2881 基于PLC的自動化車間物料搬運裝置的控制設計

2881 基于PLC的自動化車間物料搬運裝置的控制設計,基于,plc,自動化,車間,物料,搬運,裝置,控制,節(jié)制,設計 山東理工大學畢業(yè)設計（論文）題 目： 搬運機械手及其 控制系統(tǒng)設計 學 院 ： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) ： 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 學 生 姓 名 ： 趙文華 指 導 教 師 ： 董 愛 梅 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 時 間 ： 二 О О 九 年 3 月 23 日 ～ 6 月 14 日 共 12 周中 文 摘 要- I -摘 要近 20 年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求。本 課 題 設 計 源 于 生 產 線 中 的 搬 運 站 ， 傳 動 方 式 采 用 氣 壓 傳 動 ， 即 用 各 種氣 缸 來 控 制 機 械 手 的 動 作 ， 控 制 部 分 結 合 可 編 程 控 制 技 術 編 寫 程 序 進 行 控制 來 實 現(xiàn) 兩 站 之 間 的 搬 運 。機 械 手 主 要 由 手 部 、 運 動 機 構 和 控 制 系 統(tǒng) 三 大 部 分 組 成 。 手 部 是 用 來 抓持 工 件 （ 或 工 具 ） 的 部 件 ， 根 據(jù) 被 抓 持 物 件 的 形 狀 、 尺 寸 、 重 量 、 材 料 和 作業(yè) 要 求 而 有 多 種 結 構 形 式 ， 如 夾 持 型 、 托 持 型 和 吸 附 型 等 。 運 動 機 構 ， 使 手部 完 成 各 種 轉 動 （ 擺 動 ） 、 移 動 或 復 合 運 動 來 實 現(xiàn) 規(guī) 定 的 動 作 ， 改 變 被 抓 持物 件 的 位 置 和 姿 勢 。 運 動 機 構 的 升 降 、 伸 縮 、 旋 轉 等 獨 立 運 動 方 式 ， 稱 為 機械 手 的 自 由 度 。 本 課 題 中 設 計 的 搬 運 機 械 手 主 要 有 旋 轉 、 伸 縮 、 升 降 、 夾緊 四 個 自 由 度 組 成 。課 題 從 機 械 部 分 、 氣 動 部 分 和 控 制 三 部 分 對 氣 動 機 械 手 進 行 設 計 ， 要求 機 械 手 實 現(xiàn) 上 下 站 之 間 的 搬 運 功 能 。 機 械 部 分 重 點 是 總 體 結 構 的 設 計 、 各個 氣 缸 的 選 擇 和 安 裝 設 計 、 各 零 部 件 的 結 構 設 計 等 ， 氣 動 部 分 主 要 是 給 出 了搬 運 機 械 手 的 氣 動 原 理 圖 ， 而 控 制 部 分 則 主 要 是 程 序 的 設 計 和 調 試 ， 論 文采 用 西 門 子 （ S7-200） 指 令 編 程 ， 給 出 了 相 應 的 梯 形 圖 、 語 句 表 和 簡 單 的流 程 圖 。由 于 氣 動 機 械 手 有 結 構 簡 單 、 易 實 現(xiàn) 無 級 調 速 、 易 實 現(xiàn) 過 載 保 護 、 易 實現(xiàn) 復 雜 的 動 作 等 諸 多 獨 特 的 優(yōu) 點 ， 氣 動 機 械 手 正 在 向 重 復 高 精 度 ， 模 塊化 ， 無 給 油 化 ， 機 電 氣 一 體 化 方 向 發(fā) 展 。 可 以 預 見 ， 在 不 久 的 將 來 ， 氣 動機 械 手 將 越 來 越 廣 泛 地 進 人 工 業(yè) 、 軍 事 、 航 空 、 醫(yī) 療 、 生 活 等 領 域 。關鍵詞：可編程控制器，柔性自動生產線，自由度，梯形圖 IIAbstractOver the past 20 years, the field of pneumatic technology expand rapidly,which is widely used in a diverse array of automated production line especially.The combine of electrical programmable technology and pneumatic control technology makes the whole system a higher degree of automation, more flexible control and more reliable performance;The rapid develop of pneumatic manipulator and flexible automated production lines requier much more to the development of pneumatic technology . This topic originated from the handling station of the production line;The drive is used pressure transmission, which uses a variety of cylinder to control the robot's movement and the control parts combining the programmable control technology make a programme to achieve the control of the transportation between the two places. Manipulator is competed by three major parts including hand, sports bodies and control system. Task of hand is to hold the workpiece (or tool) of the components.According to the grasping object’s shape, size, weight, materials and operating requirements the hand hands a variety of structural forms, such as clamp type, ADS holders and adsorption type and so on.The movement part can complete the prescriptive move and achieve the change of the site and gesture of the grasping objects by varies rotating(twisting),moving or complex movements on hand. The independence movements such as the rise and fall of body, stretching and rotating manner are called the free degrees of manipulator. The handling manipulator of the topic composites four free degrees which are rotation, stretching, lifting and clapingThe pneumatic manipulator design is desided from three parts in chuding the mechanical parts, pneumatic parts and control parts,which requires to achieve mechanical hand up and down between the handling function. Focus on the mechanical parts are the design of overall structure , the choice of each cylinder and installation design, structural design of various components etc; pneumatic part is given the pneumatic manipulator handling schematics, and the control part of the procedure was mainly design and debugging,The papers use Siemens (S7-200) instructions program,giving the corresponding ladder diagram, statement forms and IIIsimple flow chart. Because the pneumatic Manipulator has advantages of simple structure, easy to achieve the stepless speed regulation, easy to achieve overload protection, easy to achieve a number of complex movements,the pneumatic manipulator is developing to the repeat-high-precision, modular, non-oil and electrical integration direction. It is foreseeable that in the near future, pneumatic manipulator will become more and more widely used into the industrial, military, aviation, medical, and other areas of life. Keywords:PLC, flexible automated production lines, free degree, Ladder Diagram目 錄- IV -目 錄摘 要 .......................................................................................................... IABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ Ⅱ目 錄 .......................................................................................................... IV第一章 引 言 ............................................................................................. 11.1 課題的背景和意義 ........................................................................................ 11.2 課題國內外發(fā)展現(xiàn)狀 .................................................................................... 2第二章 總體方案確定 .................................................................................. 42.1 總體方案論證 ................................................................................................ 42.1.1 機 械 手 手 臂 結 構 方 案 設 計 ........................................................ 42.1.2 機 械 手 驅 動 方 案 設 計 ............................................................... 42.1.3 機 械 手 控 制 方 案 設 計 ............................................................... 52.1.4 機 械 手 主 要 參 數(shù) ...................................................................... 52.1.5 機 械 手 的 技 術 參 數(shù) 列 表 ........................................................... 6第三章 機械手總體結構設計 ....................................................................... 73.1 動作工況與分析 ............................................................................................ 73.2 機械手各部分結構設計 ................................................................................ 83.2.1 機 械 手 底 座 的 設 計 ................................................................... 83.2.2 立 柱 結 構 的 設 計 ...................................................................... 83.2.3 軸 承 的 選 擇 .............................................................................. 93.2.4 上 軸 承 座 的 選 擇 ...................................................................... 103.2.5 下 軸 承 座 的 選 擇 ...................................................................... 113.2.6 大 臂 的 結 構 設 計 ...................................................................... 123.2.7 小 臂 的 結 構 設 計 ...................................................................... 123.2.8 氣 爪 的 結 構 設 計 ...................................................................... 123.2.9 手 部 夾 緊 氣 缸 設 計 計 算 ........................................................... 143.2.10 升 降 氣 缸 設 計 計 算 ................................................................. 18目 錄- V -3.2.11 伸 縮 氣 缸 設 計 計 算 ................................................................. 223.2.12 回 轉 氣 缸 設 計 計 算 ................................................................. 25第四章 氣動部分設計 .................................................................................. 28第五章 PLC 控制部分設計 .......................................................................... 305.1 電磁鐵動作順序 ............................................................................................. 305.2 I/O 分配 .......................................................................................................... 305.3 PLC 控制梯形圖 ............................................................................................ 315.4 PLC 控制程序指令 ........................................................................................ 32結論 ............................................................................................................. 37參考文獻 ...................................................................................................... 38致謝及聲明 .................................................................................................. 39第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 課題的背景和意義近 20 年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求。自從機械手問世以來，相應的各種難題迎刃而解。能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些動 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 運 物 件 或 操 作 工 具 的 自 動 操 作 裝 置 。 它可 代 替 人 的 繁 重 勞 動 以 實 現(xiàn) 生 產 的 機 械 化 和 自 動 化 ， 能 在 有 害 環(huán) 境 下 操 作 以保 護 人 身 安 全 ， 因 而 廣 泛 應 用 于 機 械 制 造 、 冶 金 、 電 子 、 輕 工 和 原 子 能 等 部門 。通用機械手因具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、可在空間抓、放、搬運物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。近年來隨著氣動技術的迅速發(fā)展，氣動元件及氣動自動化技術已越來越多地應用于機械手中，構成氣動機械手。氣動機械手的全部動作由電磁閥控制的氣缸驅動。其中,上升、下降和左移、右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機械手的放松、夾緊也由雙線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成,主要完成移動、轉動、抓取等動作。本課題來源于實驗課題，模擬生產線由六站組成，各站可獨立，可容易的連接在一起組成一條自動加工生產線，。該課題要求設計搬運站，搬運機械手將工件從上料檢測站搬至加工站。搬運過程中能實現(xiàn)抓取、提升、回轉、下降、松開等動作，且動作順序、動作速度可調。用氣動驅動，PLC 控制。包括總體設計，各執(zhí)行機構設計，氣動系統(tǒng)設計、計算，控制系統(tǒng)設計。技術要求有以下幾點：a.裝卸、調整方便；b.結構簡單，工作安全可靠；c.設計合理，盡量使用標準件，以降低制造成本；d.用 PLC 對機械手進行控制?？傮w設計思路：a.確定總體結構的組成、框架及各部分的功能與工作目標。b.根據(jù)設計任務書的要求，初步計算各工藝參數(shù)和結構參數(shù)。第一章 引 言- 2 -c.設計機體分級部分的結構及主要零件結構。d.主要分級結構部分的主要零件強度和剛度，檢查其加工工藝性和裝配工藝性。e.保證與其它部分的接口合理。f.根據(jù)設計結果，修正設計參數(shù)。1.2 課題國內外發(fā)展現(xiàn)狀國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢:a.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。b.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。c.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。d.機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。e.虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。f.當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。g.機 器 人 化 機 械 開 始 興 起 。 從 94 年 美 國 開 發(fā) 出 “虛 擬 軸 機 床 ”以 來 ，這 種 新 型 裝 置 已 成 為 國 際 研 究 的 熱 點 之 一 ， 紛 紛 探 索 開 拓 其 實 際 應 用 的 領 域 。我 國 的 工 業(yè) 機 器 人 從 80 年 代 “七 五 ”科 技 攻 關 開 始 起 步 ， 在 國 家 的 支 持 下 ，通 過 “七 五 ”、 “八 五 ”科 技 攻 關 ， 目 前 己 基 本 掌 握 了 機 器 人 操 作 機 的 設 計制 造 技 術 、 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 和 軟 件 設 計 技 術 、 運 動 學 和 軌 跡 規(guī) 劃 技 術 ， 生 產 了部 分 機 器 人 關 鍵 元 器 件 ， 開 發(fā) 出 噴 漆 、 弧 焊 、 點 焊 、 裝 配 、 搬 運 等 機 器 人 ;其第一章 引 言- 3 -中 有 130 多 臺 套 噴 漆 機 器 人 在 二 十 余 家 企 業(yè) 的 近 30 條 自 動 噴 漆 生 產 線 (站 )上獲 得 規(guī) 模 應 用 ， 弧 焊 機 器 人 己 應 用 在 汽 車 制 造 廠 的 焊 裝 線 上 。 但 總 的 來 看 ，我 國 的 工 業(yè) 機 器 人 技 術 及 其 工 程 應 用 的 水 平 和 國 外 比 還 有 一 定 的 距 離 ， 如 :可靠 性 低 于 國 外 產 品 :機 器 人 應 用 工 程 起 步 較 晚 ， 應 用 領 域 窄 ， 生 產 線 系 統(tǒng) 技術 與 國 外 比 有 差 距 ;在 應 用 規(guī) 模 上 ， 我 國 己 安 裝 的 國 產 工 業(yè) 機 器 人 約 200臺 ， 約 占 全 球 已 安 裝 臺 數(shù) 的 萬 分 之 四 。 以 上 原 因 主 要 是 沒 有 形 成 機 器 人 產 業(yè) ，當 前 我 國 的 機 器 人 生 產 都 是 應 用 戶 的 要 求 ， “一 客 戶 ， 一 次 重 新 設 計 ”，品 種 規(guī) 格 多 、 批 量 小 、 零 部 件 通 用 化 程 度 低 、 供 貨 周 期 長 、 成 本 也 不 低 ， 而且 質 量 、 可 靠 性 不 穩(wěn) 定 。 因 此 迫 切 需 要 解 決 產 業(yè) 化 前 期 的 關 鍵 技 術 ， 對 產 品進 行 全 面 規(guī) 劃 ， 搞 好 系 列 化 、 通 用 化 、 模 塊 化 設 計 ， 積 極 推 進 產 業(yè) 化 進 程 .我國 的 智 能 機 器 人 和 特 種 機 器 人 在 “863”計 劃 的 支 持 下 ， 也 取 得 了 不 少 成 果 。其 中 最 為 突 出 的 是 水 下 機 器 人 ， 6000m 水 下 無 纜 機 器 人 的 成 果 居 世 界 領 先 水平 ， 還 開 發(fā) 出 直 接 遙 控 機 器 人 、 雙 臂 協(xié) 調 控 制 機 器 人 、 爬 壁 機 器 人 、 管 道 機器 人 等 機 種 :在 機 器 人 視 覺 、 力 覺 、 觸 覺 、 聲 覺 等 基 礎 技 術 的 開 發(fā) 應 用 上 開展 了 不 少 工 作 ， 有 了 一 定 的 發(fā) 展 基 礎 。 但 是 在 多 傳 感 器 信 息 融 合 控 制 技 術 、遙 控 加 局 部 自 主 系 統(tǒng) 遙 控 機 器 人 、 智 能 裝 配 機 器 人 、 機 器 人 化 機 械 等 的 開 發(fā)應 用 方 面 則 剛 剛 起 步 ， 與 國 外 先 進 水 平 差 距 較 大 ， 需 要 在 原 有 成 績 的 基 礎 上 ，有 重 點 地 系 統(tǒng) 攻 關 ， 才 能 形 成 系 統(tǒng) 配 套 可 供 實 用 的 技 術 和 產 品 ， 以 期 在“十 五 ”后 期 立 于 世 界 先 進 行 列 之 中 。第 二 章 總 體 方 案 確 定- 4 -第二章 總體方案確定2.1 總體方案論證機 械 手 主 要 由 執(zhí) 行 機 構 、 驅 動 系 統(tǒng) 、 控 制 系 統(tǒng) 以 及 位 置 檢 測 裝 置 等 所 組成 。對 氣 動 機 械 手 的 基 本 要 求 是 能 快 速 、 準 確 地 拾 一 放 和 搬 運 物 件 ， 這 就 要求 它 們 具 有 高 精 度 、 快 速 反 應 、 一 定 的 承 載 能 力 、 足 夠 的 工 作 空 間 和 靈 活 的自 由 度 及 在 任 意 位 置 都 能 自 動 定 位 等 特 性 。 設 計 氣 動 機 械 手 的 原 則 是 :充分 分 析 作 業(yè) 對 象 (工 件 )的 作 業(yè) 技 術 要 求 ， 擬 定 最 合 理 的 作 業(yè) 工 序 和 工 藝 ，并 滿 足 系 統(tǒng) 功 能 要 求 和 環(huán) 境 條 件 ;明 確 工 件 的 結 構 形 狀 和 材 料 特 性 ， 定 位 精度 要 求 ， 抓 取 、 搬 運 時 的 受 力 特 性 、 尺 寸 和 質 量 參 數(shù) 等 ， 從 而 進 一 步 確 定 對機 械 手 結 構 及 運 行 控 制 的 要 求 ;盡 量 選 用 定 型 的 標 準 件 ， 簡 化 設 計 制 造 過 程 ，兼 顧 通 用 性 和 專 用 性 ， 并 能 實 現(xiàn) 柔 性 轉 換 和 編 程 控 制 .本 次 設 計 的 機 械 手是 通 用 氣 動 機 械 手 ， 是 一 種 適 合 于 小 批 生 產 的 、 可 以 變 動 作 程 序 的 自 動 搬 運或 操 作 設 備 生 產 場 合 。2.1.1 機械手手臂結構方案設計按 照 抓 取 工 件 的 要 求 ， 本 機 械 手 的 手 臂 有 四 個 自 由 度 ， 即 手 臂 的 夾 緊 、左 右 回 轉 、 左 右 伸 縮 和 升 降 運 動 。 手 臂 的 回 轉 和 升 降 運 動 是 通 過 立 柱 來 實 現(xiàn)的 ， 立 柱 的 橫 向 移 動 即 為 手 臂 的 手 臂 的 左 右 伸 縮 ， 手 臂 的 各 種 運 動 由 氣 缸 來實 現(xiàn)2.1.2 機械手驅動方案設計氣 壓 傳 動 的 優(yōu) 點 ：1.對 于 傳 動 形 式 而 言 ， 氣 缸 作 為 線 性 驅 動 器 可 在 空 間 的 任 意 位 置 組 建 它所 需 的 運 動 軌 跡 ， 安 裝 維 護 簡 單 ；2． 工 作 介 質 是 取 之 不 盡 、 用 之 不 竭 的 空 氣 ， 空 氣 本 身 不 花 錢 。 排 氣 處理 簡 單 ， 不 污 染 環(huán) 境 ， 成 本 低 。 壓 力 等 級 低 ， 使 用 安 全 ；3.氣 缸 動 作 速 度 一 般 為 50～ 500mm/s， 比 液 壓 和 電 氣 方 式 的 動 作 速 度快 ， 其 間 ， 通 過 單 向 節(jié) 流 閥 ， 可 使 氣 缸 速 度 無 級 調 節(jié) ；第 二 章 總 體 方 案 確 定- 5 -4.可 靠 性 高 ， 使 用 壽 命 長 。 電 器 元 件 的 有 效 動 作 數(shù) 約 為 數(shù) 百 萬 次 ， 而 進口 的 一 般 電 磁 閥 的 壽 命 大 于 3000 萬 次 ， 小 型 閥 超 過 一 億 次 ；5． 利 用 空 氣 的 可 壓 縮 性 ， 可 儲 存 能 量 ， 實 現(xiàn) 集 中 供 氣 ；6.全 氣 動 控 制 具 有 防 火 、 防 爆 、 耐 潮 的 能 力 。 與 液 壓 方 式 相 比 ， 氣 動 方式 可 在 高 溫 場 合 使 用 ；7.由 于 空 氣 損 失 小 ， 壓 縮 空 氣 可 集 中 供 應 ， 遠 距 離 輸 送 。根 據(jù) 以 上 優(yōu) 點 可 知 道 氣 壓 傳 動 系 統(tǒng) 的 動 作 迅 速 ， 反 應 靈 敏 ， 阻 力 損 失 和泄 漏 較 小 ， 成 本 低 廉 因 此 本 機 械 手 采 用 氣 壓 傳 動 方 式 。2.1.3 機械手控制方案設計綜 合 分 析 機 械 手 的 動 作 要 求 ， PLC 在 機 械 手 中 需 要 完 成 的 控 制 功 能 較多 ， 控 制 精 度 較 高 ， 運 算 速 度 較 快 且 具 有 數(shù) 據(jù) 處 理 能 力 ， 并 考 慮 整 個 系 統(tǒng) 的經 濟 和 技 術 指 標 ， 由 于 PLC 的 輸 出 電 流 較 小 ， 需 要 用 功 率 模 塊 來 控 制 比 例液 壓 閥 ， 選 用 西 門 子 公 司 的 S7-200 系 CPU226 型 PLC， 其 I／ O 功 能 和 指令 系 統(tǒng) 都 能 滿 足 對 該 機 械 手 的 控 制 要 求 。 控 制 按 鈕 、 各 處 的 行 程 開 關 及 壓 力繼 電 器 等 開 關 量 信 號 直 接 與 PLC 的 輸 入 端 子 相 連 ， PLC 的 開 關 量 輸 出 端 子直 接 與 各 個 電 磁 閥 相 連 ， 用 PLC 上 所 帶 的 24V 電 源 或 外 接 24V 電 源 驅 動 ，采 用 編 程 軟 件 (STEP 7-Micro／ WIN V4． 4 版 )進 行 編 程 和 運 行 監(jiān) 控 。2.1.4 機械手主要參數(shù)a.主 參 數(shù)機 械 手 的 最 大 抓 重 是 其 規(guī) 格 的 主 參 數(shù) ， 本 設 計 機 械 手 最 大 抓 重 以 1kg為 數(shù) 最 多 。 故 該 機 械 手 主 參 數(shù) 定 為 1kg。 b.基 本 參 數(shù)運 動 速 度 是 機 械 手 主 要 的 基 本 參 數(shù) 。 操 作 節(jié) 拍 對 機 械 手 速 度 提 出 了 要 求 ，設 計 速 度 過 低 限 制 了 它 的 使 用 范 圍 。 而 影 響 機 械 手 動 作 快 慢 的 主 要 因 素 是 手臂 回 轉 的 速 度 。該 機 械 手 最 大 升 降 速 度 設 計 為 100mm/s， 最 大 回 轉 速 度 設 計 為 450°/s。 平 均 升 降 速 度 為 80m/s， 平 均 回 轉 速 度 為 90°/s。第 二 章 總 體 方 案 確 定- 6 -2.1.5 機械手的技術參數(shù)列表A.設 計 技 術 參 數(shù) :a)抓 重1 公 斤 (夾 持 式 手 部 )b)自 由 度 數(shù)4 個 自 由 度c)最 大 工 作 半 徑279mmd)手 臂 最 大 中 心 高684.5mmB.手 臂 運 動 參 數(shù)夾 緊 行 程 50mm夾 緊 速 度 50mn/s升 降 行 程 100mm升 降 速 度 100mm/s回 轉 范 圍 0°~180°回 轉 速 度 90°/sC.手 指 夾 持 范 圍塑 料 :Φ 40mmD.定 位 方 式行 程 開 關E.定 位 精 度士 0.5mmF.緩 沖 方 式液 壓 緩 沖 器G.驅 動 方 式氣 壓 傳 動H.控 制 方 式點 位 程 序 控 制 (采 用 PLC)第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 7 -第三章 機械手總體結構設計3.1 動作工況與分析氣 動 機 械 手 是 以 壓 縮 空 氣 的 壓 力 來 驅 動 執(zhí) 行 機 構 運 動 的 機 械 手 。 其 主 要特 點 是 :介 質 源 極 為 方 便 ， 輸 出 力 小 ， 氣 動 動 作 迅 速 ， 結 構 簡 單 ， 成 本 低 。但 是 ， 由 于 空 氣 具 有 可 壓 縮 的 特 性 ， 工 作 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 沖 擊 大 ， 而 且氣 源 壓 力 較 低 ， 抓 重 一 般 在 30 公 斤 以 下 ， 在 同 樣 抓 重 條 件 下 它 比 液 壓 機械 手 的 結 構 大 ， 所 以 適 用 于 高 速 、 輕 載 、 高 溫 和 粉 塵 大 的 環(huán) 境 中 進 行 工 作 。機 械 手 的 全 部 動 作 由 電 磁 閥 控 制 的 氣 缸 驅 動 。 其 中 ,上 升 /下 降 、 左 移 /右 移 以 及 擺 動 分 別 由 雙 線 圈 兩 位 電 磁 閥 控 制 ,機 械 手 的 放 松 /夾 緊 由 一 個單 線 圈 兩 位 電 磁 閥 (夾 緊 電 磁 閥 )控 制 。 機 械 手 的 任 務 是 將 A 工 作 臺 上 的 工件 搬 運 到 B 工 作 臺 （ 或 B 到 A） ， 機 械 手 示 意 圖 如 圖 3-1 所 示 ：圖 3-1 機 械 手 示 意 圖在 連 續(xù) 自 動 工 作 方 式 的 狀 態(tài) 下 機 械 手 的 順 序 實 現(xiàn) 的 動 作 如 圖 1 示 意 圖所 示 ： 手 臂 下 降 → 手 指 夾 緊 → 手 臂 上 升 → 手 臂 右 擺 動 → 手 臂 右 伸 → 手 臂 下降 → 手 指 松 開 → 手 臂 上 升 → 手 臂 左 伸 → 手 臂 左 擺 動 （ 回 到 初 始 位 ） ， 機 械手 可 以 反 復 不 斷 的 進 行 上 述 循 環(huán) 動 作 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 8 -3.2 機械手各部分結構設計3.2.1 機械手底座的設計底 座 是 機 械 手 的 基 礎 部 分 ， 機 械 手 執(zhí) 行 機 構 的 各 部 件 和 驅 動 系 統(tǒng) 均 安 裝于 機 座 上 ， 故 起 支 撐 和 連 接 的 作 用 。底 座 的 設 計 是 根 據(jù) 各 個 零 件 的 尺 寸 及 有 助 于 拆 裝 方 便 來 設 計 的 如 圖2-2 所 示 ： 圖 3-2 箱 座箱 座 內 壁 不 需 要 與 其 他 零 件 有 配 合 的 關 系 ， 所 以 內 表 面 不 需 要 加 工 。 左右 厚 壁 上 端 有 M10 的 螺 紋 孔 ， 要 求 加 工 表 面 粗 糙 度 ， 連 接 軸 承 下 座 的 ， 底版 的 光 孔 是 用 來 固 定 整 個 裝 置 的 ， 材 料 為 鑄 鐵 HT200。3.2.2 立柱結構設計立 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 轉 運 動和 升 降 (或 俯 仰 )運 動 均 與 立 柱 有 密 切 的 聯(lián) 系 。 機 械 手 的 立 往 通 常 為 固 定 不動 的 ， 但 機 械 手 的 立 柱 因 工 作 需 要 ， 有 時 也 可 作 橫 向 移 動 ， 即 稱 為 可 移 式 立柱 。 a.立 柱 的 材 料 及 熱 處 理由 于 設 計 功 率 不 是 太 大 ， 對 其 重 量 和 尺 寸 無 特 殊 要 求 ， 故 選 擇 常 用 材 料45 鋼 ， 調 質 處 理 。b.初 估 軸 徑按 扭 矩 初 估 軸 的 直 徑 ， 根 據(jù) [1]查 表 10-2， 得 C=106~117， 考 慮 倒 安第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 9 -裝 軸 承 受 扭 矩 作 用 ， 取 C=106， 則3minPd?（ 3-1）式 中 ： C——由 軸 承 的 材 料 和 承 載 情 況 縮 確 定 的 常 數(shù) ；P——軸 的 輸 出 功 率 ， KW；n——軸 的 轉 速 ， r/min.各 參 數(shù) 值 為 C=106、 P=15KW、 n=280， 則33min1569.d???所 以 選 擇 軸 徑 40mm， 軸 上 面 設 計 個 法 蘭 ， 用 法 蘭 來 固 定 軸 承 因 為 軸 是靠 氣 缸 擺 動 來 旋 轉 的 ， 所 以 所 受 的 載 荷 很 小 ， 不 需 要 校 核 。3.2.3 軸承的選擇軸 承 是 用 以 支 承 軸 和 軸 上 回 轉 或 擺 動 零 件 的 部 件 ,在 各 種 機 械 中 應 用廣 泛 。 根 據(jù) 軸 承 工 作 時 的 摩 擦 性 質 ， 可 分 為 滾 動 軸 承 和 滑 動 軸 承 兩 大 類 。 滾動 軸 承 依 靠 主 要 元 件 間 的 滾 動 接 觸 來 承 受 載 荷 ， 它 與 滑 動 軸 承 相 比 ， 具 有 摩擦 阻 力 小 、 效 率 高 、 啟 動 容 易 、 潤 滑 簡 便 等 優(yōu) 點 。 同 時 ， 滾 動 軸 承 絕 大 部 分已 經 標 準 化 ， 并 由 專 業(yè) 廠 家 生 產 ， 選 用 和 更 換 很 方 便 。 其 缺 點 就 是 抗 擊 能 力差 ， 工 作 時 有 噪 聲 ， 以 及 工 作 壽 命 不 及 液 體 摩 擦 的 滑 動 軸 承 。滾 動 軸 承 的 類 型 很 多 ， 按 照 滾 動 體 的 形 狀 ， 滾 動 軸 承 可 分 為 球 軸 承 和 滾子 軸 承 兩 大 類 。 球 軸 承 的 滾 動 體 與 內 、 外 圈 是 點 接 觸 ， 運 轉 時 摩 擦 耗 損 小 ，但 承 載 能 力 和 抗 擊 能 力 差 ； 滾 子 軸 承 為 線 接 觸 ， 承 載 能 力 和 抗 沖 擊 能 力 較 球軸 承 大 ， 但 運 轉 是 耗 損 大 。 按 照 滾 動 軸 承 能 否 自 動 調 心 ， 可 分 為 調 心 軸 承 和非 調 心 軸 承 。 按 照 滾 動 體 列 數(shù) 多 少 ， 可 分 為 單 列 軸 承 、 雙 列 軸 承 和 多 列 軸 承 。按 照 軸 承 能 承 受 的 主 要 載 荷 方 向 和 公 稱 接 觸 角 的 不 同 ， 可 分 為 向 心 軸 承 和 推力 軸 承 兩 大 類 。a.向 心 軸 承向 心 軸 承 主 要 承 受 徑 向 載 荷 ， 0° 45°， 又 可 分 為 ： ① 徑 向 接 觸??軸 承 ， = 0°， 只 能 承 受 徑 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 向 心 軸 承 ， 0°< 45°，? ??不 僅 能 承 受 徑 向 載 荷 ,而 且 隨 著 角 的 增 大 ,其 承 受 軸 向 載 荷 的 能 力 隨 之 增大 。b.推 力 軸 承第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 10 -推 力 軸 承 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ， 45° 90°， 又 可 分 為 ： ① 軸 向 接??觸 軸 承 ， = 90°， 只 能 承 受 軸 向 載 荷 ； ② 角 接 觸 推 力 軸 承 ， 450°?< <90°， 它 主 要 承 受 軸 向 載 荷 ,同 時 也 能 承 受 較 小 的 徑 向 載 荷 。 隨 著角 的 增 大 ,其 承 受 徑 向 載 荷 的 能 力 將 減 小 。軸 承 所 受 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質 ， 是 選 擇 滾 動 軸 承 的 主 要 依 據(jù) 。 本 設計 中 軸 承 既 承 受 徑 向 力 及 轉 矩 ， 又 承 受 軸 向 力 ， 因 此 選 用 推 力 球 軸 承 和 深 溝球 軸 承 ,推 力 軸 承 主 要 受 軸 向 力 ， 球 軸 承 主 要 受 徑 向 力 ， 又 根 據(jù) 外 廓 尺 寸 的條 件 和 軸 的 內 徑 選 用 6006 深 溝 球 軸 承 和 51213 推 力 球 軸 承 。3.2.4 上軸承座的選擇6006 深 溝 球 軸 承 : d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推 力 球 軸 承 : d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根 據(jù) 以 上 的 尺 寸 可 以 確 定 軸 承 上 座 的 尺 寸 ,如 圖 3-3 所 示 :圖 3-3 上 軸 承 座由 于 配 合 接 觸 的 面 比 較 多 ,所 以 對 表 面 粗 糙 度 的 要 求 也 高 ,軸 承 配 合 的地 方 要 求 公 差 等 級 ,軸 承 的 配 合 主 要 是 內 圈 與 軸 頸 、 外 圈 與 軸 承 座 孔 的 配 合 。滾 動 軸 承 是 標 準 件 ， 因 此 ， 軸 承 內 圈 與 軸 頸 采 用 基 孔 制 配 合 ， 軸 承 外 圈 與 軸承 座 孔 采 用 基 軸 制 配 合 普 通 圓 柱 公 差 標 準 中 基 準 孔 的 公 差 帶 都 在 零 線 之 上 ，第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 11 -故 滾 動 軸 承 內 圈 與 軸 頸 的 配 合 要 比 圓 柱 公 差 標 準 中 規(guī) 定 的 基 孔 制 同 名 配 合 要緊 的 多 。 例 如 ， 一 般 圓 柱 體 基 孔 制 的 K6 配 合 為 過 度 配 合 ， 而 在 滾 動 軸 承內 圈 配 合 中 則 為 過 盈 配 合 。滾 動 軸 承 內 、 外 圈 的 處 的 配 合 ， 既 不 能 過 緊 也 不 能 過 松 。 過 緊 的 配 合 會使 軸 承 的 內 、 外 圈 產 生 變 形 ， 可 破 壞 軸 承 的 正 常 工 作 ， 而 增 加 了 裝 拆 的 難 度 。過 松 的 配 合 ， 不 僅 會 影 響 軸 的 旋 轉 精 度 ， 甚 至 會 使 配 合 表 面 發(fā) 生 滑 動 。 因 此 ，軸 承 配 合 種 類 的 選 取 ， 應 根 據(jù) 軸 承 的 類 型 與 尺 寸 、 載 荷 的 大 小 、 方 向 和 性 質以 及 工 作 環(huán) 境 決 定 。所 以 Φ 30 的 6006 軸 徑 上 安 裝 軸 承 ， 這 個 軸 徑 就 是 根 據(jù) 軸 承 的 d 來 的 ，Φ 36 是 6006 軸 承 的 安 裝 尺 寸 ， 同 樣 根 據(jù) 推 力 軸 承 的 尺 寸 來 確 定 軸 承 座 的 尺寸 。3.2.5 下軸承座的選擇下 軸 承 座 的 尺 寸 是 根 據(jù) 軸 承 尺 寸 來 定 的 。 其 主 要 配 合 的 地 方 也 是 安 裝 軸承 的 地 方 ， 需 要 公 差 的 配 合 。 （ 同 上 ） 如 圖 3-4：圖 3-4 下 軸 承 座在 安 裝 軸 承 的 端 面 上 要 注 明 公 差 配 合 ， 分 別 以 其 為 基 準 面 ， 查 《 機 械設 計 手 冊 》 ， 標 明 幾 個 端 面 的 圓 柱 度 和 相 對 基 準 面 的 圓 跳 動 度 ， 還 有 表 面粗 糙 度 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 12 -3.2.6 大臂的結構設計本 設 計 的 手 臂 實 現(xiàn) 的 是 水 平 直 線 運 動 ， 實 現(xiàn) 直 線 往 復 運 動 采 用 的 是 氣 壓驅 動 的 活 塞 氣 缸 。 由 于 活 塞 氣 缸 的 體 積 小 、 重 量 輕 ， 因 而 在 機 械 手 的 手 臂 結構 中 應 用 比 較 多 。本 設 計 手 臂 很 簡 單 ， 在 手 臂 內 側 固 定 個 伸 縮 氣 缸 ， 如 圖 3-5 所 示 ：圖 3-5 大 臂 設 計3.2.7 小臂的結構設計本 設 計 的 手 臂 與 上 述 的 大 臂 實 現(xiàn) 的 運 動 方 式 一 樣 ， 主 要 是 上 下 直 線 運動 。 實 現(xiàn) 直 線 往 復 運 動 采 用 的 也 是 氣 壓 驅 動 的 活 塞 氣 缸 。本 設 計 手 臂 很 簡 單 ， 在 上 面 固 定 個 夾 緊 氣 缸 ， 如 圖 3-6 所 示 ：圖 3-6 小 臂 設 計3.2.8 氣爪的結構設計夾 持 式 手 部 結 構 由 手 指 (或 手 爪 )和 傳 力 機 構 所 組 成 。 其 傳 力 結 構 形 式比 較 多 ， 如 滑 槽 杠 桿 式 、 斜 楔 杠 桿 式 、 齒 輪 齒 條 式 、 彈 簧 杠 桿 式 ..等 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 13 -夾 持 式 是 最 常 見 的 一 種 ， 其 中 常 用 的 有 兩 指 式 、 多 指 式 和 雙 手 雙 指 式 :按 手 指 夾 持 工 件 的 部 位 又 可 分 為 內 卡 式 (或 內 漲 式 )和 外 夾 式 兩 種 :按 模 仿 人手 手 指 的 動 作 ， 手 指 可 分 為 一 支 點 回 轉 型 ， 二 支 點 回 轉 型 和 移 動 型 (或 稱直 進 型 )， 其 中 以 二 支 點 回 轉 型 為 基 本 型 式 。 當 二 支 點 回 轉 型 手 指 的 兩 個 回轉 支 點 的 距 離 縮 小 到 無 窮 小 時 ， 就 變 成 了 一 支 點 回 轉 型 手 指 ;同 理 ， 當 二支 點 回 轉 型 手 指 的 手 指 長 度 變 成 無 窮 長 時 ， 就 成 為 移 動 型 。 回 轉 型 手 指 開 閉角 較 小 ， 結 構 簡 單 ， 制 造 容 易 ， 應 用 廣 泛 。 移 動 型 應 用 較 少 ， 其 結 構 比 較 復雜 龐 大 ， 當 移 動 型 手 指 夾 持 直 徑 變 化 的 零 件 時 不 影 響 其 軸 心 的 位 置 ， 能 適 應不 同 直 徑 的 工 件 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 14 -圖 3-7 氣 爪 設 計本 設 計 是 采 用 兩 指 式 ， 內 卡 式 ， 上 下 氣 爪 通 過 銷 來 連 接 ， 過 盈 配 合 ， 如圖 3-7 所 示 。 設 計 時 考 慮 的 幾 個 問 題 ：a.具 有 足 夠 的 握 力 (即 夾 緊 力 )在 確 定 手 指 的 握 力 時 ， 除 考 慮 工 件 重 量 外 ， 還 應 考 慮 在 傳 送 或 操 作 過 程中 所 產 生 的 慣 性 力 和 振 動 ， 以 保 證 工 件 不 致 產 生 松 動 或 脫 落 。b.手 指 間 應 具 有 一 定 的 開 閉 角兩 手 指 張 開 與 閉 合 的 兩 個 極 限 位 置 所 夾 的 角 度 稱 為 手 指 的 開 閉 角 。 手 指的 開 閉 角 應 保 證 工 件 能 順 利 進 入 或 脫 開 ， 若 夾 持 不 同 直 徑 的 工 件 ， 應 按 最 大直 徑 的 工 件 考 慮 。 對 于 移 動 型 手 指 只 有 開 閉 幅 度 的 要 求 。c.保 證 工 件 準 確 定 位為 使 手 指 和 被 夾 持 工 件 保 持 準 確 的 相 對 位 置 ， 必 須 根 據(jù) 被 抓 取 工 件 的 形狀 ， 選 擇 相 應 的 手 指 形 狀 。 例 如 圓 柱 形 工 件 采 用 帶 “V”形 面 的 手 指 ， 以便 自 動 定 心 。d.具 有 足 夠 的 強 度 和 剛 度手 指 除 受 到 被 夾 持 工 件 的 反 作 用 力 外 ， 還 受 到 機 械 手 在 運 動 過 程 中 所 產生 的 慣 性 力 和 振 動 的 影 響 ， 要 求 有 足 夠 的 強 度 和 剛 度 以 防 折 斷 或 彎 曲 變 形 ，當 應 盡 量 使 結 構 簡 單 緊 湊 ， 自 重 輕 ， 并 使 手 部 的 中 心 在 手 腕 的 回 轉 軸 線 上 ，以 使 手 腕 的 扭 轉 力 矩 最 小 為 佳 。e.考 慮 被 抓 取 對 象 的 要 求根 據(jù) 機 械 手 的 工 作 需 要 ， 通 過 比 較 ， 我 們 采 用 的 機 械 手 的 手 部 結 構 是 一支 點 兩 指 回 轉 型 ， 由 于 工 件 多 為 圓 柱 形 ， 故 手 指 形 狀 設 計 成 V 型 。3.2.9 手部夾緊氣缸設計計算A． 手 部 驅 動 力 計 算本 課 題 氣 動 機 械 手 的 手 部 結 構 如 圖 3-8 所 示 ， 其 工 件 重 量 G=10 公 斤 ，a=37.5mm,b=70mm,根 據(jù) [1]摩 擦 系 數(shù) 為 f=0. 10。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 15 -圖 3-8 手 部 結 構 分 析 圖a) 根 據(jù) 手 部 結 構 分 析 示 意 圖 ， 其 驅 動 力 為 ：aNbP2?（ 3-2）b) 根 據(jù) 手 指 夾 持 工 件 的 方 位 ， 可 得 握 力 計 算 公 式 :）（fG10.（ 3-3）代 入 公 式 （ 3-2） 得 ： )(3.75.3012NP??c)參 照 [17]實 際 驅 動 力 :?21K?實 際（ 3-4）因 為 傳 力 機 構 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 根 據(jù) [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 參 照 [17]則 ：22??K（ 3-5）第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 16 -代 入 公 式 （ 3-4） 得 ： ）（實 際 NP194.02537???所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅 動 力 為 1191N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 都 參 照 [17]， 根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ，單 向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時的 總 阻 力 ， 其 公 式 為 :FzPDFl??421?（ 3-6）式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 :()lfFCS??（ 3-7）4138fGdDn（ 3-8）121??（ 3-9）式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 17 -一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDPF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()l????代 入 有 關 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.0(.5)8015??????????mN64lfFs??337.01????62所 以 ： 14()lFDP????????16237.20.6.80.94?? ???? ?m659查 有 關 手 冊 圓 整 ， 得 0由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 : 3.0~2?Dd ??mDd5.19~3.02??圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???（ 3-10）有 : ???214d??其 中 ， ,aMP0?N3.71?則 : ??m189.03.7216????第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 18 -所 以 滿 足 設 計 要 求 。C． 缸 筒 壁 厚 的 設 計缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 參 照 [17]， 其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???（ 3-11）式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1?材 料 為 :ZL3, ??aM2?代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??pd????365102.10.2????m83取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m1??D??根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 的 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 32×50 B LB 其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q – 派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；32 – 汽 缸 內 徑 ；50- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=可 調 緩 沖 ；LB – 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座3.2.10 升降氣缸設計計算手 臂 升 降 裝 置 由 轉 柱 、 升 降 缸 活 塞 軸 、 升 降 缸 體 、 碰 鐵 、 可 調 定 位 塊 、定 位 拉 桿 、 緩 沖 撞 鐵 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 和 導 向 桿 等 組 成 。 在 轉 柱 上 端 用 管 接頭 和 氣 管 分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 和 手 臂 伸 縮 氣 缸 ，轉 柱 下 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮 空 氣 引 到 升 降 缸 上 腔 ， 當 壓 縮 空 氣 進 入 上 腔 后 ， 推動 升 降 缸 體 上 升 ， 并 由 兩 個 導 向 桿 進 行 導 向 ， 同 時 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 上 移 ，當 碰 觸 上 邊 的 可 調 定 位 塊 后 ， 即 帶 動 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 上 移 動 碰 觸 升降 用 液 壓 緩 沖 器 進 行 緩 沖 。 上 升 行 程 大 小 通 過 調 整 可 調 定 位 塊 來 實 現(xiàn) ， 手 臂第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 19 -下 降 靠 自 重 實 現(xiàn) 。 結 構 簡 圖 如 圖 3-9 所 示 ：圖 3-9 結 構 分 析 簡 圖A． 驅 動 力 計 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計 算 活 塞 的 驅 動 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結 構 示 意 圖 ， 驅 動 力 公 式 為 ：總GFf??（ 3-12）b) 質 量 計 算 :手 臂 升 降 部 分 主 要 由 手 臂 伸 縮 氣 缸 、 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、手 爪 及 相 關 的 固 定 元 件 組 成 。 氣 缸 為 標 準 氣 缸 ， 根 據(jù) 中 國 煙 臺 氣 動 元 件 廠 的《 產 品 樣 本 》 可 估 其 質 量 ， 同 時 測 量 設 計 的 有 關 尺 寸 ， 據(jù) 估 計)(40NG?總所 以 代 入 公 式 （ 3-12） ： 總Ff?總總4017.0??）（ N68第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 20 -c) 參 照 [17]實 際 驅 動 力 : ?21KF?實 際因 為 傳 力 機 構 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 根 據(jù) [17]則 ：22??所 以 ）（實 際 NF149.05468??所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅 動 力 為 1494N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ， 單向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時 的總 阻 力 ， 其 公 式 為 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 21 -— 彈 簧 外 徑 ， m2D— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :14()lP????代 入 有 關 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCDn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關 手 冊 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設 計 要 求 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 22 -C． 缸 筒 壁 厚 的 設 計缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1材 料 為 :ZL3, ??aM2??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 40×100 B FB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調 ；FB- 安 裝 方 式 ： FB=后 法 蘭 ；3.2.11 伸縮氣缸設計計算手 臂 伸 縮 裝 置 由 伸 縮 缸 活 塞 軸 、 伸 縮 缸 體 、 碰 鐵 、 可 調 定 位 塊 、 定 位 拉桿 、 緩 沖 撞 鐵 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 和 導 向 桿 等 組 成 。 在 手 臂 右 端 用 管 接 頭 和 氣 管分 別 將 壓 縮 空 氣 引 到 手 腕 回 轉 氣 缸 手 部 夾 緊 氣 缸 ， 手 臂 左 端 的 氣 路 ， 將 壓 縮空 氣 引 到 伸 縮 缸 上 腔 ， 當 壓 縮 空 氣 進 入 上 腔 后 ， 推 動 升 降 缸 體 右 移 ， 并 由 兩個 導 向 桿 進 行 導 向 ， 同 時 碰 鐵 隨 升 降 缸 體 一 同 右 移 ， 當 碰 觸 上 邊 的 可 調 定 位塊 后 ， 即 帶 動 定 位 拉 桿 ,緩 沖 撞 鐵 向 右 移 動 碰 觸 左 右 用 液 壓 緩 沖 器 進 行 緩 沖 。右 移 行 程 大 小 通 過 調 整 可 調 定 位 塊 來 實 現(xiàn) ， 手 臂 左 移 與 右 移 類 似 。 結 構 簡 圖如 圖 3-10 所 示 ：第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 23 -圖 3-10 結 構 分 析 簡 圖A． 驅 動 力 計 算根 據(jù) 上 圖 力 的 作 用 方 向 ， 可 計 算 活 塞 的 驅 動 力 F， 參 照 [1]可 知 摩 擦系 數(shù) f=0. 17。a) 根 據(jù) 結 構 示 意 圖 ， 驅 動 力 公 式 為 ：fF?b) 質 量 計 算 :小 臂 升 降 部 分 主 要 由 夾 緊 氣 缸 、 手 臂 、 手 爪 及 相 關 的 固定 元 件 組 成 。 氣 缸 為 標 準 氣 缸 ， 根 據(jù) 中 國 煙 臺 氣 動 元 件 廠 的 《 產 品 樣 本 》可 估 其 質 量 ， 同 時 測 量 設 計 的 有 關 尺 寸 ， 據(jù) 估 計)(30NG?總所 以 代 入 公 式 ： fF總3017.??）（ N5c) 參 照 [17]實 際 驅 動 力 : ?21KF?實 際因 為 傳 力 機 構 為 齒 輪 齒 條 傳 動 ， 參 照 [1]故 取 ， 并 取 94.0?5.1?K若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 a= g時 ， 根 據(jù) [17]則 ：22??第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 24 -所 以 ）（實 際 NF16394.025???所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅 動 力 為 163N.B． 氣 缸 的 直 徑本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 以 下 公 式 均 參 照 [17]根 據(jù) 力 平 衡 原 理 ， 單向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出 推 力 必 須 克 服 彈 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 桿 工 作 時 的總 阻 力 ， 其 公 式 為 : FzPDFl??421?式 中 : —活 塞 桿 上 的 推 力 ， N1F—彈 簧 反 作 用 力 ， Nl—氣 缸 工 作 時 的 總 阻 力 ， Nz—氣 缸 工 作 壓 力 ， PaP彈 簧 反 作 用 按 下 式 計 算 : ()lfFCS??4138fGdDn121?式 中 : — 彈 簧 剛 度 ， N/mfC— 彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml一 活 塞 行 程 ， mS— 彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d—彈 簧 平 均 直 徑 ， mD— 彈 簧 外 徑 ， m2— 彈 簧 有 效 圈 數(shù)n一 彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取G97.410aGP??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 則 :?21lDF??由 以 上 分 析 得 單 向 作 用 氣 缸 的 直 徑 :第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 25 -14()lFDP????代 入 有 關 數(shù) 據(jù) ， 可 得 4138fGdCn???93437.410(.5)8015????????3677.46??mNlfFCs??3.01??220.6所 以 ： 14()lFDP???????21694.07.6.2035???m.查 有 關 手 冊 圓 整 ， 得由 ， 可 得 活 塞 桿 直 徑 :3.0~2?Dd ??mDd5.1~3.?圓 整 后 ， 取 活 塞 桿 直 徑 d18?校 核 ， 按 公 式 ????214F???有 : ??4?其 中 ， , aMP20??N35則 : md 189.35216???所 以 滿 足 設 計 要 求 。C． 缸 筒 壁 厚 的 設 計缸 筒 直 接 承 受 壓 縮 空 氣 壓 力 ， 必 須 有 一 定 厚 度 。 一 般 氣 缸 缸 筒 壁 厚 與 內徑 之 比 小 于 或 等 于 1/10， 根 據(jù) [17]其 壁 厚 可 按 薄 壁 筒 公 式 計 算 :??2pdP???式 中 : — 缸 筒 壁 厚 ， mm?D—氣 缸 內 徑 ， mm—實 驗 壓 力 ， 取 , PapPp5.1第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 26 -材 料 為 :ZL3, ??aMP2.1??代 入 己 知 數(shù) 據(jù) ， 則 壁 厚 為 : ??2pd????563301..210???m87?取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 :m5.2??D4.2?根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 氣 缸 型 號 為 ： QGSD q 40×100 B LB其 中 ： QGSD- 普 通 型 單 作 用 氣 缸 ；q –派 生 氣 缸 代 號 ： q=彈 簧 前 置 型 ；40- 汽 缸 內 徑 ；100- 氣 缸 行 程 ；B –緩 沖 ： B=緩 沖 可 調 ；LB- 安 裝 方 式 ： LB=軸 向 底 座 ；3.2.12 回轉氣缸設計計算實 現(xiàn) 機 械 手 手 臂 回 轉 運 動 的 機 構 形 式 是 多 種 多 樣 的 ， 常 用 的 有 葉 片 式 回轉 缸 、 齒 輪 傳 動 機 構 、 鏈 輪 傳 動 機 構 、 連 桿 機 構 等 。 在 本 機 械 手 中 ， 手 臂 回轉 裝 置 由 回 轉 缸 體 、 轉 軸 、 定 片 、 回 轉 定 位 塊 、 回 轉 中 間 定 位 塊 和 回 轉 用 液壓 緩 沖 器 (此 部 件 位 置 參 見 附 圖 )等 組 成 。 當 壓 縮 空 氣 通 過 管 路 分 別 進 入 手臂 回 轉 氣 缸 的 兩 腔 時 ， 推 動 動 片 連 同 轉 軸 一 同 回 轉 ， 轉 軸 通 過 平 鍵 而 帶 動 升降 氣 缸 活 塞 軸 、 定 位 塊 聯(lián) 接 盤 、 導 向 桿 、 定 位 拉 桿 、 升 降 缸 體 和 轉 柱 等 同 步回 轉 。 因 轉 柱 和 手 臂 用 螺 栓 連 接 ， 故 手 胃 亦 作 回 轉 運 動 。手 臂 回 轉 氣 缸 采 用 矩 形 密 封 圈 來 密 封 ， 密 封 性 能 較 好 ， 對 氣 缸 孔 的 機械 加 工 精 度 也 易 于 保 證 。手 臂 回 轉 運 動 采 用 多 點 定 位 緩 沖 裝 置 ， 其 工 作 原 理 見 回 轉 用 液 壓 緩 沖器 部 分 。 手 臂 回 轉 角 度 的 大 小 ， 通 過 調 整 兩 塊 回 轉 定 位 塊 和 回 轉 中 間 定 位 塊的 位 置 而 定 。 在 機 械 手 的 手 腕 回 轉 運 動 中 所 采 用 的 回 轉 缸 是 單 葉 片 回 轉 氣 缸 ，它 的 工 作 原 理 如 圖 3-10所 示 ， 定 片 1與 缸 體 2固 連 ， 動 片 3與 回 轉 軸 5固 連 。動 片 封 圈 4把 氣 腔 分 隔 成 兩 個 .當 壓 縮 氣 體 從 孔 a進 入 時 ， 推 動 輸 出 軸 作 逆時 4回 轉 ， 則 低 壓 腔 的 氣 從 b孔 排 出 。 反 之 ， 輸 出 軸 作 順 時 針 方 向 回 轉 。第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 27 -圖 3-10 回 轉 氣 缸 示 意 圖參 照 [17]單 葉 片 氣 缸 的 壓 力 p和 驅 動 力 矩 M的 關 系 為 ：??2rRPb??（ 3-13）或 ??2rRb?式 中 : M- 回 轉 氣 缸 的 驅 動 力 矩 ;cmN?P- 回 轉 氣 缸 的 工 作 壓 力 ;??R- 缸 體 內 壁 半 徑 ;?cr- 輸 出 軸 半 徑 ;mb- 動 片 寬 度 .?上 述 驅 動 力 矩 和 壓 力 的 關 系 式 是 對 于 低 壓 腔 背 壓 為 零 的 情 況 下 而 言 的 。若 低 壓 腔 有 一 定 的 背 壓 ， 則 上 式 中 的 P應 代 以 工 作 壓 力 與 背 壓 之 差 。1P2根 據(jù) 以 上 計 算 選 擇 回 轉 氣 缸 型 號 為 ： QGH 2 50×180 B F S R其 中 ： QGH- 齒 桿 式 回 轉 擺 動 氣 缸 ；2 - 派 生 氣 缸 代 號 ： 2=雙 出 軸 ；50- 氣 缸 內 徑 ；第 三 章 機 械 手 總 體 結 構 設 計- 28 -180- 回 轉 動 擺 動 角 度 ；B –緩 沖 ： B=可 調 緩 沖 ；F – 法 蘭 ；S – 單 桿 基 本 型 ；R – 耐 熱 型 ； R=采 用 氟 橡 膠 密 封 件 ， 最 高 耐 溫 200°。