毕业设计-电磁吸取式气动机械手的设计

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作45本科毕业设计（论文）资料第一部分 毕业设计本科毕业设计（论文） 摘 要机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷然等等，应用非常广泛。在现代化工业中，生产过中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间常配有机械手，以提高生产效率，或者完成工人难以完成的工作。据资料介绍，美国生产的全部零件中，有75%是小批量生产。金属加工批量中有四分之三在五十件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化得迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温溶液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象，熟悉搬运机械手的运动原理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，完成了机械手的设计工作，包括自动控制系统、气动系统、手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词：搬运机械手，控制系统，气动ABSTRACT Manipulator is industrial automatic control field frequently encountered in a control object.manipulator can do many work, such as moving objects, assembling, cutting, spray however, etc, which is widely applied. in modern industry, the production of automation has become outstanding theme.In all walks of life ,automation more and more high, modern processing workshop often equipped with manipulator to improve production efficiency, or complete workers completed work hard.metal processing in batch of three quarters in 50 pieces, parts below on the machine processing in real time accounted for only 5% of parts production time.From here can see, loading and unloading, handling, carrying the process such as industrial robots have urgency, mechanized for realizing these processes is automated and of generation.In our country at present is often used in the finished work of manipulator are: injection industry from the mold to grab products and fast teleport to the next will product production processes; Manipulator processing industry for picking, feeding; Casting industry used to extract high-temperature solution, etc.We can achieve this kind of job of carrying manipulator as the research object, familiar with the kinematic principle of carrying manipulator.On this basis, it determines the basic system structure carrying manipulator of the manipulator, completed the design, including the automatic control system, pneumatic systems, hand and wrist, arm and fuselage etc., the main components of the structure design.Keywords：carrying manipulator, control system, pneumatic目录一 绪论 1 （一） 机械手的应用现状和发展方向1 （二） 机械手的分类1 1 简史 2 2 应用简况 3 3 发展趋势 3 （三）在机械工业中应用机械手的意义 6二 机械手的总体方案设计 8 （一）主要技术参数 8 （二）工作要求 8 （三）系统组成 8 （四）总体技术方案 9 1 回转缸9 2 升降缸和伸缩缸9 3 执行部件9 4 总体动作分析9三 机械手的执行部件的设计 10 （一）电磁吸盘的类型选择 10 （二）电磁吸盘的选用要素 11 1 足够的电磁吸力 11 2 根据被吸附的对象来确定电磁吸盘的形状 11 （三）电磁吸力的计算 12 1 确定电磁吸盘的吸力 14 2 计算磁感应强度或磁通量 15 3 初算总安匝数 16 4 线圈尺寸的计算 17 5 核算线圈的温升 18四 传动系统设计 20 （一）臂部的设计及有关计算 20 1臂部设计的基本要求20 2手臂的典型机构以及结构的选择21 3手臂直线运动的驱动力计算21 4气压缸工作压力和结构的设计23 5气压缸的尺寸参数的确定25 （二）机身升降机构的设计计算 26 1手臂偏重力矩的计算26 2升降不自锁条件分析计算28 3升降运动气缸驱动力的计算29 （三）机身回转机构的设计计算 30 1 回转缸驱动力的计算30 2 回转缸尺寸的初步确定31 3 汽缸盖螺钉的计算31 4 动片和输出轴螺钉计算32 5 轴承的选择分析33 6 机身与手臂连接处的螺栓直径的确定33五 机械手气动系统设计 36 （一）机械手的工作原理分析 36 （二）液压系统控制原理图设计 36 1气动传动系统原理图 36 2各缸运动过程分析 37六 机械手电气控制系统的分析设计 38 （一）机械手电气控制系统的概述 38 1可编程序控制器的选择 38 2 输入输出点地址编号及硬件接线38 （二）机械手电气控制程序 38 （三）机械手电气控制系统图 39七 结 论42参考文献 43致 谢 44图纸清单45一 绪论 (一)机械手的应用现状和发展方向 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 （二） 机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1 简史机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。2 应用简况现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 （1）机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图： 执行机构如图1.2-1所示 图1.11. 手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。本课所指的机械手仅需开闭手指。机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。但是现在的手部发展不仅仅只有用模仿人的手指夹物件了，可以用真空吸盘吸住物件，但是这个方法只能用于不重且有光滑表面的物件。另外还可以用电磁吸盘吸住物件，但是只能用于能被磁化的物件，这重方式可以吸起较重的物件，对物件表面没有过多的要求。本次设计的方案就是用采用电磁吸盘。2. 手臂手臂有无关节和有关节手臂之分本课所做的机械手的手臂采用无关节臂手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。 驱动机构驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。 控制系统机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。 （三）在机械工业中应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。 （1）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 （2）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。二 机械手的总体方案设计 （一）主要技术参数根据机械手应用要求，有如下技术参数：如表2.1吸取力10KG自由度3运动形式圆柱形坐标伸缩行程范围0300mm手臂升降范围0200mm回转行程0定位方式定位块控制方式点位式，PLC驱动方式气压传动方式表2.1 （二）工作要求机械手的工作流程：电磁吸取工件大臂上升大臂回转手臂延伸放松工件手臂收缩大臂反转大臂下降。能完成这个过程的循环，功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。 （三）系统组成本基械手系统由机体，动力源和控制装置三部分组成。其中机体由上升手臂，旋转手臂，伸缩手臂，执行部件等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由气压驱动和电磁吸取两种形式构成；控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。 (四) 总体技术方案 根据应用条件，确定总体技术方案。1 回转缸鉴于工作条件的回转范围为0180度，直接采用单叶片回转缸。2 升降缸和伸缩缸 在完成升降和伸缩动作的过程都是直行的，因此可方便采用直行气缸完成这两个动作，对于气缸的选择，在后面分析中再做具体的选择。3 执行部件执行部件采用电磁吸盘。4 总体动作分析确定了总体结构，现在做下总体动作分析。机械手开机启动，从初始位置开始第一个动作，电磁吸盘通电，吸取物件；然后到地二个动作，大臂气缸开始工作，大臂上升；在大臂到了预定位置，保持不变高度，回转副的直行汽缸工作，齿条带动齿轮，机械手做预定的回转；回转到预定角度，气缸保持不动，伸缩缸工作，把物件送到预定位置；电磁铁失点，放下物件；伸缩缸回到初始位置；回转副汽缸回到初始位置；大臂汽缸回到初始位置，一个循环的动作完成。三 机械手的执行部件的设计 （一） 电磁吸盘的类型选择电磁吸盘是安装在机械手最前端，通过电磁力把工件吸住。其工作原理如图3.1所示，当线圈1通如电流后，在铁芯2内外激起磁场，由线圈出来的磁力经过铁芯，空气隙和被磁化的衔铁3而形成闭合回路。在通电的情况下，衔铁（工件）被磁化，其磁性与铁芯线圈产生的磁场极性相反，根据异性相吸的特性，衔铁受到电磁力F的作用，吸向铁芯。若切断电源，铁芯内外磁场随即消失，铁芯放下。电磁吸盘可以根据工作条件选择直流点和交流电，这里所设计的机械手工作的条件为工厂，一般使用交流电，为了简化设备，我们就采用交流电作为吸盘的电源。 图3.1 电磁铁工作原理 图3.2 电磁铁形式电磁铁主要由铁芯、绕在铁芯上的线圈及原来不显磁性的铁磁物质制成的衔铁所组成，其结构型式如图3.2所示。 图(a)为螺管式的电磁铁，在交流和直流电路上均有应用，这种电磁铁的气隙全部在激磁线圈中间，吸力较大。如带有电磁铁的挤压气吸式吸盘即属于此类型。图(b)为盘式电磁铁，其整个磁路结构像一个圆盘，磁通经过一个几乎密合的气隙，能产生很大的吸力，它的结构简单，动作快，控制功率小，在自动控制中得到广泛的应用。图3.3为盘式电磁吸盘的结构图，铁芯l和磁盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2，既焊为一体又将铁芯和磁盘分隔，这样使铁芯1成为内磁极，磁盘3成为外磁极。其磁路由壳体6的外圈，经磁盘3、工件和铁芯1，再到壳体内圈形成闭合回路，以此吸附工件。铁芯、磁盘和壳体均采用810号低碳钢制成，可减少剩磁，并在断电时不吸或少吸铁屑。盖5为隔磁材料用黄铜或铝板制成，用以压住线圈11防止工作过程中线圈的活动。挡板7、8用以调整铁芯与壳体的轴向间隙，即磁路气隙，在保证铁芯正常转动情况下，气隙越小越好，气隙越大电磁吸力会显著地减小，因此，一般取毫米。在机械手手臂上连接着螺钉12，螺钉12的端部与壳体6上的键槽相配合，使壳体在手臂的孔内可做轴向微量的移动但不能转动。铁芯l和磁盘3一起装在轴承上，用以满足在不停车的情况下自动上下科。图3.3 盘式电磁吸盘结构如果采用永久磁铁来制作电磁式吸盘，则必须是强迫性的取下工件，因此这种电磁吸盘应用很少。 电磁吸盘只能吸住铁磁性物质如钢铁件，其缺点是被吸附的工件留有剩磁，另外吸盘上常会吸附铁屑，而妨碍工作。它适用于吸附有剩磁而无妨的场合和带网孔的钢铁板料等。对于不准有剩磁的工件如钟表和仪表类零件，不能选用电磁式吸盘。另外钢、铁等铁磁材料在温度723以上时磁性将会消失，故高温条件下不宜使用电磁式吸盘。图3.4所示为几种电磁式吸盘吸料的示意图。图(a)为吸附滚动轴承座圈的电磁式吸盘；图(b)为吸取钢板用的；图(c)为吸取齿轮用的，图(d)吸取多孔钢板用的。图3.4 几种电磁式吸盘吸料示意图 （二） 电磁吸盘的选用要素1 足够的电磁吸力电磁吸力由所吸附的工件来确定，当电磁吸盘的形状、尺寸以及线圈匝数确定后，则电磁吸力也就固定了，此时可以改变电压来微调吸力大小。线圈的工作温度应该控制在额定范围内。2 根据被吸附的对象来确定电磁吸盘的形状电磁铁吸取工件的表面，一般为平面，但也有弧形曲面，如图5所示的电磁铁1吸附灯壳废边料2的吸头为弧形曲面，它与料边弯曲形状相似。因此电磁吸盘的形状和尺寸应根据工件表面形状与尺寸的要求而设计。图3.5 曲线形电磁铁结构图 （三） 电磁吸力的计算作用在被磁化的铁磁物质（如电磁铁吸附的衔铁或者说工件）上的电磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中的感应强度的平方成正比。如果感应强度B沿磁极表面均匀分布，则计算电磁吸力的基本公式为： （3.1）式中：F-电磁吸力（焦耳/厘米） B-空气隙中的磁感应强度又称磁通密度（韦伯/厘米） S-空气隙的横截面积及铁芯柱横截面积（厘米） -空气导磁系数，是常数，其值为： 如果B以高斯（1高斯=10韦伯/米）计量，则经验公式可得： （Kg） （3.2） 因为 （3.3） 所以 （Kg） （3.4） 式中 -气隙中的磁通（麦克斯韦），1麦克斯韦=10韦伯。图3.1所以由两个气隙共同产生的总吸力，故吸力公式应乘以2即： （Kg） （3.5）上述公式是在假定磁极端面的磁通均匀分布的条件下得出来的，因此，它适用于气隙极小时的吸力计算，例如衔铁（工件）在吸合或者接近吸合位置的时候。若气隙较大时，上述公式应加入一个修正系数，用以修正气隙较大时磁通分布不均所引起的误差，故 (Kg) （3.6） 或 （Kg） （3.7） 式中 -修正系数，由经验一般取35； -气隙长度（厘米）。在交流电磁铁中磁场是交变的，电磁吸力也是波动的，一般按平均值来计算，其平均吸力的大小为最大值的一般即，其中，式中是磁感应最大值，单位为高斯。由于交流电磁铁吸力是波动的，易产生波动和噪声，克服的办法是加短路环（或隔磁环），以消除衔铁的震动。根据工作需要，电磁铁产生的电磁吸力应满足吸盘吸附工件时所需的吸力(即)，因此，要求电磁铁线圈必须具有足够磁感应强度B或者气隙中的磁通，而这些数值必须通过磁路计算才能求得，磁路计算非常复杂，为了简便计算，在忽略铁磁阻条件下进行近似计算，可以先初步确定电磁铁导磁体的磁感强度或磁极面积及吸盘吸力，即可计算线圈尺寸，绘出电磁铁的结构草图，然后验算电磁铁的吸力是否满足要求。1 确定电磁吸盘的吸力因工作需要 F （3.8） 式中 -工件重量（Kg）； -安全系数，可取1.53，依据经验取2； -工作情况系数，若版面有油膜存在则要求吸附力大些；若装有分料器，则吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用，同时还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性影响。因此，根据工作条件的不同，选取工作情况系数，一般可在13的范围内选取，根据设计的一般条件，取2. -方位系数，当吸盘水平吸附工件时，则,f为摩擦系数橡胶吸盘吸附金属材料时，取f=0.50.8，当吸盘垂直吸附时，取。在此次设计中，为垂直吸附，故取1.故得 2 计算磁感应强度或磁通量 因 （3.5） （3.9） 或 （3.10） 由于漏磁的影响，线圈磁势产生磁通（即电磁铁的磁通）必须大于气隙中的工作磁通，故用漏磁系数来表示两者的关系，即 式中 -漏磁系数，根据经验值约为1.33，当气隙大大时，则取大些，一般可粗略取为2。有了磁感应强度即可选取电磁铁的材料，一般电磁铁导磁体中的磁感应强度约为1200014000高斯，小值适用于普通钢，大值适用于纯铁。当要求电磁铁的灵敏度较高时，可取=40007000高斯。有了磁感应强度和导磁体的材料，可根据磁化曲线来确定结构各部分单位长度所需的匝数，这必须在线圈尺寸确定以后才能计算，因此，常采用近似方法先求总安匝数，根据此书求求线圈尺寸和确定磁路，然后求近似的总安匝数值。3 初算总安匝数为了初算总安匝数，可假设磁路中磁势主要消耗在工作气隙上，其次是铁芯和非工作气隙中，故将工作气隙需要的安匝数稍微加大些，即可作为近似的总安匝数： （安匝） （3.11）式中 B-气隙中的磁感应强度(高斯)。 -磁通经过的全长，它应包括吸盘开始吸附工件时的气隙；吸盘吸附工件后的密合气隙 (它由加工精度和表面光洁度而定)，因此，磁通所经过的气隙全长为 (厘米)。-消耗系数，取a0.150.3。-空气导磁系数，亨/厘米。4 线圈尺寸的计算 在确定了总安匝数和选好供电电压以及线圈的平均直径后，可计算线圈尺寸，如图6所示。（1） 导线直径： （毫米） （3.12）式中 U-线圈的电压(伏)； IW-线圈磁势(安匝)； -电阻系数（欧毫米/米），它与工作温度的大小有关，其值可查下表： 表3.1 电阻系数表工作温度（C）电阻系数欧毫米/米工作温度（C）电阻系数欧毫米/米20903510540120 -线圈的平均直径，即（米）；-线圈的内径（米）；-线圈的宽度（米），线圈的宽度应考虑它的经济性，并与线圈的允许温度、填充系数和散热系数值等有关，故： (毫米) （3.13）式中 -散热系数，一般为0.0010.0012，高温取大值，低温取小值。（瓦/厘米C）； -填充系数，可取=0.45； -线圈的允许温度； -线圈的高度与其宽度之比值（即），对于盘式直流电磁铁取=24，螺管式直流电磁铁取=78。 （2）线圈匝数： （3.14） 所以 （匝数） 式中 d-导线直径（毫米）； j-允许电流密度（安/毫米），对于长期工作的电磁铁吸盘取j24安/毫米。 5 核算线圈的温升 式中 R-线圈的电阻（欧）； q-导线截面积（毫米）； -线圈的平均直径（米）； -散热表面积， （厘米）； -视线圈结构而定的系数，对于绕在铁芯上的线圈，=2.4； U-线圈的电压（伏），应以额定电压的1.1或1.05倍代入公式。当初步确定线圈尺寸和匝数后即可确定电磁铁的结构尺寸，绘制电磁吸盘的结构草图，而后进一步验算各参数，如线圈磁势计算、磁路计算、电磁吸力计算、线圈温升计算等。图3.5所示的阀所用电磁铁3，类似螺管式电磁铁，其原理如图3.7所示，其中衔铁在线圈中作上下运动，对于直流电磁铁吸力的近似计算公式为： 图3.6 螺管式电磁铁尺寸图 （3.15）式中 g-表示单位长度上磁导，称为比磁导 其它各符号代表意义如图所示。图3.3所示的电磁式吸盘结构图的电磁铁线圈的五种规格尺寸如下表所示，其线圈电源为24伏直流电，电磁吸力约为1215kg，可参考选用。表3.2 电磁铁线圈尺寸表工作外径（mm）线 圈 （mm）外径内径高度线径6010010050240.627014012555200.778016013561250.779018016585300.7710012018580300.72最终选择线圈外径100，内径50，高度24，线径0.62的电磁铁。四 传动系统设计 （一） 臂部的设计及有关计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、旋转和升降。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 1臂部设计的基本要求(1）臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500mm/s,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径： 1 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 2 减少臂部运动件的轮廓尺寸。 3 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后缩）， 4 尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 5 驱动系统中设有缓冲装置。 (2) 手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。2手臂的典型机构以及结构的选择 (1)手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种： 1 双导杆手臂伸缩机构。 2 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的气压缸。 3 双活塞杆气压缸结构。 4 活塞杆和齿轮齿条机构。 (2)手臂运动机构的选择 通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选 取双作用气压缸。3手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的气压缸的驱动力根据气压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定气压缸所需要的驱动力。气压压缸活塞的驱动力的计算。 （4.1）(1)手臂摩擦力的分析与计算 摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。图4.1 伸缩缸示意图 由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 （4.2） （4.3） 得 （4.4） （4.5） （4.6） 得 （4.7） （4.8） （4.9） 式中 参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（mm）,参考上一节的计算; a导向支撑的长度（mm）; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面： （4.10） 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取u=0.10.15 钢对铸铁：取u=0.180.3 计算： 导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁 ，L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m 将有关数据代入进行计算 (2)手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是,在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度V=V=, （4.11） (3) 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。气缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：4 气压缸工作压力和结构的设计经过上面的计算，确定了气压缸的驱动力F=1625.7N，根据表5.1选择气缸的工作压力P=2MPa (1)确定液压缸的结构尺寸： 气压缸内径的计算，如下图所示 图4.2 双作用气压缸示意图当气进入无杆腔， （4.12）当气进入有杆腔中， （4.13）气压缸的有效面积： （4.14）故有 （无杆腔） （4.15） （有杆腔） （4.16） F=1625.7N，=，选择机械效率将有关数据代入： 根据表4-1（JB826-66），选择标准气压缸内径系列及机械的工作范围冗余设计，选择D=40mm. （2）气压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到气压缸的臂厚在7mm，所以该气压缸的外径为54mm。 （3）活塞杆的计算校核 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长 L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： （4.17）设计中活塞杆取材料为45刚，故，活塞直径d=20mm,现在进行校核。 结论： 活塞杆的强度足够。5 气压缸的尺寸参数的确定 （1） 气缸缸筒长度计算根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为40mm，行程为300mm；下面要确定气缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即： L=l+B+A+M+C式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取50mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，气缸的结构尺寸还有最小导向长度H。所以：L=300+0.8D+D+0.9D+C=520mm （2）气缸缸筒壁厚计算 本气缸材料采用45号钢，调制处理，查机械设计表15-1，抗拉强度=640Mpa.钢筒壁厚的计算公式计算： b （4.18）式中：b为钢筒壁厚；D为钢筒内径；为钢筒承受实验压力；为材料的许用应力。 一般取=1.5p(p为气缸工作压力)；=/S(S为安全系数，S6-8)=0.354mm根据表12-7，选取厚度b=7mm。 （3）气缸缸底厚度计算本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时，其中h为缸底厚度；为液压缸内径；为实验压力；为缸底材料的许用应力，气缸选用缸体材料为45号钢，。 所以选取厚度。本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的气缸的驱动力进行了详细的计算，并对气缸的基本尺寸进行了设计。由于机械手为轻载荷，加之所用的双导杆即能起导向作用又能够起到为手臂伸缩气缸做承载作用以及机器本省的能力冗余设计，故对活塞杆的校核省略。 （二）机身升降机构的设计计算机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。1手臂偏重力矩的计算 图 4-3 手臂各部件重心位置图 （1） 确定各零件重量确定各零件重量、等。