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四自由度气动机械手III摘 要在企业生产产品的过程中，生产线趋向自动化得到广泛的使用，这是在科学研究的持续发展的情况下，人们急切地渴望能有一种安全、灵活、精确的机构，能代替人力进行工件的使用和定位。机械手的发现让人们解决了这一难题。特别是一、定技术，如气动、液动的不断完善，是在随着机械结构的进之后，以及在控制元件的开发和控制方式方面，进行不断精进和创新，机械手的有关个种功能得到了显著的提升与改善。因为现在社会上发现了机械手，让工人们在劳动时的强度和难度减少了，同时也让企业的工作效率和产品的质量明显的提高了，并且大大的降低了生产成本。首先，本文对机械手在国内、海外的研发进展情况进行了研究，并且对于当前几种不同的机械手有了一个熟悉。其次根据课题需要，确定了机械手应用了圆柱型坐标。驱动机构应用了气压传动机构，通过使用直线气缸实现手部的开合，机械手的上下、前后运动，而机械手的左右转动是通过使用回转气缸实现的。对气缸进行了设计计算和校核。然后那时我在运行气动回路的设计时，要面对在回路中我所选用的气动元件然后开始选型。最后，根据硬件和软件两各方面，将选用的PLC使用在机械手控制电路中，并画制了运动程序流程图。关键词：机械手，气压传动，气缸，单片机ABSTRACTWith the develop of the science and technology and the application of the automation produce line in the production, this is an urgent need of a safe, flexible and accurate mechanism replace the labor of move and positioning of working pieces. The application of the manipulator can decide this problem. Along with optimization of the mechanical structure, the maturity of technology of the pneumatic or the hydraulics, the development of the control element and the continuous improve and innovation of control methods, the overall performance of the manipulator has been improve obvious. The manipulator in the difficult to reduce labor intensity, to increase the efficiency and quality, and reduce production costs has make outstanding contributions. That paper describes the oversea and domestic develop of the manipulator or current classification of the manipulator. Subsequently, I adopt the manipulator with the cylindrical coordinate are base on the project need. Furthermore, the pressure transmission is selected to be the drive mechanism. In detail, the hand clamp is achieved through the linear air cylinder, and the move of the up and down, forward and backward of the manipulator, is achieve by swing of the air cylinder rotation above the manipulator. At tie same time, the designing of the cylinder was calculated and checked. Then the pneumatic circuit designing and the type selection of the pneumatic component is implemented. Finally, the application of the micro-controller in the manipulator control system is design from the hardware and the soft. I designing the control circuit, and draw the flow chart of the program.Key words:Manipulators, Stepper motor目 录1 绪论11.1课题的背景及意义11.2国内外机械手研究概况21.3本课题的设计要求42 机械手的机械部分设计52.1 机械手整体设计52.2 手爪的设计52.3 小臂升降的结构设计112.4 大臂伸缩的结构设计132.5 大臂升降的结构设计182.6 手臂回转的结构设计232.7 推料小臂的设计252.8 电机的计算与选型273 机械手的气动部分设计294机械手的控制系统设计315 结论426 参考文献437 致谢44I四自由度气动机械手的设计42四自由度气动机械手的设计1 绪论几千年前人类就充满希望和渴望并制造 一种像人一样的具有思维能像人一样行动的机器，可以让人从复杂的劳作里永远的解开，让人类具有更好的生活。；古希腊神话阿鲁哥探险船中的金色泰坦泰洛斯（Taloas)；犹太传说中的泥土泰坦等等，这些美丽的神话时刻鼓励着人们必须要把美丽的神话变为现实，早在三千年前人们就能制造一些简单的人偶和机械来代替人力。到了现代 ，robot一词的出现和世界上第一台工业robot出现之后，不同功能的robot也被人制造了出来并且活跃在大多数不同的领域，从天上到地下，从工业并拓展到 农业、林、牧、渔，甚至进入大众百姓的家。我们永远想不到robot种类之多，应用之广。 在机械绝大数系统中，robot技术为了使其实现了真正的机电一体化的自动化技术，是通过了运用电子信息技术，在学校对理工科的本科学习中，robot技术有着至关重要的地位，对于用来提高学生的工程能力，拓展思维空间具有着举足轻重的意义。机械手能自动操作是按照了编写好的程序，来显现工件的拉取、搬运，这些动作是通过按照人的手部和手臂。在生产产品中，人的地位可以由机械手替换，所以工厂可以提升自动化生产水平，在同一种时间工作下的劳动生产率，能够生产出较高的产品质量、同时也可以大大降低工人们的劳动的强度，特别是在对人体具有严重危害的环境下，能够更有效的保护工人的安全，例如高温和高压，有剧毒气体等，因而机械手在机械生产、电子和对原子能研究等产业中得到广泛的使用。 目前，有关的robot技术及它的一些地方的使用在我国与在国外相比，还是有着一定的差距，在我国的使用不多，机械手的这些研究和发展对于我们国家的工厂的生产线趋向自动化的显著提高，能够产生直接和间接影响，毕竟在国家的经济上和技术上的考虑都是一定的。这次我所设计的四自由度气动机械手，这是我在本科四年中，对机械电子工程（机电一体化方向）专业的所学知识的一个理解，能够充分的体现我对机电一体化专业学生的理论研究程度，执行动手能力以及对待专业的认真态度，具有肯定的针对性和确定的实践目标，可以通过本次我的设计来显现理论和实践的结合。1.1课题的背景及意义在工业的生产车间的生产线，我们可以看到机械手臂具有广泛的运用。在好多的工作的任务和装配系统中，是具有很重要的一部分。我们要让机械手从一个随便的位置抓起零件，把这个零件放在另一个位置，这是机械手的基本的作用。许多的人工麻烦的劳动都可以由机械手臂来完成，由于机械手在操作时的比较高的精度，让产品的质量和生产效率有了显著的提高1。从最近30年看来，有关气动的技术在一些地方的使用广泛了，特别是使用在工厂里那些完全是自动化的生产间的生产线上。在气动技术和控制技术的两者结合情况下，可以使整个系统变成肯定高度的自动化水平线，让其在控制的方面更加的灵活，有些功能也变得更加稳定和完善；因为机械手在自动化生产线上运用上的高速的发展，当然我有好多的复杂气动技术提出；我们开始引入的微电子技术，并到了让我们开始和需要大力发展了伺服控制技术的时候了。四自由度气动机械手是因为作为机械本体的机械的部分、选取PLC当做控制器、伺服控制系统的构成，是一种机电一体化自动化生产过程的生产设施，它能可以达到自动控制、可反复的编程、完成各种的上料、下料的等我运动。在我们认知的所有机械手中，其中一种就是气动机械手，因为有着大多数普通的机械手没有的优点而被广泛使用，比如它有着构架方便、动作的稳定、使用较少的能源和保护大自然等特点，所以尤其更好的适用于多种工序的柔性的生产方法。它在大大的提高产品质量，大大的提升生产效率，大大的降低工人工作强度和新产品的诞生等方面有着十分大大大的重要的作用2。四自由度气动机械手是控制论包括、机构学、电子学等多种机械学科，从而最近产生的一种新型的科学技术，在当代，人们对它的研究有十分频繁，而且它因为本身的应用也十分广泛。目前，在国内诸多工厂的生产车间的生产线上，有些类似于将机床上工件的装卸，仍然还是由工人们去做的，这不仅大大的增加了工人的劳动强度，而且使工厂的产业效率大大的低下。在这样情况下，我们就要让生产的效率大大的提高，也要控制生产成本，并让生产线发展变成柔性生产系统，能够大大大的适应现下的自动化大生产，根据现在所具有具体的生产工艺流程，根据现在所学有关的机器人技术，自己设计一台机械手，能够实现定点自动抓取工件，这样的话操作人员就不需要不断取料，就能够将工人的劳动强度大大的降低，将生产加工时间大大的节约下来，从来可以做大大的多的加工工作，生产大大的多的产品3。因此可以得知，在现代工厂中的加工应用和高校中的教学示用中，气动机械手有着非凡的意义，不仅可以很快的提高工厂的生产力水准，还减少劳力资源和时间的损耗，大大提高了工业生产的效益，同时对于工人无法涉及、条件受限制的领域，比如空间狭隘、温度过低或过高、杂物较多的地方，机械手能完成预想的目的。1.2国内外机械手研究概况工业机械手在我国起步是非常非常的晚，大约是从上个世纪70年代才开始刚刚起步，比起欧美要晚20年左右，在1972年的上海，我国终于研发出第一台机械手，之后举国上下都开始着手研究机械手，并把它运用到个个地方。自从90年代开始，我们国家政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且在这个项目中投入大大的多的资金，有着大大的多学者及研究人员的参与，顺利研究开发并且制造了好多系列的工业机器人，在那些研究中，有许多不知道其用途的机器人，包括用来喷涂的，点焊的，装卸载的等等。更让我们感到惊讶的是，所有这些机器人的控制器全部都是因中国科学院和北京科技大学的老师和学生共同开发的。在这时刻，也开发了一连串的机器人比较关键部件，如轴承专门给机器人使用的，编码器等等4。上世纪40年代末世界上，在美利坚共和国，美国联合公司发明了第一台机械手。它与30年代的控制系统不同的是，这次是用来教学的；60年代出初，美国联合控制公司在前面所提到的计划的基础上，研发出了一种更加新型的机械手，它的运动的系统不是大众的，因为手臂上可以实现来回的摆动、上下的俯仰、前后的伸缩，并且机械手系统的驱动方法是液压。前面说的新型的机械手在对机械手的研究发展上有着大大的重要的意义，并且在这之后的好多坐标型式是球面的机械手，就是根据最新型机械手原本有的结构等改进的；同一年，出现了万能制动公司出现了，、万能制动公司是由联合控制公司和普曼公司合并重组的，该公司的作用是专门用来来生产工业机械手的。60年代初美国机械铸造公司实验成功制造一种叫Versatran机械手(如图1-1），它能。固然因为上面说的2种机械手都在六十年代初出现的，是初期用了研究的试验，但都是可以当作国外机械手发展的基石。在机械手的发展到这种程度后，从1965年之后起，大大的多工厂生产线上都开始使用工业机器人来进行喷漆等作业。70年代后期一种Unimation-Vic.arm型工业机械手由美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院这一家企业与两所高等学校联合研制出，用偏小型的电子计算机来操纵它的动作，可以让机械手来进行装配工作。从70年代起，德国机器制造也开始在生产的领域内运用机械手，主要用于人力无法完成的一些比较困难作业5。图1-1 Versatran机器人近几年在机械手的发展领域中有以下几个趋势：（1）重复的高精度性 在微型电子科技的技术包括现代化的各种控制的技术的在逐渐发展的当下对的情况下，还有让气压驱动伺服控制的技术走出实验室的情况下，越来越高的机械手精度的要求，那么运用机械手的区域肯定将会变得越来越多和广阔，例如化工的领域和军事的一些生产的领域等。（2）模块化 气压驱动的机械手由模块化的组件拼装而成，相对于以组合形式的导向的驱动装置这样的模块化具有更灵活的安装的系统，可以让相同的机械手在仅仅因为被使用在不相同的模块区域就会因此具有相对不同的作用，让机械手的应用领域变得越来越宽阔，这也将会变成气动的机械手在未来的发展中成为一个比较重要的方向。（3）无给油化 伴着各种产品的材料的技术的持续的发展进步，现在已经有好多新型的材料产生，；列如烧结金属石墨材料，组织特殊、用自润滑材料制造的无润滑的元件，不仅大大的节约润滑油、保护环境，而且那些些新兴材料的系统结构相对大大的简单、在性能方面也表现的大大的稳定、相对那些材料来说寿命都比较长、然而成本却十分低。（4）电气一体化 那些比较典型的，常用的控制系统都是由可编程序的控制器PLC、单片机，传感器还有气动元件所组成。到现在这一块还是自动化技术发展以来的相对十分重要的方面；控制气动组件的自动适应性的发展，这是需要和电子科技技术相互结合而成的，使得气动技术由“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；复合集成的系统，不仅大大的节省了为了组装的一些符合的电线、相配的管路和一些系统元件，并且拆卸组装起来也边打十分简便，以此来用来增强了机械控制系统的相对可靠性。1.3本课题的设计要求阅读任务书，了解需要完成的作业：（1）选择合适机械手的坐标型式和多少自由度。我根据课题的题目，我根据任务书了解到应该有四个自由度，其中包括大臂摆动，所以我采用圆柱坐标型式。（2）对执行机构进行设计。包括：手爪、大小臂、基座、物料台转盘等零部件的设计。（3）对气压驱动控制系统的设计。这里我将要设计出驱动机械手的气压传动的控制系统，并包含了选择组成驱动系统的各个气动元件，而且同时设计出它的气压驱动的控制回路，并且正确的画出控制系统相应的气压驱动的控制原理图。（4）控制系统的设计设计。我会选取采用单片机控制整个机械手来完成整个工作流程，在此选择单片机控制的型号，再根据整个机械手的工作过程编写出单片机的程序的控制流程图。2 机械手的机械部分设计2.1 机械手整体设计这次设计的机械手是一种性能先进、满足教师的教学、学生实践和在实验室中，模拟生产线上生产的，它是用单片机来进行控制的，让结构的趋向于简单化，可实现的机械手在腰部的旋转，大臂的升降、伸缩，小臂的升降，手爪的开合等一些功能，并与物料台的自动送料相互之间配合，在水平面能够用来实现定点取物、定点放物的功能，有着好多好多特点，比如稳定性高、体积小巧等，在机电一体化教学实验中，为同学们提供了很好的范例，可以更好的认识到机电一体化的概念。总体设计要求如下：（1） 抓重：（2） 自由度数：4个自由度（3） 坐标型式：圆柱坐标型（4） 手臂运动参数：伸缩行程：；运动速度：升降行程：大臂： ，小臂：；运动速度： 回转范围：；回转速度：（5） 手指夹持范围：圆柱状（6） 气动方式：气压传动（7） 控制方式：单片机2.2 手爪的设计2.2.1 尺寸设计及校核伸缩运动的驱动力公式： （2-1） （2-2）上式中，由于手爪夹紧缸的运动是从静止开始的，因此。摩擦系数：本次设计的气缸的材料为，活塞的材料为45钢，查机械设计手册第5卷可知。总体的质量估算：所以手爪部分主要由手爪及相关的连接元件组成。夹紧的缸为标准气缸，主要用来设计气缸的相关尺寸，估得手爪部分夹起工件时其质量为1.5kg，放下工件时其质量为，接触面积：。代入上式（2-1)与式（2-2）中计算，可得上料时： 可得下料时： 考虑一些安全因素，应该在原有的计算基础上乘上安全系数，查机械设计手册第5卷，取。因此计算得到，上料： ；下料2.2.2 气缸的直径我根据夹紧缸的设计需求所以我选用单活塞双作用气缸。双作用气缸的力的计算公式： （2-3） （2-4） 本式中：是气缸的活塞杆伸出时所受到的推力，单位：；是气缸活塞杆缩进时的所受到推力，单位：；是气缸的活塞的直径，单位： ；是气缸的工作压力，单位： ，这里的工作压力是；在工作频率高时候，它的载荷率一般开始选取的范围是，这里选；代入相关数据，计算得：推力做功时： （2-5） =拉力做功时： （2-6） 将所得的值圆整后，取。 2.2.3 活塞行程设计按照设计要求，手爪伸缩行程为，活塞行程应留有一定的余量，防止活塞与缸壁碰撞，因此行程查机械设计手册第5卷圆整为。2.2.4 活塞杆的直径和长度校核这个任务中采取的是实心的活塞杆，活塞杆直径： （2-7）圆整后，取。 （2-8）活塞的杆计算长度，本设计的气缸的安装方式选取的是固定自由式，所以，细长杆比： （2-9）我根据活塞杆的稳定性条件，气缸的最大承受纵向推力达到极限力以后，气缸活塞杆会对其产生横向的弯曲和不稳定的不正常的现象。所以必须要使极限力大于推力负载。计算公式是： （2-10）上式中：是气缸活塞杆的长度，单位：；是活塞杆的横截面回转半径，单位：；是气缸的活塞杆的横截面的面积，单位：；是材料的强度值，我翻阅机械设计手册第5卷查的，对于材料是钢的 ；是系数，所以我翻阅机械设计手册第5卷查的，我选择的材料是钢的；代入计算有关的数据，得：安全系数是，所以： （2-11）所以，满足活塞杆稳定性条件。2.2.5 筒壁厚计算气缸的缸筒的壁厚计算公式是： （2-12）本式中的：是缸筒的壁厚，单位：； 是气缸实验的压力，因此选取，单位：；是气缸的内径，单位：；是缸筒材料的许用应力，单位：；表2-1 气压负载常用的工作压力负载F/N50000工作压力p/MPa57本课题手臂伸缩气缸筒的材料用为：铝合金材料，。将所以是的数据代入式（2-12）中，所以求得壁厚数值是： 取，缸筒外径则为：。2.2.6 耗气量的计算气缸每分钟的耗气流量为： （2-13） 式中，代表气缸的内径， ；代表活塞杆的杆径，；代表活塞的行程，；代表气缸活塞每分钟轮回来回的次数；将已经知道的数值代入式（2-13）中，以是： 2.2.7 气缸进排口的计算 根据GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合理得当的气口螺纹。所以选择气口螺纹。2.2.8 伸缩气缸质量估算 （2-14）其中，活塞杆及导向套的材料需采用45钢，缸体以及连接板件采用材料铝合金。查机械设计手册第5卷，45钢密度为，密度为。将所知数据代入式（2-14）中，经计算得总质量约莫为：2.2.9 手部气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接我们知道缸筒与缸盖的连接情况有好多好多种，在这么多个中最主要的几种有拉杆式的螺栓连接、螺钉式、卡环等，见参图2-2，一般对于双头螺栓和螺栓连接，一般选用四根螺栓，可是对于工作的压力高于时，必要校核螺栓强度，需要时增加螺栓的数目，比如6根。图2-1 缸筒和缸盖的连接通过查阅机械手册，选择螺钉式的联接，采用4根螺栓，该联接的结构紧凑，法兰尺寸较小，符合机械手爪的所要求的体积小，安装方便等等等特点。因为工作的力小于，所以无须校核螺栓强度。（2）活塞与活塞杆的连接结构在活塞与活塞杆的连接的方法中，用的许多的是整块的结构和组合的构造。而在组合式结构中，又可分为多种连接，比如螺纹、锥销等。本次设计气缸的活塞与活塞杆的连接所选用螺纹连接，方便的装卸，应用较多。（3）密封在气缸中，密封性是十分重要的，要想使气缸能够正常的运动，这时的密封装置就能派上用场了，同时它也能对气缸的使用的性能产生有一定的影响。对密封元件的要求如下：a）好的密封性，不会产生漏气现象，抗摩擦，能够用的长久。b）组织结构稳定，不会产生变形。c）摩擦力小。d）密封件整体应完好，不存在缺损。e）结构简单，成本低。O型密封圈工作可靠，静摩擦成分大，活塞的构造相比之下简单，目前使用的领域较广。故采用O型密封圈。（4）气缸的安装连接结构按照安装位置和工作要求差异可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于结构需要，法兰式的安装联接。并且在缸体的后部应该加上吊耳，做为导向作用。2.3 小臂升降的结构设计2.3.1 尺寸设计及校核升降运动的驱动力公式： （2-15） 上式中，因为小臂的升降运动是从静止刚刚开始的，因此，。总体的质量的估算：小臂的升降主要是由小臂升降气缸、夹紧的气缸，手爪及零部件组成。得知升降部分夹紧工件时其质量为，放下工件时其质量为，接触面积：。代入上式（2-15）中，所以上料时： . 下料时： . 考虑安全因素，应在原有的计算基础上乘上安全系数，查机械设计手册第5卷，取。因此得到，上料：，下料：2.3.2 气缸的直径按照伸缩缸的设计需求选用单活塞双作用气缸。双作用气缸的力的计算公式： 本式中：是气缸的活塞杆伸出时所受到的推力，单位：；是气缸活塞杆缩进时的所受到推力，单位：；是气缸的活塞的直径，单位： ；代表的是气缸的工作压力，单位： ，这里的工作压力是；在工作频率高时候，它的载荷率一般开始选取的范围是，这里选；将有关数值代入式（2-5）和式（2-6），计算得：当推力做功时： 当拉力做功时： 圆整后，取。根据机械设计手册，选取型号ISO-15552标准气缸。 2.3.3 活塞行程设计按设计要求，小臂升降行程为50.00mm，活塞行程应该保留有一定的余量，防止活塞与缸壁碰撞，因此行程翻阅机械设计手册圆整为s=80.00mm。2.3.4 活塞杆的直径这里设计的气缸中的活塞杆选用实心活塞杆，则活塞杆直径：圆整后，取。2.3.5 筒壁厚计算气缸缸筒的壁厚计算公式是： 本式中的代表缸筒的壁厚，单位：；是气缸的实验的压力，因此选取，单位：；代表气缸的内径，单位：；是缸筒材料许用应力, 单位：。本课题手臂的伸缩气缸筒材料用为：铝合金，。将己知数据代入式（2-12），则壁厚应该为： 取，则缸筒的外径为：。2.3.6 气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接查图2-2，连接方式所选择拉杆式螺栓连接。因为该结构方便加工与装卸。（2）活塞与活塞杆的连接结构在活塞与活塞杆的所连接方法中，用的最多的大概是整体结构和组合构造。而在组合式结构中，又可分为多种连接，比如螺纹、锥销等。本次设计气缸的活塞与活塞杆的连接选用螺纹连接，方便装卸，使用较多。（3）密封在气缸中，密封性是很重要的，要想使气缸能够正常运动，这时的密封装置就能派上用场了，同时它也能对气缸的使用性能产生一定的影响。查阅机械手册的表2-3 活塞的结构与密封型式，接纳O型密封圈工作稳定，静摩擦因素对照，活塞的构造明了，目前在生产中的使用范围比较大。2.4 大臂伸缩的结构设计2.4.1 尺寸设计及校核伸缩运动的驱动力公式； 上式中，因为大臂的伸缩的运动是从刚刚静止开始的，因此。摩擦系数：本次设计的气缸材料为，活塞材料为45钢，翻阅机械设计手册第5卷可知。总体的质量估算：大臂的伸缩主要是应由大臂伸缩气缸、小臂升降的气缸、加紧的气缸、手爪及零部件所构成，得知伸缩部分夹起工件时其质量为，放下工件时其质量为，接触面积：。将已知数值代入式（2-1）和式（2-2），计算得出上料时： 下料时： 。 =考虑安全因素，应在原有的计算基础必须上乘上安全系数，查机械设计手册第5卷，取。因此计算得到，上料： 下料：。2.4.2 气缸的直径按照伸缩缸的设计需求选用单活塞双作用气缸。双作用气缸的力的计算公式： 本式中：代表气缸活塞杆伸出时所受到的推力，单位：；代表气缸活塞杆缩回时受到的推力，单位：；代表活塞的直径，单位： ；是气缸的工作压力，单位：，在这里的工作压力是；代表工作频率，它的载荷率一般选取的范围是，这里选取。将有关参数的值代入式（2-5）和式（2-6）中计算得：当推力做功时： =50.05mm当拉力做功时： 圆整后，取。 2.4.3 活塞行程设计按设计要求，大臂伸缩行程为500mm，活塞行程应留有一些的余量，防止活塞与缸壁碰撞，因此行程翻阅机械设计手册第5卷圆整s=400mm。2.4.4 活塞杆的直径和长度校核这里气缸的设计活塞杆选用实心活塞杆，活塞杆直径：圆整后，取。计算活塞杆长度L=500mm=0.5m，本次设计的气缸安装方式选取的是固定自由式，则，细长杆比，得出：按照活塞杆稳定性前提，气缸承受纵向推力到达极限力以后，气缸活塞杆会产生横向的弯曲及不稳定的不良的现象。所以一定要使极限力大于推力负载。计算公式是：上式中：是气缸活塞杆长度，单位：；代表活塞杆横截面的回转半径，单位：；是活塞杆横截面的面积，单位：；是材料强度值，翻阅机械设计手册第5卷查的，对于材料是刚的 ；是系数，翻阅机械设计手册第5卷查的，我所选择的材料是刚的，。将有关的数值代入式（2-10）中，计算获得：安全系数 ，则：所以，满足活塞杆稳定性条件。2.4.5 筒壁厚计算气缸缸筒的壁厚计算公式是：本式中的代表缸筒壁厚，单位：； 是气缸实验压力，因此选取取，单位：；代表气缸内径，单位：；是缸筒材料许用应力, 单位：。在本课题手臂伸缩气缸筒使用材料用为：铝合金，。将所知数据代入式（2-12），则壁厚为： 取，则缸筒外径为。2.4.6 耗气量的计算气缸每分钟的耗气量为： 式中，代表气缸的内径， ；代表活塞杆的直径，；代表活塞的行程，；代表气缸活塞每分钟循环往返的次数将已知参数的值代入式（2-13）中，算出； 2.4.7 气缸进排口的计算凭借GB/T 1403893气缸气口螺纹选择较为恰当的气口螺纹。因此，选择气口螺纹。2.4.8 伸缩气缸质量估算 其中，活塞杆及导向套材料取用45钢，缸体以及连接板件采用铝合金ZL106。翻阅机械设计手册第5卷，45钢密度为，的密度为。经计算，总质量约为：2.4.9 气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接查图2-1，连接方式选择拉杆式螺栓连接。该结构方便加工与装卸。（2）活塞与活塞杆的连接结构在活塞与活塞杆的连接方法中，用的最多的是整体结构和组合构造。而在组合式结构中，又可分为多种连接，比如螺纹、锥销等。本次设计气缸的活塞与活塞杆的连接选用螺纹连接，利于装卸，应用较多。（3）密封在气缸中，密封性是很重要的，要想使气缸能够正常运动，这时的密封装置就能派上用场了，同时它也能对气缸的使用性能产生一定的影响。查阅机械手册的表2-3 活塞的结构与密封型式，采用O型密封圈工作稳定，静摩擦因素大，活塞的结构明了，目前在生产中的使用范围大。（4）气缸的安装连接结构凭借安装位置和工作要求的差异可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。由于设计结构的需要，这里的伸缩气缸用脚架式安装连接在托板上。2.4.10导向装置与配重块（1）导向装置设计在这次我设计的手臂结构中，应采用导向装置，我主要的目的是为了防止活塞杆在伸出时，遭受到弯曲扭力的作用，而产生不稳定性，然而使得手指无法正确达到需要的位置。所了装了导向装置，是确保气缸在运动过程中，能具有一个准确性。导向杆的种类有很多，目前在许多应用采用的比较多的是单导向杆，双导向杆，四导向杆，在这次设计的伸缩的气缸中，为了增加手臂的稳定性和准确性，以上选用单导向杆。（2）配重块质量估算为使机械手的重量保持左右平衡，以较为减少施加在基座上的倾覆力矩，在横梁离气缸的最远端加上配重块，以保证机械臂的保持左右平衡，不会倾倒。则应该计算配重块质量： （2-16）2.5 大臂升降的结构设计2.5.1 气缸内径设计及校核（1）气缸内径设计我设计气缸内径为，半径，气缸运行时加速度时间，压强，所以驱动力： （2-17） （2）尺寸校核我按照小臂加手爪加上大臂伸缩总质量为,则重力为： （2-18）设计加速度，所依惯性力： （2-19）又要考虑活塞和其他连接件的摩擦力，若摩擦系数： （2-20） 总受力为： （2-21） 则：所以，设计的尺寸符合设计的要求。2.5.2 活塞行程设计按设计要求，手臂升降行程为，活塞行程应保留有一定的余量，防止活塞与缸壁稍微碰撞，因此行程翻阅机械设计手册第5卷圆整为。2.5.3 活塞杆的直径和长度校核活塞杆直径：圆整后，取。气缸拉力为： （2-22）气缸推力为： （2-23）本次设计我采用实心的活塞杆，代入式（2-8）：活塞杆的直径，计算活塞杆长度，安装方式我选用的是固定自由式，所以细长杆之比，代入式（2-9）中，计算得出：按照活塞杆的稳定性前提，气缸承受纵向推力到达极限力以后，活塞杆会产生弯曲的情况和出现活塞杆不稳定的样子。所以，一定需要让极限力大于推力负载。公式是：上式中：是气缸活塞杆长度，单位：；代表的是活塞杆横截面回转半径，单位：；是气缸的活塞杆横截面的面积，单位：；是材料强度值，翻阅机械设计手册第5卷查的，对于本次材料是钢的 ；-系数，翻阅机械设计手册第5卷，对于材料选取是钢的，。将有关的参数的值代入（2-10）中，计算得到： 安全系数 ，则： 所以，活塞杆满足符合相关的稳定性条件。2.5.4 活塞杆的受力校核由于手爪和伸缩气缸以及一些零部件的所有重量都压在了活塞杆上，所以必需此处要对活塞杆进行校核，因为这里活塞杆我所用的金属材料为45钢，则，活塞杆的受力图见图2-1。图2-1 活塞杆受力由于手爪加伸缩气缸以及一些小部件的总重量为，则的值为： （2-24）横截面积为： （2-25）活塞杆应有受到转矩，会产生弯曲，所以抗弯截面系数为： （2-26）所受到的最大弯矩为： （2-27）则得出应力： （2-28）所以，活塞杆满足强度条件。2.5.4 缸筒壁厚计算气缸缸筒的壁厚计算公式是：本式中的代表缸筒壁厚，单位：； 是气缸的实验的压力，因此选取，单位：；代表气缸内径，单位：；-缸筒材料的许用应力, 单位：。本课题大臂升降气缸的缸筒材料我所选用为：铝合金，。将己知数据代入式（2-12），则壁厚为： 取，则缸筒的外径为：。2.5.5 耗气量的计算气缸每分钟的耗气量为： 式中，是气缸的内径，；是活塞杆的杆径，；是活塞的行程，；是气缸活塞每分钟轮回来回的次数代入式（2-13），得出： 2.5.6 气缸进排口的计算根据GB/T 1403893气缸气口螺纹选择恰当的气口螺纹。因此，选取气口螺纹。2.5.7 升降气缸质量估算 在这些中，活塞杆及导向套的材料采用45钢，缸体以及连接板件我所选用铝合金ZL106。翻阅机械设计手册第5卷，45号钢的密度为，ZL106的密度应为。经计算，总质量大约为：2.5.8 气缸结构设计（1）缸筒和缸盖的连接查图2-1，连接方式我选择拉杆式螺栓连接。该结构比较方便加工与装卸。（2）活塞与活塞杆的连接结构在活塞与活塞杆的连接方式中，用的非常多的是整体结构和组合结构。而在组合式结构中，又可分为多种连接，比如螺纹、锥销等。本次设计气缸的活塞与活塞杆的连接我所选用螺纹连接，比较方便装卸，应用比较多。（3）密封在气缸中，密封性是非常重要的，要想使气缸赢能够正常运动，这时的密封装置就能派上场了它具有非常重要的作用，同时它也能对气缸的使用性能产生很大的影响。查阅机械手册的表2-3活塞的结构与密封型式，采用O型密封圈工作比较稳定，静摩擦因素比较大，活塞的结构明了，目前在生产中的使用范围比较大。2.6 手臂回转的结构设计2.6.1 尺寸设计拟定选择气马达的型号为QGB1-75，其气缸的长度为,气缸内径为,半径R=37.50mm,轴径，半径,气缸运行的角速度，加速度的时间，压强。则转动力矩为： （2-29） 2.6.2 缸筒壁厚计算气缸缸筒的壁厚计算公式是：本式中的代表缸筒壁厚，单位：； 气缸的实验的压力，所以选取，单位：；是气缸的内径，单位：；-缸筒材料的许用应力, 单位：。本课题手臂的摆动气缸筒的材料用是：铝合金，。将己知数据代入式（2-12），则壁厚为： 取，则缸筒外径为：。2.6.3 尺寸校核我估计手臂转动时一起转动的部件的总体的质量是，并且分析零部件的总体的质量的分布情况，质量等分在一个直径的盘上，那么转动惯量： （2-30） （2-31）我选取摩擦系数, （2-32）总驱动力矩： （2-33）因此，本次的设计的尺寸满足了相关的设计要求。2.6.4 气缸进排口的计算根据GB/T 1403893气缸气口螺纹选择恰当的气口螺纹。因此，选取气口螺纹。2.6.5轴的校核此处的轴所受到扭矩的作用，所以要进行扭转强度的校核。因此只需满足： （2-34）就能达到的要求。代入, ,由于此设计采用的材料是45钢，所以得到： 所以轴的扭转强度满足设计的强度条件。2.6.6键的校核选择键的型号,键的工作长度，键的接触高度，传递的转矩大小。在机械设计手册第5卷中查得，键在静的联接时的挤压许用应力为。 代入一样参数的值，计算得到： （2-35）键联接时的强度满足。2.7 推料小臂的设计2.7.1 尺寸设计及校核升降运动的驱动力的公式： 上式中，因为推料小臂的伸缩运动是从静止开始的，因此，。总体的质量估算：推料小臂的伸缩主要由小臂的伸缩气缸、推料头部及相关的连接元件组成。气缸为标准气缸，主要设计气缸的一些尺寸，得知伸缩的部分夹住工件时其质量为，放下工件时其质量为18kg，接触面积：。将已知数值代入（2-15）中，计算得上料时： 下料时： =36N考虑安全因素，应在原有的计算基础上乘上安全系数，查机械设计手册第5卷，取。因此计算得到，上料： ，下料：。2.7.2 气缸的直径按照伸缩缸的设计需求选用单活塞双作用气缸。双作用气缸的力的计算公式： 本式中：代表气缸活塞杆的伸出时的受到推力，单位：；代表气缸的活塞杆缩进时受到的推力，单位：；是气缸活塞的直径，单位： ；代表气缸的工作压力，单位：，这里的工作压力是；在工作频率高时，它的载荷率一般选取范围是，这里选取。将有关参数的值代入式（2-5）和式（2-6）中计算，得：当推力做功时： =18.54N当拉力做功时： 圆整后，取。根据机械设计手册，选取型号ISO-15552标准气缸。 2.7.3 活塞行程设计按设计要求，小臂升降行程为，活塞行程应留有一定的余量，防止活塞与缸壁碰撞，因此行程翻阅机械设计手册第5卷圆整为。2.7.4 活塞杆的直径这里设计的气缸的活塞杆选取实心的活塞杆，计算得出的直径为：圆整后，取d=10mm。2.7.5 筒壁厚计算气缸的缸筒的壁厚的计算公式为： 本式中的代表缸筒壁厚，单位：； 气缸实验压力，因此选取，单位：；代表气缸内径，单位：； -缸筒材料许用应力, 单位：。本课题推料小臂臂伸缩气缸筒的材料我选用为：铝合金，。将所知数值代入式（2-12）中，则壁厚是： 取，则缸筒的外径为：。2.8 电机的计算与选型先假定设计的物料台的尺寸：直径，厚度，材料为45刚，它的密度。按照物料台的尺寸，另有工件的数目，先我初选电动机型号110BYG2602，两相混合，步距角为0.75，最大静转矩为。表2-3 电机型号参数型号相数步距角/()电压/V电流/A最大静转矩/()110BYG26022/40.75/1.5120310520带入已知参数的值，所以物料与物料台的总质量为： （2-36） 则所以转矩为： （2-37）所以，所以我选择的步进电机满足设计中的要求。3 机械手的气动部分设计本章我主要设计了机械手气动原理图，对各种开关阀门做了解释，对气动流量我开始具体控制进行了说明。图3-1为机械手的气压传动的系统的工作原理图。我选用排气压力大于的空气压缩机作为气源，这东西分别来控制气缸的伸出与缩进和手部的开合动作，这选用原理是将用气源通过快换接头使其进入储气罐，再经分水过滤器、调压阀、油雾器，然后进入各并联气路上的电磁阀。图3-1 机械手气压系统的工作原理图表3-1 气路元件表序号型号规格名称数量1QF-44手动截止阀12储气缸13QTY-20-S1分水滤气器14QTY-20-S1减压阀15QTY-20-S1油雾器16YJ-1压力继电器1712YVPS2150二位五通电磁阀61323QA-L6-WS单向节流阀112426D4MC-2020行程开关3（1）本课题气压系统我共需控制6个气缸，分别是手爪的夹紧气缸，Y轴大臂的升降气缸，X轴大臂的伸缩气缸，Y轴小臂的升降气缸，Y轴大臂的摆动气缸，推料小臂的伸缩气缸。（2）我是选用了排气口截留的方式，饼子炸电磁阀的排气口的地方，安装截留阻尼螺钉来进行各个通行机构的速度调节，我用这种方法能有效的进行调速，同时结果比较理想。（3）如果想要加快整体的启动速度，同时又可调节全程的运动速度，比如手臂伸缩气缸伸出与缩进的快慢，就在接近气缸的地方，装两个快速排气阀就可以达到目的。（4）各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，是为了简化气路，减少电磁阀的数量，这样也可以将一些元件不画在原理图中，比如电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。（5）这里设计的所需要的压缩空气流量我大是通过将每个工作气缸的尺寸，行程，速度这些参数的值来计算出来，再通过把它们代入公式中得出。 4 机械手的控制系统设计机器臂控制系统相当于人的大脑，指挥机器臂的动作。机器臂的工作状态，要到达的位置，当臂向上和向下移动，伸缩，旋转和摆动，手腕和下，左，右摆动，转动手指开闭动作，每个动作的时间，速度等是控制系统的指挥下，通过每一个动作沿每个轴运动部件根据预先调好程序来实现一般机械设备的控制系统，多着眼于自身运动的控制，而机械手的控制系统更注意本部与操作对象的关系。因此，对于机械手的控制系统来说，无论多么高级的系统，如果不能按要求把工件搬运到指定的位置，都是毫无意义的。4.1机械臂的控制PLC就相当于机器的大脑，我们编的程序就相当于人所撑握的知识与规则。机器就相当于人的躯体，用来执行PLC的各种动作。电，气，液等就相当于人的肌肉与神经，PLC发出指令，通过电，气，液等将能量传给机器，机器就执行。传感器将外界情况反馈给PLC,就相当于人的眼，鼻等，将外界事物反馈给大脑。也就是说拿一个人或者动物来打比方，PLC就是大脑，PLC跟机器的结合就相当于人的大脑跟躯体的结合，,只是人的大脑里面的程序比PLC要复杂得多，但是人的大脑的灵敏度及准确性不及PLC。PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：性 能 与 任 务 相 适 应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC如西门子公司的S7-200S7-300系列、OMRON的公CQM1/CQM1H系列等）对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300S7-400系列、OMRON的公司的C200H或CV/CVM1系列等）结构上合理、安装要方便、机型上应统一按照物理结构，PLC分为整体式和模块式整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式PLC。根据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式。对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购与管理；其功能及编程方法一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。同一机型PLC的另一个好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。这样，容易把控制各独立的多台PLC联成一个多级分布式统相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。是否满足响应时间的要求由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间并不是主要的问题。然而，对于某些个别的场合，则要求考虑PLC的响应时间。为了减少PLC的I/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，使用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。对联网通信功能的要求近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。其他特殊要求考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。本次设计控制原理如图5-3，通过继电器控制气缸，在通过气缸使机械臂运动。 启动、停止、单步动作按钮三菱PLC FX2N-48MR继电器控制手腕转动控制继电器手臂上下运动控制继电器电源模块手臂前后运动控制继电器手臂摆动运动控制继电器手指加紧/松开控制继电器继电器控制继电器控制继电器控制继电器控制大臂摆动电磁阀大臂上下电磁阀大臂前后电磁阀小臂旋转电磁阀手指加紧/松开电磁阀大臂摆动转气缸大臂上下气缸大臂前后气缸小臂旋转气缸手指加紧/松开气缸手臂转动限位动限位动限位动限位动限位手臂前后限位手臂上下限位手臂摆动限位存储器系统 图4-3 PLC控制方框图该FX2N-48MR-001是日本三菱公司的可编程控制器(PLC),继电器输出及输入24点,输出24点.FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8K步，可扩展到16K步，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强的数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。 数据寄存器是存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访问存储器的次数，或者存放从存储器读取的数据以及写入存储器的数据的寄存器。本次设计采用的数据寄存器是D0至D199类型，有32位元件的16位数据存储寄存器对。气动阀：借助压缩空气驱动的阀门。 气动阀采购时只明确规格、类别、工压就满足采购要求的作法，在当前市场经济环境里是不完善的因为气动阀制造厂家为了产品的竞争，各自均在气动阀统一设计的构思下，进行不同的创新，形成了各自的企业标准及产品个性。因此在气动阀采购时较详尽的提出技术要求，与厂家协调取得共识，作为气动阀采购合同的附件是十分必要的。本次设计采用的气动阀继电器共5个，通过控制这些继电器的吸合/断开来控制阀门的通断。 继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。光继电器为AC/DC并用的半导体继电器，指发光器件和受光器件一体化的器件。输入侧和输出侧电气性绝缘，但信号可以通过光信号传输。电源采用AC220V公频输入，经过电源变换器输出DC24V图4-4为PLC输出设备接线图。图4-5为PLC程序图。5 结论我所选的毕业设计题目是“四自由度气动机械手的设计”，经过六个多月的长时间的努力，我的毕业设计终于顺利圆满的完成了。这次是我综合了大学四年所学的机械部分，电气部以及控制的部分的整个设计过程。通过这个过程，我因此而了解并且掌握了机械部分设计需要用到的一些常用的零部件，同时这也锻炼了我在空间中，想象结构的思维能力，也大大的培养了在正确的设计思维和分析问题解决问题的能力，特别是在整体结构设计上的能力及如何用Auto-CAD把所设计的图表达清楚，在那些方面，都学到了很多知识。有更多的机会在我们将来的发展中因此被提供了。经过这次毕业设计的整个过程，我深深感受到地体会到一个机械工程设计人员必定具备的素质是严谨、细心、有想象力。此次设计的四自由度气动机械手，设计了它的机械部分以及控制部分，我并完成了以下工作：（1）根据任务书，对所要设计的四自由度气动机械手需要的工作要求有
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