1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要機械手在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。可以實現(xiàn)生產(chǎn)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，因此被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。本文在縱觀了近年來機械手發(fā)展狀況的基礎(chǔ)上，結(jié)合機械手方面的設(shè)計，對機械手技術(shù)進行了系統(tǒng)的分析，提出了用氣動驅(qū)動和plc控制的設(shè)計方案。采用整體化的設(shè)計思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點并進行互補優(yōu)化。對玻璃搬運機械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。在其驅(qū)動系統(tǒng)中采用氣壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)中選擇plc的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機械手

2、的移動、故障報警等功能。最后提出了一種簡單、易于實現(xiàn)、理論意義明確的控制策略。通過以上部分的工作，得出了經(jīng)濟型、實用型、高可靠型玻璃搬運機械手的設(shè)計方案，對其他經(jīng)濟型plc控制系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒價值。關(guān)鍵詞: 機械手；氣動控制；可編程控制器（plc）； 自動化控制abstractmanipulator plays an extremely important role in the field of advanced manufacturing. it can carry goods, sort materials and do heavy works instead of the hu

3、man being. it also can realize mechanization and automation of the production, do the jobs in harmful environment to protect the personal safety. so it is widely used in metallurgy, machinery manufacturing, electronics, light industry and atomic energy etc.in this paper,by reviewing the developmenta

4、l status of the manipulator in recent years, combining the design of manipulator and systematic analyzing technology of the manipulator, we proposed the design scheme that the manipulator was driven by the pneumatic and the system was controlled by plc. integrative idea was adopted in this design to

5、 fully consider the characteristics of the software and hardware and complementary optimization. we analyzed and designed the overall structure, the implementation of structural, driving system and control system of the manipulator. we used pneumatic-driven in the driving system, plc control unit in

6、 the control system to complete initialization of the system, manipulators moving, failure alarm and so on. finally we put forward a control strategy which is simple, easy to realize, and clear theoretical significance. through the work above, a practical, economical, high-reliability sorting materi

7、al manipulator was designed, which also had certain reference value for the other types of economical plc control system design. key words: manipulator ；pneumatic-driven； programmable logic controller (plc)； automatic control 目錄第1章 緒論11.1 研究的目的及意義11.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3主要研究的內(nèi)容21.4 解決的關(guān)鍵問題3第2章執(zhí)行系統(tǒng)的分析

8、與選擇42.1執(zhí)行機構(gòu)坐標形式的選擇42.2執(zhí)行機構(gòu)的組成62.3執(zhí)行機構(gòu)各部分的分析與選擇62.3.1 手部的選擇及計算62.3.2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇72.3.3 縱向直動氣缸的設(shè)計計算與校核82.3.4 橫向氣缸的設(shè)計計算與校核132.3.5 機身回轉(zhuǎn)力矩的計算172.3.6 回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動力矩計算182.3.7 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?92.3.8 靜片和輸出軸間的連接螺釘202.3.9 矩形導軌的彎曲強度及撓度的校核212.3.10機座結(jié)構(gòu)的選擇222.3.11機身部位軸承選擇與校核232.4 執(zhí)行機構(gòu)的工作原理23第3章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇243.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇243.2 機

9、械手驅(qū)動系統(tǒng)的控制設(shè)計253.3 氣動元件選取及工作原理263.3.1 氣源裝置263.3.2 執(zhí)行元件273.3.3 控制元件283.3.4 輔助元件293.3.5 真空發(fā)生器293.3.6 吸盤303.4 氣動回路的工作原理30第4章 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計334.1 控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)334.2 控制系統(tǒng)的性能要求334.3 傳感器的選擇344.3.1 位置檢測裝置344.3.2 滑覺傳感器344.4 控制系統(tǒng)plc的選型及控制原理354.4.1 plc控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則354.4.2 plc種類及型號選擇394.4.3 i/o點數(shù)分配394.4.4 plc外部接線圖414.4.5 機械

10、手控制原理424.5 plc程序設(shè)計434.5.1 總體程序框圖434.5.2 初始化及報警程序454.5.3 手動控制程序474.5.4 自動控制程序48總 結(jié)51參考文獻52致 謝53附錄：英文及翻譯54 iv第1章 緒論1.1研究的目的及意義 機械手作為前沿的產(chǎn)品應自動化設(shè)備更新時的需要，可以大量代替單調(diào)往復或高精度需求的工作，在先進制造領(lǐng)域中扮演著極其重要的角色。它可以搬運貨物、分揀物品、代替人的繁重勞動。可以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在高溫、腐蝕及有毒氣體等環(huán)境下操作以保護人身安全，可以廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，機械手作為前沿的產(chǎn)品

11、應自動化設(shè)備更新時的需要，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。它可以搬運貨物、分揀物品、用以代替人的繁重及單調(diào)勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化；并能在高溫、腐蝕及有毒氣體等有害環(huán)境下操作以保護人身安全，被廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等部門。可編程控制器(plc)是以中央處理器為核心，綜合了計算機和自動控制等先進技術(shù)，具有可靠性高、功能完善、組合靈活、編程簡單、功耗低等優(yōu)點，已成為目前在機械手控制系統(tǒng)中使用最多的控制方式。使用plc的自動控制系統(tǒng)具有體積小，可靠高，故障率低，動作精度高等優(yōu)點。適應工業(yè)需要，本課題試圖開發(fā)plc對玻璃搬運機械手的控制，并借助必要的精密傳感器，使其能夠

12、按預定的程序進行搬運，動作靈活多樣，適用于中小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性生產(chǎn)線。采用plc控制，是一種預先設(shè)定的程序進行玻璃搬運的自動化裝置，可部分代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行單調(diào)持久的作業(yè)，并且在產(chǎn)品變化或臨時需要對機械手進行新的分配任務(wù)時，可以允許方便的改動或重新設(shè)計其新部件，而對于位置改變時，只要重新編程，并能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費用。本設(shè)計主要完成機械手的硬件部分與軟件部分設(shè)計。主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。1.2 機械手在國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。機械手延伸和擴大了人的手足和大腦功能，它可替代人

13、從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(fms)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領(lǐng)域日益擴大。 目前，國際上的機械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、otc、松下、fanluc、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的kuka、cloos及瑞典的abb公司。我國機械手起步于20世紀70年代初

14、期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應用化期。在我國，機械手市場份額大部分被國外機械手企業(yè)占據(jù)著。在國際強手面前，國內(nèi)的機械手企業(yè)面臨著相當大的競爭壓力。如今我國正從一個“制造大國”向“制造強國”邁進，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，對我國工業(yè)自動化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會加大對機器人的資金投入和政策支持，將會給機械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。隨著機械手發(fā)展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，機械手已在眾多領(lǐng)域得到了應用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)用于維護維修的機器人等。在國

15、防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)等領(lǐng)域機械手的應用也越來越多。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應用在機械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機械手的應用更為高效，高質(zhì)，運行成本低。據(jù)猜測，今后機器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災、海洋開發(fā)、機器維修、交通運輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應用。1.3主要研究的內(nèi)容隨著機械手技術(shù)的飛速發(fā)展和機械手應用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其成本低、可開發(fā)經(jīng)濟性強。本論文主要研究玻璃搬運機械手以下幾個方面的內(nèi)容：(1) 玻璃搬運機械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成，是機械手賴

16、以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計主要是對機械手的手部、手臂和機座進行設(shè)計。(2) 玻璃搬運機械手驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。通過對液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動方式的比較，本設(shè)計選擇氣壓驅(qū)動的方式。內(nèi)容包括氣動元件的選擇及其工作原理、氣動回路的設(shè)計和氣動原理圖的繪制。(3) 玻璃搬運機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進行工作。本機械手采用可編程控制器（plc）對機械手進行控制，主要包括對plc的型號選擇、傳感器類型進行選擇、i/

17、o口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。1.4 解決的關(guān)鍵問題1 解決機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，要求機械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、具有一定的代表性。2 執(zhí)行部件的運動精度的問題。3 機械手的控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的電路和控制程序，并解決工件和控制 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。4 元件的匹配規(guī)則和知識的獲取及其表達形式。5 傳感器的類型選擇。第2章 執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇2.1 執(zhí)行機構(gòu)坐標形式的選擇機械手的基本型式較多，按手臂的坐標型式而言，主要有四種基本型式：直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)節(jié)式。下面就各型式機械手作簡單的分析對比：1、直角坐標式機械手直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列

18、或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮、左右和上下移動，按直角坐標形式x、y、z三個方向的直線進行運動。其工作范圍可以是一個直線運動；兩個直線運動或三個直線運動。如在x、y、z三個直線運動方向上個具有a、b、c三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。直角坐標式機械手的優(yōu)點：（1） 產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求； （2） 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合；（3） 適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易變更；（4） 定位精度高，載重發(fā)生變化是不回影響精度；（5） 易于實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。缺點：機械手的作業(yè)范圍較小。2、圓柱坐標式機械手圓柱坐標式機械手是應用最多

19、的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標式機械手的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。圓柱坐標式機械手有五個基本動作：（1） 手臂水平回轉(zhuǎn)；（2） 手臂伸縮；（3） 手臂上下；（4） 手臂回轉(zhuǎn)動作；（5） 手爪夾緊動作。 圓柱式機械手的特點是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。3、球坐標式機械手球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；

20、二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標式機械手可實現(xiàn)八個動作：（1） 手臂上下動作，即俯仰動作；（2） 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；（3） 手臂前后動作，即伸縮動作；（4） 手腕上下彎曲；（5） 手腕左右擺動；（6） 手腕旋轉(zhuǎn)運動；（7） 手爪夾緊動作；（8） 機械手的整體移動。球坐標式機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀上下俯仰動作，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人的手類似。它的特點能能自動選擇最合理的動作路線。所以工作效率高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。4、關(guān)節(jié)式機械手關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作傳動型式。它

21、像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄的空間工作。關(guān)節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應用，有一定的發(fā)展前途。關(guān)節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動。它還具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作的機能。為具有近似人手的操作機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。機械手型式的選擇首先是從滿足它的運動要求方面進行考慮， 然后從機械手的復雜程度以及經(jīng)濟情況等方面來考慮。本設(shè)計中的機械手主要動作為機械手手臂的左右移動，升降移動和機械手的整體旋轉(zhuǎn)。直角坐標式機械手雖然具備手臂的伸縮上下、左右直線運動等動作，但是不具備機械手整體旋轉(zhuǎn)動作，所以不考慮

22、用直角坐標式機械手。球坐標式機械手和關(guān)節(jié)式機械手對動作要求方面足夠滿足要求，但是它們的結(jié)構(gòu)都比較復雜，有很多動作是不必要的，顯得浪費和增加了制造的成本和難度。圓柱坐標式機械手能滿足手臂伸縮、手臂上下、手臂回轉(zhuǎn)動等動作。可以將手臂回轉(zhuǎn)動作改換成機械手的整體轉(zhuǎn)動就可以滿足本設(shè)計中機械手的動作要求。這樣的修改并沒有改變機械手的總體結(jié)構(gòu)，只是進行了局部變動，使得整個系統(tǒng)經(jīng)濟、實惠，所以確定用圓柱坐標式機械手。2.2 執(zhí)行機構(gòu)的組成工業(yè)機械手的執(zhí)行系統(tǒng)主要以下機械部分組成：（1） 手部 是機械手直接握持工件或工具的部分。（2） 臂部 是機械手用來支持腕部與手部實現(xiàn)較大的運動范圍的部件。（3） 立柱 支承

23、手臂并帶動它升降、擺動和移動的機構(gòu)。（4） 機座 是機械手用來支撐臂部，并安裝驅(qū)動裝置及其他裝置的部分。2.3 執(zhí)行機構(gòu)各部分的分析與選擇2.3.1 手部的選擇及計算1 手部形式的確定手部就是用來握持工件或工具的部分。由于被握持的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，手部機構(gòu)也是多種多樣。常用的手部結(jié)構(gòu)按其握持原理可以分為如下兩類:1）夾持式夾持式手部的結(jié)構(gòu)與人手類似，是工業(yè)機械廣泛應用的一種手部形式。它主要由手指、傳動機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)組成。其又可分為內(nèi)撐式、外夾式和內(nèi)外夾持式，區(qū)別在于夾持工件的部位不同，手爪動作方向相反。夾持式手部設(shè)計時應注意以下事項：（1） 手指應有一定的開閉范圍。

24、（2） 手指應具有適當?shù)膴A緊力。（3） 要保證工件在手指內(nèi)的定位精度。（4） 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。（5） 通用性和可換性。 2）氣吸式氣吸式手部又稱為真空吸盤式手部，它是通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生真空或負壓，利用壓差而將工件吸附，是工業(yè)機械手常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不易損傷工件、使用方便可靠等優(yōu)點；但要求工件上與吸盤接觸的部位光滑平整、清潔、被吸附工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。主要適應于板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張及塑料等表面光滑工件的抓取。氣吸式又可分為：負壓吸盤：真空式、噴氣式、自擠式空氣吸盤。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。

25、真空式吸附型它是利用真空泵抽出吸附頭的空氣而形成真空，故稱真空式。噴氣式吸附的工作原理是當壓縮空氣高速進入噴嘴時，由于管路的開始段截面積是逐漸收縮的，所以氣流速度逐漸增大，在管路的最小截面處，氣流速度達到臨界速度，此時的氣體受壓，密度加大。在排氣管路中因界面逐漸增大，氣流膨脹減壓而使密度大大下降，致使氣流速度繼續(xù)增高，在吸氣口處形成負壓。吸附頭與吸氣口連同，故形成真空，以吸住工件。自擠式空氣吸盤的工作原理是將軟質(zhì)吸盤按壓在工件的表面，擠出吸盤內(nèi)的空氣、從而造成真空、吸住工件。磁吸式手是利用工件的導磁性，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件。磁吸式手部不會破壞被吸附表面質(zhì)量，但是由

26、于被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑，影響正常工作。通過以上對手部的分析真空式具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、不損傷工件、使用方便、不影響機械手的正常工作等優(yōu)點。而且滿足所設(shè)計機械手的要求，所以選用真空式吸盤。2.3.2 手臂結(jié)構(gòu)的選擇手臂是機械手的主要部分，是支撐手腕、手指和工件并使它們運動的機構(gòu)。手臂一般有三個運動伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。手臂的基本動作是將手部移動到所需的位置和承受抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量。1 手臂的組成：(1) 動作元件，如油缸、汽缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運動的部件。(2) 導向裝置，是保證手臂的正確方向及承受由工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。(3) 手臂，起著連接

27、和承受外力的作用。 2手臂設(shè)計的要求：(1) 手臂承載能力大、剛性好、自重輕。(2) 手臂的運動速度要適當，慣性要小。(3) 手臂的動作要靈活。(4) 位置精度要高。(5) 通用性要強。3手臂的結(jié)構(gòu)手臂的伸縮和升降運動一般采用直線油（氣）缸驅(qū)動。手臂作直線運動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機構(gòu)和導向裝置所組成。驅(qū)動機構(gòu)一般用油缸、油馬達加齒輪、齒條來實現(xiàn)直線運動。往復直線油（氣）缸可以分為以下幾種。雙作用單活塞桿油缸:液壓機械手中實現(xiàn)手臂的往復運動用得最多的是雙作用單活塞桿油缸。活塞在油壓下作雙向運動。機構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞桿運動；也可以是活塞桿固定，而缸體運動。雙作用雙活塞桿油缸：當需要很大的

28、行程時，將油缸做的很長、體積很大，則加工上有困難。如做成伸縮式雙活塞桿油缸，既能滿足行程要求，油缸的體積又小。其缺點是一次行程有兩種速度。絲桿螺母機構(gòu)：該機構(gòu)傳動的特點是易于自鎖，但傳動效率低。如采用滾珠絲杠，效率可以提高，但因其較長，制造比較困難。本機械手的手臂有往復的直線運動，不需要很大的行程，考慮到結(jié)構(gòu)的簡單性和設(shè)計的經(jīng)濟性，選用缸體固定活塞桿運動的雙作用單活塞桿氣缸。2.3.3 縱向直動氣缸的設(shè)計計算與校核1. 真空吸盤的計算吸盤對于工件上的吸力是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、作用點進行分析、計算。一般來說，吸力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的

29、加緊狀態(tài)。吸盤對工件的吸力可按下列公式計算： (2-1)式中：安全系數(shù)，由機械手的工藝及設(shè)計要求確定,通常取1.22.0，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；方位系數(shù)，根據(jù)吸盤與工件形狀以及吸盤與工件位置不同進行選定，吸盤與工件位置：吸盤垂直放置 工件垂直放置；根據(jù)經(jīng)驗被抓取工件的重量為5kg求得吸力，取整為295n。 2 縱向直動氣缸的設(shè)計計算與校核（1） 氣缸內(nèi)徑的確定表2.1 氣缸內(nèi)徑計算公式 項目計 算 公 式缸徑雙作用氣缸推力fd=1.23d=（1.231.6）拉力d=1.27

30、d=（1.231.65） d=1.27=1.27=43.98mm （2-2）f氣缸的輸出拉力 n；p 氣缸的工作壓力pa按照gb/t2348-1993標準進行圓整，取d=50mm氣缸缸徑尺寸系列 表2.2 氣缸內(nèi)徑 mm8101262053240506380（90）100（110）25（140）60（180）200（220）250320400500630（2）活塞桿直徑的確定由d=0.525d 估取活塞桿直徑 d=26.28mm，查表得d=28mm 表2.3 活塞桿直徑系列 mm4568101214161820222528323645566370837080901001101251401601

31、80200220250280320360400缸筒長度的確定缸筒長度s=l+b+30 （2-3）l為活塞行程；b為活塞厚度活塞厚度b=0.750=35mm由于氣缸的行程l=310mm ,所以s=l+b+30=375mm（3）氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動技術(shù)手冊可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算： ( 2-4 )式中 缸筒壁厚（m）；d缸筒內(nèi)徑（m）；p缸筒承受的最大工作壓力（mpa）；缸筒材料的許用應力（mpa）；實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核我們的缸體的材料選擇45鋼，

32、=600 mpa， =120 mpan為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(pa)p缸筒承受的最大工作壓力（mpa）。當工作壓力p16 mpa時，p=1.5p；當工作壓力p16 mpa時，p=1.25p由此可知工作壓力0.6 mpa小于16 mpa，p=1.5p=1.50.6=0.9 mpa =2.5參照下表查得氣缸筒的壁厚圓整取=7mm表2.4 氣缸筒的壁厚 mm材 料氣缸直徑5080100125160200250320壁厚鑄鐵ht15-33781012141616鋼a3，45578991112鋁合金zl381212141417（4）氣缸耗氣量的計算q = （2-5）（5）氣缸進

33、排氣口直徑d0v空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s （2-6）由公式 d0 = （2-7）代入數(shù)據(jù)得 d0 = =7.33mm （2-8）表2.5 氣缸進排氣口直徑 mm氣缸內(nèi)徑d進排氣口直徑40850 631080 100 12515140 160 18020所以取氣缸排氣口直徑為8mmq 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（/s）v-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025）(6) 活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度l10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機械設(shè)計手冊單行本 由氣動技術(shù)手冊穩(wěn)定性校核：由公式 （2-

34、9）式中 活塞桿承受的最大軸向壓力（n）；=123n 縱向彎曲極限力（n）； 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2k活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿k=d/4代入數(shù)據(jù) k =28/4=7mm由于細長桿比 85 即 = （2-10）實心圓桿： j = 式中 l 氣缸的安裝長度 ；m 末端系數(shù)；選擇固定自由 m = 1/4e 材料彈性模量，鋼材 e = 2.1 1011 pa ；j 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d 活塞桿的直徑（m）；l 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為375mm代入數(shù)據(jù)得 =2.685 n因為= 1.34 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件； （2-11）強度校核：由公式 d （

35、2-12），n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(pa)45鋼的抗拉強度，=600 mpa ，=12 mpa則 = 4.16 mm d ，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。（7）活塞桿導向套：做成一個套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料。（8）活塞與缸體得密封：采用o型密封圈密封。選用36.5內(nèi)徑，截面直徑為3.55mm2.3.4 橫向氣缸的設(shè)計計算與校核橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。估算縱向氣缸的重量=7.9=7.68 kg （2-13）活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 kg （2-1

36、4）活塞及缸蓋重量=8 kg所以橫行氣缸的總載荷為: =(7.68+3.72+8+5)=41.8n （2-15） （2-16）1. 氣缸內(nèi)徑的確定由表2-2計算并選擇得出：d=1.27mm （2-17）f氣缸的輸出拉力 n；p 氣缸的工作壓力pa按照gb/t2348-1993標準進行圓整，取d=32 mm2.活塞桿直徑的確定由d=0.3d 由表2-3估取活塞桿直徑 d=10mm3.缸筒長度的確定缸筒長度s=l+b+20l為活塞行程；b為活塞厚度活塞厚度b=(0.61.0)d=0.732=23mm由于氣缸的行程l=800mm ,所以s=l+b+20=843mm導向套滑動面長度a:一般導向套滑動面

37、長度a，在d80mm時, 可取a=(0.61.0)d。所以a=20mm最小導向長度h：根據(jù)經(jīng)驗，當氣缸的最大行程為l，缸筒直徑為d，最小導向長度為：h代入數(shù)據(jù) 即最小導向長度h =56 mm活塞桿的長度l=l+b+a+40=800+23+20+60=903 mm4.氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動技術(shù)手冊可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：式中 缸筒壁厚（m）；d缸筒內(nèi)徑（m）；p缸筒承受的最大工作壓力（mpa）；缸筒材料的許用應力（mpa）；實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺碼。參考氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核,我們的

38、缸體的材料選擇45鋼，=600 mpa， =120 mpan為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(pa)p缸筒承受的最大工作壓力（mpa）。當工作壓力p16 mpa時，p=1.5p；當工作壓力p16 mpa時，p=1.25p由此可知工作壓力0.6 mpa小于16 mpa，p=1.5p=1.50.6=0.9 mpa參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取mm5.氣缸耗氣量的計算q =6.氣缸進排氣口直徑d0v空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s 由公式 d0 = 代入數(shù)據(jù)得 d0 = =5.643mm所以取氣缸排氣口直徑為8mmq工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（/s

39、）v-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=1025）7.活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度l10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機械設(shè)計手冊單行本 由氣動技術(shù)手冊穩(wěn)定性校核：由公式 式中 活塞桿承受的最大軸向壓力（n）； 縱向彎曲極限力（n）； 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2k活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿k=d/4代入數(shù)據(jù) k =10/4=2.5mm由于細長桿比 85 即 = 實心圓桿： j = 式中 l 氣缸的安裝長度 ；m 末端系數(shù)；選擇固定自由 m = 1/4e 材料彈性模量，鋼材 e = 2.1 1011 pa ；j 活

40、塞桿橫截面慣性矩（m4）；d 活塞桿的直徑（m）；l 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為375mm代入數(shù)據(jù)得 =3.11 n因為 = 1.55 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件； 強度校核：由公式 d ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(pa)45鋼的抗拉強度，=600 mpa ，=12 mpa則 =1.92 mm d ，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。8.活塞桿導向套：做成一個套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料。9.活塞與缸體得密封：采用o型密封圈密封。選用36.5內(nèi)徑，截面直徑為3.55mm2.3.5機身回轉(zhuǎn)力矩的計算機身回轉(zhuǎn)時，需

41、要克服的阻力有：1.機身回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 （2-18） 式中 ，軸承處支反力（n），可由靜力平衡方程求得; ,軸承的直徑（m）； 軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。為簡化計算，取，其中，為工件重量，為手部重量，為機身轉(zhuǎn)動件重量。2.克服由于工件重心偏置所需的力矩 （2-19）式中 e工件重心到機身回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離，已知e=426mm.則 3.克服啟動慣性所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據(jù)機身回轉(zhuǎn)的角速度及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度按下式計算： （2-20）式中 工件對機身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量； 機身回轉(zhuǎn)部分對機身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量； 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度；

42、 啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。回轉(zhuǎn)氣壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為69mm，直徑189mm，其重力估算： ,取98n. （2-21）等效圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量： （2-22）工件的轉(zhuǎn)動慣量： （2-23）要求工件在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度, 取平均角速度，即=，代入得： （2-24） （2-25） 解可得： =0.80832.3.6回轉(zhuǎn)氣壓缸所驅(qū)動力矩計算回轉(zhuǎn)氣壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩定片1與缸體2固連，動片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當a, b口分別進出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達到機身回轉(zhuǎn)的目的。作用在動片上的合成氣壓力矩即驅(qū)動力矩。 或 （2-26）式中 機身

43、回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩 回轉(zhuǎn)氣壓缸的工作壓力（pa） 缸體內(nèi)孔半徑（m） 輸出軸半徑（m），設(shè)計時按選取 動片寬度（m）上述動力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。2.3.7氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎惚?.6 螺釘間距t與壓力p之間的關(guān)系工作壓力p（mpa）螺釘?shù)拈g距t(mm)小于150小于120小于100小于80上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為：，即工作拉力與殘余預緊力之和計算如下：氣壓缸工作壓強為p=1mpa,所以螺釘間距小于150mm,試選擇2個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適z=2個 受力截面 （2-27） （2-28） ，此處連接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取k=

44、1.6。（2-29） 所以 螺釘材料選擇q235，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2）螺釘?shù)闹睆接上率降贸?，f為總拉力即 （2-30） 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.2.3.8靜片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式： （2-31）為預緊力,為接合面摩擦系數(shù)，取（0.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數(shù)，取=2，z為螺釘數(shù)目，取z=2，d為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得： （2-32） 螺釘?shù)?/p>

45、強度條件為： （2-33） 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得： 螺釘材料選擇q235，則（安全系數(shù)）螺釘?shù)闹睆?，d值極小，取。螺釘選擇m6的開槽盤頭螺釘， 綜上選擇dsm-36-180-p型擺動氣缸3.9矩形導軌的彎曲強度及撓度的校核機械手手臂在進行伸縮運動時，為防止手臂沿伸縮方向向中軸線轉(zhuǎn)動、加大承載能力，以及提高運動精度，必須設(shè)有導向裝置。手臂的導向裝置系根據(jù)安裝形式、結(jié)構(gòu)及負荷等條件來確定。常用的有單導向桿和雙導向桿，本設(shè)計中，伸縮運動中選用雙導向桿。(1) 導軌的彎曲應力 ： （2-34） （2-35） （2-36） （2-37） 符合要求。因為只計算了一邊得矩形導軌，由結(jié)構(gòu)可知還有另外一邊得導軌支

46、撐，故滿足條件。(2) 桿的撓度 此桿為一懸臂梁，根據(jù)簡單載荷作用下梁的撓度和轉(zhuǎn)角公式：， （2-38）式中：ei是截面抗彎剛度 （2-39） （2-40）本式計算是完全把載荷加在導軌上，實際是載荷由導軌和活塞桿共同承受，所以導向桿的撓度會更小，符合設(shè)計要求。(2) 導軌的表面處理及潤滑導軌表面淬火，可以提高表面硬度增加導向桿的耐磨性，也可以保證導向桿的韌性，同時需要精加工以提高導軌的精度要求；導軌的潤滑可采用潤滑脂潤滑，或是采用潤滑油潤滑。此處采用潤滑脂潤滑。2.3.10 機座結(jié)構(gòu)的選擇機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，是支撐起機械手全部重量的構(gòu)件。對其

47、結(jié)構(gòu)的要求是剛性好、占地面積小、操作維修方便和造型美觀。機座結(jié)構(gòu)從形式上分為落地式和懸浮式，或分為固定式、可移動式和行走式。無論哪一種形式，機械手工作時機座一定予以固定。可移動式的機座在停置時能夠剎車定位，以保證機械手工作時的位置精度。根據(jù)本機械手的設(shè)計要求選用落地固定式機座。玻璃搬運機械手手臂需要一個旋轉(zhuǎn)模塊，擺動氣缸就要固定在機座上。如果水平缸、垂直缸和手部機構(gòu)直接安裝到擺動氣缸的輸出軸上，機構(gòu)雖然簡單，但擺動氣缸的軸向受力增大，對氣缸的自身要求較高，并易造成擺動氣缸的損壞。同時，機械手本身重心偏離立柱軸線以及各氣缸運動產(chǎn)生的沖擊都形成作用在擺動氣缸轉(zhuǎn)動軸上的傾覆力矩，所以采用一個連接組件

48、，將機械手立柱以上的重量和傾覆力矩由機架來承擔。連接組件主要由四部分組成：雙向推力球軸承、底座、轉(zhuǎn)臺和扣罩。選擇雙向推力球軸承而不是單向的，因為機座與轉(zhuǎn)臺在軸向上無法直接連接。采用雙向推力球軸承就可以方便的將軸承內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺連接，外環(huán)用罩扣固定在底座上。另外，推力球軸承應選擇公稱尺寸較大一些的，這樣可以更好的承受傾覆力矩。2.3.11機身部位軸承選擇與校核 主軸選擇45，估計軸承所受徑向載荷為500n,選用圓錐滾子軸承,現(xiàn)校核軸承。軸承基本數(shù)據(jù)如下：，當量動載荷，載荷系數(shù)取1，則，由公式： （2-41）n為轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計算得：，球軸承代入得：，遠大于軸承額定壽命。選用軸承為圓錐滾子

49、軸承33110型。2.4 執(zhí)行機構(gòu)的工作原理玻璃搬運機械手的結(jié)構(gòu)主要由機座、立柱、水平手臂、垂直手臂、電磁閥和吸盤等組成。其中機座采用擺動氣缸進行驅(qū)動，手臂及吸盤采用單活塞桿雙作用氣缸驅(qū)動。機械手的動作基本有伸縮、升降、左右旋轉(zhuǎn)、吸物和放物等動作。其結(jié)構(gòu)原理如圖2.1所示。其動作順序為：初始位置 a右旋 b前伸 c氣缸下降 d吸物料 c上升 b收縮a左旋 c氣缸下降 d放物料 c上升回到初始位置。機械手的動作在整個過程中都是連續(xù)可循環(huán)的。第3章 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。機械手的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力源的不同，分為液壓、氣壓、電氣、機械、氣液聯(lián)合和電液聯(lián)合等多

50、種方式。目前采用的主要有液壓、氣壓、電氣這三種驅(qū)動方式。3.1 驅(qū)動系統(tǒng)的分析與選擇液壓驅(qū)動，功率重量比大，可實現(xiàn)頻繁平穩(wěn)的變速和換向，容易實現(xiàn)過載保護，可自行潤滑，使用壽命長。但也存在其油液容易泄露污染環(huán)境，需要配備油源，成本較高，工作噪聲較大。電氣驅(qū)動，控制精度高，驅(qū)動力較大，響應快，信號檢測、傳遞、處理方便。但是由于這種驅(qū)動方式價格昂貴，限制了在一些場合的應用。因此，人們尋求其他一些經(jīng)濟適用的驅(qū)動方式。氣壓驅(qū)動具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強、在工業(yè)機械手中應用較多。另一方面，氣動技術(shù)作為“廉價的自動化技術(shù)”，由于其元器件性能的不斷提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，被廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)生