1 一 緒論 （一 ）氣 壓傳動技術的研究發展動向 隨著科學技術的不斷進步，目前氣壓技術正向著高壓、高速、大功率、高效、高度集成化的方向發展。雖然氣壓傳動技術方便簡潔，但是氣壓傳動中存在著一些亟待解決的問題，如：氣壓系統工作時的穩定性、工作介質的泄漏、氣壓沖擊對設備可靠性的影響等等，這些問題都是氣壓傳動技術需要研究和解決的。任何技術的改革和創新，都必須以穩定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實際意義。 （二）氣壓傳動技術的應用 機械制造業，其中包括機械加工生產線上工件的裝夾及搬送，鑄造生產線上的造型 、搗固、合箱等。在汽車制造中，汽車自動化生產線、車體部件自動搬運與固定、自動焊接等。 電子 IC 及電器行業，如用于硅片的搬運，元器件的插裝與錫焊，家用電器的組裝等。 石油、化工業 用管道輸送介質的自動化流程絕大多數采用氣動控制，如石油提煉加工、氣體加工、化肥生產等。 輕工食品包裝業，其中包括各種半自動或全自動包裝生產線，例如：酒類、油類、煤氣罐裝，各種食品的包裝等。 機器人，例如裝配機器人，噴漆機器人，搬運機器人以及爬墻、焊接機器人等。 其它，如車輛剎車裝置，車門開閉裝置，顆粒物質的篩選，魚雷導彈自動控制裝置 等。目前各種氣動工具的廣泛使用，也是氣動技術應用的一個組成部分。 （三）氣壓傳動的特點 氣壓傳動的優點 ：以空氣為工作介質，工作介質獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動相比不必設置回收的油箱和管道；因空氣的粘度很小（約為液壓油動力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴重污染環境；與液壓傳動相比，氣壓傳動動作迅速、反應快、維護簡單、工作介質清潔，不存在介質變質等問題；工作環境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡 劣工作環境中，比液壓、電子、電氣控制優越；成本低，過載能自動保護。 氣壓傳動的缺點：由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩定性稍差，但采用氣 2 液聯動裝置會得到較滿意的效果；因工作壓力低（一般為 0.31.0MPa），又因結構尺寸不宜過大，總輸出力不宜大于 10 40kN；噪聲較大，在高速排氣時要加消聲器；氣動裝置中的氣信號傳遞速度在聲速以內比電子及光速慢，因此，氣動控制系統不宜用于元件級數過多的復雜回路。 （四）機械手的組成 工業的機械手由執行機構、驅動機構和控制機構三部分組成 。 1 執行機構 （ 1） 手部 即 直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、楔塊杠桿式、齒輪齒條平行連桿式、內撐連桿式、右絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、 左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700） ,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的： 把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精 3 度直接影響機械手的工作性能。 （ 4）行走機構 有的工業機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 驅動機構是 工業機械手的重要組成部分。根據動力源的不同 , 工業機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用氣壓機構驅動機械手 ,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、可獲得較大的輸出功率、氣體不可壓縮，壓力、流量易于控制，反應靈敏、控位精確等優秀特點。 3 控制系統分類 在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 （五）本課題設計的主要內容 本設計課題名稱為 真空吸盤式氣動 機械手 的設計，設計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標型的運動形式，氣壓傳動， PLC系統控制。功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求。 性能特點：機械手的動作循環（工件平放）：真空吸盤吸取工件 -大臂上升 -大臂回轉 -手臂延伸 -真空吸盤放下工件 -手臂收縮 -大臂反轉 -大臂下降。 主要技術參數：吸持力 2kg；自由度數為 3；運動形式為圓柱坐標；手臂伸縮行程范圍 0-300mm，手臂升降行程范圍 0-200mm；手臂回轉行程范圍 0-180；定位方式為定位塊；控制方式為 點位式、 PLC控制；驅動方式為氣壓傳動系統。 （六）設計的基本思路、方案 分析、理解設計任務書的要求查閱相關資料初步擬訂設計方案設計方案對比并確定最佳方案參數的設計計算裝配圖草圖零件設計零件草圖繪制裝配圖繪制零件圖編寫設計說明書 （七）設計原則 這次畢業設計的設計原則是：以任務書所要求的具體設計要求為根本設計目標，充分考慮機械手工作的環境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可 4 能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學經 濟和滿足生產要求的設計原則，同時也考慮本次設計是畢業設計的特點，將大學期間所學的知識，如機械設計、機械原理、 液壓、氣動、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器（ PLC）、電子技術、自動控制、機械系統仿真等知識 盡可能多的綜合運用到設計中，使得經過本次設計對大學階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設計。 二 真空吸盤式氣動機械手的總體設計 （一）真空吸盤式氣動機械手設計的主要技術參數 設計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標型的運 動形式，氣壓傳動，PLC 系統控制。功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求，主要技術參數見表 2.1： 表 2.1 主要技術參數 吸盤吸持力 2kg 運動形式 圓柱坐標 手臂伸縮行程范圍 0-300mm 手臂升降行程范圍 0-200mm 手臂回轉行程范圍 0-180 定位方式 定位塊 控制方式 點位式、 PLC控制 驅動方式 氣壓傳動系統 自由度數 3 5 （二）真空吸盤式氣動機械手工作原理分析 真空吸盤式氣動機械手功能原理如圖 2.1 所示 圖 2.1 功能原理圖 真空吸盤工作原理： 真空的產生可以是由電動機、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統來提供，也可以由壓縮空氣通過真空發生器所產生的二次真空來提供。前者需要配置獨立的真空系統，而后者可以利用一般生產過程中已有的空氣壓縮系統。因此，特別在各種包裝作業過程中，利用二次真空方法顯得十分方便、經濟。 真空發生器的原理是：壓縮空氣通過收縮的噴嘴后，從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向 前流動，從而在接受室形成負壓，誘導二次真空。這樣的真空系統，尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優越性。用真空吸盤來抓取物體，可以根據物體的不同形狀來實現任意角度的傳遞。以下將從兩種特殊位置，即水平和垂直兩個方向，對真空吸盤的受力進行動態分析 。 （三）真空吸盤式氣動機械手工藝方案 設計一套真空吸盤式氣動機械手，它采用圓柱坐標型的運動形式，氣壓傳動，PLC系統控制。功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求。 主要技術參數：吸持力 2kg；自由度數為 3；運動形式為圓柱坐標；手臂伸縮 行程范圍 0-300mm，手臂升降行程范圍 0-200mm；手臂回轉行程范圍 0-180；定位方式為定位塊；控制方式為點位式、 PLC控制；驅動方式為氣壓傳動系統。 機械手的動作循環（工件平放）：真空吸盤吸取工件 -大臂上升 -大臂回轉 -手臂 6 延伸 -真空吸盤放下工件 -手臂收縮 -大臂反轉 -大臂下降。 （四）真空吸盤式氣動機械手方案設計 （ 1） 對于真空吸盤式氣動的機械手，其工件的運動只需較少的自由度就能完成。氣液聯合控制和電液聯合控制則使系統和結構上很復雜，故采取氣壓傳動方式。 （ 2） 本機械手是專用自動機械手，選擇智能控制方式中 的 PLC程序控制方式，這樣可以使機械手的結構更加緊湊和完美。 （ 3） 本機械手的執行系統是手部機構。手部機構形式多樣，但綜合其總體構型，可分為：氣吸式、電磁式和鉗爪式 3種。根據本組合機床加工工件的特征，選擇氣吸式（真空吸盤式）手部結構。 （ 4）常見的工業機械手根據手臂的動作形態 ,按坐標形式大致可以分為以下 4種 : 直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標 (極坐標 )型機械手、多關節型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊 ,定位精度較高 ,占地面積小，且根據本機械手坐標形式分析分析本機械手臂的運動形式及其組合情況，采 用圓柱坐標形式。因此方案確定機械手采用氣壓傳動方式， PLC控制，真空吸盤式手部結構，圓柱坐標形式。 三 真空元件的設計及參數計算 （一）真空吸盤吸持工件的動力學分析 在產品包裝、物體傳輸和機械裝配等自動作業線上 ,使用真空吸盤來抓取物體的案例越來越多。柔而有彈性的吸盤可以很方便地實現諸如工件的吸持、脫開、傳遞等搬運功能 ,并確保不損壞其作用之對象。而吸持力靠真空系統維持 ,真空的產生可以是由電動機、真空泵以及各種真空器件所組成的真空系統來提供，也可以由壓縮空氣通過真空發生器所產生的二次真空來提供。前者 需要配置獨力的真空系統 ,而后者可以利用一般生產過程中已有的空氣壓縮系統。因此 ,特別在各種包裝作業過程中 ,利用二次真空方法顯得十分方便、經濟。真空發生器的原理是 壓空氣通過收縮的噴騰后 ,從噴嘴噴射出的高速氣流卷吸周圍的靜止流體和它一起向前流動 ,從而在接受室形成負壓 ,誘導二次真空。這樣的真空系統 ,尤其對于不需要大流量真空的工況條件更顯出它的優越性。真空發生器的結構及參數設計 ,可以根據需的真空度設計出所需的真空發生器。用真空吸盤來抓取物體 ,可以根據物體的不同形狀實現任意角度的傳遞。 7 在此次 設計中，工件平放；故從水平方向對真空吸盤的受力分析進行動態分析。如圖 3.1所示為真空吸盤用于水平位置工作時的安裝方位。在圖 3.1吸盤水平安裝時 ,除了要吸持住工件負載外 ,還應該考慮吸盤移動時因工件的慣性力對吸力的影響。 圖 3.1 真空吸盤的安裝位置 （二）真空吸盤的選取 為了確保真空吸盤能完成給定的任務 ,需考慮一定的安全系數 ,根據理論和實踐經驗 ,真空吸盤的安全系數 N一般取 2.5，因此 ,許用提升重量 = 理論提升重量 /N=垂直提升力 /N 表 3.1 吸盤直徑、面積、垂直提升力參數表 吸盤垂直提升力（ N） 吸盤直徑 D(mm) 10 13 16 20 25 32 40 50 吸持面積（ cm） 0.785 1.33 2.01 3.14 4.91 8.04 12.6 19.6 吸盤垂直提升力（ N）（ -0.04MPa） 3.14 5.32 8.04 12.56 19.64 32.16 50.4 78.4 由上表可知，當工件重量為 2kg時，許用提升重量為 19.6N，欲使安全系數達到要求，只需滿足 2 . 5垂 直 提 升 力許 用 提 升 重 量 （ 3.1） 8 即可，由表 3.1 選取吸盤直徑為 40mm即可滿足 考慮到吸附物的可吸附尺寸（面），所選的吸盤直徑應設定為大于所需吸盤直徑（ D）因吸盤在吸附時會變形，吸盤的外徑將增加 10%左右。 因為真空壓力會使吸盤變形，所以吸附面積要比吸盤直徑小。變形度根據吸盤的材質，形狀，橡膠的硬度而有區別，因此，在計算得出吸盤直徑時需留出余量。安全系數中包括變形部分。 吸盤直徑雖表示吸盤的外徑，但利用真空壓力吸附物體時，因真空壓會使橡膠變形，吸附面積也會隨之縮小。縮小后的面積即稱為有效吸附 面積，此時的吸盤直徑即稱為有效吸盤直徑。 根據真空壓力，吸盤橡膠的厚度以及與吸附物的摩擦系數等不同，有效吸盤直徑也會有差異，一般情況可預估會縮小 10%。 綜合上述，所選吸盤參數為： 吸盤直徑 D=40mm， 吸盤吸持面積 A=12.6，吸盤個數 n=1，真空壓力 P=0.04MPa。 （三）真空發生器設計 真空發生器用于產生真空，結構簡單，體積小，無可動機械部件，安裝和使用都很方便，因此應用很廣泛，真空發生器產生的真空度可達到 88kpa，真空發生器的工作原理如圖 3.2 所示。它是由先收縮后擴張的拉瓦爾噴管 1、負 壓腔 2、和接收管 3等組成，有供氣口、排氣口和真空口，當供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出的超聲速射流。由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負壓腔內的氣體，使該腔形成很低的真空度，在真空口 A處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。 9 圖 3.2 真空發生器的結構原理圖 真空發生器的結構簡單，無可動機械部件，故使用壽命長。 真空發生器的耗氣量是指供給拉伐爾噴管的流量，它不但由噴嘴的直徑決定，還與供氣壓力有關。同意噴嘴直徑，其耗氣量隨供氣壓力的增加而增加，如圖 3.3所示。噴嘴直徑是選擇真空發生器的主要依據。噴起直 徑越大，抽吸流量和耗氣量就越大，真空度越低；噴嘴直徑越小，抽吸流量和耗氣量越小，真空度越高。 圖 3.3 真空發生器耗氣量與工作壓力的關系 圖 3.4 所示為真空度特性曲線。由圖可知，真空度存在最大值 Pzmax，當超過最大值后，即使增加供氣壓力，真空度不但沒有增加反而下降。實際使用時，建議真空度選為（ 63%-95%） Pzmax。 10 圖 3.4 真空發生器耗氣量與工作壓力的關系 在真空吸盤的選取時，已確定真空壓力為 0.04Mpa，由圖 3.3、 3.4 可得，該真空發生器耗氣量和真空度分別取 5L/min， -0.002Mpa。 （四）其他元器件的選用 一個完整的真空吸附系統還包括真空過濾器 、 供給閥 、 破壞閥等 ， 真空過濾器的選擇 ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空發生器的最大流量 24L/min， 滿足需求， 真空節流閥選擇 KLA 系列單向節流 KLA-L6，公稱通徑是 6mm，有效截流面大于 5mm2,泄露量小于 50cm3/min,單向閥開啟壓力為 0.05Mpa。 供給閥設置在壓力管路中，選擇一般的換向閥 AB31、 AB41系列多流體二位二通直動截止電磁換向閥，型號： AB310-1-6，公稱 通徑 5mm， AB接管螺紋 ZG1/8，有效截面面積 15.3mm2,有效截面面積大于真空發生器噴嘴兒面積的 4倍，供氣口得連接管內徑大于噴嘴直徑的 4倍，減少供給回路的壓力損失。 真空換向閥設置在真空回路中，必須選擇能用在真空條件下的換向閥，真空換向閥要求不泄露，故選擇用截止式和導膜片式結構比較理想，選擇 09270、 09550系列多種流體二位二通先導膜片式電磁閥，型號： 0927000，接管螺紋 1/4in,通徑 8mm,換向頻率大于 0.5HZ。 四 機械手控制系統設計 11 （一） 機械手電氣控制系統的概述 應用 PLC作為 電氣控制，可以簡化控制線路，降低故障率，實現機械手多種動作線路。一般機械手有手動和自動控制之分，手動控制主要用來硬件調試。自動控制中也分單步、單周期、周期循環等工作狀態。其控制要求為：按下啟動按鈕，檢測氣動機械手是否處于原位，如果不是，按下復位按鈕回到原位，如果是，則檢測氣動機械手處于何種工作狀態下，單步意味著每按下一次啟動按鈕，機械手執行一步動作；單周期指執行一次動作循環，最后回到初始位置；周期循環是機械手重復不斷的執行動作，直到按下復位或停止按鈕為止。 根據機械手的硬件結構， PLC輸入信號有：工作狀態選 擇開關輸入、啟動停止按鈕輸入、磁性接近開關信號輸入、手動開關輸入及程序選擇開關輸入共 22個輸入點；機械手的輸出信號有：驅動 4個氣缸的電磁閥線圈 4個，控制真空吸盤的電磁閥線圈 2個，原點指示燈 1個，共七個輸出點。選擇輸入點大于 22點，輸出大于 7點的 PLC。 機械手的定位系統采取定位塊定位，在設定位置裝置定位塊。并為了達到緩沖的目的，在滿足工作要求的前提下，設計盡量輕的零部件。比如將某些鑄鋼件改用鋁合金制造，或者將一些實心的零件做成空心的，以此來減輕總質量。采取 PLC程序控制，控制系統選擇三菱公司的 FX1S系列的 PLC控制器。另外機械手還可進行回零等，其有手動控制方式和全自動控制。 自動生產線機械手的主要參數 :吸持力 2kg；自由度數為 3；運動形式為圓柱坐標；手臂伸縮最大行程 300mm；手臂升降最大行程為 200mm；手臂回轉最大行程 180度，手臂升降速度為 150mm/s；大臂回轉角度范圍 0-90，大臂回轉速度為 135 /s；定位方式為定位塊；定位精度為；控制方式為點位式、 PLC控制；驅動方式為氣壓系統。 （二）機械手電氣控制程序 表 4.1機械手自動控制程序 步序號 指令 數據 步序號 指令 數據 步序號 指令 數 據 1 LD X400 17 AND T453 K1.5 2 ANI X401 18 ANI T454 31 OUT Y439 3 ANI T450 19 OUT Y435 32 OUT T550 4 OUT Y430 20 OUT T454 K2 5 OUT T450 K1.5 33 AND T550 K2 21 AND T454 34 ANI T551 12 6 AND T450 22 ANI T455 35 OUT Y530 7 ANI T451 23 OUT Y436 36 OUT T551 8 OUT Y432 24 OUT T455 K1.5 9 OUT T451 K2 37 AND X500 K0.5 25 AND T455 38 ANI T552 10 AND T451 26 ANI T456 39 OUT Y531 11 ANI T452 27 OUT Y437 40 OUT Y532 13 OUT Y433 28 OUT T456 41 OUT T552 14 OUT T452 K0.5 K3 K1.5 27 AND T456 15 OUT Y434 28 ANI T457 16 OUT T453 29 OUT Y438 K2 30 OUT T457 （三）機械手電氣控制系統圖 1 自動控制系統圖 13 圖 4.1 機械手自動控制系統圖 上圖為機械手自控控制系統圖，他的指令采用 FX1S的專用 PLC控制器控制，他的工作順序是按照上圖中大臂下降開始直至最后一次大臂回轉為完成一個完整的工作周期，每個工作段所用的時間在上圖均已標明，從系統啟動到結束程序，除非系統受到X500停車指令，否則系統均通過各個時間控制器來完成精確的控制。 2 手動控制系統圖 14 圖 4.2 機械手手動控制系統圖 上圖為本機械手在進行試運行和系統檢查以及手動控制完成所需動作而設計的手動控制系統，工作流程在上圖已經清晰標明 。 3 機械手自動方式狀態圖 機械手自動方式狀態圖如圖 4.3所示，其中 S2是自動方式的初始狀態。狀態轉移開始輔助繼電器 M8041，原點位置條件輔助繼電器 M8044的狀態都是在初始化程序中設定的，在自動系統程序運行中不再改變。 15 圖 4.3 機械手自動方式狀態圖 4 機械手獨立控制面板設計圖 機械手控制獨立控制面板如圖 4.4所示 16 圖 4.4 機械手控制面板 面板中的啟動和急停按鈕與 PLC的運行程序無關，這兩個按鈕是用來接通或斷開PLC外部負載的電源。本機械手由手動和自動兩種運行狀態的控制系統，所以應能根據所設置的運行方式自動進入，這就要求系統應能自動設定與各個運行方式相應的初始狀態，其相應的輸入設定按鈕在圖 4.4已經標定。 五 機械手氣壓傳動系統設計 （一）機械手的工作原理分析 真空吸盤式氣動機械手是自動化流水生產線中廣泛應用的工件搬運機械設備，它是流水線 作業中不可或缺的運輸單元。氣動機械手要求氣壓系統完成的主要動作是（工件平放）：吸持工件 -大臂上升 200mm-大臂回轉 180 -手臂延伸 300mm-放下工件 -手臂收縮 300mm-大臂反轉 180 -大臂下降 200mm。整個周期要完成所有動作必須由 3個氣壓缸協調動作才能做到 。 （二）氣壓傳動系統工作原理圖 圖 5.1 所示為該機械手的氣壓傳動系統工作原理圖 17 圖 5.1 機械手的氣壓傳動系統工作原理圖 1-氣源 2-空氣過濾器 5-單向閥 6、 9-兩位二通閥 7-先導型閥 8-三位四通電磁閥 10-節流閥 11-調速閥其余元件已在上圖說明。 （三）各缸運動過程分析 1、吸持工件 在整機啟動的情況下，氣體流經單向閥，然后 PLC 控制程序指令控制電磁鐵 3DT通電吸合，此時此二位四通電磁閥處于右位，氣體直接流進右腔，從而拉動滑槽杠桿式結構吸持工件。 2、大臂上升 PLC指令控制電磁鐵 4DT 通電吸合。氣體經單向閥 5，流經圖 5.1所示從左到右第二個三位四通電磁閥左位，然后流經節流閥和單向閥構成的調速閥，接著流向減壓閥和單向閥構 成的復合閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的下腔，從而推動機械手做上升運動。 3、大臂回轉 PLC 指令控制電磁鐵 6DT通電吸合。泵 3供油經單向閥 5，流經圖5.1所示從左到右第一個三位四通電磁閥左位，然后流經節流閥和單向閥構成的調速閥，然后直接流向大臂回轉氣壓缸，從而推動機械手大臂做左右擺動運動。 4、手臂延伸 PLC 指令控制電磁鐵 1DT通電吸合。泵 3供油經單向閥 5，流經圖4.1所示從左到右第三個三位四通電磁閥右位，然后流經節流閥和單向閥構成的調速閥，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動機械手手臂做伸縮運動。 18 5、放松工件 氣體流經單向閥，然后 PLC 控制程序指令控制電磁鐵 3DT斷電跳開，此時此二位四通電磁閥處于左位，氣體直接流左腔，從而放松工件。 6、手臂收縮 PLC 指令控制電磁鐵 2DT通電吸合氣體經單向閥 5，流經圖 5.1所示從左到右第三個三位四通電磁閥左位，然后直接流向手臂伸縮氣壓缸，從而推動機械手手臂做收縮運動。 7、大臂回轉 PLC 指令控制電磁鐵 7DT通電吸合。氣體經單向閥 5，流經圖 5.1所示從左到右第一個三位四通電磁閥左位，接著氣體流經節流閥和單向閥構成的調速閥，然后直接流向大臂回轉氣壓缸，從而推 動機械手大臂做左右擺動運動。 8、大臂下降 PLC 指令控制電磁鐵 5DT通電吸合。氣體經單向閥 5，流經圖 5.1所示從左到右第二個三位四通電磁閥左位，然后流經節流閥和單向閥構成的調速閥，然后直接流向大臂升降氣壓缸的上腔，從而推動機械手做下降運動。 至此就完成整個機械手的循環運動，如果此時接到停止的指令，則 10DT和 11DT同時通電，電磁鐵將電磁換向閥到上位，此時氣壓系統卸壓，同時上面的各個電磁鐵同時斷電回到默認位置，完成卸荷。電磁鐵動作順序表如下： 19 六 機械手臂部的設計及參數計算 手臂部件是 機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3個運動：伸縮、翻轉和升降。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部應該具備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到 機械手的工作性能。 由于本設計需要，手部、腕部無需設計，只需設計手臂即可。 （一） 臂部設計的基本要求 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕：根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離；合理布置作用力的位置和方向；注意簡化結構；提高配合精度。 臂部運動速度要高，慣性要小：機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在 10001500mm/s,最大回轉角速度設計在 180 /s內，大部分平均移動速度為 1000mm/s，平均回轉角速度在 90 /s。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。 手臂動作應該靈活：為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發生機構卡死（自鎖現象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 總結：以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 （二）手臂的典型機構以及結構的選擇 20 1 手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： （ 1） 雙導桿手臂伸縮機構。 （ 2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層氣壓缸空心結構。 （ 3） 雙活塞桿氣壓缸結構。 （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機構。 2 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用氣壓驅動 ,氣壓缸選取雙作用氣壓缸。 （三）手臂直線運動的驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構 ，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的氣壓缸的驅動力根據氣壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定氣壓缸所需要的驅動力。氣壓壓缸活塞的驅動力的計算。 F F F F F 回摩 密 慣 （ 6.1） 摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。下圖是機械手 的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮缸兩側。 21 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 0 BM bG L aF總 得 b GLF a 總 0YF baG F F總 得 a LaFG a 總 （ 6.2） a b a bF F F F F 摩 摩摩 （ 6.3） 2 LaFG a 總摩 （ 6.4） 式中 G總 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； L 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（ mm） a 導向支撐的長度（ mm） ； 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： uuu 57.127.124 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 u=0.1 0.15 鋼對鑄鐵：取 u=0.18 0.3 計算： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 0 . 2 0 1 . 5 0 . 3 ， 400N總G，L=0.8-0.2=0.6m,導向支撐 a設計為 0.1m 將有關數據代入進行計算 1 5 6 0 N0 . 1 0 . 10 . 62400a2LGF 總摩 22 手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是 min/15 m ,在計算慣性力的時候 ,設置啟動時間0.2ts ，啟動速度 V=V=0.083mS , GvFgt總慣 （ 6.5） GvFgt總慣 N94.162.08.9083.0400 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 O 型密封，當氣壓缸工作壓力小于 10Mpa。氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： 0.03FF封。 經過以上分析計算最后計算出氣壓缸的驅動力： = 0 . 0 3 = 1 7 0 0F F F F N摩 慣 （四）氣 壓缸工作壓力和結構的確定 經過上面的計算，確定了氣壓缸的驅動力 F=1700N，選擇氣壓缸的工作壓力P=0.04MPa （ 1） 確定氣壓缸的結構尺寸： 氣壓缸內徑的計算，如圖 6.2所示 圖 6.2 雙作用氣壓缸示意圖 當氣進入無桿腔， 21 4DF F p 當氣進入有桿腔中， 23 222 4DdF F p 氣壓缸的有效面積： 1FS p 故 114 1 . 1 3FFDpp （無桿腔） (6.6) 214 FDdp （有桿腔） (6.7) F=1625.7N， 1p = 62 10 pa ，選擇機械效率 0.95 將有關數據代入： mpFD 02925.010295.07.162513.1461 選擇標準氣壓缸內徑系列及機械的工作范圍冗余設計，選擇 D=40mm. （ 2） 氣壓缸外徑的設計 根據裝配等因素，考慮到氣壓缸的臂厚在 7mm，所以該氣壓缸的外徑為 54mm. （ 3） 活塞桿的計 算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或氣壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長 L大于直徑 d的 15倍以上，按拉、壓強度計算： 24Fd （ 6.8） 設計中活塞桿取材料為 45 剛，故 1 0 0 1 2 0 M pa ，活塞直徑 d=20mm,現在進行校核。 6221010013.2602.047.16254 M P adF 結論： 活塞桿的強度足夠。 （五）氣壓缸的尺寸參數的確定 根據夾緊力和驅動力的計算，初步確定了氣壓缸的內徑為 40mm，行程為 500mm；下面要確定氣壓缸的缸筒長度 L。 缸筒長度 L 由最大工作行程長度加上各種結構需要 24 來確定，即： L=l+B+A+M+C （ 6.9） 式中： l 為活塞的最大工作行程； B 為活塞寬度，一般為 (0.6-1)D；A 為活塞桿導向長度，取 (0.6-1.5)D；M 為活塞桿密封長度，由密封方式定； C 為其他長度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長度作為緩沖，以免在運動過程中損傷到缸體，所以 C 取 60mm。一般缸筒的長度最好不超過內徑的 20 倍。另外，氣壓缸的結構尺寸還有最小導向長度 H。 所以： L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm 氣壓缸缸底厚度計算，本氣壓缸選用平行缸底，且缸底無氣孔時 ypDh 433.0，其中 h為缸底厚度； D 為氣壓缸內徑；yp為實驗壓力； 為缸底材料的許用應力，氣壓缸選用缸體材料為 45號鋼， MPa100 。 mpDh y 366 101.110100105.2016.0433.0433.0 ， 所以選取厚度 mmh 7 。 七 齒輪齒條機構 齒輪齒條在傳動過程中會有自己所獨有的運動特點 :齒輪傳動用來傳遞任意兩軸間的運動和動力，其圓周速度可達到 300m/s，傳遞 功率可達 105KW，齒輪直徑可從不到 1mm到 150m以上，是現代機械中應用最廣的一種機械傳動。 齒輪齒條傳動與帶傳動相比主要有以下優點： （ 1）傳遞動力大、效齒輪傳動的特點。齒輪傳動用來傳遞任意兩軸間的運動和動力，其圓周速度可達到 300m/s，傳遞功率可達 105KW，齒輪直徑可從不到 1mm到 150m以上，是現代機械中應用最廣的一種機械傳動。 （ 2） 壽命長，工作平穩，可靠性高； （ 3） 能保證恒定的傳動比，能傳遞任意夾角兩軸間的運動。 齒輪傳動與帶傳動相比主要缺點有： （ 1）制 造、安裝精度要求較高，因而成本也較高； （ 2）不宜作遠距離傳動。 25 由于齒輪齒條傳動，因此傳動比為 1。機身重量不大，選取輸入功率為 0.8Kw，轉速為 12r/min。齒輪齒條參數設計如下： （ 1） 材料選擇 由機械設計（第八版）表 10-1 選擇齒輪材料為 Q235， 齒 齒面硬度為 240HBS；齒條材料味 Q235， 齒條 齒面硬度為 280HBS，。 1） 齒輪齒數 1 20z ，齒條 齒數 2 1 2 0 2 0z 按齒面接觸強度設計由設計計算公式進行試算 ，即 31 3 21 ( ) 2t H Et dHK T u Z Zd u （ 7.1） (2) 確定公式內的各計算數值 1） 試選載荷系數 1.6tK 2） 計算齒輪的轉矩 9 5 . 5 1 0 5 9 5 . 5 1 0 5 0 . 8 63666612PT N m mn 3)選齒寬系數 0.8d 4)由機械設計（第八版）圖 10-30選取區域系數 2.433HZ 5)由機械 設計（第八版）圖 10-26查得 1 0.78 ， 2 0.89 ，則 12 1 .6 7 6)由機械設計（第八版）表 10-6查得材料的彈性影響系數 1 8 9 . 8 0 . 5EZ M P a 7） 由機械設計（第八版）圖 10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 lim 1 600H M P a ，大齒輪的接觸疲勞強度極限 lim 2 550H M P a 由機 械設計（第八版）圖 10-19取接觸疲勞壽命系數120 . 9 2 , 0 . 8 8H N H NKK 8）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數 S=1，得 1 l i m 11 0 . 9 2 6 0 0 5 5 2H N HH K M P aS 2 l i m 22 0 . 8 8 5 5 0 4 8 4H N HH K M P aS （ 3）計算 1）試算齒輪分度圓直徑 1td ，由計算公式得 26 1 3 21 ( ) 2t H Et dHK T u Z Zd u 3 2 1 . 6 6 3 6 6 6 6 2 2 . 4 3 3 1 8 9 . 8( ) 2 6 4 . 81 1 . 6 7 1 5 1 8 mm 2)計算圓周速度 v 13 6 4 . 8 1 2 0 . 0 4 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0tdnv m s 3)計算齒寬 b及模數 ntm 1 1 6 4 . 8 6 4 . 8dtb d m m 116 4 . 8 3 . 2 420tnt dm m mZ 2 . 2 5 2 . 2 5 3 . 2 4 7 . 2 9nth m m m 6 4 .8 8 .8 97 .2 9bh 4)計算載荷系數 根據 0.04 /v m s ， 8級精度，由機械設計（第八版）圖 10-8查得動載系數 1.02vK 由機械設計（第八版）表 10-3查得 1 .4HFKK 由機械設計（第八版）表 10-2查得使用系數 1AK 由機械設計（第八版）表 10-13查得 1.35FK 由機械設計（第八版）表 10-4查得 1.452HK 接觸強度載荷系數 1 1 . 0 2 1 . 4 1 . 4 5 2 2 . 0 7A v H HK K K K K 5）按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直 徑，得 11 2 . 0 73 36 4 . 8 6 9 . 41 . 6t tKd d m mK 6)計算模數 nm 116 9 . 4 3 . 4 720n dm m mZ 27 7)按齒根彎曲強度設計 由式 21 a a3nd 1 a2 c o smzFSFK T Y Y Y (7.2) （ 4）確定計算參數 1)確定載荷系數 1 1 . 0 2 1 . 4