基于PLC的自動(dòng)化車間物料搬運(yùn)裝置的控制設(shè)計(jì)（含CAD圖紙）
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山東理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目： 搬運(yùn)機(jī)械手及其
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名： 趙文華
指導(dǎo)教師： 董愛(ài)梅
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：二ОО九 年3月23日～6月14 日 共 12 周
中 文 摘 要
摘 要
近20年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求。
本課題設(shè)計(jì)源于生產(chǎn)線中的搬運(yùn)站，傳動(dòng)方式采用氣壓傳動(dòng)，即用各種氣缸來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作，控制部分結(jié)合可編程控制技術(shù)編寫程序進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩站之間的搬運(yùn)。
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。本課題中設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手主要有旋轉(zhuǎn)、伸縮、升降、夾緊四個(gè)自由度組成。
課題從機(jī)械部分、氣動(dòng)部分和控制三部分對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求機(jī)械手實(shí)現(xiàn)上下站之間的搬運(yùn)功能。機(jī)械部分重點(diǎn)是總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、各個(gè)氣缸的選擇和安裝設(shè)計(jì)、各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，氣動(dòng)部分主要是給出了搬運(yùn)機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖，而控制部分則主要是程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，論文采用西門子（S7-200）指令編程，給出了相應(yīng)的梯形圖、語(yǔ)句表和簡(jiǎn)單的流程圖。
由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手正在向重復(fù)高精度，模塊化，無(wú)給油化，?機(jī)電氣一體化方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，在不久的將來(lái)，氣動(dòng)機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)人工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：可編程控制器，柔性自動(dòng)生產(chǎn)線，自由度，梯形圖
- I -
Abstract
Over 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 claping
The 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 simple 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
III
目 錄- IV -目 錄摘 要.IABSTRACT（英文摘要）.目 錄.IV第一章第一章 引引 言言.11.1 課題的背景和意義.11.2 課題國(guó)內(nèi)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(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) .42.1.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) .42.1.3 機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì) .52.1.4 機(jī)械手主要參數(shù) .52.1.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 .6第三章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .73.1 動(dòng)作工況與分析.73.2 機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).83.2.1 機(jī)械手底座的設(shè)計(jì) .83.2.2 立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 123.2.7 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 123.2.8 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 123.2.9 手部夾緊氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 . 143.2.10 升降氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 . 18目 錄- V -3.2.11 伸縮氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 . 223.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算 . 25第四章 氣動(dòng)部分設(shè)計(jì) .28第五章 PLC 控制部分設(shè)計(jì) . 305.1 電磁鐵動(dòng)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(jié)論.37參考文獻(xiàn).38致謝及聲明 .39 第一章 引 言
第一章 引 言
1.1 課題的背景和意義
近20年來(lái)，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求。
自從機(jī)械手問(wèn)世以來(lái)，相應(yīng)的各種難題迎刃而解。能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。通用機(jī)械手因具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、可在空間抓、放、搬運(yùn)物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。近年來(lái)隨著氣動(dòng)技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)元件及氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)械手中，構(gòu)成氣動(dòng)機(jī)械手。
氣動(dòng)機(jī)械手的全部動(dòng)作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng)。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(jī)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(jī)械手一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成,主要完成移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、抓取等動(dòng)作。
本課題來(lái)源于實(shí)驗(yàn)課題，模擬生產(chǎn)線由六站組成，各站可獨(dú)立，可容易的連接在一起組成一條自動(dòng)加工生產(chǎn)線，。該課題要求設(shè)計(jì)搬運(yùn)站，搬運(yùn)機(jī)械手將工件從上料檢測(cè)站搬至加工站。搬運(yùn)過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)抓取、提升、回轉(zhuǎn)、下降、松開等動(dòng)作，且動(dòng)作順序、動(dòng)作速度可調(diào)。用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，PLC控制。包括總體設(shè)計(jì)，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。技術(shù)要求有以下幾點(diǎn)：
a.裝卸、調(diào)整方便；
b.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠；
c.設(shè)計(jì)合理，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低制造成本；
d.用PLC對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。
總體設(shè)計(jì)思路：
a.確定總體結(jié)構(gòu)的組成、框架及各部分的功能與工作目標(biāo)。
b.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，初步計(jì)算各工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。
c.設(shè)計(jì)機(jī)體分級(jí)部分的結(jié)構(gòu)及主要零件結(jié)構(gòu)。
d.主要分級(jí)結(jié)構(gòu)部分的主要零件強(qiáng)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(shè)計(jì)結(jié)果，修正設(shè)計(jì)參數(shù)。
1.2 課題國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):
a.工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。
b.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
c.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
d.機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
e.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
f.當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
g.機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
- 3 -
第二章 總體方案確定
第二章 總體方案確定
2.1 總體方案論證
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。
對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、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(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)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(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)機(jī)械手，是一種適合于小批生產(chǎn)的、可以變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備生產(chǎn)場(chǎng)合。
2.1.1 機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有四個(gè)自由度，即手臂的夾緊、左右回轉(zhuǎn)、左右伸縮和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的手臂的左右伸縮，手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)
2.1.2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
1.對(duì)于傳動(dòng)形式而言，氣缸作為線性驅(qū)動(dòng)器可在空間的任意位置組建它所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單；
2．工作介質(zhì)是取之不盡、用之不竭的空氣，空氣本身不花錢。排氣處理簡(jiǎn)單，不污染環(huán)境，成本低。壓力等級(jí)低，使用安全；
3.氣缸動(dòng)作速度一般為50～500mm/s，比液壓和電氣方式的動(dòng)作速度快，其間，通過(guò)單向節(jié)流閥，可使氣缸速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；
4.可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。電器元件的有效動(dòng)作數(shù)約為數(shù)百萬(wàn)次，而進(jìn)口的一般電磁閥的壽命大于3000萬(wàn)次，小型閥超過(guò)一億次；
5．利用空氣的可壓縮性，可儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣；
6.全氣動(dòng)控制具有防火、防爆、耐潮的能力。與液壓方式相比，氣動(dòng)方式可在高溫場(chǎng)合使用；
7.由于空氣損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送。
根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)可知道氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。
2.1.3 機(jī)械手控制方案設(shè)計(jì)
綜合分析機(jī)械手的動(dòng)作要求，PLC在機(jī)械手中需要完成的控制功能較多，控制精度較高，運(yùn)算速度較快且具有數(shù)據(jù)處理能力，并考慮整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)指標(biāo)，由于PLC的輸出電流較小，需要用功率模塊來(lái)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(duì)該機(jī)械手的控制要求。控制按鈕、各處的行程開關(guān)及壓力繼電器等開關(guān)量信號(hào)直接與PLC的輸入端子相連，PLC的開關(guān)量輸出端子直接與各個(gè)電磁閥相連，用PLC上所帶的24V電源或外接24V電源驅(qū)動(dòng)，采用編程軟件(STEP 7-Micro／WIN V4．4版)進(jìn)行編程和運(yùn)行監(jiān)控。
2.1.4 機(jī)械手主要參數(shù)
a.主參數(shù)
機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，本設(shè)計(jì)機(jī)械手最大抓重以1kg為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為1kg。
b.基本參數(shù)
運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂回轉(zhuǎn)的速度。
該機(jī)械手最大升降速度設(shè)計(jì)為100mm/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為450°/s。平均升降速度為80m/s，平均回轉(zhuǎn)速度為90°/s。
2.1.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
A.設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
a)抓重
1公斤(夾持式手部)
b)自由度數(shù)
4個(gè)自由度
c)最大工作半徑
279mm
d)手臂最大中心高
684.5mm
B.手臂運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)范圍 0°~180°
回轉(zhuǎn)速度 90°/s
C.手指夾持范圍
塑料:Φ40mm
D.定位方式
行程開關(guān)
E.定位精度
士0.5mm
F.緩沖方式
液壓緩沖器
G.驅(qū)動(dòng)方式
氣壓傳動(dòng)
H.控制方式
點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
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第三章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第三章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 動(dòng)作工況與分析
氣動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
機(jī)械手的全部動(dòng)作由電磁閥控制的氣缸驅(qū)動(dòng)。其中,上升/下降、左移 /右移以及擺動(dòng)分別由雙線圈兩位電磁閥控制,機(jī)械手的放松 /夾緊由一個(gè)單線圈兩位電磁閥(夾緊電磁閥)控制。機(jī)械手的任務(wù)是將A工作臺(tái)上的工件搬運(yùn)到B工作臺(tái)（或B到A），機(jī)械手示意圖如圖3-1所示：
圖3-1 機(jī)械手示意圖
在連續(xù)自動(dòng)工作方式的狀態(tài)下機(jī)械手的順序?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)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(dòng)→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(dòng)（回到初始位），機(jī)械手可以反復(fù)不斷的進(jìn)行上述循環(huán)動(dòng)作。
3.2 機(jī)械手各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1 機(jī)械手底座的設(shè)計(jì)
底座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
底座的設(shè)計(jì)是根據(jù)各個(gè)零件的尺寸及有助于拆裝方便來(lái)設(shè)計(jì)的如圖2-2所示：
圖3-2 箱座
箱座內(nèi)壁不需要與其他零件有配合的關(guān)系，所以內(nèi)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(lái)固定整個(gè)裝置的，材料為鑄鐵HT200。
3.2.2 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
a.立柱的材料及熱處理
由于設(shè)計(jì)功率不是太大，對(duì)其重量和尺寸無(wú)特殊要求，故選擇常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)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，考慮倒安裝軸承受扭矩作用，取C=106，則
（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(zhuǎn)速，r/min.
各參數(shù)值為 C=106、P=15KW、n=280，則
所以選擇軸徑40mm，軸上面設(shè)計(jì)個(gè)法蘭，用法蘭來(lái)固定軸承因?yàn)檩S是靠氣缸擺動(dòng)來(lái)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)或擺動(dòng)零件的部件,在各種機(jī)械中應(yīng)用廣泛。根據(jù)軸承工作時(shí)的摩擦性質(zhì)，可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)承受載荷，它與滑動(dòng)軸承相比，具有摩擦阻力小、效率高、啟動(dòng)容易、潤(rùn)滑簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，滾動(dòng)軸承絕大部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠家生產(chǎn)，選用和更換很方便。其缺點(diǎn)就是抗擊能力差，工作時(shí)有噪聲，以及工作壽命不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承的類型很多，按照滾動(dòng)體的形狀，滾動(dòng)軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈是點(diǎn)接觸，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)是耗損大。按照滾動(dòng)軸承能否自動(dòng)調(diào)心，可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。按照滾動(dòng)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?gòu)较蚪佑|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
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(shí)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(zhì)，是選擇滾動(dòng)軸承的主要依據(jù)。本設(shè)計(jì)中軸承既承受徑向力及轉(zhuǎn)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(nèi)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=49mm
51213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(duì)表面粗糙度的要求也高,軸承配合的地方要求公差等級(jí),軸承的配合主要是內(nèi)圈與軸頸、外圈與軸承座孔的配合。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此，軸承內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中基準(zhǔn)孔的公差帶都在零線之上，故滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸頸的配合要比圓柱公差標(biāo)準(zhǔn)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(guò)度配合，而在滾動(dòng)軸承內(nèi)圈配合中則為過(guò)盈配合。
滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的處的配合，既不能過(guò)緊也不能過(guò)松。過(guò)緊的配合會(huì)使軸承的內(nèi)、外圈產(chǎn)生變形，可破壞軸承的正常工作，而增加了裝拆的難度。過(guò)松的配合，不僅會(huì)影響軸的旋轉(zhuǎn)精度，甚至?xí)古浜媳砻姘l(fā)生滑動(dòng)。因此，軸承配合種類的選取，應(yīng)根據(jù)軸承的類型與尺寸、載荷的大小、方向和性質(zhì)以及工作環(huán)境決定。
所以Φ30的6006軸徑上安裝軸承，這個(gè)軸徑就是根據(jù)軸承的d來(lái)的，Φ36是6006軸承的安裝尺寸，同樣根據(jù)推力軸承的尺寸來(lái)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(lái)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(zhǔn)面，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，標(biāo)明幾個(gè)端面的圓柱度和相對(duì)基準(zhǔn)面的圓跳動(dòng)度，還有表面粗糙度。
3.2.6 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的手臂實(shí)現(xiàn)的是水平直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。
本設(shè)計(jì)手臂很簡(jiǎn)單，在手臂內(nèi)側(cè)固定個(gè)伸縮氣缸，如圖3-5所示：
圖3-5 大臂設(shè)計(jì)
3.2.7 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的手臂與上述的大臂實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式一樣，主要是上下直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用的也是氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞氣缸。
本設(shè)計(jì)手臂很簡(jiǎn)單，在上面固定個(gè)夾緊氣缸，如圖3-6所示：
圖3-6小臂設(shè)計(jì)
3.2.8 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)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。
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(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
圖3-7 氣爪設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是采用兩指式，內(nèi)卡式，上下氣爪通過(guò)銷來(lái)連接，過(guò)盈配合，如圖3-7所示。設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題：
a.具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
b.手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。
c.保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。
d.具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
e.考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。
3.2.9 手部夾緊氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算
A．手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)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。
圖3-8 手部結(jié)構(gòu)分析圖
a) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)分析示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為：
（3-2）
b) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式:
（3-3）
代入公式（3-2）得：
c)參照[17]實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
（3-4）
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，根據(jù)[1]故取，并取
若被抓取工件的最大加速度取a= g時(shí)，參照[17]則：
（3-5）
代入公式（3-4）得：
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)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(shí)的總阻力，其公式為:
（3-6）
式中: —活塞桿上的推力，N
—彈簧反作用力，N
—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N
—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a
彈簧反作用按下式計(jì)算:
（3-7）
（3-8）
（3-9）
式中: — 彈簧剛度，N/m
— 彈簧預(yù)壓縮量，m
一 活塞行程，m
— 彈簧鋼絲直徑，m
—彈簧平均直徑，m
— 彈簧外徑，m
— 彈簧有效圈數(shù)
一彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以：
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得
由，可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
校核，按公式 （3-10）
有:
其中，,
則:
所以滿足設(shè)計(jì)要求。
C．缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(nèi)徑之比小于或等于1/10，參照[17]，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
（3-11）
式中: — 缸筒壁厚，mm
D—?dú)飧變?nèi)徑，mm
—實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
根據(jù)以上計(jì)算選擇的氣缸型號(hào)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(hào)：q=彈簧前置型；
32 – 汽缸內(nèi)徑；
50- 氣缸行程；
B –緩沖：B=可調(diào)緩沖；
LB – 安裝方式：LB=軸向底座
3.2.10 升降氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算
手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸手部夾緊氣缸和手臂伸縮氣缸，轉(zhuǎn)柱下端的氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動(dòng)升降缸體上升，并由兩個(gè)導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向，同時(shí)碰鐵隨升降缸體一同上移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動(dòng)定位拉桿,緩沖撞鐵向上移動(dòng)碰觸升降用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。上升行程大小通過(guò)調(diào)整可調(diào)定位塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，手臂下降靠自重實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-9所示：
圖3-9 結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖
A．驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
根據(jù)上圖力的作用方向，可計(jì)算活塞的驅(qū)動(dòng)力F，參照[1]可知摩擦系數(shù)f=0. 17。
a) 根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動(dòng)力公式為：
（3-12）
b) 質(zhì)量計(jì)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(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，據(jù)估計(jì)
所以代入公式（3-12）：
c) 參照[17]實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，參照[1]故取，并取
若被抓取工件的最大加速度取a= g時(shí)，根據(jù)[17]則：
所以
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)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(shí)的總阻力，其公式為:
式中: —活塞桿上的推力，N
—彈簧反作用力，N
—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N
—?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a
彈簧反作用按下式計(jì)算:
式中: — 彈簧剛度，N/m
— 彈簧預(yù)壓縮量，m
一 活塞行程，m
— 彈簧鋼絲直徑，m
—彈簧平均直徑，m
— 彈簧外徑，m
— 彈簧有效圈數(shù)
一彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
3677.46
220.6
所以：
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得
由，可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
校核，按公式
有:
其中，,
則:
所以滿足設(shè)計(jì)要求。
C．缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(nèi)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(jì)算:
式中: — 缸筒壁厚，mm
D—?dú)飧變?nèi)徑，mm
—實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
根據(jù)以上計(jì)算選擇氣缸型號(hào)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(hào)：q=彈簧前置型；
40- 汽缸內(nèi)徑；
100- 氣缸行程；
B –緩沖：B=緩沖可調(diào)；
FB- 安裝方式：FB=后法蘭；
3.2.11 伸縮氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算
手臂伸縮裝置由伸縮缸活塞軸、伸縮缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)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(zhuǎn)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(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動(dòng)升降缸體右移，并由兩個(gè)導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向，同時(shí)碰鐵隨升降缸體一同右移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動(dòng)定位拉桿,緩沖撞鐵向右移動(dòng)碰觸左右用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。右移行程大小通過(guò)調(diào)整可調(diào)定位塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，手臂左移與右移類似。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-10所示：
圖3-10 結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)圖
A．驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
根據(jù)上圖力的作用方向，可計(jì)算活塞的驅(qū)動(dòng)力F，參照[1]可知摩擦系數(shù)f=0. 17。
a) 根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動(dòng)力公式為：
b) 質(zhì)量計(jì)算:小臂升降部分主要由夾緊氣缸、手臂、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國(guó)煙臺(tái)氣動(dòng)元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量設(shè)計(jì)的有關(guān)尺寸，據(jù)估計(jì)
所以代入公式：
c) 參照[17]實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，參照[1]故取，并取
若被抓取工件的最大加速度取a= g時(shí)，根據(jù)[17]則：
所以
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)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(shí)的總阻力，其公式為:
式中: —活塞桿上的推力，N
—彈簧反作用力，N
—?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N
—?dú)飧坠ぷ鲏毫?，Pa
彈簧反作用按下式計(jì)算:
式中: — 彈簧剛度，N/m
— 彈簧預(yù)壓縮量，m
一 活塞行程，m
— 彈簧鋼絲直徑，m
—彈簧平均直徑，m
— 彈簧外徑，m
— 彈簧有效圈數(shù)
一彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
3677.46
220.6
所以：
查有關(guān)手冊(cè)圓整，得
由，可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
校核，按公式
有:
其中，,
則:
所以滿足設(shè)計(jì)要求。
C．缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(nèi)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(jì)算:
式中: — 缸筒壁厚，mm
D—?dú)飧變?nèi)徑，mm
—實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
材料為:ZL3,
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
根據(jù)以上計(jì)算選擇氣缸型號(hào)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(hào)：q=彈簧前置型；
40- 汽缸內(nèi)徑；
100- 氣缸行程；
B –緩沖：B=緩沖可調(diào)；
LB- 安裝方式：LB=軸向底座；
3.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計(jì)計(jì)算
實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。在本機(jī)械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體、轉(zhuǎn)軸、定片、回轉(zhuǎn)定位塊、回轉(zhuǎn)中間定位塊和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖)等組成。當(dāng)壓縮空氣通過(guò)管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時(shí)，推動(dòng)動(dòng)片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)平鍵而帶動(dòng)升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來(lái)密封，密封性能較好，對(duì)氣缸孔的機(jī)械加工精度也易于保證。
手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用多點(diǎn)定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過(guò)調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊和回轉(zhuǎn)中間定位塊的位置而定。在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的工作原理如圖3-10所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。
圖3-10 回轉(zhuǎn)氣缸示意圖
參照[17]單葉片氣缸的壓力p和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為：
（3-13）
或
式中: M- 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩;
P- 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力;
R- 缸體內(nèi)壁半徑;
r- 輸出軸半徑;
b- 動(dòng)片寬度.
上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對(duì)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(yīng)代以工作壓力與背壓之差。
根據(jù)以上計(jì)算選擇回轉(zhuǎn)氣缸型號(hào)為：QGH 2 50×180 B F S R
其中：QGH- 齒桿式回轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸；
2 - 派生氣缸代號(hào)：2=雙出軸；
50- 氣缸內(nèi)徑；
180- 回轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)角度；
B –緩沖：B=可調(diào)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°。
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