等等，以提高机械手的应用范围和设备的利用率。可编程控制器（PLC）由于其具有的高可靠性、编程方便、易于使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试方便等优点，代替传统的继电器控制电路可以大大提高整个控制系统的柔性。借助PLC强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工人的工作环境，减轻了工人的劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，对现代工业的发展具有十分重要的意义。二、机械手的概念和分类（一）机械手的概念机械手，英文命mechanical hand，是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以替代人进行繁重的劳动，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，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要是由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如加持型、托持型和吸附型等等。运动机构，使手部完成各种转动、摆动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势、运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。（二）机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按使用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等等。三、基于PLC的全气动组合式多功能机械手研究的主要内容和用途基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压驱动，并用PLC对气控回路进行控制以实现机械手的运动，将机械、气控回路与微电子有机地结合起来。目前，工业上使用的机械手大部分是采用电机驱动或液压驱动的专用型机械手，而整个系统全部采用气压驱动的组合式多功能机械手却还未见相关报道。气压驱动与电机驱动相比，更加适用于各种易燃、易爆、强磁等恶劣环境下工作。而与液压驱动相比则反应更加灵敏，动作更加迅速，而且不存在工作介质变质的问题。将PLC代替传统的继电器控制电路对机械手进行远距离控制，可以大大提高整个控制系统的柔性。当被控对象的运动状态或工作方式发生改变时，可以随时更改输入到PLC里的程序，从而很方便地就达到相关目的的实现。与传统的继电器控制电路相比，则提高了效率，降低了成本，减轻了操作人员的劳动强度。这是将机械和微电子有机地结合起来应用到整个系统中的典范。机械手采用模块化设计，具有多种功能。受计算机模块化发展趋势和组合机床结构特点的启发，本次设计对机械手进了模块化设计。它由设计独特的末端执行器与机械手的基体组合而成，具有夹持多种工件的功能。本机械手根据夹持对象的不同，设计了三种不同的末端执行器，分别是机械夹持器、真空吸附手和充气膨胀手。为了控制机械手的转位角度，我们设计了一种新型的气控回路，它将二位五通电磁换向阀配以安全阀并加上二位二通电磁阀组合在一起代替中封式阀，可以在满足相同功能并保证相当精度的条件下，显得更为经济，为气压驱动的过程化控制提供了一种新的控制方法。本机械手作为模型通过适当放大或缩小，可以广泛应用于冶金、化工、军工等环境恶劣、安全要求高的特定场合下，还可用于自动流水线中，也可专业综合实验系统。以用作高校机电一体化课程的实验工具，完成日常的教学任务。第二章基于PLC的全气动组合式多功能机械手的总体设计方案基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压驱动，并用PLC控制气控回路控制以实现机械手的运动，将机械，气控回路与微电子有机的结合起来。气压驱动与电机驱动相比，更适用于更适用于在各种易燃、易爆，强磁等恶劣的环境下工作。并且在工作的过程中反应更加灵敏，动作更加迅速而且不存在工作介质变质的问题，最主要的是工作介质来源广泛，并且价格低廉。并且采用三个组合式机械手爪，可以完成不同规格零件的夹持和携带工件移动到合适的位置。一、机械手的工作原理基于PLC的全气动组合式多功能机械手是以空气压缩机产生具有一定压力的气体作为气源，机械手的各个动作由气缸驱动，而气缸由相应的电磁阀控制。机械手的全部动作由PLC控制完成。二、三种机械手抓的结构原理(一)机械夹持器本机械手采用了平行四边形传动机构，实现两手指的平行开合运动。该四连杆机构采用均衡受力的设计思路，所有受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力均匀，定心准确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采用预缩型气缸驱动，能快速松开工件，可以实现远距离控制。如图2-1为机械夹持器的机构简图：图2-1 机械加持器的机构简图1.手指2.连动杆 3.气缸套 4. 杠杆5.支架一6.支架二 7.联接螺钉 8.气缸一9.回转气缸10.悬臂11.螺母12.推力轴承一13.长轴套 14.机架14.轴承套16.推力轴承二17.转轴 18.齿轮19.气缸二20.加强肋21.气缸三22.齿条23.导向槽手指1、连动杆2、杠杆4、第一支架5、第二支架6、通过销钉联接，构成平行四边形结构，第一气缸8装在气缸套3中，并通过联接螺钉联接7，而气缸套3与回转气缸9通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂10与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套14与机架14间隙配合，第二推力轴承16与轴承套14过盈配合，第一推力轴承12与轴承套过盈配合，齿轮18通过螺钉与轴承套14联接，导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上，齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙配合，并与齿轮22啮合。第二气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮22上。 (二)真空吸附手真空吸附手是将真空吸盘和真空发生器组成一个专用件应用到机械手中，并与基体构成一个完整的工作系统，在电磁换向阀的控制下，对表面平整光滑的工件进行吸附和脱开。机械手的抓取机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。其中真空吸盘是工件抓取的主要原件，吸附机构有四个吸盘组成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，真空吸附手的的装配图如图2-2所示：图2-2 真空吸附手的装配图1.顶盖 2.套管 3.真空发生器 4.真空吸盘(三)充气膨胀手充气膨胀手是通过气袋充气膨胀，来夹持形状特殊的工件，如带锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依然有一定的柔韧性，可以实现工件的无损夹持。考虑到被夹工件尺寸上的差异，我们配备了气压行程开关和锥形螺母，以便扩大膨胀手的应用范围。图2-3为充气膨胀手装配图：图2-3 充气膨胀手装配图1.套管 2.气动电磁阀 3.锥形螺母 4.导向杆 5.顶盖 6.气袋 7.气袋保持架气袋保持架7与套管1螺纹联接，导向杆4通过螺纹联接在气袋保持架7上，气袋6装在气袋保持架7中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆4上，与行程开关接触，起限位作用。顶盖5通过螺纹联接在套管1上。该配件针对不同的工作要求，可与机械夹持器进行替换。三、机械手的整体参数设计机械手的整体尺寸：长*宽*高=230mm*280mm*430mm机械手转位半径：R=62137mm机械手的上下位移行程：70mm机械手臂的转位角度：90机械手爪的转位角度：=360机械手爪取的最大重量：4kg。四、机械手的辅助装置设计（一）导向装置在设计手臂结构时，为了保证手指的正确方向防止手臂绕轴线转动，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性需要采用导向装置。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。（二）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，故在手臂的后背增加了平衡装置，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。第三章 基于PLC的全气动组合式多功能机械手的手腕的设计一、手腕的自由度手腕是把手臂和手部的重要部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它必须具有独立的自由度，机械手才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不同方位的放置，同时考虑到可行性，因此给手腕设一绕Z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缸或气缸，因此我选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360 ，并且要求有很好的密封度。为了使机械手更加的方便灵活，在手腕与手部的连接部分还增加一个小于90的转位和机械手的上下运动，所以由此可见手腕的自由度有两个，即手腕部的小于90度的转位，手部的上下运动。二、手腕的驱动力矩的计算（一）手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下摆动均为回转运动，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，动片与其他零件连接处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动零件的中心与转动轴线中心不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算， (3-1)式中：手腕转动的驱动力矩（Ncm）惯性力矩（Ncm）；参与转动的零件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸）对转动轴线所产生的偏重力矩（Ncm）；手腕回转缸的定片与动片、端盖、缸径等处密封装置的摩擦阻力矩（Ncm）；1手腕加速运动时所产生的惯性力矩若机械手手腕在起动过程为等加速运动，机械手手腕转动的角速度为，转动过程所消耗的时间为，则： (3 - 2)式中：参与机械手腕转动对转动中心轴线的转动惯量（NcmS2）；零件对机械手腕转动中心轴线的转动惯量（NcmS2）。若零件中心与转动中心轴线不重合，其转动惯量为： (3 - 3)式中：零件对过重心线的转动惯量（NcmS2）；零件的重量（N）；零件的重心到转动转动轴线的偏心距（）；机械手手腕转动的角速度（）；机械手起动过程所需时间（s）；机械手起动过程所转过的角度（）。2手腕转动件和零件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 (3 - 4)式中：机械手手腕转动的零件的重量（N）；机械手手腕转动件的重心到转动中心轴线的偏心距（）。当零件的重心与手腕转动中心轴线所重合时，则。3手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 (3-5)式中： 、机械手转动轴的轴颈的直径（），摩擦系数，、转动轴的轴颈处的支承反力（N）。可按手腕转动轴的受力分析求解根据，得： (3-6) (3-7)同理，根据（F），得： (3-8)式中：的重量（N）、为长度尺寸（cm）。 转缸的动片与缸径、定片、端盖处密封件的摩擦阻力矩，与选用的密封件的类型有关，应根据具体情况加以分析。（二）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32所示，定片和缸体固连，动片和回转轴相连。动片密封圈把气腔分隔成两个当压缩气体从孔A进入时，推动输出轴作逆时针回转，则低压腔的气体从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： (3-9)或 (3-10)图42 回转气缸简图1、静片；2、回转轴；3、缸体；4、动片；5、密封圈式中：M回转气缸的驱动力矩（Ncm）；P回转气缸的工作压力（N/cm2 ）R缸体内壁半径（cm）；R输出轴半径（cm）；b动片宽度（cm）。上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的应代以工作压力和背压之差。（三）手腕回转缸的尺寸及其校核1尺寸设计气缸长度设计为，气缸内径为=96，半径，轴径，半径，气缸运行角速度=，加速度时间=0.1， 压强，则力矩为： (3- 11) 2.尺寸校核（1） 测定参与手腕转动的部件的质量，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量 (3-12) 工件的质量为4，质量分布于长的棒料上，那么转动惯量 (3-13) 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量 (3-14) (3-15) 2） 机械手手腕转动件和工件的偏重对转动中心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，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线，则，+ (3-16) 3）机械手手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承来说，对于滑动轴承来说=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈处的直径，、为转动轴轴颈处的支承反力，粗略估计，则， (3-17) 4）机械手回转气缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩，与选用的密封装置的类型有关系，应该根据具体情况加以判别。在此处估计为的3倍，则， (3-18) 经比较可得:所以，设计尺寸符合使用要求，是安全的。（四）齿轮齿条的传动计算为了可以在工作中是机械手可以更加灵活的回转，在设计的过程中除了在机械夹持器的上方增加了回转气缸，还在机械手手腕的部分，增加了齿轮齿条的传动。这样使得机械手更为灵活的完成所要完成的动作。1、齿轮与齿条传动特点齿轮在作回转运动同时，齿条也在作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变可为直线。齿条直线的速度与齿轮分度圆直径、转速之间的关系为 (3-19)其中：d齿轮分度圆直径， 齿轮转速，。其啮合线与齿轮的基圆相切，由于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否采用标准安装，其啮合角等于齿轮分度圆压力角，也等于齿条齿形角；齿轮的节圆也与分度圆重合。只是采用非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿轮与齿条正确啮合条件为：基圆齿距相等。齿条的基圆齿距是两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即。齿条与齿轮的实际啮合线是，即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线的交点及之间的长度。齿轮与齿条标准安装：齿条的分度圆与齿轮的分度圆相切，载移动电源与车辆，2007年 第12期。图4-2 齿轮齿条的啮合2、齿轮齿条传动的几何尺寸计算表3-1 齿轮齿条传动的几何尺寸计算（一）齿轮齿条的主要参数计算项目名称计算公式及代号齿轮齿条齿 数Z15626模 数22螺旋角基本齿廓压力角齿顶高系数11顶隙系数0.250.25变位系数00齿 宽22齿轮分度圆直径96齿轮齿条参数(二)齿顶高齿轮2.836齿条2齿根高齿轮1.664齿条2.5齿高齿轮3齿条齿轮中心到齿条中心距4.5齿距6.238齿条齿数26表3-1 齿轮齿条传动的几何尺寸计算（二）3、齿轮、齿条的主要特点：（1）由于齿条的齿廓为直线，所以齿廓上的各点都具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，这就是齿形角，标准值为20。（2）与齿顶线平行的任何一条直线上都具有相同的齿距和模数。（3）与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线，这就是计算齿条尺寸的基准线。4、齿条的设计计算（1）齿条的强度计算在机械手的手腕结构中采用齿轮齿条传动，选取在齿条的连接段施加的扭矩 20，齿轮传动都要加以润滑，啮合齿轮与齿条间的摩擦力一般都很小，故计算齿轮齿受力时，不予考虑。齿轮齿条的受力状况类似于斜齿轮，齿条的受力分析如图图 3-3 齿条的受力分析如图3-3，作用于齿条齿面上的法向力，垂直于齿面，将分解成沿齿条径向的分力（径向力），沿齿轮周向的分力（切向力），沿齿轮轴向的分力（轴向力）。各力的大小为： （3-20） （3-21） 其中：法面压力角 （由表3-1查得）齿轮轴受到的切向力： （3-22）其中：T作用在输入轴上的扭矩，T取20 。d齿轮轴分度圆的直径， 齿条齿面的法向力： (3-23) 齿条牙齿受到的切向力： (3-24) 齿条杆部受到的力： (3-25) （2）齿条杆部受拉压的强度计算 计算出齿条杆部的拉应力： (3-26) 其中：F齿条受到的轴向力 A齿条根部截面积 ，A =72.25mm由于强度的需要，齿条用35SiMn制造，其抗拉强度极限是= 69N/mm,(没有考虑热处理对强度的影响)。 因此 所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。（3）齿条牙齿的单齿弯曲应力： （3-27）其中：齿条齿面切向力 危险截面处沿齿长方向齿宽 齿条计算齿高 危险截面齿厚 从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力： 上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是2.63（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。 （3-28）齿条的材料我选择是35SiMn制造，因此：抗拉强度 69 (没有考虑热处理对强度的影响)。齿部弯曲安全系数 = / = 1.8 （3-29）因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。5、齿轮的强度计算（1）齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为N/mm）为 （3-30）其中； 作用在齿面接触线上的法向载荷沿齿面的接触线长，单位mm法向载荷为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，受力载荷的并不是均匀分配的，即使在一对齿上，受力载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大受力载荷，即计算（单位）进行计算。即 （3-31）其中：载荷系数载荷系数包括 ：齿轮的使用系数、齿轮的动载系数、齿轮齿间载荷分配系数、齿轮齿向载荷分布数，即 （3-32）使用系数：是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数， 。 动载系数：齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数，。 齿间载荷系数：齿轮的制造精度7级精度，。 齿向荷分配系数： 齿宽系数： （3-33） 所以载荷系数 齿轮与齿条的传动比 , 趋近于无穷则 所以 =30 MPa直齿圆柱齿轮接触疲劳强度极限，应力循环次数。所以 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数，可得 （3-34）其中： 接触疲劳寿命系数由此可得 。 所以，齿轮所选的参数满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度要求。（2）齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮承受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。所以当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。所以，直齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式： （3-35）式中齿间载荷分配系数 ，载荷系数，齿形系数，校正系数 = 1.4，螺旋角系数。 所以，校核齿根弯曲强度 （3-36）=弯曲强度最小安全系数=1.5。 计算弯曲疲劳许用应力 （3-36）弯曲疲劳寿命系数 可得 ： （3-37）所以 ： 因此，本次设计及满足了小齿轮的齿面接触疲劳强度又满足了小齿轮的弯曲疲劳强度，符合设计要求。综上所述，齿轮齿条的设计满足设计的强度要求。第四章 基于PLC的全气动组合式多功能机械手的三种机械手的设计一、机械夹持器的设计（一）机械夹持器的具体实施方案本机械手采用了平行四边形传动机构，实现两手指的平行开合运动。该四连杆机构采用均衡受力的设计思路，所有受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力均匀，定心准确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采用预缩型气缸驱动，能快速松开工件，可以实现远距离控制。1.整体组成：手指、连动杆 、气缸套 、 杠杆、支架、联接螺钉 、气缸、回转气缸、悬臂、螺母、推力轴承、长轴套、机架、轴承套、转轴 、齿轮、加强肋、齿条、导向槽。2.具体连接方式如图4-1：手指1、连动杆2、杠杆4、第一支架5、第二支架6、通过销钉联接，构成平行四边形结构，第一气缸8装在气缸套3中，并通过联接螺钉联接7，而气缸套3与回转气缸9通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂10与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套14与机架14间隙配合，第二推力轴承16与轴承套14过盈配合，第一推力轴承12与轴承套过盈配合，齿轮18通过螺钉与轴承套14联接，导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上，齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙配合，并与齿轮22啮合。第二气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮22上。（二）机械夹持器的设计计算1.手指夹持力的计算假如以4kg的工件为被夹物体来计算，夹持器通过手指和工件接触面间的摩擦力来夹持工件。机械手手爪抓取物体所需要的手指夹紧力P是根据被夹物体的重量G及被夹物体与手指接触面之间的动摩擦因数是f来确定的，夹紧力P在两31图4-1 机械夹持器的机构简图指接触面上所产生的摩擦力和要大于被夹物体的重力G，满足： （4-1）其中：P 手指夹紧力 G 被夹物体的重量 f 被夹物体与手指接触面之间的动摩擦因数在上式中根据工作要求选取f=0.4。如图4-2所示零件3.5、3.8、3.6、3.2、3.9、3.3构成平行四边形机构，零件3.0、3.1构成机械夹持器的工作部件。 机构从静止状态到开始工作时，所需要的驱动力最大，及如图4-2所示图4-2 机械夹持器工作简图的状态。（1）对构件3进行手里分析，得到如图4-3所示的受力分析图，列式可得：图 4-3 对构件3的受力分析图 （4-2） （4-3） （4-4） （4-5）（2）对构件2杠杆受力分析，得到如图4-4所示的受力分析图，列式可得: 图4-4 对构件2的受力分析 （4-6） （4-7）图4-5 对构件进行受力分析（3） 对构件1进行受力分析，得到如图所示的受力分析图，列式可得： （4-8） （4-9） （4-10）这样NE和NB的反作用力的合力就是夹持4Kg工件所需的理论夹力F （4-11） （4-12） （4-13）（三）机械夹持器的手指夹持力校核在计算机械夹持器的手爪的驱动力时，除了要考虑被夹持物体的重力以外，还要考虑被夹物体在运动中所产生的惯性力振动及传动效率等因素的影响。因此在实际计算中手指的夹持力为： （4-14）其中：为安全系数，取 为工作条件系数，取 为工作效率，取所以：= （4-15）所以满足要求。二、真空吸附手的设计（一）真空吸附手的具体实施方案在成品生产的的装配、包装、装箱、工作中，机械手抓取领域里对于对于大型板件的抓取总不能得有效地解决，因为其表面光滑，厚度很薄，所以机械夹持器不易抓取，为了实现对板件的抓取、放置、重复定位、提高搬运工件的安全性和可靠性，我设计一种新型的真空吸附手抓，对板件的准确搬运和定位。机械手的工作机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。支架采用刚性连接，末端可以与机械手腕部通过螺纹相连，其中真空吸盘是工件抓取的主要原件吸附机构有四个吸盘组成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，其中机械手设计的大致构型如图，机械结构的形式为四自由度机械手，分别有腕部，手臂，指部，腰部回转组成，利用真空泵技术制成的真空吸附式机械手是一种高效、绿色，定位精度高、经济可靠的装配工具。图4-6所表示的真空吸附手的装配图。图4-6 真空吸附手的装配图1-顶盖 2-套管 3-真空发生器 4-真空吸盘 1.吸盘顶盖2.套管3真空发生器4真空吸盘（二）真空吸附手的设计计算和校核1.吸盘的设计真空吸盘是真空吸附手的执行元件，它可以升降，输送，和夹持十几克至几十克重的板件，由于周围压力高于真空吸盘和物料表面，真空吸盘与真空发生器相连接，压力越小，真空吸盘的压力越大。确定真空吸盘的尺寸时，所需吸附力为必要条件，采用力学公式可得 (4-16)其中:F吸引力P压力 A吸盘面积可求得真空吸盘的规格尺寸。因通常被吸附物体的重量是已知的，故吸盘直径通过如下的公式计算 (4-17)其中:吸盘直径（mm）真空度（Kpa）吸附力（N）吸盘数量 安全系数在日常的工作中，水平吊起工件的时候，安全系数应该是4，垂直吊起工件的时候，安全系数应该在8以上。吸盘数量的确定，为了使工件在被吊起的时候受力均匀，我采用了4个成矩形布局的吸盘。吸附力的确定，假设机械手抓取的工件的重量4Kg所以由此可得： (4-18) 所以取真空吸盘的直径为16。2.真空发生器的选取真空发生器时用来产生真空的。其结构简单，体积小，无可动机械部件，安装、使用方便。因此应用也非常的广泛，真空发生器的工作原理是：由负压腔、拉瓦尔喷管、接收管等组成。有供气口，排气口，和真空口，当供气口的供气压高于一定值后，喷管射出的超声速的气流，由于气体有粘性，高速气流卷走了负压腔的气体，是该腔形成较低的真空度，在真空口出连接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。吸附相应的时间T是指从供给阀工作以后到吸盘内的真空度达到吸附所必要的真空度所需要的时间称之为吸附相应时间。设表示最终真空度，真空吸盘内的压力从大气压降至真空度达63% 的到达时间为， 降至真空度达94%的到达时间为。吸附的响应的时间和可有下面的计算公式求的：吸着响应时间： (4-19)吸着响应时间: (4-20) (4-21) (4-22)其中:从真空发生器到吸盘的容积从真空发生器到吸盘的连接管的长度是通过真空发生器的平均吸入流量和通过配管的平均吸入流量的较小者工件吸着时的漏气量图4-7 真空影响时间曲线因为由图4-7查的到达时间,根据抓取工件的运动速度要求吸盘响应时间小于1s可得，漏气量根据经验确定则： （4-23）最大吸入量： 应该选择最大吸入量比 还大的真空发生器。通过查阅相关资料可得，选择ZH10DS-06-06-08其喷嘴口径是1mm，而且接管方式为快换接头，供气口和真空口6mm，最大的吸入量是12ML该真空发生器的实际的反应时间为： （4-24）所以可以满足要求。 三、充气膨胀手的设计（一）充气膨胀手的具体实施方案充气膨胀手与真空吸附手的工作原理不同，通过气袋充气膨胀，来夹持形状特殊的工件如带锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依然有一定的柔韧性，可以实现工件的无损夹持。考虑到被夹工件尺寸上的差异，我们配备了气压行程开关和锥形螺母，以便扩大膨胀手的应用范围。图4-8 充气膨胀手装配图为该系统配件：充气膨胀手装配图。气袋保持架7与套管1螺纹联接，导向杆4通过螺纹联接在气袋保持架7上，气袋6装在气袋保持架7中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆4上，与行程开关接触，起限位作用。顶盖5通过螺纹联接在套管1上。该配件针对不同的工作要求，可与机械夹持器进行替换。（二）充气膨胀手的设计计算充气膨胀手的工作原理主要是靠气袋充气后对锥形零件的斜表面产生压迫，然后在压迫力和摩擦力的共同作用下将锥形零件吊起，从而实现锥形零件的搬运。通过压力压强公式 ,和受力分析可以算出机械手的充气膨胀手可以对4千克的锥形零件进行搬运。假设搬运如图所示的锥形零件，其中该锥形零件的重量为4Kg，其材料为45#钢，气袋与锥形物体之间的动摩擦因数为0.4,其中角为60。以接触点进行受力分析： 图4-9 充气膨胀手的受力计算图根据受力分析图可得： （4-25） （4-26） （4-27） （4-28）其中：在M点受力总和 在M点锥形零件的所受的摩擦力 在M点锥形零件的受到气袋所给的压力 锥形零件本身所收到的重力 锥形零件斜面与底面的夹角所以由上述计算可得到=,。综上所述，充气膨胀手正常工作时，压力机所要提供的压力最少为，充气布袋和零件之间所产生的摩擦力为。图2-1 机械手的运动示意图1-伸缩气缸a 2-齿轮 3-伸缩气缸b4-伸缩气缸c 5-齿条 6-旋转气缸第五章 机械手控制部分的原理简介一、机械手的气压传动系统（一）气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动称为气压传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而做功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以是实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。气压传动包含传动技术和控制技术两个方面的内容。气压传动具有防火、防爆、节能、高效、无污染等优点，在国防工业生产中的得到了广泛应用。（二）机械手的气压驱动系统基于PLC的全气动组合式多功能机械手是以空气压缩机产生具有一定压力的气体作为气源，经过一个气源处理器，两个二位三通电磁阀、一个三位五通电磁换向阀，再由PLC预设的顺序，分别推动两个预缩型气缸和一个往复式气缸，以实现机械手的转位运动、上下运动和手爪的开合运动。图2-4 气压驱动系统控制原理简图图2-4是气压驱动系统控制原理简图,包括气源101、气源处理器102（AFR1500）、二位三通电磁阀（3V1-06-DC12V）103、110；预缩型气缸A105、（压出型气缸SSA2075）；单向节流阀104、106、107（ASC-06）；三位五通电磁阀108（4V130C-06-DC12V）；复动型附磁石气缸B，（往复式带磁圈气缸SDAS2050-B）109；手阀111、112、113（HVFF06-06）；预缩型气缸C（压出型气缸SSA2025）114；真空吸附手115（真空发生器2HF-05，吸盘YPYS15-23）；调压阀（AR1500）116；空气袋膨胀手气缸117；气缸A（压出型气缸）气缸B（往复式带磁圈气缸）气缸 C （压出型气缸）。二、气压传动系统的气控回路二位三通电磁阀气源（一）机械手上下运动部分的气体回路气源处理器预缩型气缸A单向节流阀气体由气源、气源处理器，通过一个二位三通电磁阀，经过一个单向节流阀，再到预缩型气缸A，组成该系统机械手上下运动部分的气体回路。（二）机械手转位运动部分的气体回路单向节流阀气源处理器气源单向节流阀复动型附磁石气缸三位五通电磁阀气体由气源、气源处理器，通过单向节流阀（构成气体的回路），经过三位五通电磁阀，再到复动型附磁石气缸B，组成该系统机械手转位运动部分的气体回路。（三）机械手三种手抓的气体回路二位三通电磁阀气源处理器气源真空吸附手调压阀手阀手阀手阀预缩型气缸机械夹持器真空吸附手空气袋膨胀手气缸空气膨胀手气体由气源、气源处理器，通过二位三通电磁阀，经过一个手阀，再到预缩型气缸C，组成该系统机械手机械夹持器的气路。气体由气源、气源处理器，通过二位三通电磁阀，经过一个手阀和真空吸附手，组成该系统机械手真空吸附手的气路。气体由气源、气源处理器，通过二位三通电磁阀，经过一个手阀，再到调压阀，与空气袋膨胀手气缸共同组成该系统机械手空气袋膨胀手的气路。第六章PLC控制系统设计一、可编程控制器（PLC）PLC是专为在工业环境下应用而设计的,比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。因其使用方便，编程简单，可靠性高，抗干扰能力强，系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便，硬件配套齐全，用户使用方便，性价比高，所以选择PLC进行控制程序的设计。二、系统的输入/输出信号基于PLC的全气动组合式多功能机械手的控制系统有6个开关量输入和6个开关输出。（一）系统的输入信号机械手的输入信号有：启动按钮、上限位开关、下限位开关、左限位开关、右限位开关、停止按钮。输入信号及电气符号表如下：表3-1 机械手控制系统输入信号表信号名称电气符号启动按钮SB1下限位开关SQ1上限位开关SQ2右限位开关SQ3左限位开关SQ4停止按钮SB2（二）系统的输出信号机械手的输出信号有：下降电磁阀、夹松电磁阀、上升电磁阀、右行电磁阀、左行电磁阀、原位指示灯。输出信号及电气符号表如下：表3-2 机械手控制系统输出信号表信号名称电气符号下降电磁阀YV1夹松电磁阀Y