通用型气动工业机器手结构及控制设计(三菱PLC)-机械手-有程序
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通用型气动工业机械手结构及控制设计 691 绪论1.1 机械手的概述机器人早期通常出现在科幻小说和动画片里面，“机器人”这词最早出现在1920年捷克作家Karel Capek写的剧本罗萨姆的万能机器人中，主要表现为一个能够像和奴隶一样进行生活劳作的机器。在我们现实生活中，机器人不只是简单意义上能够代替人进行劳动的工具，而是综合了人和机器两者特长的拟人化的电子装置。这种装置既有人对待生存环境的快速反应判断能力，又有机器能够长时间不停进行工作、精准度高、抗恶劣环境强的能力。一定意义上来说，机器人是机器在人类发展中进化得到的产物，是制造技术领域不可缺少的自动化生产装备，是工业和非产业界重要生产设备。机器人的定义随着时代的进步在发生着变化。机器人技术是综合了计算机、信息和传感技术、人工智能、控制论、机构学、仿生学等多种学科构成的高新科技技术，在很多领域这项研究相当活跃。所以，机器人的发展和应用是一个国家工业自动化水平的重要标志1。工业机器人是用在工业生产中的机器人。20世纪20年代出现了一种附属于自动机、自动线上，能够代替人进行传递和装卸工件的机械手。到了40年代出现能够由操作者直接对其控制的半自动化操作机，到了60年代出现了可以实现多种操作且自动控制的工业机器人。工业机器人迅速发展迅速，对人的能力的模仿也越来也强，甚至已经开始出现像人一样具有自己学习和推理能力的智能机器人。通常把机械手、操作机和工业机器人统称为“工业机器人”。我国国家标准GB/T12643-1997定义“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业” 称作工业机器人。定义“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行操作的机械装置”称作操作机7。1.2 机械手的分类和组成1.2.1 机械手的组成 工业机器人通常由三大部分六个子系统这几部分组成。三大部分是指机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是指驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境互交系统、人机互交系统和控制系统1。机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。各系统之间的关系如图1-1所示。控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1-1机械手的组成方框图1 执行机构主要有手部、手腕、手臂和立柱等部件，根据需要可能还增设行走机构。(1)手部工业机器人的手部可称作夹持器或末端执行器，是附加在机器人手腕上的专用装置-工具或手爪当需要完成规定作业任务时。手部是工业机器人直接握持工具（件）的部件，它具有人手的某些特征，且对人手的部分功能能够进行模仿。它主要实现的动作包括提、抓、弧焊焊具、自动装配用工具、喷漆用喷枪、喷水加工工具和加热喷灯等。利用不同的工具安装能够简化机械结构，减轻机械本身重量、使工作更可靠7。手指作为和物件直接接触的部件，手部对工件的松开和夹紧，都是通过手指的张合来实现的。手指结构取决于被抓取工件表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面、V形面和曲面；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式，按其握持工件的工作原理，可分为夹持式和吸附式。夹持式按工作部位不同，又可分为内撑式和外夹式。吸附式可分为气吸式和磁吸式7。传动机构是通过向手指传递运动和动力，实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型传动机构结构简单，制造容易，得到广泛应用。回转型分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动，分为摆动回转型和平动回转型。回转型手部，其手指就是一对杠杆，一般再同斜锲、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，用以改变传动比和运动方向等。平移型夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如冰箱）。但其结构较复杂，不如回转型手部应用广泛。平移型在传动机构方面，可分为直线往复移动机构和平面平行移动机构。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。对于薄片状零件、光滑薄板材料等，通常用气吸附吸盘吸料。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生，会有剩磁，所以磁吸附式吸盘的使用有一定的局限性1。（2）手腕腕部是连接手部和臂部，用于改变和调整手部在空中的位置。在臂部与腕部的配合下，完成物件的传递，同时在传送过程中根据需要改变物件方位。（3）手臂手臂是执行机构中重要的部件，作用是将被抓的工件运送到给定位置上。手臂的结构因机械结构类型和驱动系统类型的不同而有很大差别。液压驱动具有技术成熟，功率大，易于实现直接驱动等优点；但由于效率较低，易泄漏原因等，只用于少数负荷在1KN以上大型机器人中。气动驱动系统具有快速、结构简单、价格低、维修方便等优点，但运转平稳性差，难于实现伺服控制，多用于中、小负荷的顺序控制机器人中。电动驱动系统采用的是低惯量、大转矩交直流伺服电动机以及与其配套的伺服驱动器，所以具有无需能量转换、使用方便、控制灵活等突出的优点。他的缺点是需配置精密的传动机构而成本较高。但由于优点显著，因而在机器人中仍被广泛选用7。按手臂的运动形式分，手臂有直线运动的，包括手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动；也有回转运动的，如手臂的左右回转，上下摆动（即仰俯）；还有复合运动的，如两直线运动的组合，直线运动和回转运动的组合，两回转运动的组合。手臂在进行伸缩或升降运动时，通常导向装置安装，来保证手指能够运动在正确方向。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯矩和扭矩以及当手臂回转时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩。（4）立柱立柱是支承手臂的部件，也是手臂的一部分，和手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动联系密切。通常机械手的立柱为固定式的，但因工作场合不同，也可会作横向移动。（5）行走机构行走机构是行走机器人的重要执行部件，按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。（6）机座机器人机座可分固定式和行走式，一般工业机器人多为固定式。2 驱动系统驱动系统是为了使机器人能够运行，在每个运动自由度上安置的传动装置。驱动系统通常有液压传动、气动传动、电动传动或者综合应用的系统；可以是直接驱动或者通过同步带、轮系、链条、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。3 控制系统控制系统是将机器人的作业要求指令程序和传感器反馈信号用来完成规定作业运动和功能。根据控制原理，控制系统分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。4 位置检测装置控制机器人执行机构的运动位置，随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置值进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置1。1.2.2 机械手的分类目前世界各国没有统一的分类标准，从不同的角度出发，可以有各种工业机器人的分类方法。通常有以下几种分类方法：1.按“代”分类通常用工业机器人功能水平及技术的先进程度来划分“第一代”、“第二代”和“第三代”工业机器人。（1）第一代工业机器人包含可编程序机器人、固定程序（即上下料机）机器人，以及示教再现式工业机器人。其特点是对环境没有感觉和反馈，不能适应环境的变化，而只能重复再现预定的工作。目前应用最多的是第一代机器人。（2）第二代工业机器人具有视觉、触觉等传感器和摄像机、计算机组成的“手-眼”协调系统。它通过传感器和摄像机，“阅读”周围环境。将“读”的信息通过计算机进行计算和分析，根据所得出的结果，自动地控制操作机进行运动和操作。因此，它具有智能的特性，有触觉、力觉及视觉，能简单修改运动及操作规则以适应环境变化，保证操作质量。（3）第三代机器人即所谓“智能机器人”。具有视觉、感觉、触觉、力觉以及听觉，能用语言进行对话，具有判断和决策的能力，还能根据作业要求及环境现况自行编程。2.按机器人功能分类（1）顺序控制型机器人采用顺序控制器，按事先编织的指令完成预定的动作序列。常用来搬运、机床上下料等操作简单的作业。通常的廉价普及型机器人属于这类。（2）示教再现型机器人操作人员示范给机器人整个作业过程，机器人的记忆装置（如磁盘、磁带或随机存储器）按一定速度纪录下机器人沿轨迹运动时经过点的全部位置姿态信息和操作内容。机器人利用记录的信息控制机器人“再现”原轨迹和操作内容，实现“示教”中所确定的作业任务。此类型广泛应用于喷漆、点焊、搬运机器人。（3）数据机器人它以机器人语言为工具。采用离线编程的方式，完成机器人运动及操作的编程。使用者只需要给定机器人作业中经过的点的位置姿态，给点之间路径的要求和操作内容，机器人即能自行规划出全部控制程序（如平滑的路径和运动参数，点之间的插值等），这种机器人具有完善的计算机控制系统，便于编程的机器人语言和较强的计算功能（如实现坐标变换，运动规划，插值等）特点。（4）自适应型机器人是在计算机控制的基础上，它能根据感觉所获信息，适当调整其运动轨迹和操作，适应环境的变化，保证按质完成作业。例如弧焊机器人，由于采用视觉反馈，实现了具有自动跟踪焊缝的功能；当实际焊缝和预计的有差别时，仍能沿焊缝完成焊接作业。适应型机器人主要应用在装配、焊接、检测等工作中。（5）智能机器人除了具有感知环境和简单的适应环境功能外，还具有较强的识别理解环境功能，决策规划功能以及功能完备的人-机接口，具有人的某种智能。它能根据任务指令要求自行规划完成任务的步骤，具体操作并付诸实现。这是目前机器人发展的重要方向。3.按机器人运动控制方式分类（1）点位控制机器人在预定点处准确控制机器端部的位置和姿态，完成预定操作要求。但在相邻两点之间，机器人的运动路径和姿态不做严格控制。如对汽车工业用点焊机器人只要求能准确地在汽车车身点焊作业。目前相当一部分工业机器人是点位控制型的。（2）连续路径控制机器人其端部在作业空间的运动过程都是出于精确控制之下，不仅可以使得手部位置沿着任意形状的空间曲线进行运动，而手部沿曲线轨迹上各点的姿态也可以通过腕关节的运动得到控制。例如弧焊和喷漆机器人。4.按坐标形式分类（1）圆柱坐标型（回转）机器人这种运动形式的工业机器人，臂部不仅能沿X、Z坐标直线移动，同时能绕Z坐标回转，运动范围是以Z轴为轴线的空心圆柱体具体的特点是，结构紧凑，运动直观性强，占地小而工作范围大，运动精度和定位精度较高。但受升降结构的限制，垂直方向范围有限。该类型应用较广。（2）直角坐标型（直移）机器人这种运动形式的工业机器人，臂部只能沿X、Y、Z三坐标直线移动，运动范围是立方体。具有的特点是，结构简单，运动直观性强，运动精度和定位精度高，安装和工作调整方便。但占据的空间位置大而工作范围却相对较小。适于自动线做装卸和传送工件使用。（3）极坐标型（球坐标）这种运动形式的工业机器人，臂部由一个直线运动和两个回转运动组成，其运动范围是一个空心球体。与圆柱坐标型相比，占有空间相同而工作范围更广，它可在垂直面上回转。但结构较复杂，运动直观性差。由于自由度多，运动精度和定位精度相对较低，刚度有所削弱。（4）关节型机器人关节型工业机器人，臂部由大、小臂组成，具有人手臂的某些特征。其特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，可越过障碍物的特点。但其结构复杂，驱动困难，运动直观性差，定位精度低7。1.3 机械手国内外研究现状人类在长期的劳动实践中早就有制造与人一样智慧的机器的愿望。同时人类也根据当时的科技水平制造了一些构思巧妙的“机器人”。其中较著名的，如沈括的梦溪笔谈记载的“自动木人捉鼠”；1770年左右发明的铁鸟机、1738年左右发明的自动长笛演奏机和北京故宫钟表馆陈列的英国18世纪制造的，会写“八方向化 九土来王”的木偶机器人。这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆组传递各种运动，这些机构比较简陋，也没有感觉和反馈能力，还不能算作机器人，但早期机器人的研究，为现代机器人的发展奠定了基础。随着生产的发展，科技的进步，机器人很快从“幻想”变成科学现实。1948年，为世人们能在安全环境下操作放射性物体，研制出远距操纵机械手。这类机械手在1970年前后作为无人土壤采集器的一部分被人送入太空-月球。1960年展出了第一只机电控制假臂，它利用肌肉作为控制手指开合的信号，使伤残者恢复已丧失的部分功能。1969年研制的“Planobot”机器人是采用开关实现顺序控制，用以完成上下料的机器人。1961年，美国“Unimation”公司第一次研制出“Unimate”机器人，首次利用磁鼓存储器，使其能灵活编制几百条顺序控制的指令，配合压铸机做上下料工作，并且采用伺服技术。1963年，美国AMF公司研制出“Versatran”型工业机器人。1974年制造出第一台计算机控制的工业机器人T3.1982年，并制成第一台示教再现机器人。在电子工业、汽车制造、机械制造和冶金矿山等工业领域中，运用机器人完成诸如点焊、弧焊、喷漆、搬运等作业。在宇航、海洋工程、核工程及军事部门也已广泛研制各种特种机器人并已得到一些应用。目前机器人技术最活跃的科技领域之一，在工业发达国家正形成“朝阳工业”，在新的技术革新高潮中占有重要地位。世界上发达国家都把机器人技术作为国家科学技术发展的国策及生产力发展的重要支柱。目前机器人技术研究的目标都集中在：1 提高机器人的精度、速度及可靠性；2 开发视觉、触觉、学习能力，提高机器人智能，适合柔性生产线的需要；3 开发在极限环境下作业的特种机器人和在太空、水下、核电站、救人救灾中工作的机器人；4 开拓新的应用领域，如采矿、农业、建筑、医用以及军事领域用机器人。今后，机器人技术不论在研究、生产及应用上都将有一个高速的发展，并将形成一个庞大的机器人产业7。机械手最早产生于美国，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教型。 我国机械手学研究起步晚，但进步快。近年来我国的机械手自动化技术取得了长足发展，但是与世界发达国家比较，仍有一定的差距。当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一个客户，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，使其实现通用性。现在工业机械手的发展趋势越来越多的趋向智能化，通用化发展，但我国的技术和应用规模与世界发达国家相比差距还是很大，这是我们更迫切的需要生产和设计本土化的通用型工业机械手以满足庞大工业市场的需求。从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫做空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。目前国内外主要应用的机器人有工业机器人，极限作业机器人和服务机器人。服务机器人的应用随着社会需求的不断扩大，随之出现了包括一些国家开发像高层建筑的清洗机器人，汽车加油机器人，导盲机器人，导游礼仪机器人，家务机器人，表演娱乐机器人2。1.4 课题的来源、主要目的1.4.1 课题的提出本课题来源于企业实际生产中的应用，随着我国老龄化的提前到来，在全国各地出现了缺工现象，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搬运带另外一条生产线，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。1.4.2 课题的主要任务随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。本课题设计的机械手，它采用气动驱动，PLC控制。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点。气动机械手的发展和应用，将会大大提高自动化生产的效率，而通用型的设计能够满足多种不同用途的需求，真正实现一机多用的生产需求。此次设计的机械手是通用气动上下料机械手，采用圆柱坐标型，自由度为4个，基本满足在上下料中对位置的要求。本课题是对机械手的部分进行设计，包括手部，手腕，手臂的机械结构，并通过计算进行校核。在驱动方面，采用气动的驱动方式，并绘出气动原理图；控制的方面，将采用PLC的控制方法，要选取合适的PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。2 机械手的总体设计机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位根据规定要求，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出各种指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置可以随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构以一定的要求达到设定位置7。本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中小批生产的、可以通过改变动作程序进行自动搬运，运动强度较大和操作频繁单一的生产场合。2.1 机械手的坐标类型选定和自由度的选取根据机械手手臂的坐标形式来分，坐标形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。其中圆柱坐标型机械手结构紧凑，运动直观性强，占地小而工作范围大，运动精度和定位精度较高，因此本设计采用圆柱坐标型7。本此设计机械手在上下料时手臂具有伸缩、升降和回转运动，因此机械手就具有了三个自由度，为了在取料过程中能够更方便的拾取，因而手腕部分增加一个自由度。图2-1机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图2.2 机械手的手部结构方案设计本次设计的是通用型气动上下料机械手，因此为了实现通用性，把机械手的手部结构设计成可更换的结构，当工件是棒料时，使用夹钳式手部；当工件是板材时，使用气压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，因此手腕设有回转运动，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计本次设计机械手在上下料时手臂具有伸缩、升降及回转运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。手臂的运动都采用气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计本次设计机械手采用气压传动方式，因为气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本也较低廉。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制，只需改变PLC程序就能改变机械手的动作流程，非常方便快捷。2.7 机械手的设计参数2.7.1 用途：用于车间搬运。在工业生产线中，机械手具有很广泛的用途。它是工作抓取和装配系统中的一个重要组成部分。它的基本作用是从指定位置抓取工件运送到另一个指定的位置进行装配。机械手臂代替了人工的繁杂劳动，并且操作精度高，提高了产品质量和生产效率。2.7.2 设计技术参数：1 抓重：6kg (夹钳式手部)3kg (气压式吸盘)2 自由度数：4个自由度3 坐标型式：圆柱坐标型4 最大工作半径：1450mm5 手臂最大中心高： 966mm6 手臂运动参数：伸缩行程 600mm运动速度 1m/s升降行程 120mm运动速度 1m/s回转范围 0 240回转速度 90/s7 手腕运动参数：回转范围 0 180回转速度 180/s8 手指夹持范围：棒料: 80150mm片料: 面积不大于0.5mm9 定位精度：1mm 10 气动方式：气压传动11 控制方式：点位程序控制(采用PLC)3.机械手的机械系统设计3.1 机械手的运动概述机械手的运动，可以从机械手的自由度，工作空间和机械结构类型等三方面来讨论。3.1.1 机械手的运动自由度机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需要的独立运动参数的数目，自由度时表示工业机器人动作灵活程度的参数。自由度越多，灵活性越好，但结构和控制越复杂7。3.1.2 机械手的工作空间工作空间是指机械手正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数，工作空间图如图3-1所示。图3-1 工作空间图3.1.3 机械手的机械结构类型机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度表示。自由度时表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但结构和控制越复杂7。3.2 机器人的运动过程分析工业机器人的运动过程中各动作如表3-2所示。 表3-2 工业机器人的运动过程中各个动作机械手开机，处于A位工步一旋转至B位工步二手臂下降工步三手腕旋转工步四手臂伸出工步五夹紧工件工步六手臂收缩工步七手臂上升工步八旋转至A位工步九手臂下降工步十手腕旋转工步十一手臂伸出工步十二放松工件工步十三手臂上升工步十四实现运动过程中的各个工步是由机械手的控制系统和各种检测元件来实现的，主要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性。其运动的控制系统采用微机控制，在此次设计中选择PLC作为控制系统，在各种元件检测的实现上，采用霍尔传感器来实现。4 机械手的手部结构设计工业机器人的手部可称作夹持器或末端执行器，是附加在机器人手腕上的专用装置-工具或手爪当需要完成规定作业任务时。手部是工业机器人直接握持工具（件）的部件，它具有人手的某些特征，且对人手的部分功能能够进行模仿。它主要实现的动作包括提、抓、弧焊焊具、自动装配用工具、喷漆用喷枪、喷水加工工具和加热喷灯等。利用不同的工具安装能够简化机械结构，减轻机械本身重量、使工作更可靠7。手指作为和物件直接接触的部件，手部对工件的松开和夹紧，都是通过手指的张合来实现的。4.1 手指的形状和分类手指结构取决于被抓取工件表面形状、被抓部位和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面、V形面和曲面；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式，按其握持工件的工作原理，可分为夹持式和吸附式。夹持式按工作部位不同，又可分为内撑式和外夹式。吸附式可分为气吸式和磁吸式7。传动机构是通过向手指传递运动和动力，实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型传动机构结构简单，制造容易，得到广泛应用。回转型分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动，分为摆动回转型和平动回转型。回转型手部，其手指就是一对杠杆，一般再同斜锲、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，用以改变传动比和运动方向等。平移型夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如冰箱）。但其结构较复杂，不如回转型手部应用广泛。平移型在传动机构方面，可分为直线往复移动机构和平面平行移动机构。4.2 设计时考虑的几个问题4.2.1 应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力大小要适宜，力量过大则动力消耗大，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件，力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定我历史，除考虑工件重量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件安全可靠。4.2.2 手指具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）或开闭距离（对平移型手指从张开到闭合的直线移动距离）S，以便于持取或退出工件。4.2.3 应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被加持的工件，在手指内都有准确的相对位置，这对一些有防伪要求的场合更为重要。4.2.4 要求结构紧凑，重量轻，效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂的负载。4.2.5 应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多为专用的，为了扩大它的适用范围，可以考虑他的通用化程度，以适应夹持不同的尺寸和形状的工件需要，通常采用改变手指的方法18。4.3 手部夹紧气缸的设计4.3.1 手部驱动力计算本此设计气动机械手的手部结构如图4-1所示。图4-1齿轮齿条式手部工件重量G=6kg，V形手指的角度，,摩擦系数1 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为： (4-1)2 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: (4-2)式中 K1-安全系数，取K1=1.5； K2-工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似估算为 (4-3) 式中 a-运载工件时重力方向的最大上升加速度； g-重力加速度，g9.8m/s2取a=g时，因此k2=1+1=2; K3-方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同选取 即 (4-4) G-被抓取工件所受重力，单位：N所以， 因为传动机构为齿轮齿条传动，故取；夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。4.3.2 气缸的直径1 气缸工作压力的确定由液压传动与气压传动表4-2取气缸工作压力负载F/N 50000工作压力p/MPa57表4-2 气压负载常用的工作压力2 气缸内径和活塞杆直径的确定本气缸属于单作用气缸。单作用气缸的特点是：（1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。（2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。（3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。（4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为： （4-5）式中: - 活塞杆上的推力，单位：N - 弹簧反作用力，单位：N- 气缸工作时的总阻力，单位：N- 气缸工作压力，单位：Pa弹簧反作用按下式计算： （4-6） （4-7）式中:- 弹簧刚度，单位：N/ml- 弹簧预压缩量，单位：m- 活塞行程，单位：m- 弹簧钢丝直径，单位：m- 弹簧平均直径，单位：m- 弹簧有效圈数- 弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，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。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。则： （4-8）由以上分析得单作用气缸的直径 （4-9）代入有关数据，可得所以: 查机械设计手册圆整，得由,可得活塞杆直径:圆整后，取活塞杆直径4.3.3 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算： （4-10）式中:- 缸筒壁厚，单位：mm- 气缸内径，单位：mm- 气缸实验压力，取，Pa-缸筒材料许用应力,Pa本课题手爪夹紧气缸缸筒材料用为:铝合金ZL106，=3MPa代入己知数据，则壁厚为： 取，则缸筒外径为:4.3.4 手部活塞杆行程长L计算活塞杆的位移量 （4-11）气缸（活塞）行程与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，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程应留有一定的余量，按计算行程多加的行程余量。 （4-12）故查机械设计手册圆整为。4.3.5 校核1 活塞杆稳定性的验算当活塞杆的长度较小时，可以只按强度条件校核计算活塞杆直径有: （4-13）其中，则:所以满足设计要求。2 气缸推力验算= =由以上计算可知气缸能产生的推力大于夹紧工件所需的推力。所以该气缸满足要求。4.3.6 耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为： (4-14)式中，-气缸缸径，-活塞杆直径，-活塞行程，-气缸活塞每分钟往复的次数此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 (4-15)4.3.7 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关。特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： (4-16)式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。因此，4.3.8 手爪部分总质量估重 (4-17)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查机械设计手册， 45号钢密度为7.85 ZL106的密度为 2.73手爪部分总质量约为 4.3.9 缸筒与缸盖的连接形式设计缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、缸筒螺纹、卡环等，参见表4-3。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于1MPa时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量。查阅机械设计手册，选择螺钉式连接，采用4个螺钉。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于，故无须校核螺钉强度。表4-3缸筒和缸盖的连接4.3.10 密封形式的选择密封的好坏，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，对保证气缸正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：1 密封性好，耐磨磨损，使用寿命长。2 稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。摩擦力小。3 密封件表面平、光滑，无气泡、杂志、凹凸等缺陷。被密封表面粗糙度对密封远见的使用寿命有重要影响，表面粗糙度应在左右。4 结构简单，成本低。密封元件的材料：耐油橡胶、聚氨酯、夹织物橡胶、聚氯乙烯、灰铸铁或耐磨铸铁活塞环和铬鞣牛皮等。密封元件的形状：O型密封圈、Y型、小Y型、L型、J型、U型和V型密封圈以及金属活塞环等。O型密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高19。因此本次设计使用O型密封圈。4.3.10 气缸的安装连接结构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。4.4 气吸附式吸盘的设计气吸附式吸盘是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。那形成压力差的方法，可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式等几种。气吸式与夹钳式手部相比，具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀等优点，对于薄片状的搬运更有其优越性（如板材、纸张、玻璃等物体），广泛应用于非金属材料或者不可有剩磁的材料的吸附。但要求所吸附物体表面较平整光滑、无孔无凹槽。在本机械手中，采用气流负压吸盘。1. 橡胶吸盘 2.心套 3.透气螺钉 4.支承杆 5.喷嘴6.喷嘴套图4-2 可调喷射式负压吸盘结构气流负压吸附吸盘如图4-2所示。气流负压吸附吸盘是利用流体力学的原理，当需要取物时，压缩空气高速流经喷嘴5时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，完成取物动作；当需要释放时，切断压缩空气即可。这种吸盘需要压缩空气，工厂里较易得到，所以成本较低。 5 机械手的手腕结构设计5.1 手腕的自由度腕部是连接手部和臂部，用于改变和调整手部在空中的方位。通过臂部与腕部的配合，即可完成物件的传送，又可在传送过程中根据需要改变物件的方位7。手腕部件具有独立的自由度。由于本机械手考虑到通用性，因此给手腕设一绕轴转动回转运动来满足工作的要求。目前应用最广泛的手腕回转运动是回转气缸，因此选用回转气缸。它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于270），并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出转矩18。5.2 手腕的驱动力矩的计算5.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩手腕的转动为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服启动惯性所需的力矩，克服由于工件重心偏执所需的力矩，手腕回转支承处的摩擦力矩。图5-1 手腕结构图手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: （5-1）式中 - 手腕转动时所需的驱动力矩，单位： -克服启动惯性所需的力矩，单位： - 克服由于工件重心偏执所需的力矩，单位： -手腕回转支承处的摩擦力矩，单位：以下为手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1 克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动，根据手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: （5-2）式中 -手腕转动部分对手腕回转轴线的转动惯量，单位：-工件对手腕转动轴线的转动惯量，单位： 如果工件的重心与转动轴线不重合，其转动惯量为: （5-3）式中 -工件对过重心轴线的转动惯量，单位：-工件的重量，单位：-工件的中心到转动轴线的偏心距，单位：cm -手腕转动时的角速度，单位：/s- 启动过程所需的时间，单位：s-启动过程所转过的角度，单位：2 克服由于工件重心偏执所需的力矩 + () （5-4）式中 -手腕转动件的重量，单位：N-手腕转动件的中心到转动轴线的偏心距，单位：当工件的中心与手腕转动轴线重合时，则。3 手腕回转支承处的摩擦力矩 () （5-5）式中 ，- 转动轴的轴颈直径(cm)-摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承，-轴承处支反力（N），可由静力平衡方程求的，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据,得：同理，根据(F),得：式中 -重量，单位：N-图所示长度尺寸，单位：5.2.2 回转气缸的驱动力矩计算1 尺寸设计设计气缸长度为,气缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强。则力矩： （5-6） 2 回转气缸的驱动力矩计算（1）测定参与手腕转动部件的质量,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： （5-7） 工件的质量为6,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量： 若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，其转动惯量为: （5-8） （2）克服由于工件重心偏执所需的力矩，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）手腕回转支承处的摩擦力矩，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计, , （5-9）5.3 手腕驱动力矩的校核 由式5-9得到 因此设计尺寸符合使用要求，安全。5.4 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算： （5-10）式中：- 缸筒壁厚，单位：mm- 气缸内径，单位：mm- 气缸实验压力，取，Pa-缸筒材料许用应力,Pa本课题手爪夹紧气缸缸筒材料用为:铝合金ZL106，=3MPa代入己知数据，则壁厚为： 取，则缸筒外径为:5.5 耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为： Q=0.046D2V（p+0.1） (5-11)式中，-气缸缸径，v-气缸的最大速度，/sp-使用压力，此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 (5-12)5.6 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关。特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： (5-13)式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。因此，5.7 手腕总重量估算 (5-14)其中：轴采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106查机械设计手册， 45号钢密度为7.85 ZL106的密度为 2.73手爪加手腕部分总质量约为 5.7 缸筒与缸盖的连接形式设计缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、缸筒螺纹、卡环等，参见表4-3。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于1MPa时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量。查阅机械设计手册，选螺钉式连接，采用6个螺钉。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于，故无须校核螺钉强度。5.8 密封形式的选择密封的好坏，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，对保证气缸正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：（1）密封性好，耐磨磨损，使用寿命长。（2）稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。摩擦力小。（3）密封件表面平、光滑，无气泡、杂志、凹凸等缺陷。被密封表面粗糙度对密封远见的使用寿命有重要影响，表面粗糙度应在左右。（4）结构简单，成本低。密封元件的材料：耐油橡胶、聚氨酯、夹织物橡胶、聚氯乙烯、灰铸铁或耐磨铸铁活塞环和铬鞣牛皮等。密封元件的形状：O型密封圈、Y型、小Y型、L型、J型、U型和V型密封圈以及金属活塞环等。O型密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高19。因此本次设计使用O型密封圈。5.9 轴和轴承的校核5.9.1 轴的校核 此处的轴受到扭矩的作用，因此要进行扭转强度的校核。 因此只需满足 (5-15) 就能达到要求。 代入, ,由于此设计采用的是45钢，因此得到 所以轴的扭转强度满足条件。5.9.2 轴承的校核根据设计需求，拟定选用深沟球轴承，根据轴径d=26cm，选用61905。查得基本参数为，。1 径向载荷图5-2 轴承受力图根据轴的分析，得到，。2 轴向载荷 若，则，所以，X=1，Y=0根据机械设计查得在中等冲击下的，取。 轴承的当量动载荷： 轴承的寿命验算： 若转速为1200r/min,查机械设计，对于球轴承。代入相关公式，得到：按此计算得到的工作寿命约为1145天，基本能够满足工作需求。6 机械手的手臂结构设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的升缩、左右回转和升降（或俯仰）。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活度以及抓中大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空轨道运动18。6.1 手臂伸缩的结构设计6.1.1 尺寸设计及校核伸缩运动的驱动力公式:F=F + （6-1）式中，由于手臂的运动是从静止开始的，所以v=v。摩擦系数:本次设计的气缸材料为ZL106，活塞材料为45钢，查机械设计手册可知f=0.17。总体的质量计算:手臂的伸缩主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手抓及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg，放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=0. 5m2。则上料时： = = 下料时： = = 考虑安全因素，应在原有基础上乘上安全系数K，查机械设计手册，取K=1.2。因此得到，上料时: 下料时: 1 气缸的直径根据伸缩缸的需求，在本设计中选用单活塞双作用气缸。双作用气缸利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定，双向作用的力和速度不同。根据双作用气缸的计算公式: （6-2） （6-3）其中: F-活塞杆伸出时的推力，单位：NF-活塞杆缩进时的推力，单位：Nd-活塞的直径，单位：mm P-气缸工作压力，单位：Pa ，此处取工作压力为0.5MPa-工作频率高时，其载荷率一般取代入有关数据计算，得:当推力做功时: = =95.3(mm)当拉力做功时: =(1.011.09) =92.12(mm)圆整后，取D=100mm。 2 活塞行程设计 按设计要求，手臂伸缩行程为600mm，为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程应留有一定的余量，因此行程查机械设计手册圆整为S=630mm。3 活塞杆的直径和长度校核 本次设计采用实心活塞杆，K=0.0175活塞杆的直径d=70mm活塞杆计算长度 L=315mm=0.315m安装方式为 固定固定式，则 细长杆比根据活塞杆稳定性条件，气缸承受纵向推力达到极限力F以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F与工作总阻力F之和)小于极限力F。公式为: （6-4）式中 L-活塞杆计算长度，单位：mK-活塞杆横截面回转半径，单位：mA-活塞杆横截面面积，单位：mf-材料强度实验值，查阅机械设计手册，对于钢材料 a-系数，查阅机械设计手册，对于钢材料代入有关的数据，得到： 安全系数 则=1428N 所以，满足活塞杆稳定性条件。4 筒壁厚计算缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算： 式中:- 缸筒壁厚，单位：mm- 气缸内径，单位：mm- 气缸实验压力，取，Pa，气缸工作压力-缸筒材料许用应力,Pa本课题手臂伸缩气缸筒材料用为:铝合金ZL106，=3MPa代入己知数据，则壁厚为： 取，则缸筒外径为:5 耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为： (6-5)式中，-气缸缸径，-活塞杆直径，-活塞行程，-气缸活塞每分钟往复的次数此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 (6-6)6 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关。特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： (6-7)式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。因此，7 伸缩气缸质量估算 (6-8)其中，活塞杆及导向套材料采用45钢，缸体以及连接板件采用铝合金ZL106。查机械设计手册， 45钢密度为7.85 ZL106的密度为 2.73经计算，总质量约为 8 缸筒与缸盖的连接形式设计缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、缸筒螺纹、卡环等，参见表4-3。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于1MPa时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量。查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用4根螺栓。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于，故无须校核螺栓强度。9 密封形式的选择密封的好坏，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，对保证气缸正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：（1）密封性好，耐磨磨损，使用寿命长。（2）稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。摩擦力小。（3）密封件表面平、光滑，无气泡、杂志、凹凸等缺陷。被密封表面粗糙度对密封远见的使用寿命有重要影响，表面粗糙度应在左右。（4）结构简单，成本低。密封元件的材料：耐油橡胶、聚氨酯、夹织物橡胶、聚氯乙烯、灰铸铁或耐磨铸铁活塞环和铬鞣牛皮等。密封元件的形状：O型密封圈、Y型、小Y型、L型、J型、U型和V型密封圈以及金属活塞环等。O型密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高。因此本次设计使用O型密封圈。其特点是密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前的使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高19。10 气缸的安装连接结构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，该气缸用支座式安装连接。6.1.2 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为保证手指方向正确，并使活塞杆不受较大的弯矩作用，增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式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，双导向杆等，在本设计中用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。6.1.3 平衡装置在本次设计中，为使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡，因此在手臂伸缩气缸右侧加上平衡装置，该装置内可加入砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数加以调节，使两端尽量接近平衡。在此计算危险处最大配重，配重质量：6.2 手臂升降的结构设计6.2.1 气缸内径设计及校核1 气缸内径设计设计气缸内径为=125mm,半径R=62.5mm,气缸运行时加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力： （6-9）2 尺寸校核根据手腕加手爪总质量为14.992kg,则重力 （6-10）设计加速度，则惯性力 （6-11）考虑活塞和其他连接件的摩擦力，若摩擦系数 （6-12） 总受力为 所以，设计尺寸符合要求。6.2.2 活塞行程设计按设计要求，手臂伸缩行程为120mm，为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程应留有一定的余量，因此行程查机械设计手册圆整为S=125mm。6.2.3 活塞杆的直径和长度校核气缸拉力为：=2986.28N气缸推力为：=N本次设计采用实心活塞杆，K=0.01125活塞杆的直径d=45mm活塞杆计算长度 L=208mm=0.208m安装方式为 固定固定式，则细长杆比根据活塞杆稳定性条件，气缸承受纵向推力达到极限力F以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F与工作总阻力F之和)小于极限力F。公式为: 式中 L-活塞杆计算长度，单位：mK-活塞杆横截面回转半径，单位：mA-活塞杆横截面面积，单位：mf-材料强度实验值，查阅机械设计手册，对于钢材料 a-系数，查阅机械设计手册，对于钢材料代入有关的数据，得到： 安全系数 则=3925N 所以，满足活塞杆稳定性条件。6.2.4 缸筒壁厚计算缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算： 式中:- 缸筒壁厚，单位：mm- 气缸内径，单位：mm- 气缸实验压力，取，Pa，气缸工作压力-缸筒材料许用应力,Pa本课题手臂伸缩气缸筒材料用为:铝合金ZL106，=3MPa代入己知数据，则壁厚为： 取，则缸筒外径为:6.2.5 耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为： 式中，-气缸缸径，-活塞杆直径，-活塞行程，-气缸活塞每分钟往复的次数此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 6.2.6 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关。特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： 式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。因此，6.2.7 升降气缸质量估算 其中，活塞杆及导向套材料采用45钢，缸体以及连接板件采用铝合金ZL106。查机械设计手册， 45号钢密度为7.85 ZL106的密度为 2.73经计算，总质量约为 6.2.8 缸筒与缸盖的连接形式设计缸筒与缸盖的连接形式主要有拉杆式螺栓连接、螺钉式、缸筒螺纹、卡环等，参见表4-3。对于双头螺栓和螺栓连接，一般是四根螺栓，但是对于工作压力高于1MPa时，一定要校核螺栓强度，必要时增加螺栓数量。查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接，采用4根螺栓。该结构简单，易于加工，易于装卸。由于工作压力小于，故无须校核螺栓强度。6.2.9 密封形式的选择密封的好坏，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，对保证气缸正常工作非常重要。对密封元件的要求如下：（1）密封性好，耐磨磨损，使用寿命长。（2）稳定性好，不易膨胀和收缩，难于溶解，不易老化及软化。摩擦力小。（3）密封件表面平、光滑，无气泡、杂志、凹凸等缺陷。被密封表面粗糙度对密封远见的使用寿命有重要影响，表面粗糙度应在左右。（4）结构简单，成本低。密封元件的材料：耐油橡胶、聚氨酯、夹织物橡胶、聚氯乙烯、灰铸铁或耐磨铸铁活塞环和铬鞣牛皮等。密封元件的形状：O型密封圈、Y型、小Y型、L型、J型、U型和V型密封圈以及金属活塞环等。O型密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高19。因此本次设计使用O型密封圈。其特点是密封圈工作可靠，静摩擦因数大，活塞的结构比较简单，目前的使用的范围较广，但其使用寿命比其他几种稍低些。对于动密封，小Y型密封圈应用较广，它的摩擦应属较其他几种小，磨损后又自补偿功能，使用寿命比其他高。6.2.10 气缸的安装连接结构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。6.2.11 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了保证手指方向正确，并使活塞杆不受较大的弯矩作用，增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式根据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，双导向杆等，在本设计中用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。6.3 手臂回转的结构设计6.3.1 尺寸设计拟定选择气马达的型号为QGB1-144，其气缸长度为,气缸内径为,半径R=72mm,轴径半径,气缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强。则转动力矩： （6-12） 6.3.2 尺寸校核估算手臂转动的部件的质量,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：考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,总驱动力矩：因此，设计尺寸满足使用要求。6.3.3 耗气量的计算气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量为： Q=0.046D2V（p+0.1） (6-13)式中，-气缸缸径，v-气缸的最大速度，/sp-使用压力，此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。 (6-14)6.3.4 气缸进排口的计算气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关。特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径用下式计算： (6-15)式中，-工作压力下气缸的耗气量，-空气流经进排气口的速度，一般取把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 1403893气缸气口螺纹选择合适的气口螺纹。因此，6.3.5 回转气缸总重量估算 (6-16)其中：轴采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106查机械设计手册，45号钢密度为7.85 ZL106的密度为 2.73回转气缸部分总质量约为 6.3.6 轴的校核此处的轴受到扭矩的作用，因此要进行扭转强度的校核。因此只需满足 (6-17) 就能达到要求。 代入, ,由于此设计采用的是45钢，因此得到 所以轴的扭转强度满足条件。6.4 升降气缸与回转气缸连接部分的结构设计该设计利用升降部分法兰盘与连接套两者连接，并用键和螺栓将升降与回转两部分连接的方式。6.4.1 转动部分采用的轴承交叉滚子轴承是将外圈和内圈的壁厚做的很薄的小型轻量的交叉滚子轴承，既小型又能承受较重负荷，因此设备上轴承的安装部位都可以轻量化，最适合于机器人的手部等旋转关节部位。故选择洛阳普瑞森精密轴承有限公司生产的CRB型薄壁交叉滚子轴承型号为CRB4010。6.4.2 键的校核根据产品的设计，选择键型号,键的工作长度，键的接触高度，传递的转矩。按机械设计查得，键静联接时的挤压许用应力。代入数据，得到，键联接强度满足。7 气动传动系统设计7.1 气压传动系统的工作原理图机械手共有5个气缸，分别驱动手抓开合、手腕的回转、手臂伸缩运动、手臂升降运动以及手臂的运动。它的气源是空气压缩机通过快换接头进入储气缸，通过分水滤气器，减压阀，油雾器（气动三联件）进入各并联气路上的电磁阀，从而起到对机械手的控制。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。通过在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节各通行机构的速度，这种方法的特点是结构简单效果好。手臂伸缩气缸和手臂升降气缸在回路上安装两个快速排气阀，可加快启动速度。并且手臂升降气缸采用气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度的调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。并由行程开关控制对行程进行控制。图7-1 气动原理图表7-1 气动元件表序号型号名称数量1QF-44手动截止阀12储气缸13QTY-26-S1分水滤气器14QTY-26-S1减压阀15QTY-26-S1油雾器16-9YVPS2150二位五通电磁阀410二位三通电磁阀111-17QA-L6-WS单向节流阀718-21行程开关4气源通过手动截止阀使气体进入储气缸，将储气缸与气动三联件相连，其中调压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。手臂和手腕的回转气缸通过两位五通电磁换向阀来进行进气和出气，同时在一端安放单向节流阀起到调速的作用。在升降气缸和伸缩气缸部分，均通过传感器来检测到位情况，同时在进气和出气两端均安放单向节流阀起到调速的作用。加紧气缸部分，由于采用弹簧式气缸，只需一端进出气，其复位是利用弹簧的收缩，因此选择两位三通电磁阀，同时安放单向节流阀起到调速的作用。通过前几章计算得到的耗气量的值，由于此次设计的机械手是单一动作，因此每次动作只有一个气缸运动，所以气源的选择只需满足最大耗气量的要求。因此，只需气源流量大于0.492m3/min即可。8 机械手的PLC控制设计8.1 可编程序控制器的选择目前，世界上有200多个厂家生产PLC，其中较有名的有：美国的AB通用电气、莫迪康公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国的西门子公司；法国的TE施耐德公司；韩国的三星、LG公司等。考虑到本次设计机械手的输入输出点并不是很多，且工作流程较为简单，从制造成本出发，因此在本次设计中选择采用三菱公司的FX2N系列可编程序控制器。8.2 可编程序控制器的工作原理PLC有两种基本的工作方式，运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在运行模式，PLC通过反复执行用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP模式。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可以分为5个阶段，见表8-1。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫面工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。表8-1 扫描过程在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时复位，以及完成一些其他内部工作。在通信服务阶段，PLC与其他的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。PLC处于STOP模式时，只执行以上的操作。PLC处于RUN模式时，还要完成另外三个阶段的操作。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，他们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC梯形图中的其他编程元件也有对应的映像寄存区，它们统称元件映像寄存器。在输入处理阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入阶段被读入。在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的0、1状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈“断电”时，对应的输出映像寄存器为0状态，在输出处理阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开20。8.3 机械手可编程序控制器控制方案8.3.1 控制系统的工作原理及控制要求1 控制对象为圆柱坐标气动机械手它具有四个自由度，即水平方向的前、后；竖直方向的上、下；绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转；绕手腕的轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置还可完成抓放功能。以上各个动作均采用气动方式驱动。气动方式用一个二位三通电磁阀，三个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成前、后、上、下、旋转及机械手抓放动作。这样，可用PLC的10个输出端与电磁阀或接触器的10个线圈相连。通过系统编程，使电磁阀或接触器各线圈按一定顺序激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作。如果想改变机械手的动作，不需要改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加进行修改即可。另外，除抓放外，其余六个动作末端均放置一个限位开关，以检测动作是否运动到位，如果某动作没有到位，则表示出错，指示灯亮。2 控制要求为了满足生产需要，机械手应设置手动工作方式、单步工作方式和自动工作方式。（1）手动工作方式便于对设备进行调整和检修，设置手动工作方式。用按钮对机械手每一动作单独进行控制。（2）单步工作方式从原点开始，按照自动工作循环步序，每按下一次起动按钮，机械手完成一步工作后，自动停止。3 自动工作方式按下起动按钮，机械手从原点开始，按工序自动反复连续工作，直到按下停止按钮，机械手在完成最后一个周期的动作后，返回原点自动停机。8.3.2 气动机械手的工作流程气动机械手的工作流程如图8-1所示：当按下机械手启动按钮之后，首先立柱右转接触器通电，机械手右转，至右限位开关动作。1 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。2 手腕右转电磁阀通电，手腕右转，至手腕右转限位开关动作。3 手臂（向前）电磁阀通电，手臂开始向前运动，至前限位开关动作。4 手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧。5 手臂收缩（向后）电磁阀通电，手臂开始向后运动，至向后限位开关动作。6 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。7 立柱左转电磁阀通电，立柱左转，至左转限位开关动作。8 手腕左转电磁阀通电，手腕左转，至手腕左转限位开关动作。9 手臂（向前）电磁阀通电，手臂开始向前运动，至前限位开关动作。10 手爪松开电磁阀通电，手爪松开。11 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。12 立柱右转电磁阀通电，立柱右转，至右转限位开关。完成一次循环，然后重复以上循环动作。13 按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作。图8-1 机械手自动控制工作流程图8.3.3 I/O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FX2N-48MR，它有24个输入点，标号为0000-0023；24个输出点，标号为0500-0511。如表8-2所示。原理接线图如图8-3所示。表8-2 机械手系统输入和输出点分配表名称代号输入名称代号输入启动SB1X0加紧SB5X14手腕右转限位开关SQ1X1放松SB6X15手腕左转限位开关SQ2X2单步上升SB7X16前限行程开关SQ3X3单步下降SB8X17后限行程开关SQ4X4单步左转SB9X20上限行程开关SQ5X5单步右转SB10X21下限行程开关SQ6X6单步向前SB11X22右转限位开关SQ7X7单步向后SB12X23左转限位开关SQ8X10单步手腕右转SB13X24 续表8-2名称代号输入名称代号输入停止SB2X11单步手腕左转SB14X25手动操作SB3X12回原点SB15X26连续操作SB4X13回原点检测SQ9X27名称代号输出名称代号输出手腕电磁阀右转KM1Y0电磁阀下降YV5Y6手腕电磁阀左转KM2Y1电磁阀上升YV6Y7电磁阀放松YV1Y2电磁阀右转KM3Y10电磁阀加紧YV2Y3电磁阀左转KM4Y11电磁阀向前YV3Y4原点指示ELY12电磁阀向后YV4Y5图8-3 原理接线图8.3.4 梯形图设计根据机械手的逻辑时序图及I/O分配，可以画出控制梯形图。控制梯形图包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连续操作程序。其原理是：回原点时，X20接通，系统自动回原点，Y12驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X12接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X13常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果执行自动连续操作的话，则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。（1）回原位程序回原位程序如图8-4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。图8-4 回原位程序（2）手动单步操作程序如图8-5所示。图中上升/下降，向前/向后，立柱左转/右转，手腕左转/右转都有联锁和限位保护。图8-5 手动单步操作程序（3）自动操作程序自动操作状态转移见图8-6所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱动立柱右转Y10，到达右转限位开关，使行程开关X7接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动下降Y6，到达下限位开关，使下限位开关X6接通，状态转移到S22。S22驱动手腕右转Y0，到达手腕右转限位开关，使手腕右转限位开关X1接通，状态转移到S23。S23驱动向前Y4，到达向前限位开关，使向前限位开关X3接通，状态转移到S24S24驱动加紧Y0，延时1秒，电磁力达到最大夹紧力。当延时时间到，T0接通，状态转移到S25。S25驱动向后Y5，到达后限位开关，使后限位开关X4接通，状态转移到S26。S26驱动上升Y7，到达上限位开关，使上限位开光X5接通，状态转移到S27。S27驱动立柱左转Y11，到达左转限位开关，使左转限位开关X10接通，状态转移到S28。S28驱动下降Y6，到达下限位开关，使下限位开关X6接通，状态转移到S29。S29驱动手腕左转Y1，到达手腕左转限位开关，使手腕左转限位开关X2接通，状态转移到S30。S30驱动向前Y4，到达向前限位开关，使向前限位开关X3接通，状态转移到S31。S31驱动放松Y2，延时1秒。当延时时间到，T1接通，状态转移到S32。S32驱动上升Y7，到达上限位开关，使上限位开关X5接通，返回初始状态，再开始第二次的循环动作。步进顺序控制的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。图8-6 自动操作状态转移图（4）机械手传送系统梯形图如图8-7所示。在图中，从第0行到第32行，是回原位状态程序；从第38行到第104行，是手动单步操作程序；从第108行到第184行，是自动操作程序。回原位程序和自动操作程序是用步进顺序控制的方式编程。在各步进顺序控制末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有些不同。回原位程序不能自动返回初始态S1，而自动操作程序能自动返回初态S2。图8-7 机械手传送系统梯形图（5）指令语句表0 LD M80021 RST S13 STL S14 LD X0205 SET S107 STL S108 SET Y0029 RST Y00610 OUT Y00711 LD X00512 SET S1114 STL S1115 RST Y00416 OUT Y00517 LD X00418 SET S1220 STL S1221 RST Y01122 OUT Y01023 LD X00724 SET S1326 STL S1327 RST Y00128 OUT Y00029 LD X00130 SET S1432 STL S1433 SET M804335 RST S1437 RET38 LD X00539 AND X00440 AND X01041 AND X00242 ANI X01443 SET Y01244 LDI X01245 CJ P048 LD X00049 ANI X01150 OUT M051 LD X00052 MPS53 AND X01454 SET Y00355 MED56 AND X01557 OUT Y00258 MRD 59 AND X01660 ANI X00561 ANI X00662 OUT63 MRD64 AND X01765 ANI X00666 ANI Y00767 OUT Y
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