搬运机械手及其控制系统设计

目 录摘 要.IABSTRACT（英文摘要）.目 录.第一章第一章 引引 言言.11.1 课题的背景和意义.11.2 课题国内外发展现状.2第二章 总体方案确定 .42.1 总体方案论证.42.1.1 机械手手臂结构方案设计 .42.1.2 机械手驱动方案设计 .42.1.3 机械手控制方案设计 .52.1.4 机械手主要参数 .52.1.5 机械手的技术参数列表 .6第三章 机械手总体结构设计 .73.1 动作工况与分析.73.2 机械手各部分结构设计.83.2.1 机械手底座的设计 .83.2.2 立柱结构的设计 .83.2.3 轴承的选择 .93.2.4 上轴承座的选择 . 103.2.5 下轴承座的选择 . 113.2.6 大臂的结构设计 . 123.2.7 小臂的结构设计 . 123.2.8 气爪的结构设计 . 123.2.9 手部夹紧气缸设计计算 . 143.2.10 升降气缸设计计算 . 183.2.11 伸缩气缸设计计算 . 223.2.12 回转气缸设计计算 . 25第四章 气动部分设计 .28第五章 PLC 控制部分设计 . 305.1 电磁铁动作顺序. 305.2 I/O 分配 . 305.3 PLC 控制梯形图 . 315.4 PLC 控制程序指令 . 32结论.37参考文献.38致谢及声明 .39摘 要近 20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求。本课题设计源于生产线中的搬运站，传动方式采用气压传动，即用各种气缸来控制机械手的动作，控制部分结合可编程控制技术编写程序进行控制来实现两站之间的搬运。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。本课题中设计的搬运机械手主要有旋转、伸缩、升降、夹紧四个自由度组成。课题从机械部分、气动部分和控制三部分对气动机械手进行设计，要求机械手实现上下站之间的搬运功能。机械部分重点是总体结构的设计、各个气缸的选择和安装设计、各零部件的结构设计等，气动部分主要是给出了搬运机械手的气动原理图，而控制部分则主要是程序的设计和调试，论文采用西门子（ S7-200）指令编程，给出了相应的梯形图、语句表和简单的流程图。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点， 气动机械手正在向 重复高精度 ，模块化，无给油化 ， 机电气一体化 方向发展。 可以预见，在不久的将来，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。关键词：可编程控制器，柔性自动生产线，自由度，梯形图 AbstractOver 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 robots 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 objects 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引引 言言1.1 课题的背景和意义课题的背景和意义近 20 年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。通用机械手因具有独立的控制系统、程序可变、可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。近年来随着气动技术的迅速发展，气动元件及气动自动化技术已越来越多地应用于机械手中，构成气动机械手。气动机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升、下降和左移、右移分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松、夹紧也由双线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制系统和人工智能系统组成,主要完成移动、转动、抓取等动作。本课题来源于实验课题，模拟生产线由六站组成，各站可独立，可容易的连接在一起组成一条自动加工生产线， 。该课题要求设计搬运站，搬运机械手将工件从上料检测站搬至加工站。搬运过程中能实现抓取、提升、回转、下降、松开等动作，且动作顺序、动作速度可调。用气动驱动，PLC 控制。包括总体设计，各执行机构设计，气动系统设计、计算，控制系统设计。技术要求有以下几点：a.装卸、调整方便；b.结构简单，工作安全可靠；c.设计合理，尽量使用标准件，以降低制造成本；d.用 PLC 对机械手进行控制。总体设计思路：a.确定总体结构的组成、框架及各部分的功能与工作目标。b.根据设计任务书的要求，初步计算各工艺参数和结构参数。c.设计机体分级部分的结构及主要零件结构。d.主要分级结构部分的主要零件强度和刚度，检查其加工工艺性和装配工艺性。e.保证与其它部分的接口合理。f.根据设计结果，修正设计参数。1.2 课题国内外发展现状课题国内外发展现状国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:a.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，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。b.机械结构向模块化、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;国外已有模块化装配机器人产品问市。c.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，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。d.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、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;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。e.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。f.当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著名实例。g.机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出 “虚拟轴机床 ”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五” 、 “八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30 条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品 :机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距 ;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计 ”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。第二章第二章 总体方案确定总体方案确定2.1 总体方案论证总体方案论证机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、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:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准件，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机械手，是一种适合于小批生产的、可以变动作程序的自动搬运或操作设备生产场合。2.1.12.1.1 机械手手臂结构方案设计机械手手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的夹紧、左右回转、左右伸缩和升降运动。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手臂的左右伸缩，手臂的各种运动由气缸来实现2.1.22.1.2 机械手驱动方案设计机械手驱动方案设计气压传动的优点：1.对于传动形式而言，气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单；2工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。压力等级低，使用安全；3.气缸动作速度一般为 50500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快，其间，通过单向节流阀，可使气缸速度无级调节；4.可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作数约为数百万次，而进口的一般电磁阀的寿命大于 3000 万次，小型阀超过一亿次；5利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；6.全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；7.由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。根据以上优点可知道气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，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。2.1.32.1.3 机械手控制方案设计机械手控制方案设计综合分析机械手的动作要求，PLC 在机械手中需要完成的控制功能较多，控制精度较高，运算速度较快且具有数据处理能力，并考虑整个系统的经济和技术指标，由于 PLC 的输出电流较小，需要用功率模块来控制比例液压阀，选用西门子公司的 S7-200 系 CPU226型 PLC，其 IO 功能和指令系统都能满足对该机械手的控制要求。控制按钮、各处的行程开关及压力继电器等开关量信号直接与 PLC 的输入端子相连，PLC 的开关量输出端子直接与各个电磁阀相连，用 PLC 上所带的 24V 电源或外接 24V 电源驱动，采用编程软件(STEP 7-MicroWIN V44 版)进行编程和运行监控。2.1.42.1.4 机械手主要参数机械手主要参数a.主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，本设计机械手最大抓重以 1kg 为数最多。故该机械手主参数定为 1kg。 b.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂回转的速度。该机械手最大升降速度设计为 100mm/s，最大回转速度设计为 450/s。平均升降速度为 80m/s，平均回转速度为 90/s。2.1.52.1.5 机械手的技术参数列表机械手的技术参数列表A.设计技术参数:a)抓重1 公斤(夹持式手部)b)自由度数4 个自由度c)最大工作半径279mmd)手臂最大中心高684.5mmB.手臂运动参数夹紧行程 50mm夹紧速度 50mn/s升降行程 100mm升降速度 100mm/s回转范围 0180回转速度 90/sC.手指夹持范围塑料:40mmD.定位方式行程开关E.定位精度士 0.5mmF.缓冲方式液压缓冲器G.驱动方式气压传动H.控制方式点位程序控制(采用 PLC)第三章第三章 机械手总体结构设计机械手总体结构设计3.1 动作工况与分析动作工况与分析气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。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，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，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。机械手的全部动作由电磁阀控制的气缸驱动。其中,上升/下降、左移 /右移以及摆动分别由双线圈两位电磁阀控制,机械手的放松 /夹紧由一个单线圈两位电磁阀(夹紧电磁阀)控制。机械手的任务是将 A 工作台上的工件搬运到 B 工作台（或 B 到 A） ，机械手示意图如图 3-1 所示：图 3-1 机械手示意图在连续自动工作方式的状态下机械手的顺序实现的动作如图 1 示意图所示：手臂下降手指夹紧手臂上升手臂右摆动手臂右伸手臂下降手指松开手臂上升手臂左伸手臂左摆动（回到初始位） ，机械手可以反复不断的进行上述循环动作。3.2 机械手各部分结构设计机械手各部分结构设计3.2.13.2.1 机械手底座的设计机械手底座的设计底座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。底座的设计是根据各个零件的尺寸及有助于拆装方便来设计的如图 2-2 所示： 图 3-2 箱座箱座内壁不需要与其他零件有配合的关系，所以内表面不需要加工。左右厚壁上端有M10 的螺纹孔，要求加工表面粗糙度，连接轴承下座的，底版的光孔是用来固定整个装置的，材料为铸铁 HT200。3.2.23.2.2 立柱结构设计立柱结构设计立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 a.立柱的材料及热处理由于设计功率不是太大，对其重量和尺寸无特殊要求，故选择常用材料 45 钢，调质处理。b.初估轴径按扭矩初估轴的直径，根据1查表 10-2，得 C=106117，考虑倒安装轴承受扭矩作用，取 C=106，则 （3-1）3minnPCd式中： C由轴承的材料和承载情况缩确定的常数； P轴的输出功率，KW； n轴的转速，r/min.各参数值为 C=106、P=15KW、n=280，则 33min1510639.95280PdCmmn所以选择轴径 40mm，轴上面设计个法兰，用法兰来固定轴承因为轴是靠气缸摆动来旋转的，所以所受的载荷很小，不需要校核。3.2.33.2.3 轴承的选择轴承的选择轴承是用以支承轴和轴上回转或摆动零件的部件,在各种机械中应用广泛。根据轴承工作时的摩擦性质，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滚动轴承依靠主要元件间的滚动接触来承受载荷，它与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、效率高、启动容易、润滑简便等优点。同时，滚动轴承绝大部分已经标准化，并由专业厂家生产，选用和更换很方便。其缺点就是抗击能力差，工作时有噪声，以及工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。滚动轴承的类型很多，按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承两大类。球轴承的滚动体与内、外圈是点接触，运转时摩擦耗损小，但承载能力和抗击能力差；滚子轴承为线接触，承载能力和抗冲击能力较球轴承大，但运转是耗损大。按照滚动轴承能否自动调心，可分为调心轴承和非调心轴承。按照滚动体列数多少，可分为单列轴承、双列轴承和多列轴承。按照轴承能承受的主要载荷方向和公称接触角的不同，可分为向心轴承和推力轴承两大类。a.向心轴承向心轴承主要承受径向载荷，045，又可分为：径向接触轴承，= 0，只能承受径向载荷；角接触向心轴承，045，不仅能承受径向载荷,而且随着角的增大,其承受轴向载荷的能力随之增大。b.推力轴承推力轴承主要承受轴向载荷，4590，又可分为：轴向接触轴承，= 90，只能承受轴向载荷；角接触推力轴承，45090，它主要承受轴向载荷,同时也能承受较小的径向载荷。随着角的增大,其承受径向载荷的能力将减小。轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择滚动轴承的主要依据。本设计中轴承既承受径向力及转矩，又承受轴向力，因此选用推力球轴承和深沟球轴承,推力轴承主要受轴向力，球轴承主要受径向力，又根据外廓尺寸的条件和轴的内径选用 6006 深沟球轴承和51213 推力球轴承。3.2.43.2.4 上轴承座的选择上轴承座的选择6006 深沟球轴承: d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm51213 推力球轴承: d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm根据以上的尺寸可以确定轴承上座的尺寸,如图 3-3 所示:图 3-3 上轴承座由于配合接触的面比较多,所以对表面粗糙度的要求也高,轴承配合的地方要求公差等级,轴承的配合主要是内圈与轴颈、外圈与轴承座孔的配合。滚动轴承是标准件，因此，轴承内圈与轴颈采用基孔制配合，轴承外圈与轴承座孔采用基轴制配合普通圆柱公差标准中基准孔的公差带都在零线之上，故滚动轴承内圈与轴颈的配合要比圆柱公差标准中规定的基孔制同名配合要紧的多。例如，一般圆柱体基孔制的 K6 配合为过度配合，而在滚动轴承内圈配合中则为过盈配合。滚动轴承内、外圈的处的配合，既不能过紧也不能过松。过紧的配合会使轴承的内、外圈产生变形，可破坏轴承的正常工作，而增加了装拆的难度。过松的配合，不仅会影响轴的旋转精度，甚至会使配合表面发生滑动。因此，轴承配合种类的选取，应根据轴承的类型与尺寸、载荷的大小、方向和性质以及工作环境决定。所以 30 的 6006 轴径上安装轴承，这个轴径就是根据轴承的 d 来的，36 是 6006轴承的安装尺寸，同样根据推力轴承的尺寸来确定轴承座的尺寸。3.2.53.2.5 下轴承座的选择下轴承座的选择下轴承座的尺寸是根据轴承尺寸来定的。其主要配合的地方也是安装轴承的地方，需要公差的配合。 （同上）如图 3-4：图 3-4 下轴承座在安装轴承的端面上要注明公差配合，分别以其为基准面，查机械设计手册 ，标明几个端面的圆柱度和相对基准面的圆跳动度，还有表面粗糙度。3.2.63.2.6 大臂的结构设计大臂的结构设计本设计的手臂实现的是水平直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。本设计手臂很简单，在手臂内侧固定个伸缩气缸，如图 3-5 所示：图 3-5 大臂设计3.2.73.2.7 小臂的结构设计小臂的结构设计本设计的手臂与上述的大臂实现的运动方式一样，主要是上下直线运动。实现直线往复运动采用的也是气压驱动的活塞气缸。本设计手臂很简单，在上面固定个夹紧气缸，如图 3-6 所示：图 3-6 小臂设计3.2.83.2.8 气爪的结构设计气爪的结构设计夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式.等。夹持式是最常见的一种，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，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，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。 图 3-7 气爪设计本设计是采用两指式，内卡式，上下气爪通过销来连接，过盈配合，如图 3-7 所示。设计时考虑的几个问题：a.具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，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。b.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要求。c.保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，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。d.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，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，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。e.考虑被抓取对象的要求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结构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。3.2.93.2.9 手部夹紧气缸设计计算手部夹紧气缸设计计算A手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图 3-8 所示，其工件重量 G=10 公斤，a=37.5mm,b=70mm,根据1摩擦系数为 f=0. 10。图3-8 手部结构分析图a) 根据手部结构分析示意图，其驱动力为： （3-2）aNbP2b) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: （3-3）（NfGN1001 . 010代入公式（3-2）得： )(3 .3735 .37701002NPc)参照17实际驱动力: （3-4）21KKPP实际因为传力机构为齿轮齿条传动，根据1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g时，参照17则： （3-5）212gaK代入公式（3-4）得：）（实际NP119194. 025 . 13 .373所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1191N.B气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式都参照17，根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: （3-6）FzFPDFl421式中: 活塞杆上的推力，N1F弹簧反作用力，NlF气缸工作时的总阻力，NzF气缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算: （3-()lfFClS7） （3-41318fGdCD n8） （3-121DDd9）式中: 弹簧刚度，N/mfC 弹簧预压缩量，ml一 活塞行程，mS 弹簧钢丝直径，m1d弹簧平均直径，m1D 弹簧外径，m2D 弹簧有效圈数n一弹簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在设计中，必须考虑负载率的影响，则:214lD PFF由以上分析得单向作用气缸的直径:14()lFFDP 代入有关数据，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 1015mN64.3677lfFCls 33677.46 60 10 N6 .220所以：14()lFFDP 1624373.3220.60.8 100.94mm65.29查有关手册圆整，得mmD30由，可得活塞杆直径: 3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圆整后，取活塞杆直径mmd18校核，按公式 （3-10） 214Fd有: 1 214dF 其中，, aMP120NF3 .3731则: mmmmd1899. 1101203 .3734216所以满足设计要求。C缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，参照17，其壁厚可按薄壁筒公式计算: （3- 2pdP11）式中: 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:ZL3, aMP2 . 1代入己知数据，则壁厚为: 2pdP36510102 . 12105 . 120mm83. 0取，则缸筒外径为:mm1mmD321230根据以上计算选择的气缸型号为：QGSD q 3250 B LB 其中：QGSD- 普通型单作用气缸； q 派生气缸代号：q=弹簧前置型； 32 汽缸内径； 50- 气缸行程； B 缓冲：B=可调缓冲； LB 安装方式：LB=轴向底座3.2.103.2.10 升降气缸设计计算升降气缸设计计算手臂升降装置由转柱、升降缸活塞轴、升降缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在转柱上端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸和手臂伸缩气缸，转柱下端的气路，将压缩空气引到升降缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体上升，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同上移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆,缓冲撞铁向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。上升行程大小通过调整可调定位块来实现，手臂下降靠自重实现。结构简图如图 3-9 所示：图3-9 结构分析简图A驱动力计算根据上图力的作用方向，可计算活塞的驱动力F，参照1可知摩擦系数f=0. 17。a) 根据结构示意图，驱动力公式为： （3-12）总GFFfb) 质量计算:手臂升降部分主要由手臂伸缩气缸、夹紧气缸、手臂、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，据估计 )(400 NG总所以代入公式（3-12）：总GFFf 总总GfG 40040017. 0 ）（N468c) 参照17实际驱动力:21KKFF实际因为传力机构为齿轮齿条传动，参照1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g时，根据17则： 212gaK所以）（实际NF149494. 025 . 1468所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1494N.B气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式均参照17根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:FzFPDFl421式中: 活塞杆上的推力，N1F弹簧反作用力，NlF气缸工作时的总阻力，NzF气缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:()lfFClS41318fGdCD n 121DDd式中: 弹簧刚度，N/mfC 弹簧预压缩量，ml一 活塞行程，mS 弹簧钢丝直径，m1d弹簧平均直径，m1D 弹簧外径，m2D 弹簧有效圈数n一弹簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在设计中，必须考虑负载率的影响，则:214lD PFF由以上分析得单向作用气缸的直径:14()lFFDP 代入有关数据，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 10153677.46mNlfFCls 33677.46 60 10220.6N所以：14()lFFDP 21694. 0107 . 06 .2203514mm26.33查有关手册圆整，得mmD35由，可得活塞杆直径:3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圆整后，取活塞杆直径mmd18校核，按公式 214Fd有: 2114Fd 其中，, aMP120NF3511则: mmmmd1892. 1101203514216所以满足设计要求。C缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，根据17其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2pdP式中: 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:ZL3, aMP2 . 1代入己知数据，则壁厚为: 2pdP56330 1.5 102 1.2 1010mm875. 1取，则缸筒外径为 :mm5 . 2mmD405 . 2235根据以上计算选择气缸型号为： QGSD q 40100 B FB其中：QGSD- 普通型单作用气缸； q 派生气缸代号： q=弹簧前置型； 40- 汽缸内径； 100- 气缸行程； B 缓冲：B=缓冲可调； FB- 安装方式：FB=后法兰；3.2.113.2.11 伸缩气缸设计计算伸缩气缸设计计算手臂伸缩装置由伸缩缸活塞轴、伸缩缸体、碰铁、可调定位块、定位拉杆、缓冲撞铁、定位块联接盘和导向杆等组成。在手臂右端用管接头和气管分别将压缩空气引到手腕回转气缸手部夹紧气缸，手臂左端的气路，将压缩空气引到伸缩缸上腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体右移，并由两个导向杆进行导向，同时碰铁随升降缸体一同右移，当碰触上边的可调定位块后，即带动定位拉杆,缓冲撞铁向右移动碰触左右用液压缓冲器进行缓冲。右移行程大小通过调整可调定位块来实现，手臂左移与右移类似。结构简图如图 3-10 所示：图3-10 结构分析简图A驱动力计算根据上图力的作用方向，可计算活塞的驱动力F，参照1可知摩擦系数f=0. 17。a) 根据结构示意图，驱动力公式为： fFF b) 质量计算:小臂升降部分主要由夹紧气缸、手臂、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的产品样本可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，据估计 )(300 NG总所以代入公式：fFF 总fG 30017. 0 ）（N51c) 参照17实际驱动力:21KKFF实际因为传力机构为齿轮齿条传动，参照1故取，并取 94. 05 . 11K若被抓取工件的最大加速度取a= g时，根据17则： 212gaK所以）（实际NF16394. 025 . 151所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为163N.B气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。以下公式均参照17根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:FzFPDFl421式中: 活塞杆上的推力，N1F弹簧反作用力，NlF气缸工作时的总阻力，NzF气缸工作压力，PaP弹簧反作用按下式计算:()lfFClS41318fGdCD n 121DDd式中: 弹簧刚度，N/mfC 弹簧预压缩量，ml一 活塞行程，mS 弹簧钢丝直径，m1d弹簧平均直径，m1D 弹簧外径，m2D 弹簧有效圈数n一弹簧材料剪切模量，一般取G979.4 10aGP在设计中，必须考虑负载率的影响，则:214lD PFF由以上分析得单向作用气缸的直径:14()lFFDP 代入有关数据，可得41318fGdCD n93 4379.4 10(3.5 10 )8 30 10153677.46mNlfFCls 33677.46 60 10220.6N所以：14()lFFDP 21694. 0107 . 06 .2203514mm26.33查有关手册圆整，得mmD35由，可得活塞杆直径:3 . 02 . 0DdmmDd5 .19133 . 02 . 0圆整后，取活塞杆直径mmd18校核，按公式 214Fd有: 2114Fd 其中，, aMP120NF3511则: mmmmd1892. 1101203514216所以满足设计要求。C缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，根据17其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2pdP式中: 缸筒壁厚，mmD气缸内径，mm实验压力，取, PapPPPp5 . 1材料为:ZL3, aMP2 . 1代入己知数据，则壁厚为: 2pdP56330 1.5 102 1.2 1010mm875. 1取，则缸筒外径为 :mm5 . 2mmD405 . 2235根据以上计算选择气缸型号为： QGSD q 40100 B LB其中：QGSD- 普通型单作用气缸； q 派生气缸代号： q=弹簧前置型； 40- 汽缸内径； 100- 气缸行程； B 缓冲：B=缓冲可调； LB- 安装方式： LB=轴向底座；3.2.123.2.12 回转气缸设计计算回转气缸设计计算实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体、转轴、定片、回转定位块、回转中间定位块和回转用液压缓冲器(此部件位置参见附图)等组成。当压缩空气通过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工精度也易于保证。手臂回转运动采用多点定位缓冲装置，其工作原理见回转用液压缓冲器部分。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块和回转中间定位块的位置而定。在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的工作原理如图3-10所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。图3-10 回转气缸示意图参照17单叶片气缸的压力p和驱动力矩M的关系为： 222rRPbM（3-13）或 222rRbMP式中: M- 回转气缸的驱动力矩;cmN P- 回转气缸的工作压力;cmN R- 缸体内壁半径;cmr- 输出轴半径;cmb- 动片宽度.cm上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压力与背压之差。1P2P根据以上计算选择回转气缸型号为：QGH 2 50180 B F S R其中：QGH- 齿杆式回转摆动气缸； 2 - 派生气缸代号：2=双出轴； 50- 气缸内径； 180- 回转动摆动角度； B 缓冲：B=可调缓冲； F 法兰； S 单杆基本型；R 耐热型；R=采用氟橡胶密封件，最高耐温 200。第四章第四章 气动部分设计气动部分设计由设计要求可知 ,机械手有四个移动自由度 ,其工作程序为 :机构下降 夹具夹紧 机构上升 手臂右摆 手臂右移 机构下降 夹具松开 机构上升手臂左移 手臂左摆退至原位。气动原理图如图 4-1 所示。整个气动系统就是要对摆动气缸、夹紧气缸、伸缩气缸和升降气缸的动作进行控制。图 4-1 气动原理图气路元件表如图 4-1 所示： 图 4-1 气路元件表序号型号规格名称数量1L1-25单向节流阀6224D H-10-S21三位四通电磁滑阀33QF-44手动截止阀14QSL-26S QTY-20-S11压力组件15YJ-1压力继电器16Q24DH-10-S1两位三通电磁滑阀1各执行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快起动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器，这样可以省去电磁阀和切换节流阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。v第五章第五章 PLC 控制部分设计控制部分设计5.1 电磁铁动作顺序电磁铁动作顺序由图 4-1 可知,机械手的上升、下降分别由电磁铁1YA、2YA 控制,机械手的夹紧和松开由电磁铁3YA、4YA 控制,机械手的左摆、右摆由电磁铁 5YA、6YA 控制，机械手的左伸、右伸由电磁铁7YA、8YA 控制。当工件已搬到工作台 B 返回时,为安全起见 ,用光电开关发出有无工件信号，电磁铁动作顺序如表 5-1。表 5-1 电磁铁动作顺序电磁铁工位号动作 名称1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0原位-+-1下降-+-+-2夹紧-+-3上升+-+-4右摆动-+-+-5右伸-+-+-6下降-+- -7放松-+-8上升+-+-9左伸-+-+10左摆动-+-+-该系统除了开关量的输入、输出外 ,没有其他方面的要求。确定输入点数为 22 个,其中行程开关 6 个,光电开关 1 个,操作按钮 11 个,工作方式选择开关 2 个;输出点数为 12,其中电磁铁 8 个,指示灯 4 个。5.2 I/O 分配分配根据以上分析，要选择输人点的个数大于14、输出点个数大于 10的 PLC。对 PLC 的扫描速度及其它方面无特殊要求。选用S7- 200(CPU226)型号的 PLC。它共有 24 个输人、 16 个输出点、随机存储器为 8KB、计数器 256 个、定时器 256 个；有 2 个高速脉冲输出端和 2 个RS-485 通信口；具有 PPI 通信协议、 MPI 通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。PLC 与器件的逻辑接线电路图，见图5-1：图 5-1 PLC 与器件的逻辑接线电路图5.3 PLC 控制梯形图控制梯形图由以上 I/O 分配和电磁铁的动作顺序采用西门子编程指令编写梯形图程序，见图 5-2：图 5-2 梯形图5.4 PLC 控制程序指令控制程序指令地址 指令 数据 0000 LD I1.00001 A I0.70002 O Q1.00003 = Q1.00004 LD SM0.00005 A I1.10006 A I0.60007 = Q1.10008 R Q0.0,80009 LD I2.20010 A I2.40011 AN Q1.30012 = M0.30013 = Q1.20014 LD I2.30015 AN Q1.20016 = Q1.30017 LD M0.30018 A Q1.10019 O Q0.60020 AN Q0.70021 O Q1.30022 A I2.10023 = Q0.60024 LD I2.00025 A I0.20026 A I0.40027 A Q0.60028 O Q0.30029 AN Q0.20030 AN Q0.70031 O Q1.30032 A I1.30033 = Q0.30034 LD Q0.30035 A I0.20036 A I0.40037 A I0.10038 O Q0.70039 AN T370040 O Q1.30041 A I2.00042 = Q0.70043 LD Q0.70044 AN Q0.30045 AN Q0.00046 O Q1.30047 A I1.20048 = Q0.20049 LD Q0.20050 A I0.00051 A I0.20052 A I0.40053 O Q0.00054 AN Q0.00055 AN Q0.50056 O Q1.30057 A I1.70058 = Q0.00059 LD Q0.00060 A I0.00061 A I0.30062 A I0.40063 O Q0.50064 AN Q0.40065 AN Q0.30066 O Q1.30067 A I1.50068 = Q0.50069 LD Q0.50070 A I0.00071 A I0.30072 A I0.50073 O Q0.30074 AN Q0.20075 AN Q0.60076 O Q1.30077 A I1.30078 = Q0.30079 TON T37,+1000080 LD Q0.30081 A I0.10082 A I0.30083 A I0.50084 O Q0.60085 A T370086 AN Q0.70087 O Q1.30088 A I2.10089 = Q0.60090 LD Q0.60091 AN Q0.30092 AN Q0.10093 O Q1.30094 A I2.10095 = Q0.20096 LD Q0.20097 A I0.00098 A I0.30099 A I0.50100 O Q0.40101 AN Q0.50102 AN Q0.10103 O Q1.30104 A I1.40105 = Q0.40106 LD Q0.40107 A I0.00108 A I0.30109 A I0.40110 O Q0.10111 AN Q0.00112 AN Q1.