注塑机专用机械手设计说明书

摘 要注塑机专用机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。文中首先总结了注塑机机械手的国内外发展现状，分析了其发展前景及方向，确定了机械手的研究类型与机械设计方案。讨论了该机械手的驱动方式和工作原理，比较了各驱动方式的优缺点，最后采用 PLC 控制各驱动系统。本文的重点是平面直线位移式注塑机用机械手的水口夹机械结构设计，用 Solidworks 三维模型，生成爆炸视图，然后绘制机械手机械结构的二维图纸（总装图、零件图） 。 由于注塑机专用机械手能够大幅度的提高生产率和降低生产成本，能够稳定和提高注塑产品的质量，避免因人为的操作失误而造成的损失。因此，注塑机械手在注塑生产中的作用变得越来越重要。目前国内的机械手类型比较简单，且大都用于取件。随着注塑成型工业的发展，以后将有越来越多的机械手用于上料、混合、自动装卸模具、回收废料等各个工序上，而且将朝着智能化方向发展。关键词：机械手，驱动系统，水口夹，PLC 控制AbstractMechanical arm of injection molding ，automated production equipment ，mimicking the part of function of human upper limb, can be controlled automatically to transfer production or handle the tools to produce according to requirement .Injection molding production automation is specially equipped with the machinery of mechanical arm of injection molding, playing an important role in such areas: it not only can alleviate the heavy manual work, but improve working conditions and safety as well as improve efficiency of the production of the injection molding machine, steady product quality, reduce scrap and production costs and enhance the competitiveness of enterprises . Firstly，this article summarizes the current situation of the development of injection molding machine robot, analyzes its development prospects and direction, and determines the type of robotics research and mechanical design. At the same time, it also discusses the robots driving method and how it works and compares the advantages and disadvantages of each drive, and finally PLC control system is adopted. These articles focus on the plane of linear displacement manipulator used in injection molding machine nozzle clamp design for mechanical structures, explosion views is generated from three dimensional models of Solidworks, and then draw two dimensional drawings of the mechanical structure of Manipulator (General Assembly drawings, parts). Owing to mechanical arm of injection molding can increase productivity and reduce production costs by a wide margin, be able to stabilize and improve the quality of injection molded products and avoid losses due to human error. Therefore, mechanical arm of injection molding injection manipulator becomes more and more important in injection molding production. A domestic robot type is relatively simple, and is mostly used for picking up. With the development of the injection molding industry, in the future more and more robotic arms are applied to the variety of process of loading, mixing, automatic loading and unloading on individual operations ,recycling waste. Whats more, mechanical arm of injection molding will have been developing intelligently in the near future.Keywords：mechanical arm； Drive system； Outlet folders； PLC control目 录绪 论 .5二 注塑机机械手的总体设计 .72.1 注塑机机械手的组成及各部分关系概述 .72.2 注塑机机械手的设计分析 .72.2.1 设计内容 .72.2.2 设计要求 .82.2.3 总体方案的拟定 .82.2.4 注塑机机械手的主要技术参数 .8三 注塑机机械手的机械系统设计 .103.1 机械手的运动系统分析 .103.2 注塑机机械手的执行机构设计 .113.2.1 末端执行机构设计 .113.2.1.1 水口夹的设计 .123.2.1.2 制品夹的设计 .183.3 注塑机机械手手臂的结构设计 .203.3.1 手臂的设计要求 .203.3.2 手臂结构的建模 .203.3.3 磁偶式气缸的选择 .213.3.4 手臂杆强度校核 .223.4 注塑机机械手副臂的设计 .233.4.1 副臂的设计要求 .233.4.2 副臂的结构分析与建模 .233.4.3 副臂标准伸缩气缸活塞杆强度校验 .243.5 注塑机机械手主臂和底座的设计 .263.5.1 主臂的设计要求 .263.5.2 主臂的设计分析与建模 .26四 注塑机机械手的控制系统设计 .304.1 PLC 选型的方法 .304.1.1 机型选择的原则 .304.1.2 PLC 容量选择 .314.1.3 I/O 模块的选择 .324.2 I/O 接口分配 .334.3 输出电路保护措施 .344.4 软件设计与实现 .34绪 论用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。1.1 机械手的发展前景机械手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。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。国外机械数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。世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3M/S，量产产品达到 6 轴，负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG。随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.2 机械手的特点总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：1、对环境适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等环境中胜任工作。为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手或工业机械人。2、机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。 3、由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品质量，同时又可避免人为的操作错误。4、机械手特别是通用机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置能够十分灵活快速的予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。5、采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。1.3 机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。注塑机专用机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。注塑机械手是为注塑生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高注塑成型机的生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。二 横走式注塑机机械手的总体设计2.1 注塑机机械手的组成及各部分关系概述 注塑机专用机械手的组成一般由执行系统、驱动系统、控制系统等组成。执行系统，机械手抓取或释放制品、实现各种操作运动的系统，由臂部、腕部和手部等部件组成。注塑机专用机械手的手部是用来直接抓取注塑制品的部件。一般可分为夹持式和吸附式两种。夹持式手部的主要形式为夹钳式，常用于抓取不易破碎或变形的制品，它对所抓取的制品的形状有较大的适应性。夹持式手部由手指，传动机构和驱动装置组成。驱动系统，为执行系统的各部件提供动力的系统，有气动、液压、电动及机械等形式。目前比较常用的是气动和液压两种形式，气动式速度快、结构简单、成本低、有较高的重复定位精度；液压式臂力大、可实现连续控制、定位精度高、但容易漏油而污染制品。注塑用机械手的所有动作都在控制系统的指挥下完成，尤其是机械手与注塑机的协调工作关系，更是要依赖控制系统来达到。控制系统分为 PLC 控制系统和单片机控制系统，PLC 较单片机控制系统而言，具有可靠性高，抗干扰能力强，配套齐全，功能完善，适用性强，易学易用，系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，体积小，重量轻，能耗低等特点。各组成部分的相互之间的关系如图 1 所示：图 1 各组成部分的相互之间的关系2.2 注塑机机械手的设计分析2.2.1 设计内容 要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力装置）和微电子控制部分（包括信息处理）是最基本的、必不可少的要素。设计要求完成以下内容：1、拟定整体方案，特别是机械本体的各零件有机结合的设计方案。2、根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。3、各部件的设计计算。4、气压系统的设计2.2.2 设计要求 对于夹持式手部，进行设计选用时主要考虑以下几点：（1） 手部应具有适应的夹紧力和驱动；（2）手指应具有足够的开关范围；（3）手指对制品应具有一定的夹持精度；（4）手部对制品应具有一定的适应能力，且要求手部能耐受注塑制品刚从模腔中取出时的高温及腐蚀性。为了适应注塑机，把机械手的手部结构设计成吸附式手部，可以准确的吸附工件。为了取出剩余废料，还要设计一个水口夹。驱动部分，由于气压传动系统具有装置结构简单、轻便、安装维护简单，工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。输出力以及工作速度的调节非常容易，可靠性高，使用寿命长，气动方式可在高温场合使用等优势，所以我们选用气动方式。在控制方面，考虑到机械手的专用性，同时使用点位控制，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改变时，只需改变 PLC 程序即可实现，非常方便快捷。2.2.3 总体方案的拟定 轻型横走注塑机机械手有三个方向的运动，主臂的的横向运动，副臂上的横向运动向竖直方向的运动，根据机械手在各方位的行程，选择好导轨、主臂和副臂所用的型材以及个驱动部位的气缸尺寸，然后建模。建完模后根据各部位的气缸和传感器元件，安装好控制器，写出控制程序。2.2.4 注塑机机械手的主要技术参数 注塑机机械手的规格参数，是说明机械手规格和性能的具体指标，一般包括以下几个方面：1、抓重（又称臂力）：额定抓重量或称额定负荷，单位为 kg，本设计的机械手抓重最大为 3Kg。2、坐标形式：直角坐标式注塑机专用机械手。3、定位方式：固定机械挡块、可调机械挡块、行程开关，电位器及其各种位置设定和检测装置；各自由度所设定的位置数目或位置信息容量；点位控制或连续轨迹控制。 4、驱动方式：气动和机械传动。5、手臂运动参数：手臂的运动参数包括伸缩、升降。当手臂的运动速度很高时，手臂在启动和制动时会产生很大的冲击和振动，这会影响手臂的定位精度。因此，手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。6、控制系统动力：电、气。7、重量：整机重量（kg） 。三 注塑机机械手的机械系统设计3.1 机械手的运动系统分析构成图如图 2图 2 横走式注塑机机械手的结构构成图其基本动作如下图 3 所示图 3 制口侧和水口侧的其本动作图运动过程分析：制品侧完成一次工作有以下动作：1. 制品夹从原点在机械手臂上做下降运动；2. 手臂在副臂上前进，向工件靠近，到工件位置后制品夹夹紧；3. 手臂在副臂上后退；4. 制品夹在机械手臂上做上升运动；5. 副臂在主臂上前进，运动到成品框时，制品夹的手腕向下旋转 90；6. 制品夹在机械手臂上再做下降运动，下降后制品夹松开；7. 制品夹在机械手臂上做上升运动，然后制品夹手腕向上旋转 90姿势复位；8. 副臂在主臂上后退，回到原点，一个工作过程完成。水口侧完成一次动作有如下运动：1. 水口夹从原点在机械手臂上做下降运动；2. 手臂在副臂上前进，到废料时水口夹夹紧；3. 手臂在副臂上后退；4. 水口夹在机械手臂上做上升运动；5. 副臂在主臂上前进，运动到废料框上方时，水口夹松开；6. 副臂在主臂上后退，回到原点，一个工作过程完成。其主轴横向行程与副轴横向与纵向行程查得如表 1：表 1 CY600G 与 CY800G 注塑机机械手的各方向的行程行程/移动量（mm）机种制品侧上下水口侧上下制品侧前后水口侧前后行程往返走行精度最大可抓取重量（Kg）CY-600GII - -CYS-600GII600650 1001000CY-800GII - -CYS-800GII80085015010012000.1 33.2 注塑机机械手的执行机构设计3.2.1 末端执行机构设计 末端执行机构有制口夹和水口夹，由于多数专用夹具的夹紧装置只需工人操纵按钮、手柄即可实现对工件的夹紧，这在很大程度上减少了工人找正和调整工件的时间与难度，或者根本不需要找正和调整，所以，这些专用夹具的使用降低了对工人的技术要求并减轻了工人的劳动强度。3.2.1.1 水口夹的设计 （1）水口夹的设计要求1.具有足够的握力抓取结构的手指握仅工件时所需要的力成为握力或夹紧力。握力的大小与被夹持工件或工具的重量、重心位置以及夹持方式的方位有关。计算握力时还应考虑传动和操作过程中所产生的惯性力和振动力。以保证工件或工具不致松动或脱落。2.具有一定的开角抓取机构的手指张开与闭和时两个极限位置所夹的角称为手指的开闭角 。手指的开闭角 应能保证工件顺利进入或脱落，在需要夹持不同工件尺寸时，应按最大直径的工件考虑。3.具有一定的定位精度为了使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被夹持工件的形状选择相应的手指结构，并进行定位精度的计算。为了使机械手能适用多品种、小批量、工件尺寸在一定范围内变化的生产中，可采用自动定心的手部结构，以减少对机械手的调整工作。4.具有足够的强度和刚度机械手的抓取机构除受到被夹持工件的反作用力外，还将受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响。因此，要求防止机械手抓取机构变形、弯曲和折断。（2）水口夹的结构设计 水口夹是由主要由驱动气缸、连接座、圆锥销、滚轮、左右钳板、复位弹簧等零件组成。如图 3 所示：图 3 1.多面安装气缸 2.连接座 3.圆锥销 4.滚轮 5.销 6.复位弹簧 7.左钳板 8.右钳板水口夹的结构工作原理：通过气缸带动活塞杆运动，活塞杆连接圆锥销，水口夹片中部已被挡板用插销固定，但可以以销为轴运动，上部没有被固定，可自己活动，上部加了一个滚筒，然后圆锥挤压滚筒，让两片水口夹片以各自中部的插销为轴靠拢，这样就夹住了废料。松开时，活塞杆向后运动，弹簧弹开两片水口夹，使之复位。经查得型号为 1615S 水口夹的结构部分尺寸为：缸径：16，行程：15，外观尺寸： 14230水口夹的整体模型如图 4图 4 水口夹的整体模型其结构爆炸图如图 5 所示： 图 5 水口夹结构爆炸图1.多面安装气缸体 2.气缸活塞杆 3.连接座 4.水口挡板 5.圆锥销 6.水口小插销和滚筒 7.水口夹片 8.水口大插销 9.水口小插销 10.滚筒水口夹部分组成的建模水口夹片模型与尺寸如图 6： 图 6 水口夹片的外观图尺寸水口夹气缸体部分尺寸如图 7图 7 水口夹气缸体尺寸图水口夹大小插销、滚筒与弹黄模型如图 8图 8 水口大小插销、滚筒与弹簧外观图连接座与挡板模型如图 9图 9 连接座与档板的部分尺寸图圆锥体模型如下图 10 （注：圆锥销的角度应该为 2045，这里采用 41）图 10 圆锥销的部分尺寸气缸活塞杆如图 11图 11 气缸活塞杆部分尺寸（3） 水口夹夹紧力（握紧力）的计算：我们选用一种质量较轻的自由安装型气缸（SMC 公司 CU 系列） ，气缸缸径20mm,在工作气压 0.6MP 下，可以查阅相关手册得出气缸工作输出力 F0=94N，夹钳力学模型如图 12 所示：图12 夹钳的力学模型以圆锥销研究为对象进行受力分析，可以求出圆锥销对左（右）钳板的作用力F1 为： N8.16073cos29473cosF01 以左（右）钳板为对象进行受力分析，可以求出钳板夹紧工件的输出夹紧力 F3为：N5.61sin3.5871602sin3.587F213 钳板在水平方向的夹紧工件（水口料）的有效夹紧力 F4 为：N8.573sin.6173sinF4 因为水口夹可搬动的最大水口料的重量为3Kg,所以选择的气缸输出力有足够大了。3.2.1.2 制品夹制品夹是用来夹取工件的，由于工件在模腔中取出需要平放下来，所以采用了一个连杆机构，使吸盘能够旋转 其机构原理图如图 13 所示：90图13 制品夹的机构原理图在运动时，点 1 被固定，点 2 和点 3 上连接伸缩气缸的两端，通过正反两个135使之刚好能够旋转 90。其模型图如图 14 所示：图14 1.壳体支架 2.制品夹气缸缸体 3.制品夹转角块 4.气缸杆 5.侧耳连接件制品夹的工作原理：制品夹转角块与侧耳连接件都连接在壳体支架上，且两者都可以绕着各自的连接轴旋转，制品夹转角块连接在伸缩气缸的气缸杆上，这样便使制品夹转角块实现了旋转。在转角块里安装一个吸附式吸盘，便可以把工件从模腔中取出。3.3 注塑机机械手手臂的结构设计3.3.1 手臂的设计要求机械手的手臂包括臂杆、传动装置、驱动装置、定位装置、支承连接装置及检测装置等。机械手臂是直线运动机构。它的设计要求有：1.手臂要有足够的运动长度，而且要有足够的刚度；2.手臂上下运动时要定位精确，不能有左右摆动；3.驱动气缸要有足够的动力，而且气缸杆要有足够的刚度。4.尽可能的使各部分的重量轻，却完全可以达到设计要求。3.3.2 手臂结构的建模本设计中的手臂是由手臂杆、磁偶式气缸、气缸固定座和气缸固定套等组成。其部分模型如下：手臂的大致模型如图所示图 机械手臂模型在配合时，水口夹和制品夹分别安装在机械手臂杆上，然后机械手臂杆安装在磁偶式气缸，磁偶式气缸又安装在带燕尾槽的气缸固定座上，然后通过气缸固定套固定磁偶式气缸，这样机械手的手臂就出来了。手臂杆模型如图 15 所示：图15 手臂杆结构尺寸图磁偶式气缸模型如图16所示：图16 磁偶式气缸3.3.3 磁偶式气缸的选择磁偶式气缸的工作原理：在活塞上安装一组高强磁性的永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的另一组磁环作用，由于两组磁环磁性相反，具有很强的吸力。当活塞在缸筒内被气压推动时，则在磁力作用下，带动缸筒外的磁环套一起移动，气缸活塞的推力必须与磁环的吸力相适应。磁偶式气缸的优点：特有的稳定性缸筒和活塞的结构强度与刚性可承受大的定向载荷，从而使气缸能变成机器内的一个结构元件，简化了制造工艺和外部支承。自行导向活塞及移动工作台的负载牵引架支承面有助于保证整个行程长度的良好导向，常可省去二次支承装置。节省空间无杆气缸没有活塞杆，故节省直线安装空间达 50%以上，省去了常规长行程缸所需支架的设计。相等的力和速度无杆活塞两侧具有相同面积，故可提供双向等值的推力和速度。磁偶式气缸尺寸的选择：由于设计的机械手的手臂竖直方向的行程为 500mm,所抓重的最大重量为 3Kg，查阅相关资料，我们选择缸径为 20，最大行程为 500 的磁偶式气缸。既可满足行程要求，也可满足抓重要求。其缸径选择如下表 2：表 2 搬送质量对应的缸径3.3.4 手臂杆强度校核已知手臂杆直径 d 为 10mm，长为 500mm,选用的材料是 38CrMoAlA。先可求出其惯性矩 ：J444625.9016m平面图形面积S ：2225.7841dS惯性半径 :i5.2.78690SJi柔度 ：b05.2il稳定系数 7.20815.371pcbSkns因为稳定系数 大于许用值 12，故安全。sn3.4 注塑机机械手副臂的设计3.4.1 副臂的设计要求副臂上要安装两个手臂（水口夹手臂、制口夹手臂） ，而且两手臂在横向位置还可以移动，所以它们可以通过一个燕尾槽相互啮合在一起。这样就同时满足了两个要求。1.副臂在设计时还需满足的要求有：2.副臂的选材，选择型材，确保满足其刚度的同时，尽量使副臂轻一些；3.副臂的长度要求，要满足两手臂的横向运动行程；4.副臂上的燕尾槽要有足够的宽度，满足夹工件时可以承受两手臂和工件的重力；5.燕尾槽要有足够的光滑度，使手臂在横向移动时阻力很小；6.气缸要有足够的驱动力，且可以安全运行。3.4.2 副臂的结构分析与建模副臂是由型材、两个标准气缸等组成。副臂上安装手臂，手臂套在轴上经过燕尾槽啮合在一起，通过气缸驱动使之能够上横向发生位移。安装时，气缸缸体被固定在轴上，它的运动是经过缸杆（活塞杆）来传递的。左右分别一个，分别驱动水口夹手臂和制品夹手臂。而副臂在满足刚度需求下，尽量让其重量轻一点，所以选择了型材。选择型材的优点如下：1.材料的稳定性：型材的设计结构，符合力学中的一切原理。2.铝型材硬度好，拉伸强度高3.型材的易加工性。4.只需简便的维修和保养。5.经济性：铝型材密度小，重量轻，同一长度同一断面的型材仅为钢的 1/3，具有很高的经济性。副臂的部分结构建模：副臂型材的截面图如如所示图副臂型材模型如图 18 所示：图18 副臂模型标准气缸模型图19所示：图19 标准气缸配合后副臂的模型如图20所示：图20 副臂的运动模型3.4.3 副臂标准伸缩气缸活塞杆强度校验活塞杆的直径 d=10mm，气缸的直径 D=30mm,长度 ，采用 45 号钢。ml40气缸承受横向推力达到极限值 后，活塞杆会发生轴向变形，出现不稳定现象。因kF此，必须使推力负载（气缸工作负载 F1 与工作总阻力负载 F2 之和）小于极限力 。kF该气缸极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关，有关公式为：21kfAlna 活塞杆计算长度l 活塞杆横截面回转半径， k 4dk A1 活塞杆横截面面积， 641dA 材料强度实验值，对钢取f Paf70.2 系数，对钢取a501a代入有关数据得：21kfAFlna1030.3（KN）推力负载为：PD4F22123-610.04239(N)其中：P为气缸工作压力，其取值为 Pa。610.由于F 1+F2Fk，所以安全。 3.4.4 副臂铝型材的强度校核在solidworks软件里选择选择材质为6061合金铝型材，经查得， 6061铝型材的抗拉许用应力 ，抗压许用应力 。经过测量，副臂上所有零a124MPa-2.5MP件的重量约为20kg，外加最大抓重为3kg，所以副臂要承受230N 的力。副臂总长为1250mm,横截面的长度b为80mm，宽度h为80mm，其模型类似于一个横臂梁。先画出其弯矩图如图21图21 副臂的截面弯矩图从图中可以看出在端点处横截面上的弯矩最大，其数值为： mKNlFMG 75.14320153max计算出其惯性矩，根据工程力学书P168的公式7-14的第2式可得，梁横截面对轴的惯性矩为 463-33 10.12)080812 mmbhI （副臂横截面的水平对称轴就是其中性轴，由于横截面具有一对相互垂直的对称轴，并且加载方向与其中一根对称轴一致，此时最大拉应力与最大压应力绝对值相等，最大拉压应力作用点到中性轴的距离为 mh402ymax于是弯矩截面上的最大拉应力为 aa66-3maxmax 9.109.104.7513y MPIM拉最大压应力 amaxax.MP拉压 因为 ， aamax12469.1P拉 aamax 2.569.1PP压所以副臂的强度可以满足要求。3.5 注塑机机械手主臂和底座的建模3.5.1 主臂的设计要求主臂承受着本机械手的大部分力，所以其刚度要求也非常高，主臂的作用是支撑副臂，且副臂在驱动机构的作用下可以在主臂上自由活动。其设计要求有如下：1.主臂在满足设计的刚度要求同时使质量较轻些；2.主臂要有足够的长度，确保副臂上主臂上的行程；3.主臂上为节省空间，要选择好气缸；4.主臂的燕尾槽要有足够的光滑，减少运动的摩擦。3.5.2 主臂的设计分析与建模由于副臂在主臂上的横向位移达到了 1400，所以我们不能选用普通的气缸来做驱动机构。如果用普通的标准气缸，我们在确保副轴行程的同时，主臂就要在长度上加大一倍，这样浪费了材料，所以我们还是选择了磁偶式气缸。为使气缸承受的副轴上的重力有所减小，我们设计了一个专门支撑副轴且可以连接气缸的连接块，这样就可以使气缸受力减小，提高气缸的使用寿命。为了便于生产，主轴上的燕尾槽设计为活动式的，可以取下来。气缸要固定，还要设计一个挡板。主臂的整体图如图所示：图25 配合后的主臂结构模型1.气缸连接座 2.磁偶式气缸 3.主臂型材 4.燕尾槽 5.气缸挡板（注：注塑机机械手的副臂接在气缸连接体上）部分建模主臂型材的结构如图21图21 主臂型材尺寸图主臂活动燕尾槽导轨如图22图22 燕尾槽导轨主臂磁偶式气缸如图23图23 主臂磁偶式气缸气缸连接块如图24图24 气缸连接块底座的设计：底座承受了机械手上的所有力，所以它一定要有足够的刚度要求。而且底座只是起到支撑力的作用，所以在设计时的结构可以相对简单，易于加工。其模型如图 26 所示：图26 注塑机机械手的底座四 注塑机机械手的控制系统注塑机控制系统是整机的一个重要部分，其性能的优劣对整机有着至关重要的影响，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。PLC 的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC 在其自动化设备中的比例占首位。近年来，我国的 PLC 技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。在以往国内的注塑机控制系统中，主要存在三种控制类型：（1）继电器控制（2）单片机控制（3）PLC 控制在现代控制系统中，前两种方法因其自身的局限性，多不采用。而多是采用PLC 控制系统，这是一种工业控制机，具有抗干扰能力强，工作可行性高，平均无故障时间长，可在恶劣环境下正常工作，并可与计算机联网运行。此外，PLC 系统还可大大缩短系统的设计，加快工作进度。在本次设计中我们采用了可编程控制系统。 4.1 PLC 选型的方法随着 PLC 的推广普及， PLC 产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标起着重要的作用。4.1.1 机型选择的原则机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述：（1）结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的 PLC；否则，选用模块式结构的 PLC。（2）功能强、弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用抵挡的 PLC。对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有 A/D 转换的模拟量输入模块和含有 D/A 转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档机的 PLC。对于控制比较复杂、控制要求比较高的工程项目，如要实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂程度的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全 PLC 的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各个部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。（3）机型统一PLC 的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的 PLC 功能有限，只适合于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。 （4）是否在线编程PLC 的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。（5）PLC 的环境适应性由于 PLC 是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种 PLC 都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。一般 PLC 及其外部电路（I/O 模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠工作：温度： 工作温度 055储存温度： -40+85温度： 相对湿度 5%95%（无凝结霜）振动和冲击： 满足国际电工委员会标准电源： 交流 220V，允许变化范围为-15%+15% ，频率为4753Hz，瞬间停电保持 10ms环境： 周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体对于需要应用在特殊环境下的 PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。4.1.2 PLC 容量选择PLC 容量包括两个方面：一是 I/O 的点数；二是用户存储器的容量（字数） 。PLC 容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的 10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量乘以 8；对于有模拟量控制功能的 PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以 100。通常，一条逻辑指令占用存储器一个字。计时、计数、移位及算术运算、数据传输等指令占用存储器两个字。各种指令占存储器的字数可查阅 PLC 产品使用手册。I/O 点数也应留有适当裕量。由于目前 I/O 点数较多的 PLC 价格较高，若备用的 I/O 的点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常 I/O 点数按实际需要的 10%15%考虑备用量。4.1.3 I/O 模块的选择PLC 是一种工业控制系统，他的控制对象是工业生产设备或工业生产过程他的工作环境是工业生产现场。他与工业生产过程的联系是通过 I/O 接口模块来实现的。通过 I/O 接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为对被控对象进行控制的依据。同时控制器又通过 I/O 接口模块将控制器的处理结果送给工业生产过程中的被控设备，驱动各种执行机构来实现控制。外部设备或生产过程中的信号电平各种各样，各种机构所需的信息电平也是各种各样的，而 PLC 的CPU 所处理信息只能是标准电平，所以 I/O 接口模块还需实现这种转换。PLC 从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC 的 I/O 接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种 I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。标准的 I/O 模块用于同传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/ 关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）进行数据传输。典型的交流 I/O 信号为 24240V（AC） ，直流 I/O 信号为 010V（DC） 。I/O 点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便的对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O 所用的点数就可能有所不同，现具体分析如下：（1）开关量输入模块输入电压的选择输入模块的输入电压一般为 DC24V 和 AC220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。（2）开关量输出模块的选择继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，选用继电器型。选择时应考虑负载电压的种类和大