柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计

柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计I摘要随着科技的发展，机械手在工业领域得到越来越广泛的运用，气动机械手可以帮助人们完成危险、重复的体力劳动，大大提高生产效率。本设计对机械手的手爪、手腕、手臂、腰部和机座部分进行了设计，确定机械手采用圆柱坐标式。手爪的张合，手臂和腰部的伸缩，机座和手腕的旋转都采用气缸驱动。此机械手可以运用于工业流水线上，完成把指定物件从一个地方运送至另一地方的任务。机械手的系统控制由可编程序控制器完成，按照机械手的动作流程，完成了相应的接线图和程序编制。关键词机械手，工业领域，气动，可编程序控制器柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计IABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYININDUSTRIES,MANIPULATORSAREINCREASINGLYWIDEUSE,ITCANHELPPEOPLETOFINISHDANGEROUS,REPEATMANUALLABOR,ANDGREATLYIMPROVETHEPRODUCTIONEFICIENCYINTHISTOPIC,IDESIGNTHEHAND,WRIST,ARM,WAISTANDSTANDBYPARTSOFTHEMANIPULATOR,DETERMINETHEMANIPULATORUSINGCYLINDRICALCOORDINATESTYPETHEACTIONOFHAND,ARM,WAIST,BASEANDWRISTAREDRIVENBYTHECYLINDERTHISMANIPULATORCANBEAPPLIEDTOINDUSTRIALASEMBLYLINE,COMPLETETHESPECIFIEDOBJECTFROMONEPLACETOANOTHERPLACETHECONTROLSYSTEMBYMANIPULATORPROGRAMMABLECONTROLER,ACCORDINGTOTHEMOVEMENTPROCES,COMPLETESROBOTPROGRAMMINGKEYWORDMANIPULATOR,INDUSTRIALFIELD,CYLINDER,PROGRAMMABLECONTROLER柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计II目录1绪论111机械手的概述112机械手的发展史113气动技术及气动机械手的发展过程114机械手未来的发展趋势215本课题研究内容216课题研究的意义32机械手的总体设计方案421机械手的工作原理及系统组成422机械手基本形式的选择423驱动机构的选择524机械手详细设计参数525本章小结63机械手手部结构设计及计算731手部结构732机械手手爪设计计算733夹紧气缸的设计934手爪夹持范围计算1135机械手手爪夹持精度的分析计算1236弹簧的设计计算1337本章小结144腕部的设计计算1541腕部设计的基本要求1542腕部的结构以及选择1543腕部的驱动力矩计算1544腕部工作压力的计算1745气压缸盖螺钉的计算1746动片和输出轴间的连接螺钉1947本章小结205机械手手臂机构的设计21柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计IV51手臂的设计要求2152伸缩气压缸的设计2153导向装置2554本章小结256机械手腰部和基座结构设计及计算2661结构设计2662控制手臂上下移动的腰部气缸的设计2663导向装置2964平衡装置2965机身回转机构的计算2966本章小结307机械手的PLC控制系统设计3171气压传动系统工作原理图3172可编程序控制器的选择及工作过程3273可编程序控制器的使用步骤3274机械手可编程序控制器控制方案3275本章小结388结论39参考文献40致谢41柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计11绪论计算机技术的不断进步和发展机器人技术发展到一个新水平。从航天器，航天器，下至微型机器人，深海发展，机器人技术已经扩展到全球经济发展的许多领域，在高科技的部分变得非常重要。人类文明，进步的技术和机器人技术的研究开发，应用有密切的关系。人类社会的发展已经离不开机器人技术，机器人技术的进步，在促进科学和技术的发展起到了不可替代的作用。11机械手的概述机器人是模仿人类，机器人设备使用的自动采集，处理，或由一个给定的计划，跟踪和要求操作的行动的一部分。在工业生产中使用的机器人被称为“工业机器人”。机器人生产可以提高生产和劳动生产率的自动化水平，减轻劳动强度，以确保产品质量，安全生产，特别是在高温，高压，低温，低压，粉尘，易爆，有毒气体和放射性物质和等恶劣环境，气动机器人来取代正常的工作更重要。因此，更广泛应用于机械加工，冲压，铸造，锻压，焊接，热处理，电镀，喷漆，装配，轻工，交通运输和其他参考文献。机器人的结构比较简单，具体的，只有一台机器，装卸设备连接到本机专用机械手。随着工业技术的发展，作出独立的重复程序适用于一个普通的机器人程序的控制范围非常广泛，机器人可以迅速改变工作方案，有很强的控制能力，被广泛引用的气动机械手改变生产品种小批量生产。12机械手的发展史机器人从美国开始研制。于1958年在美国联合控制公司研制的第一个机器人。气动机械手的结构是身体被安装在一个旋转的臂长，顶端与电磁块工件取放机理及控制系统是教形状。总体而言，中国的工业机器人技术和其工程应用和国外的水平也有是有一定的距离，是急需要解决产业化的初期，全面规划的关键技术问题，做的一般比较好，积极推进工业化进程。我们的智能机器人和特种机器人在“863”计划支持，也取得了一些成果。其中最为突出的水下机械臂6000米水下无缆机械手居世界领先水平的成果，也是一个攀岩墙机械手的发展，管道机械手，直接遥控机械手，手臂的协调控制操纵模型机器人触摸，声音感知的基础上进行了一些工作，视觉，触觉技术的开发和应用了一定的基础。的多传感器信息融合，智能装配机器人，遥控器的开发和应用，加上的本地自治系统的遥控机械手的机械机械手和处于起步阶段等是和外国之间的较大差距先进水平的控制技术需要那里的原始结果的基础上集中系统的研究，以形成系统配柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计2套技术和产品的实际支持，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。13气动技术及气动机械手的发展过程气动技术基础上的空气压缩机作为动力源，压缩空气作为工作介质，能量传递或信号工程，它是很容易实现各种生产控制，自动化控制手段。20世纪90年代以来，气动技术已完全突破了传统的死区坏了，经历了一个质的飞跃，克服阀门的物理尺寸的限制，真空技术也日趋完善。气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手控制采用先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（可以很容易实现的精确定位上的任何地方），执行机构的所有模块化装配结构。14机械手未来的发展趋势以家庭为导向的驱动器简单的传输技术，被称为现代传输技术，模块化气动机械手装配气动机械臂的一些公司。模块化装配气动机械手比组合导向驱动的系统安装更灵活。具有高刚性，高强度和精确指导精确的模块化气动机器人的驱动元件采用特殊设计的球轴承，气动机械手。气动机械手分散集中控制起到了非常重要的作用，尤其是对移动机器人模块。智能阀岛起到了非常重要的支撑作用，提高模块化气动机械手，气动机器人的性能。智能阀岛一直模块化设备，尤其是紧凑型CP阀岛。机器人开发及机器人智能的机器人在许多领域的水平提高的广度和深度，所有的一切都得到了应用。扩展到非制造业从传统的汽车制造。如建设机器人，挖掘，机器人，用于水电系统维护维修机器人。在食品加工领域的机器人，服务生活，国防，军工，医疗保健也越来越多。在未来几年中，激光技术工人，过程中的网络技术，传感器技术将广泛使用在机器人工作区，这些技术的应用将使机器人更高效，高品质，低运行成本。据推测，该机器人将在工业领域，教育，救灾，海洋开发，机器维修，医疗，保健，生物技术和交通运输以及农业和水产品被广泛应用。15本课题研究内容本课题的内容是设计一个由PLC控制的四自由度气动机械手，机械手能够完成抓紧，放松，手腕的旋转，手臂的伸缩，腰部的上升和下降及旋转功能。并且画出机械手的总装图和各部件的零件图。并且根据课题，设计机械手的气动系统，包括元器件的选取和回路的设计，画出气路原理图。机械手控制部分有PLC完成，通过设计要完成PLC的选型，PLC的外部接线图以及根据机械手的流程图编写出PLC梯形图。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计316课题研究的意义伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、有毒气体及腐蚀等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就这样诞生了,机械手是机械手系统中传统的任务的执行机构，是机器人的关键部件之一。蛇形机械手的出现，帮助人类完成了许多危险区域的任务。本课题来源于企业实际生产中的应用。随着近几年柔性制造技术不断发展,怎样在加工过程当中怎样进一步提升效率成为一个新的课题,缩短装卸料的时间是有效的手段之一,本课题研究的就是一种在由多台数控加工中心组成的FMS系统中,能够完成自动装卸料的工业机械手。本课题设计的机械手,是典型的机电一体化的结构之一,气动机械手采用气动驱动,PLC控制,作为机械电子工程专业学生而言,通过该课题的毕业设计,能够将上课所学的检测技术、气动控制技术、机械设计、PLC控制技术等只是有机的结合起来，并最终达到模拟工程实际设计的目的，使学生初步掌握工程设计基本方法，达到毕业设计大纲的要求。工业机器人是一种在现代自动化控制领域的新技术，气动机械手的发展，是由于其积极作用正在日益认识到，气动机械手，可以部分代替人工操作。在生产过程中的规定，按照一定的程序，完成转移的时间和地点，装载和卸载工件，广泛应用机器人可以逐步改善工作条件，省去了繁琐的工作，节省劳力，强和可控的生产能力，加快产品更新换代，提高生产效率和保证产品质量，并提供一个安全的工作环境，降低劳动风险，减轻劳动强度，提高了机器，减少过程中的工作量，减少停机时间和库存，显着提高劳动生产率，提高企业的竞争力，加快机械化和自动化的工业生产5轻松的步伐。巴雷特机器人在运行中的典型之一，是一个可以调整成各种形状，以适应环境和安全的一个智能的，高度灵活的八轴爪。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计42机械手的总体设计方案21机械手的工作原理及系统组成211执行机构包括手部、手腕、立柱和手臂等部件，以及一些额外的运行部件。（1）手部即和物件接触的部件。（2）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。（3）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和立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。（4）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。212驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。气动机械手由动力装置、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。213控制系统控制工业机器人的控制系统，根据运动的要求。工业机器人控制系统一般由过程控制系统和电气定位系统（或机械挡块定位）。使用的机器人，PLC过程控制系统，气动机械手可支配机器人根据运动程序的规定，和记忆的人，给机器人的指令信息（如运动轨迹，速度和时间序列）同时根据信息执行机构的控制系统，发出指令，如果有必要，监视机器人的动作，发出报警信号。22机械手基本形式的选择本设计采用圆柱坐标型。图21是机械手外观轮廓图。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计5图21机械手外观轮廓图23驱动机构的选择231气动方式成本低,出力小,噪声大,控制简单。但难以准确控制位置和速度。属于简单非伺服型。232液压方式功率重量比大,低速平稳,需液压动力源,漏油和油性变化会影响系统,各轴耦合较强,成本较高。可用于易爆的环境。233电驱动方式（1）步进驱动功率小,开环控制,控制简单,可能失步。（2）直流驱动调速性能好,功率较大,效率较高,但换向器需维护,不易用于易爆,多粉尘的环境。（3）交流驱动成本较低,调速性差。根据课题要求确定圆柱坐标型机械手，利用双作用气缸驱动轻松的实现手臂上下运动；双作用气缸驱动轻松的实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用夹持式手部结构，用小型单作用气压缸驱动夹紧；手腕和机座的旋转用旋转气缸驱动轻松的实现。24机械手详细设计参数机械手的设计参数如下所示机械手（重复）定位精度1M；机械手最大抓重4KG；柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计6工件圆柱形，材料是铁质；支座旋转角度为180度（最大速度90度每秒）；立柱上下移动距离为200M（最大速度1M/S）；手臂伸缩距离600M（最大速度1M/S）；手指开合角度为60度（最大速度60度每秒），手爪旋转角度为90度；最大工作半径1400MM25本章小结本章主要讲述了机械手的工作原理和系统组成，并且简要介绍了执行部分。机械手动作形态采用圆柱坐标式，四自由度的运动执行均由气缸驱动完成。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计73机械手手部结构设计及计算31手部结构四度自由气动机器人手扣人心弦的结构，由抓手和力机构组成。传力结构形成楔形杠杆式滑道杠杆棒杆型，机架和齿轮围绕泛类型并行连接螺杆旋转，这种设计使用的槽杠杆传力机构。311端执行器的要求不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。312手爪的分类和选取旋转夹持器结构比较简单，但是当夹紧的工件直径变化会导致工件轴偏移。此偏移量被称为夹紧错误。转化夹持工件直径变化不影响其轴的位置，但其结构复杂，体积大，制造精度高。当机械手爪式的设计，在满足工件的定位精度要求的条件，尽可能的结构相对简单的回转型的抓手。机器人的设计任务书的要求相结合的抓手开放和关闭角度为60度，并能够抓取重约圆柱铁工件4千克。本设计采用双支点回转型槽杆夹持器。32机械手手爪设计计算321手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析滑槽杠杆，如图31为常见的滑槽杠杆式手部结构。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计8图31滑槽杠杆式手部结构、受力分析1手指2销轴3杠杆PF22COSNBFAA（31）式中PF驱动力；NF夹紧力；A手指的回转支点到对称中心的距离；B手指长度；A工件被夹紧时手指的滑槽方向和两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力PF一定时，A角增大，则夹紧力NF也随之增大，但A角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好A030040。322夹紧力及驱动力的计算（1）手指对工件的夹紧力可按公式计算SIN22XNAKPFM（32）式中K安全系数，通常1220；柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计9XP轴向力；AV形手抓的开合角；M工件和手抓间的摩擦系数；计算设A10MM,B30MM,A035，求夹紧力NF和驱动力PF。设K15，XMGP，M03根据公式，将已知条件带入得304729602SIN89415AFN（2）根据驱动力公式得NAABFNP781201035COS30230COS2F22由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取08809H。（3）取09HNZFP13521349078120FH实（33）33夹紧气缸的设计331主要尺寸的确定（1）气缸工作压力的确定查表工业机械手设计P45表42得表31取气缸工作压力P04MPA表31气压负载常用的工作压力负载F/N50000工作压力P/MPA57（2）气缸内径D和活塞杆直径D的确定可由下式推算出气压缸的内径D柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计10224FDDPP实际（34）6244180002760410075105FDPPP实际预设活塞杆直径D05D,气缸工作压力P04MPA,根据机械设计手册气压传动分册P22125，选取气压缸内径为D32MM。可以得出活塞杆内径为D05D320516MM，选取D14MM。（3）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚和内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算/2PDPDS（35）式中，D缸筒壁厚，M；D气缸内径，M；PP气缸试验压力，一般取PPP51（PA）；P气缸工作压力（PA）；S缸筒材料许用应力（PA）。本设计手爪夹紧气缸缸筒材料采用为铝合金ZL1060,S3MPA代入己知数据，则壁厚为/2PDPDS3663210150410/231024MM取3MD，则缸筒外径为1323238DMM（4）手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量S可推得S10TG3510TG56127MM（36）气缸的活塞行程和其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞和缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加MM2010的行程余量11。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计116120261LM（37）故气压传动手册圆整为27LM。（5）手爪部分总质量估算MMMM手爪气缸零件（38）其中手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106查相关手册可得，45号钢密度为3378510KG/M；ZL1060的密度为3327310KG/M。手爪部分总质量约为M0031412452314KG34手爪夹持范围计算为了保证手爪张开角为060，活塞杆运动长度为27MM。（A）手爪最小夹持半径（B）手爪最大夹持半径图32手爪张开示意图手爪夹持范围的计算，手指长30M，当手抓没有张开角的时候，如图32（A）所示，根据机构设计，气动机械手的最小夹持半径1R10，当张开060时，如图32（B）12所示，最大夹持半径2R计算如下00230310COS3026MMRTG柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计12机械手的夹持半径从1026M。35机械手手爪夹持精度的分析计算为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差计算。图33手爪夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为10M26MM。一般夹持误差不超过1M,分析如下工件的平均半径10152CPR125M（39）手指长30LM,取V型夹角02120Q偏转角B按最佳偏转角确定1100125COSCOS61SIN30SIN60CPRLBQ（310）计算0SINCOS30RLQB00SIN60COS61125（31）当MAXR0MINRR时带入有222222MAX2COSSINA0174505SINSINMAXRRLLLBABQQD所以夹持误差满足设计要求。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计1336弹簧的设计计算选择弹簧按照压缩条件，选择圆柱压缩弹簧。如图34所示，计算过程如下。图34圆柱螺旋弹簧的几何参数（1）选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力80MPAT（2）选择旋绕比C8，则410615446CKC（312）410615446CKC481061511834846（3）根据安装空间选择弹簧中径D22M，估算弹簧丝直径227538DDMC（4）试算弹簧丝直径16MAXFKCDT（313）16MAXFKCDT618011838162380010MM取3M。（5）根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计1438MAXMAXGDNFCL（314）3358MAXMAXGDNFCL选择标准为3N，弹簧的总圈数11535155NN圈（6）最后确定2DM，3DM，122319DDDMM，222325DDDMM（7）对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象压缩弹簧的长细比07417612HBD，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取当两端固定时，53B,当一端固定；一端自由时，37B；当两端自由转动时，26B。弹簧17626B，因此弹簧稳定性合适。（8）疲劳强度和应力强度的验算。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式MAXCASSSSTT（315）SS选取1317（力学性精确能高）MAX38KDFDTP（316）MAX38KDFDTP381184002218042428743140036MAX8001018442428874CASSPASPATT经过上式校核，弹簧满足要求。37本章小结本章对机械手的手部和手爪进行了设计，并且对夹紧气缸进行了选取计算，对夹持范围和夹持精度进行了计算，最后对弹簧强度进行了校核，符合使用要求。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计154腕部的设计计算41腕部设计的基本要求力求结构紧凑、重量轻结构考虑，合理布局必须考虑工作条件对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。42腕部的结构以及选择421典型的腕部结构（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。气动机械手具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于0270）。（2）齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于0270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。气动机械手使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。（4）机液结合的腕部结构。422腕部结构的选择结合任务书设计要求，手腕要求旋转180度，考虑上述经典结构，选择具有一个自由度的回转腕部结构，气压传动。43腕部的驱动力矩计算腕部在回转时一般要克服以下3种阻力腕部回转摩擦处的摩擦力矩M摩为简化计算，一般取01MM摩总力矩克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计161EMG偏（41）式中1G工件重量（N）E工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（M）克服启动惯性所需的力矩M惯TMW惯工件启（JJ）（42）或者按照腕部角速度和启动时所转过的角度计算22MWJ惯工件启（JJ）（43）式中工件J工件对手腕回转轴线的转动惯量；J手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量；W手腕回转过程中的角速度；T启启动过程所需的时间，一般取00503S；J启启动过程所转过的角度。手腕回转所需的总的阻力矩是上述三项之和，即MMMM总力矩摩偏惯（44）设夹取棒料半径15MM，长度180MM，重量1KG，当手部回转0180时，将手爪、手爪驱动气压缸及回转气压缸等效为一个圆柱体，长为200MM，半径为40MM，其重力G，启动过程所转过的角度F启0180314RAD，等速转动角速度2616RAD/SW。2300402780098768GKGMNKGNP（45）因为工件夹持在手抓中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为0，1EMG偏022MJJWF惯工件启（46）查取转动惯量公式有柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计17222211768004000632298NJMRNMSNMSNKG22222111M31018300150027561212JLRNMS工件代入22616000630002756009920314MNM惯009010MMMMM总力矩惯摩偏总力矩00990109MNM总力矩44腕部工作压力的计算由工业机械手设计P45表43得表41气压缸的内径系列（MM）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250设定腕部的部分尺寸根据表41设缸体内空半径R26M，考虑到实际装配问题后，其外径为100M；动片宽度B30MM，输出轴R12M。由于实际气压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩，则回转缸工作压力2222220110010030026006MPMPABRR总力矩，选择P05MPA。45气压缸盖螺钉的计算图41缸盖螺钉间距示意图柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计18表42螺钉间距T和压力P之间的关系工作压力P（MPA）螺钉的间距TMM0515小于1501525小于1202550小于10050100小于80缸盖螺钉的计算，如图41所示，T为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表42，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力0SQQQFFF（47）QF工作载荷；SQF预紧力。气压缸工作压强为P05MPA,所以螺钉间距T小于150MM,试选择4个螺钉，331420026104082150MM44DP，所以选择螺钉数目合适Z4个。危险截面2222200520024000174SRRMPPPQPSFZ（48）QPSFZ605100001721254NSQQFKF（1518KQQFKFN所以021253187553125NSQQQFFF螺钉材料选择Q235，24016015SMPANSS则（1225N）螺钉的直径0413QFDPS（49）柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计190413QFDPS6413531250002331416010M螺钉的直径选择D6M。46动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴间的连接螺钉,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用使动片和输出轴之间的配合紧密。2282QBPDDDMFZF摩（410）于是得224QBPFDDZFD（41）D缸体内径；B动片宽度；P回转缸工作压力；QF动片和输出轴间连接螺钉的预紧力；D动片和输出轴配合处的直径；F被连接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取F015。螺钉的强度条件为21134QFDSSP合（412）带入有关数据，得622220030510005200241108334440150012QBPFDDNZFD螺钉材料选择Q235，则24012SNSS20MPA（1225N）螺钉的直径06413413110833000331420010QFDMPS柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计20螺钉的直径选择D4M，选择M4的开槽盘头螺钉。47本章小结本章对机械手腕部的结构进行了选择，对手腕的工作压力进行了设计计算，对气压缸盖螺钉的数量进行了设计，最后选择4个螺钉为合理数量。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计215机械手手臂机构的设计51手臂的设计要求臂部应承载能力大，自重轻。臂部运动速度高，惯性小。手臂动作灵活。位置精度高。52伸缩气压缸的设计521气缸主要尺寸的确定（1）气缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸，采用单活塞杆双作用气缸，初定内径为50F。由D/D0203,可得活塞杆直径02031025DDMM圆整后，取活塞杆直径18DM查表取气缸工作压力04PMPA由公式214DPFPH（51）2224DDPFPH（52）计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取0305H，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取07085H。得1254954782FNFN，。（2）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚和内径之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（35）计算/2PDPDS柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计22设计的伸缩气缸缸筒材料为铝合金ZL1060,S3MPA代入己知数据，则壁厚为/2PDPDS51032/104511050653MM取5MD，则缸筒外径为1505260DMM。（3）手部活塞杆行程长L确定按设计要求，X轴小臂伸缩距离为10CM，即100M。为防止活塞和缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为ML021。（4）活塞杆稳定性的计算当活塞杆的长度DL10时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。当气缸承受的轴向负载PUF达到极限值KF后，极微小的干扰力都会使活塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致气缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件是KKPUNFF（53）式中PUF气缸承受的轴向负载，即气缸的理论输出推力，N；KF气缸的压杆稳定极限力，N；KN气缸的压杆稳定性安全系数，一般取62KN。气缸的压杆稳定极限力和缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关15。当长细比MKL85时，22/LMFKEIP（54）当长细比MKL85时，211KLNAFFKA（55）柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计23上式中L计算长度M；K回转半径；实心杆半径41DKAI（56）空心杆半径4/202DDK（57）I惯性矩；实心杆惯性矩644DPI（58）空心杆惯性矩64/404DDIP（59）实心杆截面积421DPA（510）空心杆截面积42021DDAP（51）M系数，查手册；E材料弹性模量，对钢取PA11012E；F材料强度实验值，对钢取PAF71049；A系数，对钢取50001A；查阅机械手册气缸设计章由表得安装方式为固定自由式，取41M，代入公式（56）至（51）实心杆半径544DK563954178KL542418585M柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计24由于MKL85，用公式（55）211KLNAFFKA227563950041018041049P55389N667592316553891NFFNFPUKK所以该活塞杆满足稳定性条件。（5）驱动力校核测定手爪和手爪夹紧气缸质量为22314KG，估算为4KG，设计加速度1110/AMS，则惯性力MAF惯（512）原式MAF惯30103N。考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数20K，惯FKFM0203006N总受力为MFFF惯003006036N因为10FF，所以该气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。（6）前后运动气缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用45钢；缸体采用铝合金ZL1060；连接件采用HT250。查相关手册，45号钢密度为78533/10MKG；ZL106的密度为27333/10MKG；柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计25HT250密度为73533/10MKG；经计算，可算出质量约为57841KG152441299129606M53导向装置压力驱动机械臂的伸缩运动时，为了防止旋转轴周围的手臂，以确保手指正确的方向，活塞杆应受到大的弯矩，以增加刚性手臂，手臂结构，导向装置的设计。安装的具体形式，应根据具体的设计结构，并抢在结构设计和布局物体的重量，和其他因素来确定，应尽量减少运动部件的重量和减少惯性旋转中心。现在经常被用来引导一个导杆，双导杆，导杆，在一个单一的导杆的设计，以增加刚性和控制手臂的方向。54本章小结本章主要对机械手的手臂结构进行了设计计算，确定了手臂气缸的具体尺寸，对活塞杆进行了计算和稳定性的校核。导向装置选用单向导杆。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计266机械手腰部和基座结构设计及计算61结构设计通过安装在机座上的旋转气缸转动，从而轻松的实现机器人的旋转运动，通过安装在转动壳体上的气缸轻松的实现手臂的上下移动。采用了双导柱导向，以防止手臂在气缸活塞杆上转动，确保手臂随机座可以一起转动。支撑梁采用铝合金，以减轻重量和节省材料。62控制手臂上下移动的腰部气缸的设计621确定主要尺寸（1）气缸内径和活塞杆直径的确定根据设计要求，结合末端执行器的尺寸以及伸缩气缸的结构尺寸，采用单活塞杆双作用气缸，初定内径为10F。由3020/DD,可得活塞杆直径MMDD30203020圆整后，取活塞杆直径MD32。查手册取气缸工作压力MPAP40。由公式（61）、（62）HP421PDFHP4222PDDF其载荷率一般取5030H，得122198197292FNFN，。（2）缸筒壁厚和外径的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚和内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算2/SDPDP气缸缸筒材料采用为铝合金ZL1060,S3MPA代入己知数据，则壁厚为2/SDPDP柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计27101032/1045110065MM取M10D，则缸筒外径为1202101001MMD（3）手部活塞杆行程长L确定按设计要求，腰部上下运行距离为20CM，即200M。为防止活塞和缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。故行程查有关手册圆整为ML240。（4）活塞杆稳定性的计算当活塞杆的长度DL10时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。当气缸承受的轴向负载PUF达到极限值KF后，极微小的干扰力都会使活塞杆产生弯曲变形，出现不稳定现象，导致气缸不能正常工作。活塞杆稳定性条件公式（53）KKPUNFF当长细比MKL85时，用公式（55）211KLMAFFKA实心杆回转半径41DKAI实心杆截面积421DPAM系数，由查表安装方式为固定固定式，得4M；F材料强度实验值，对钢取PAF71049；A系数，对钢取50001A；代入公式（56）至（51）84DK808645KL柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计2817048585M得MKL85，211KLMAFFKA2278045001140301049P2298395N129839524973221986KPUKFFFNN所以该活塞杆满足稳定性条件。（5）上下移动气缸部分质量估算活塞杆及导向套材料采用45钢，缸体采用铝合金ZL106，连接件采用HT250。查相关手册，可得45号钢密度为78533/10MKGZL106的密度为27333/10MKGHT250密度为73533/10MKG经计算，可算出质量约为KG0654712662140632340101M所以总质量约为M45784117065427KG622气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接查阅机械设计手册，选择拉杆式螺栓连接。该结构简单，易于加工，易于装卸。（2）活塞杆和活塞的连接结构活塞杆和活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。（3）密封气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。采用O型密封圈。工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。（4）气缸的安装连接结构柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计29根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，该气缸用法兰式安装连接。63导向装置在压力驱动的机械臂上下运动，以防止旋转轴周围的手臂，为了确保手指的正确方向，活塞杆应受到较大的弯矩，以增加刚性的手臂，手臂结构，导向装置的设计。安装的具体形式，应根据具体的设计结构，并抢在结构设计和布局物体的重量，和其他因素来确定，应尽量减少运动部件的重量和减少惯性旋转中心。在本设计中采用双导向杆来增加腰部的刚性和导向性。64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，减少手爪一侧的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，根据抓取物体的重量和气缸的运行参数配一块重量为10KG的铁块。这样，机械手臂的倾覆力矩就非常小，不会有翻到的状况发生。65机身回转机构的计算旋转气压缸所需，MMMM驱回惯密。（1）M惯计算00TMJJWEDD惯（61）20GCGJJR总（62）22CML12J（3R）（63）将回转部件等效为一个圆柱体，长为1500MM，半径为60MM，其重力G总800N，设启动的角速度0314RAD/SWD，启动时间DT01S，所以22CML12J（3R）2221296NM98SGG（153006）/122520GCGJJR总228001222525147NM98SGG柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计3000TMJJWEDD惯1470314014616NMG（2）MM回密，的计算为了方便计算，003MM驱密，0M回所以MMMM驱回惯密4616003M驱0476NMMG驱回转气压缸参数计算如下设B60M，工作压力P4MPA，D50MM则由22B8PM驱（DD）得22688476D0050136MB006410MDP驱（64）所以圆整取气压缸的内径为140M。66本章小结本章对机械手的腰部和机座部分进行了设计计算，确定了腰部气缸的内径和活塞杆直径，算出了壁厚，并对活塞杆的稳定性进行了校核。导向装置采用双向导杆，在横梁端部加装平衡装置减少倾覆力矩。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计317机械手的PLC控制系统设计71气压传动系统工作原理图图71为机械手的气压传动系统工作原理图，表71为气路元件图。气源是由空气压缩机通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器这气动三联件，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作15。图71四自由度机械手气路原理图表71气路元件表序号型号规格名称数量1J41F16手动截止阀12储气缸13QLPY1分水滤气器14QLPY2减压阀15QLPY3油雾器16TK10压力继电器17Q22DX1二位二通电磁阀1811Q25DC3三位五通电磁阀41216QLAL3单向节流阀51724TZ8104行程开关8柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计3272可编程序控制器的选择及工作过程721可编程序控制器PLC的选择国际上生产可编程序控制器的厂家很多，有日本三菱公司的F系列PLC,德国西门子公司的SIMATICN5系列PLC、日本OMRON立石公司的C型、P型PLC等。考虑到本课题机械手的输入输出点少，流程简单，同时又要考虑到成本，因此选择了三菱电机公司的FX2N系列PLC。722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四个阶段。第一阶段是初始化处理。第二阶段是处理输入信号阶段。第三阶段是程序处理阶段。第四阶段是输出处理阶段。73可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器和被控对象机器、设备或生产过程构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行731系统设计732I/0分配733画梯形图734助记符机器程序735编制程序736调试程序737保存程序74机械手可编程序控制器控制方案741控制系统的工作原理及控制要求（1）控制对象为圆柱坐标式气动机械手。气动机械手具有四个自由度，手腕的旋转，手臂的伸缩，腰部的上升下降及机座的旋转。此外，末端执行装置还可完成抓、放功能。以上各动作都采用气动方式驱动。气动方式用四个二位五通电磁阀分别控制四个气缸，一个二位二通电磁阀控制夹紧气缸，使机械手完成手腕旋转、手臂伸缩、腰部升降、机座旋转和手爪张合动作。这样，可用PLC的5个输出端和电磁阀相连，经过编程，使电磁阀各线圈按一定顺序启动，柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计33使机械手按预先安排的动作顺序工作。（2）控制要求为了满足工作需要，机械手应该设置手动工作方式和自动工作方式。A手动工作方式手动工作方式分为手动操作和回原点操作，这样便于对设备进行调试。使用者可以用按钮对机械手每一动作单独进行控制。B自动工作方式自动工作方式分为单步，单周期和连续运行。按下起动按钮，机械手根据所选择的方式运行。742气动机械手的工作流程气动机械手的自动控制工作流程如图72所示图72机械手自动控制工作流程框图743I/0分配及原理接线图根据系统输入输出点的数目，选用三菱公司的FX2N系列FX2N64MR。原理接线图如图73所示。柔性制造系统自动上下料气动工业机械手设计34图73原理接线图744梯形图设计根据