气动机械手升降臂结构设计面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计

题 目: 气动机械手升降臂构造设计，面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计摘 要本文简要简介了工业机器人的概念，机械手的构成和分类，气动技术的特点，PLC控制的特点,触摸屏的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行总体方案设计，拟定了机械手的技术参数。同步，设计计算了机械手的升降臂和回转臂构造，设计了机械手的手部构造。本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了理解，大大提高了绘图效率和图纸质量。由于某些因素，没有上传完整的毕业设计（完整的应涉及毕业设计阐明书、有关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些核心内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:二二壹五八玖一壹五一，数万篇现成设计及另有的高品位团队绝对可满足您的需要.运用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，选用了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，对机械手的面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件进行了设计。核心词:工业机器人；机械手；气动；可编程序控制器；触摸屏；示教AbstractThis thesis gives a brief introduction of the conception of industrial robot and domestic and overseas development of industrial robot, including components and categories of manipulator, the characteristics of the system of air pressure drive technique and PLC, and the features of touch screen calibration.This thesis makes a general designation and decides the technique parameter of manipulator. Meanwhile, it designs the elevator arm and Rotary arm structure of manipulator as well as the construction of the hand part.This thesis focus on the analyzing of the air pressure drive system of manipulator and the study of the air pressure system working principle diagram datum, which helps a lot to make a improvement in charting.With the help of PLC we attain the controlling of manipulator. In this thesis, I choose the proper type of PLC, work out the manipulation program of PLC controller according to the working progress of manipulator, and design the manipulation software of the manipulation of Control panel (Dynamic) - Point Demonstration part.Keywords: industrial robot; manipulator; air pressure drive; PLC; touch screen;Demonstration目 录摘要(中文) -I(英文) -II第一章 绪 论1.1工业机械手概述 - 11.2机械手的构成和分类 - 11.2.1机械手的构成 - 11.2.2机械手的分类 - 21.3 PLC与触摸屏概述 - 31.4国内外发展状况 - 31.5课题的提出及重要任务 - 41.5.1课题的提出 - 41.5.2课题的重要任务 - 5第二章 机械手的设计方案2.1机械手的类型和自由度的选择 - 62.2机械手的驱动方案设计- 62.3机械手的控制方案设计- 62.4机械手的手部构造方案拟定- 62.5 机械手的手臂构造方案设计- - 62.6机械手的重要参数 - 72.7机械手的技术参数列表 - 7第三章 手部构造的选择,手臂伸缩的选择，升降、回转气缸的设计与校核3.1 夹持式手部构造 - 9 3.1.1 手指的形状和分类 - 9 3.1.2 设计时注意的问题 - 93.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择 - 9 3.2.1 气缸的分类 - 9 3.2.2 升降缸的尺寸设计与校核 - 11 3.2.3 伸缩缸的选择 - 163.3 回转气缸的尺寸设计与校核 - 16第四章 气动系统设计 - 20第五章 机械手的PLC控制设计5.1可编程序控制器的选择 - 215.2机械手可编程序控制器控制方案 - 21 5.2.1 系统简介 - 21 5.2.2可编程序控制器的工作流程设计 - 21 5.2.3 可编程序控制器的存储区设计 - 225.3硬件、软件的设计与调试 - 23 5.3.1 系统硬件设计与组态 - 23 5.3.2 软件设计 - 23 5.3.3 硬件调试与系统调试 - 235.3.4 梯形图设计 - 235.3.5 机械手控制程序 - 23第六章 触摸屏上位机设计 - 25第七章结论 - 28结束语 - 29参照文献 - 30第一章 绪 论1.1 工业机械手的概述工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(重要是动作功能)、有独立的控制系统、可以变化工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能替代人做某些单调、频繁和反复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力锻造、热解决、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简朴装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完毕对人体有害物料的搬运或工艺操作。 “机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。19，捷克斯洛伐克故事家、剧作家恰佩克在她写的科学幻想戏剧罗素姆万能机器人中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸取而成为专门名词。20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基本上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人； 60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并不久地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人构成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很注重研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的构成部分。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分构成。主体即机座和执行机构，涉及臂部、腕部和手部，有的机器人尚有行走机构。大多数工业机器人有 36个运动自由度，其中腕部一般有13个运动自由度；驱动系统涉及动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多种转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和持续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的精拟定位，合用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；持续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，合用于持续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式辨别有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体，输入已编好的程序。示教输入型的示教措施有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按规定的动作顺序和运动轨迹操练一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按规定的动作顺序和运动轨迹操练一遍。在示教过程的同步，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的多种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简朴的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有辨认功能或更进一步增长自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完毕更为复杂的工作。1.2 机械手的构成及分类1.2.1机械手的分类机械手重要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所构成。如下示意图1-1.图1-1 机械手示意图1.2.2 机械手的分类工业机械手的种类诸多，有关分类的问题，目前在国内尚无统一的分类原则，在此暂按使用范畴、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、构造简朴、使用可靠和造价低等特点，合用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手等。2、通用机械手通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范畴内，其动作程序是可变的，通过调节可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范畴大、定位精度高、通用性强，合用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现持续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作敏捷。但对密封装置规定严格，否则油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不适宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现持续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤规定严格，成本高。2、气压传动机械手气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其重要特点是:介质李源极为以便，输出力小，气动动作迅速，构造简朴，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重一般在30公斤如下，在同样抓重条件下它比液压机械手的构造大，因此合用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的重要特点是运动精确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但构造较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手电力传动机械手即有特殊构造的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，由于不需要中间的转换机构，故机械构造简朴。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用以便。此类机械手目前还不多，但有发展前程。(三)按控制方式分1、点位控制点位控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几种点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增长电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、持续轨迹控制持续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意持续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处在控制之下，可以实现平稳和精确的运动，并且使用范畴广，但电气控制系统复杂。此类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.3 PLC与触摸屏概述PLC(Programmable Logical Controller) 一般称为可编程逻辑控制器，是一种以微解决器为基本，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简朴、维护以便等长处，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱(即PLC、机器人和CAD/CAM)之一。人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，顾客可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来解决或监控管理及应付随时也许变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由纯熟的操作员才干操作，并且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面可以明确批示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简朴生动，并且可以减少操作上的失误，虽然是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线原则化、简朴化，同步也能减少PLC控制器所需的I/O点数，减少生产的成本同步由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。 触摸屏作为一种新型的人机界面，从一浮现就受到关注，它的简朴易用，强大的功能及优秀的稳定性使它非常合用于工业环境，甚至可以用于平常生活之中，应用非常广泛，例如:自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调节。 随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面， PLC控制器强大的功能及复杂的数据解决也呼唤一种功能与之匹配而操作又简便的人机的浮现，触摸屏的应运而生无疑是21世纪自动化领域里的一种巨大的革新。1.4 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几种趋势:(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。(2)机械构造向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化妆配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于原则化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化构造:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用老式的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配备技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)现代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最出名实例。1.5课题研究内容1.5.1课题的提出目前的机械手大多采用液压传动，液压传动存在如下几种缺陷:(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范畴，也许引起失火事故，并且影响执行部分的运动平稳性及对的性。(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平规定较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，气动技术有如下长处:(1)介质提取和解决以便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，解决以便，一般不需设立回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，导致压力明显减少和严重污染。(3)动作迅速，反映敏捷。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生忽然断电等状况时，机器及其工艺流程不致忽然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，并且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此减少了气动元、辅件的材质和加工精度规定，制造容易，成本较低。老式观点觉得:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(特别在高速状况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，并且对于不太复杂的机械手，用气动元件构成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经获得的一系列重要进展过去简介得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。由“可编程序控制器- 传感器- 气动元件”构成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 并且拆装简朴, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越也许。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC, 而阀岛技术的发展, 又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。1.5.2课题的重要任务1、进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计；2、对气动机械手气路理解，进行核心部件的研究，完毕气动阀座零件图。本课题采用的是南通大学电子气动控制系统实验台，3、设计气动机械升降臂回转臂部分构造，进行核心部件的设计计算；完毕气动机械手升降臂构造装配图、气动机械手回转臂构造装配图。设计的气动机械手伸缩行程10CM，升降行程5CM，旋转180度；抓握零件直径5 20，最大重量0.5KG 。4、完毕面板操纵式（有动力）点位示教部分控制软件设计与上位监控系统设计规定界面和谐,本课题所用操作版面是eview软件操作版面，其版面可简约成如下示意图机械手的操作版面如图1-2所示；示教图1-2 操作版面5、机械手的控制系统的设计:本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选用PLC型号为西门子S7-200，根据机械手的工作流程编制出PLC示教程序，规定程序可读性好。第二章 机械手的设计方案对气动机械手的基本规定是能迅速、精确地拾-放和搬运物件，这就规定它们具有高精度、迅速反映、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充足分析作业对象(工件)的作业技术规定，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能规定和环境条件;明确工件的构造形状和材料特性，定位精度规定，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步拟定对机械手构造及运营控制的规定;尽量选用定型的原则组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种模拟大中型场合工作的机械搬运设备。可以变化动作程序的自动搬运或操作设备，操作频繁的生产场合。在发出指令协调各有关驱动器之间的运动的同步，还要完毕编程、示教/再现以及其她环境状况（传感器信息）、工艺规定、外部有关设备之间的信息传递和协调工作，使各关节能按预定运动规律运动。2.1机械手重要类型和自由度的选择手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范畴，按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。（1）直角坐标型具有三个移动关节（PPP），可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立解决，且为线性的，具有定位精度高，控制简朴等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。（2）圆柱坐标型具有两个移动关节和一种转动关节（PPR），受部的坐标为(z，r，)。这种操作机的长处是所占的空间尺寸较小，相对工作范畴较大，构造简朴，手部可获得较高的速度。而缺陷是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移辨别精度愈低。一般用于搬运机器人。（3）球座标型具有两个转动关节和一种移动关节（RRP），长处是构造紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。（4）关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节（RRR），可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有构造紧凑，所占空间体积少，相对工作空间大等特点，用于复杂设备当中。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，在操作机中积极关节的数目应等于操作机的自由度，因此，采用圆柱座标型式，相应的机械手具有三个自由。2.2 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反映敏捷，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。本系统采用南通大学的WQK-III电子气动控制系统实验台实现对机械手的控制。2.3 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同步使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程变化时，只需变化PLC程序即可实现，非常以便快捷。本机械手采用了西门子S7-200的PLC（CPU 224CN）进行编程控制。2.4 机械手的手部构造方案拟定为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部构造设计成可更换构造，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。本文设计的是抓握直径为5 20的零件。2.5 机械手的手臂构造方案设计按照抓取工件的规定，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的多种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现。2.6 机械手的重要参数1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应当太重，查阅有关机械手的设计参数，结合工业生产的实际状况，本设计设计规定抓取的工件质量为0.5KG。2.基本参数运动速度是机械手重要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了规定，设计速度过低限制了它的使用范畴。而影响机械手动作快慢的重要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来阐明速度特性较为全面，由于平均速度与行程有关，故用平均速度表达速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数尚有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相称于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性减少。在这种状况下宜采用自动传送装置为好。根据记录和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。2.7 机械手的技术参数列表一、用途:用于教学实验、课程设计等内容研究。二、设计技术参数:1、抓重2、自由度数3个自由度3、座标型式圆柱座标4、最大工作半径5、手臂运动参数伸缩行程伸缩速度升降行程升降速度回转范畴回转速度 8、手指夹持范畴棒料:9、定位方式行程开关10、定位精度11、驱动方式气压传动12、控制方式点位程序控制(采用PLC)图2-1 机械手的模型第三章 手部构造的选择，手臂伸缩， 升降、回转气缸的设计与校核为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部构造设计成可更换构造，当工件是棒料时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式构造。 3.1夹持式手部构造夹持式手部构造由手指(或手爪)和传力机构所构成。其传力构造形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.1手指的形状和分类夹持式是最常用的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，构造简朴，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其构造比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.2设计时注意的问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在拟定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的规定。(三)保证工件精拟定位为使手指和被夹持工件保持精确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，规定有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使构造简朴紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的规定根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部构造是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。3.2升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择3.2.1 气缸的分类一般气缸的构造构成见图3-1。重要由前盖、后盖9、活塞6、活塞杆4、缸筒5 其她某些零件构成。图3-1一般气缸的构造构成1组合防尘圈；前端盖；3轴用YX密封圈；4活塞杆；5缸筒；6活塞；7孔用YX密封圈；8缓冲调节阀；9后端盖气缸的种类诸多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、构造特性和安装方式来分类。气缸的类型（1）单作用气缸柱塞式气缸：压缩空气只能使柱塞向一种方向运动；借助外力或重力复位活塞式气缸：压缩空气只能使活塞向一种方向运动；借助外力或重力复位（或借助弹簧力复位；用于行程较小场合）薄膜式气缸：以膜片替代活塞的气缸。单向作用；借助弹簧力复位；行程短；构造简朴，缸体内壁不须加工；须按行程比例增大直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压，常称滚压（风箱）式气缸。（2）双作用气缸一般气缸：运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双活塞杆气缸：压缩空气可使活塞向两个方向运动，且其速度和行程都相等不可调缓冲气缸：设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速，避免冲击，缓冲效果不可调节可调缓冲气缸：缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需要调节（3）特殊气缸差动气缸：气缸活塞两端有效面积差较大，运用压力差原理使活塞往复运动，工作时活塞杆侧始终通以压缩空气双活塞气缸：两个活塞同步向相反方向运动多位气缸：活塞杆沿行程长度方向可在多种位置停留，图示构造有四个位置串联气缸：在一根活塞杆上串联多种活塞，可获得和各活塞有效面积总和成正比的输出力冲击气缸：运用忽然大量供气和迅速排气相结合的措施得到活塞杆的迅速冲击运动，用于切断、冲孔、打入工件等数字气缸：将若干个活塞沿轴向依次装在一起，每个活塞的行程由小到大，按几何级数增长回转气缸：进排气导管和导气头固定而气缸本体可相对转动。用于机床夹具和线材卷曲装置上伺服气缸：将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。用于自动调节系统中。挠性气缸缸筒由挠性材料制成，由夹住缸筒的滚子替代活塞。用于输出力小，占地空间小，行程较长的场合，缸筒可合适弯曲钢索式气缸：以钢丝绳替代刚性活塞杆的一种气缸，用于小直径，特长行程的场合（4）组合气缸增压气缸：活塞杆面积不相等，根据力平衡原理，可由小活塞端输出高压气体气-液增压缸：液体是不可压缩的，根据力的平衡原理，运用两两相连活塞面积的不等，压缩空气驱动大活塞，小活塞便可输出相应比例的高压液体气-液阻尼缸：运用液体不可压缩的性能及液体流量易于控制的长处，获得活塞杆的稳速运动3.2.2升降气缸的尺寸设计与校核(1) 活塞杆上输出力和缸径的计算本课题中采用的是双作用气缸,单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种一般气缸,因其只在活塞一侧有活塞杆,因此压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等.活塞左行时活塞杆产生推力,活塞右行时产生拉力。 （3-1） （3-2）式中 活塞杆的推力(N); 活塞杆的拉力(N); 活塞直径(m); 活塞杆直径(m); 气缸工作压力(Pa); 气缸工作总阻力(N); 气缸工作时的总阻力与众多因素有关,如运动部件惯性力,背压阻力,密封处摩擦力等.以上因素可以载荷率的形式计入公式,如规定气缸的静推力和静拉力,则计入载荷率后 （3-3） （3-4）计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性.若气缸动态参数规定较高;且工作频率高,其载荷率一般取,速度高时取小值,速度低时取大值.若气缸动态参数规定一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取。根据规定本次设计中,我们取。活塞杆拉力为克服机械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的力为由式（3-3，3-4）可求得气缸直径D。当推力作功时 （3-5） （3-6） 用式（3-6）计算时，活塞杆d可根据气缸拉力预先估定，具体计算见活塞的计算。估定活塞杆直径可按 计算（必要时也可取0.4）。若将代入式（3-6），则可得 （3-7） 式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。 以上公式计算出的气缸内径D应圆整为原则值。参照表3-1得 根据可估算得 表3-1 缸筒内径系列 （mm）810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250320400500630注：无括号的数值为优先选用者 3-2 活塞杆直径系列 （mm）456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400（2）活塞杆的计算1）按强度条件计算 当活塞杆的长度L较小时（L10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d （3-8）式中 气缸的推力（N）； 活塞杆材料的许用应力(Pa), 材料的抗拉强度（Pa）； 安全系数，S1.4。按纵向弯曲极限力计算 气缸承受轴向压力后来，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力后来，活塞杆会产生永久性弯曲变形，浮现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。 当长细比 时 （3-9） 当长细比 时 （3-10）式中 活塞杆计算长度（m），见表3-3 活塞杆横截面回转半径， 实心杆 空心杆 活塞杆横截面惯性矩， 实心杆 空心杆 空心活塞杆内径直径（m）； 活塞杆截面积 实心杆 空心杆 系数，见表3-3 材料弹性模量，对钢取 材料强度实验值，对钢取 系数，对钢取a=1/5000安装方式为铰支-铰支,根据表3-3得知取n=1,由于活塞杆长度L=10cm(行程为5mm),活塞杆杆横截面回转半径(实心杆)因此长细比 因此 若纵向推力载荷（总载荷）超过极限力，就应采用相应措施。在其她条件（行程、安装方式）不变的前提下，多以加大活塞杆直径d来解决。表3-3 活塞杆计算长度L及系数nn安装方式(3)缸筒壁厚的计算缸筒直接承受压力，需有一定的厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比 ，因此一般可以按薄壁筒公式计算 （3-11）式中 气缸筒的壁厚（m）； 气缸筒内径（缸径）（m）； 气缸实验压力，一般取 气缸工作压力（Pa）； 缸筒材料许用应力（Pa）； 材料抗拉强度（Pa）； 安全系数，一般取常用缸筒材料有：铸铁HT150或HT200等，其Q235A钢管、20钢管，其铝合金ZL3，其；45钢，其 本气缸选用45号缸, ，其 因此常用计算出的缸筒壁厚都相称薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸筒壁厚作合适加厚，且尽量选用原则内径和壁厚的钢管和铝合金管。表3-4所列缸筒壁厚值可供参照。因加工等因素如表3-4选=5 mm. 表3-4 气缸筒壁厚 (mm)材料气缸直径铸铁HT1505080100125160200250320壁 厚78101012141616钢Q235A、45、20号无缝管5677881010铝合金ZL38-1212-1414-173.2.3 伸缩缸的选择根据机械手的总体的受力,伸缩缸的选择可以和升降缸使用相似的尺寸。3.3 回转气缸的尺寸设计与校核1、工件的转动惯量计算当工件为20时，R=10J的计算取R状况下的公式，查表3-5可知，按圆柱体计算：当工件为5时，J的计算取R=10状况下的公式，查表3-5可知，按圆柱体计算：由于，J工件（20）J工件（5），因此，J工件取J工件（20）=计算。2、手部的转动惯量计算根据手部构造，查表3-5可知，按长方体计算。由于，m手部总=1.5（kg）表3-5 （续表3-5）伸缩转动惯量3、旋转的转动惯量计算4、旋转回转力矩的计算：克服启动惯性所需的力矩M惯： 式中：手腕回转过程的角速度（1/s）t启启动过程中所需的时间（s） t启=0.1 s图3-6那么，腕部回转所属的总力矩M总：由于手夹持在工件重心（中心）位置转动，M偏=0，腕部与手部联接使用非轴承元件，所生的摩擦力矩M摩不大，为了简化计算可以将M惯合适放大，而省略掉M偏、M摩，这时M总=1.5M惯那么，M总=1.5M惯=0.45(Nm)查机械设计手册第4版资料，选择齿轮齿条转摆动气缸（缸径为50mm）型号：DRQ-PPVJ-A。在0.5Mpa时，转矩为6Nm，不小于M总（安全）。第四章 气动系统设计气压传动系统工作原理图1 基本气动系统的构成部分（生产系统、消耗系统）及重要元器件的功能；1） 生产系统 压缩机、压力开关、储气罐、单向阀、自动排水器、安全阀、压力表等；2） 消耗系统 空气过滤组合、集束分流、汇流板、方向控制阀、速度控制元件、执行气缸等；图4-1气动系统图V1a V1bV2a V2bV3a V3bV1 V2 V3 V4 气动机械手的气动原理见图4-1,双电控换向阀可以保证电气系统发生故障时,机械手动作不变。两位五通阀可以使手臂回转实现多点定位。各气缸的到位信号由磁性开关产生，控制器检测到信号后控制电磁阀做出下一部动作。只要更改控制程序，机械手就可胜任不同任务。单向节流阀直接安装在气缸上。既有的气动元件基本上是无油润滑，可以不用油雾器。第五章 机械手的PLC控制设计考虑到机械手的通用性，同步使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程变化时，只需变化PLC程序即可实现，非常以便快捷。5. 1可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家诸多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。本次设计中选择了SIMATIC公司的S7-200的可编程序控制器。S7-200不同的CPU模块的性能有较大的差别,在选择CPU模块时,应考虑到开关量、模拟量模块的扩展能力,程序存储器与数据存储器的容量,通信接口的个数,本机I/O点的点数等,固然还要考虑性能价格比,在满足规定的前提下尽量减少硬件成本。本机选用S7-200 CPU 224CN的型号。5.2 机械手可编程序控制器控制方案5.2.1 系统简介本系统控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;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。此外，其末端执行装置 机械手，还可完毕抓、放功能。以上各动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，相应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完毕伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列鼓励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲变化机械手的动作，不需变化接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。5.2.2可编程序控制器的工作流程设计可编程序控制器是根据顾客需要来完毕多种不同控制任务的。进入界面后来,先进行初始化,使机械手的各个位置处在未工作状态，CPU一方面使I/0状态表清零。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。当进入手动程序后，顾客可根据自己的需要选择机械手的工作方式。当进入自动后来，按下开始示教后，PLC内部就记录下顾客所操作的内容，当结束示教的时候，PLC停止记录数据。在机械手回本来的位置时（初始化状态），按下预备示教后，机械手处在再现准备状态，当按下再现示教后，机械手就按先前顾客所操作的顺序进行操作。固然也可根据需要进行储存所操作的程序，在有必要的时候进行调用。因此我们还需要开辟一种存储先前程序的区域。其工作流程图如下图5-1所