夹紧装置及其气压系统设计

夹紧装置及其气压系统设计摘要世界工业化程度的进行中，很多的生产劳动都与自动化息息相关，在众多的生产加工以及其他活动中，越来越离不开自动化设备。工业机器人的出现代替人类完成了很多繁重的生产劳动，由于工业生产环境复杂，很多工序由机械手完成。对比近些年来机械手的发展历程，结合实际的生产需要，在对比众多的驱动方式和控制系统下，最终选择采用PLC控制系统控制以及气压传动方式驱动这一设计方案。此方案充分兼顾了机械手的软件和硬件上的优缺点，在对其进行了系统优化后 ，最后提出一种简易、易于实现、理论明确的设计方案。本文的设计内容是零件自动存放装置的夹紧机构以及气压驱动系统。根据生产环境和劳动强度，设计出一台以控制系统控制、气压系统驱动的工业机械手，该装置将结合机床，完成工件的抓取和放置。关键词：气压，工业机械手，夹紧AbstractIn the process of industrialization in the world, a lot of production labor is closely related to automation. In many production and processing and other activities, it is increasingly inseparable from automation equipment. The emergence of industrial robots has replaced a lot of heavy production work for humans. Due to the complex industrial production environment, many processes are completed by robots.Compared with the development process of the manipulator in recent years, combined with the actual production needs, under the comparison of many driving methods and control systems, the PLC control system control and pneumatic transmission method were finally selected to drive this design scheme. This scheme fully takes into account the advantages and disadvantages of the software and hardware of the manipulator. After optimizing the system, a simple, easy to implement, and theoretically clear design scheme is finally proposed.The design content of this article is the clamping mechanism and pneumatic drive system of the parts automatic storage device. According to the production environment and labor intensity, an industrial manipulator designed by the control system and driven by the pneumatic system is designed. This device will be combined with the machine tool to complete the grasping and placement of the workpiece.Keywords: air pressure, industrial robot，Clamping目录摘要3Abstract4目录5一、绪论71.1研究的目的及意义71.2.机械手的分类71.3国内外机械手的现状与发展趋势101.4机械手的主要特点11二、机械手总体设计方案112.1机械手的组成112.2机械手的技术参数列表132.2.1执行机构142.2.2驱动机构162.2.3控制机构16三、 机械手气压系统设计17四、夹爪驱动力及气缸选择204.1夹爪驱动力和气缸选择204.1.1手部驱动力计算204.1.2气缸的直径224.1.3缸筒壁厚的设计24五、整体结构25六、结论26参考文献27致 谢29一、绪论1.1研究的目的及意义机械手已经渗透在人们生活的方方面面，在社会不断进步和科技不断发展的今天，它已经可以代替人们完成单调的普通工作，例如：搬运货物、下料。此外也可以替人们完成高精度的工作，例如：焊接、无尘床房操作。在各行各业，机械手正成为举足轻重的加工生产器械。由于它还可以与自动化相结合，所以被广泛应用于制造、冶金、电子、轻工业等部门。机械手的出现，替代了人类在极度危险环境下工作，此外也从琐碎重复无趣的体力劳动中解放了人类。它不仅促进了生产效益，还提高了产品的生产效率。在我国很多地方，轻工业以及小型汽车生产中，一个零件的摆放和抓取工序还需要依靠人工完成，这大大降低了生产效率，而且还浪费人力。出于这个原因，设计一台取代取代人力的机械手。该机械手采用气动系统提供动力，采用PLC控制系统进行自动化控制。它可以在复杂的工作环境中正常运行，并在很大程度上替代了工人。1.2.机械手的分类工业机械手有很多种。目前国内尚无官方一致的分类准则，所以在这里按照使用的领域、提供动力的方式、控制系统对它们进行分类。（1）按使用领域分类1.专用机械手这种机械手没有独立运行的控制系统，通常只有已经编辑好的运行程序。它结构简单、制作成本低下，常常被安装在机械或者生产线上，被用来输送物件或者进行单一操作，例如“用来进行上下料的机械手”。由于其动作单一和普通，适用于大批量生产的生产线上。2.通用机械手与专用机械手相反，通用机械手拥有独立的控制系统并且可以进行单独驱动，不用依附外在机器上，同样也可以完成输送物件或者进行单一操作。通用机械手可分简易型和伺服型，简易型由程序进行控制，只能进行点位控制；而伺服型属于数字控制，可以点位也可以连续轨迹控制。（2）按驱动方式分类1.液压机械手液压机械手顾名思义是由液压传动提供动力运行的机械手。液压传动用液压油进行驱动，它的优点是提供的驱动力大、传动较为和平稳当、灵敏性能较高。缺点是，对使用环境有很大要求，首先必须保证液压装置的密封性能好，否则泄露对系统稳定性起很大的影响，降低驱动能力，因此液压驱动对环境有较高的要求，例如不能在高温或者低温下工作。2.气动机械手气动机械手的动力源来自空气，其工作原理是通过压缩外界空气来驱动机械手。空气即为传动介质，空气易于提取，排放也无污染，所以传动成本地下，操作方便快捷。缺点是空气需要进行压缩，驱动机械手速度的稳定性相对较差，所以气压传动可以拾取的重量比液压传动小很多。优点是气压传动的结构较为简单，相同条件下，首选气压驱动。3.机械传动机械手机械传动主要通过纯机械结构间的相互运动来进行力的传播，机械传动的机构有很多种，例如齿轮和齿条、蜗轮蜗杆、凸轮等。它们的动力统一由主机传递，如电机、马达等。机械传动机械手，结构复杂，动作单一，一般被用来进行简单的上下料工作。4.电力机械手电力机械手的驱动方式是通过电动机，而驱动电动机可分为直线电动机和步进电动机，两种电动机各有千秋，使用条件不同。不同于机械传动机械手，电力机械手没有机械结构的相互作用，它直接由电动机提供动力，所以它结构相对简单，维护和使用非常方便。（3）按控制方式分类1.点位控制点位控制即机械手只能进行点到点间的运动，称为直线运动，而无法进行曲线运动，倘若通过增加点数来描绘曲线运动，则增加了控制系统的复杂和电气元件的使用，成本较高。2.连续轨迹控制连续轨迹控制即机械手进行曲线运动，这种运动是通过增加点位来描绘运动轨迹，通常机械手采用这种控制，但缺点是这种运动的控制系统较为复杂，成本较高。1.3国内外机械手的现状与发展趋势机械手技术是一个多学科集合技术，分别集合了计算机、机械机构、自动化控制、人工智能、仿生学等学科，大家称机器手技术为当今火热、应用广泛的高新型技术。衡量一个国家的自动化水平，无疑是比较机械手技术。某种意义上，机器人代替了人类完成人工生产劳动，它还是一种既拥有人的行为特长也拥有机器特长的一种先进自动化机械设备。目前国外的机械人水平不断提高，他们追求机器的高精度、高速度以及便于操作。出现了可进行重组的俗称“模块化”机械手，例如用组成机械手关节的模块和连杆模块即可重组机器人。机械手的传感技术也逐渐完善，多样化和复杂化，传统的传感器只应用在测量位置、速度、加速度上，而多样化后，传感器还包括视觉、声觉以及力觉传感器，大大提高了机械手的感应水平。虚拟现实机器人也在发展中，它是一种用于模拟远程操作环境的机器人，让使用者感受置身与工作环境。我国机械手经历了多年的发展，从70年代初，到90年代，前后经历了萌芽、开发和应用阶段。但是我国机械手在国内外的市场不容乐观，目前国内市场依旧被国外企业占据着，中国的制造业要参与国际分工，必须继续推行科技创新，改善我国自动化水平的状况。此外机械手的发展也依赖政府的政策支持和资金投入。机械手已经在众多领域得到发展应用，从最初的汽车制造领域转到非制造领域。例如，维护和维修机器人，建筑水电机器人。此外机械手也广泛遍布国防、军事、食品加工等领域。1.4机械手的主要特点1）它具有很强的适应环境的能力，可以代替人们在复杂而有害的环境中长时间工作。2）该机械手坚固耐用，可以使人们免于繁重而单调的工作，并扩展和扩展了人体功能。3）稳定和有助于提高产品质量，此外还可以免去人为操作错误4）机械手的应用，可提升生产效率和生产效益，减少人工成本二、机械手总体设计方案2.1机械手的组成图2.1所示工业机械手由控制、驱动和执行三大机构组成。图2.1机械手工作原理图合格的气压驱动机械手应具备快速反应的能力，工作时候对加工工件进行夹取和放置，机械手本身需能够及时响应并且精度不受影响，此外工作的区域足够和灵活也是重点。对待机械手的设计，需要经过慎重验证和考虑，首先需要了解机械手作用的环境、对象、技术要求，综合各条件再提出最后的设计方案，使制造的机械手符合生产工艺的操作要求，并且适应操作环境。对机械手工作也有基本要求，首先工作前需要先了解被加工工件的基本特性，例如工件的结构特征、材料特征等，其次是工件的精度要求和尺寸质量参数，基于以上条件再对机械手的结构和控制需要进行设计，精准制造，减免不必要的设计累赘。本文设计的机械手为通用机械手，它的主要功能是进行零件的夹取和安放，该机械手为通用机机械手，所以适合中小批量化的生产，通过改变程序，可以进行不同的工作内容，在不同环境场合工作。对机械手能力评估就是其能够夹取物品的最大重量，相比液压机械手，气压机械手能够夹取的物品不能太重。查询相关设计手册，再结合实际设计需求，本设计拟定气动机械手能夹取物品的重量为5kg。此外还需考虑机械手的工作移动速度，太快和太慢都影响加工工作，本机械手最大移动速度设为1.0m/s，平均速度设为0.8m/s。图2.2夹爪模块图2.3夹爪俯视图2.2机械手的技术参数列表一、用途:用于自动拾取和摆放工件。二、设计技术参数:（1）抓重:（2）自由度数:2个自由度（3）平均移动速度：（4）定位方式:行程开关或可调机械挡块等（5）定位精度:（6）驱动方式:气压传动（7）控制方式:PLC2.2.1执行机构执行机构为机械手夹爪处，夹爪用来进行夹紧。对夹爪的要求是，能够快速反应，并且反应准确可靠。在设计夹爪机构时有很多考量。首先需要考虑的三个参数分别为机械手的速度、加速度和坐标位置，其次要通过夹紧重量来计算夹紧力、惯性大小。由于该机械手为通用机械手，夹爪处应该设计成可以进行装卸的结构，使其可以根据工件的结构大小特性换取不用的夹爪机构来进行工作，从而做到机械手通用性。需要注意的是，夹紧力不适宜过大，否则容易夹坏工件，因此在控制夹紧力范围的前提下，也需要在夹爪处安装软垫片或者弹性垫片，用来防止工件被破坏。考虑到极端环境机器断电情况下，还需要考虑突然断电工件不能掉下的情况，因此需要设计一种自锁结构，在突然断电情况下，工件被锁紧在机械手里不能掉落。夹紧机构结构简单，便于灵活设计和应用。夹紧方案有很多种，常见的有机械夹紧、吸盘夹紧和电磁夹紧等类型。本设计的机械手处于夹紧状态时，其上方有存储空间。处理后的零件通过导轨滑到机械手。机械手是模仿人的手指，具有人手部的运动特性。机械手夹紧分为内部支撑、外部支撑和自锁型三种。常见的有二指型、三指型和四指型。本设计用四指型，即气动夹紧爪。 电磁动作由PLC控制，以控制夹具的打开和关闭。图2.4单个夹爪图2.5机械主视图2.2.2驱动机构由于气动控制的介质提取以及排放处理较为方便，结合机械手的控制系统，本设计选用气动系统进行驱动。夹爪部位主要缸进行夹紧。图2.6夹紧气缸2.2.3控制机构PLC控制系统控制编程设计主要包括手动编程，停止，紧急停止，复位，报警编程和自动操作编程1）为了满足设备调试和维护的需要，系统需要一步控制每个气缸，并且可以在触摸屏界面上设置相应的手动控制按钮。2）为了满足设备的正常安全运行，必须设置停机，急停，故障报警等功能。按下停止按钮后，系统将在当前循环结束后停止为零。当按下紧急停止按钮时，系统立即停止所有动作。如果系统运行期间发生任何故障，则应立即停止所有动作并发出警报信号。3）系统根据设定的程序自动运行，只需启动，根据程序的设定，机械手可以进行工件抓取、搬运和放置。3、 机械手气压系统设计驱动是机械手设计中重要的一环，动力源有气动驱动、液压驱动、电动驱动和机械驱动四种。由于气动控制介质的提取和处理方便，阻损失和泄漏小，动作快，响应灵敏，工作环境适应性好，成本低。目前很多机械手使用液压进行驱动，但液压传动有它的局限性，常见有以下几种：（1） 液压传动能量容易损耗，比如摩擦的损耗和泄露的损耗，能量损耗会导致机械手运行不稳定，降低其操作精度。此外液压传动对密封性有较高要求，液压油容易泄露，泄露的油污染了操纵车间，严重还会引起火灾。（2） 因为液压传动驱动的重量较大，所以工作时候温度的变化较大，而温度影响液体的粘度，油温产生变化时，运动特性也会随着变化，从而导致运动特性变化。（3） 液压油中难免混合着空气，导致液压传动过程中噪音较大。（4） 高度的密封性要求就意味着更高精密度的零部件，随即运行成本也提高，不符合经济效益。同等条件下，首先气压驱动，相比液压驱动，气压驱动具有众多优势。（1） 更容易获取工作介质，气压传动工作介质为空气，空气可以直接从大气中获取，方便快捷成本低。此外气压工作介质排放到大气中不造成污染，符合环保要求。（2） 气压传动的阻力损失和泄漏比液压小很多。空气适合进行长距离的输送，并且一般不会泄露，即使泄露也不会导致工作不稳定，其次泄露对环境无影响。（3） 气压传动系统反应灵敏，在很少的时间内就可以达到工作要求的压力和速度，一般只需0.020.3s即可。此外还可以在气压系统中设置过载保护装置，避免出现过载损坏，用来保护系统，方便控制。（4） 气压系统中设立的储气罐可以储存压缩空气，以保证在没电情况下机器系统也能正常运行。（5） 因为工作介质的原因决定了气压系统在恶劣的工作环境下也能正常运行，例如易燃易爆、高辐射的环境。在极端的工作条件下相比液压、电气、机械驱动，首选气压驱动。（6） 气压系统投入低，成本低下，不同的压力要求对气动元件的要求也低，相同条件下，气动驱动需要的压力不会太高，因此组成气压系统的材料和气动元件的精度要求也就相应不高，制作成本降低。图2.7机械手气压传动系统工作原理图序号1气源2储气罐3三联件（空气过滤器、减压阀、油雾器）4二位五通电磁阀5夹紧气缸图2.8气压系统表图2.7所示为机械手的气压系统运行原理图。从图所示1为气源，气源通过从大气经过压缩机，空气进行压缩后进入2储气罐进行储存，然后通过三联件即空气过滤器、减压阀、油雾器对压缩空气进行除湿减压处理，最后通过电磁阀控制夹紧气缸以此来控制机械手动作。四、夹爪驱动力及气缸选择4.1夹爪驱动力和气缸选择4.1.1手部驱动力计算气动机械手的手部结构如图3-1所示。 工件的重量为G= 10kg，b = 120mm，R = 24mm，摩擦系数为f = 0.10。“ V”形手指的角度为2 = 120，图4-1机械手主视图根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以：=490（N）实际驱动力: 取=0.94 ，并取=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: 所以： 因此，夹紧缸的驱动力为1563N。4.1.2气缸的直径由力的平衡原理可知，气缸在工作时，活塞杆上的输出推力必须为总阻力。 公式为：式中: 活塞杆上的推力，N气缸工作时的总阻力，NP气缸工作 压力，Pa考虑到负载率几的影响，则: 由以上分析得作用气缸的直径: 代入有关数据，可得： 所以： 通过查询有关手册，得D=65 mm由于d/D=O.20.3， 得出活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1319.5 mm因此取活塞杆直径d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N则:d (4490/120)=2.28 18此设计满足设计要求。4.1.3缸筒壁厚的设计气缸如果承受压缩空气的压力，则需要具有一定的厚度。 通常，缸筒的壁厚与内径之比小于或等于1/10，可以根据薄壁筒的公式计算出壁厚： 式中: 6 缸筒壁厚 mmD气缸内径 P实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: = =6.5 mm取=7.5 mm，则缸筒外径为:D=65+7.52 =80 mm。五、整体结构图5三维图六、结论1.通用机械手的应用范围比专用机械手广泛。通用机械手可以通过不同的程序进行不同的加工活动，而专用机械手则只能进行单一活动，范围狭小。2.机械手可以配备普通的抓手来抓紧普通工件；它也可以用喷射负压吸盘代替，以吸收玻璃，墙壁和地板砖以及薄的气密性工件（如圆盘和圆盘），从而使机械手更加有用和广泛使用。该机械手还可以用来进行教学演示，搬运一些重量较小的小零件。3.气压传动系统反应灵敏，在很少的时间内就可以达到工作要求的压力和速度，一般只需0.020.3s即可。此外还可以在气压系统中设置过载保护装置，避免出现过载损坏，用来保护系统，方便控制。4.机械手通过PLC控制，可以根据不同运行程序进行不同的加工操作，程序的可变性较高。PLC可以兼容时间控制、行程控制和混合控制，只需要编辑相应程序即可实现。参考文献1郝立伟. 在工业生产中关于气动机械手的设计J. 民营科技, 2013(08):40-40.2袁野. 机械手功能实现及其控制方式设计J. 装备制造技术, 2012(03):216-217.3诸小丽. 竹签成型机中破竹机的技改研究J. 现代制造技术与装备, 2014(03):18-21.4古永祥. 浅析工业机械手应用J. 中国科技博览, 2015(2):1-1.5夏鲲 徐涛 李静锋 孔斌. 工业机器人的发展与应用研究J. 广西轻工业, 2008(08):68-69.6贺东坤 田明. 气动通用上下料机械手结构设计J. 长春大学学报, 2012(10):9-11.7吕翠侠 马新国. 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