气动通用机械手设计机电一体化毕业论文

1、本文简要介绍了机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和坐标形式，气 动技术的特点，plc控制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，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的 技术参数。同时，计算并设计出了回转气缸、伸缩手臂的机械机构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压系统工作原理 图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制，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，设计出了人工移动式（无动力）点位示教控制软件，并画出了机械手的工作时 序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。

2、abstractat first，the paper introduces the conccption of the industried robot and the clcr. dary information of the developmcnt briefly what， s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.the paper introduccs the function，composing and classification of the manipu

3、lator , tc 11s out the free-degree and the form of coordineitc at the same time, the paper gives out the primary specification paramctcr of this manipulator，the paper designs the st rue turc of the hand and the cquipm ent of the drive of the manipulator 、this paper dcsigns the structurc of the wrist

4、 , computes the nceded momcnt of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.the paper designs the structure of the arm.the paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses plc to control . the paper institutes two c

5、ontrol schemes of plc according to the work flow of the memipulator the paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart what，s more , the paper workout the control program of the plc ,keywork: industrial robot； manipulator； pump； air pressure drive； plc摘要（中文）i（英文）ii第一章绪论11.1机械手概述

6、11.2机械手的组成和分类11.2. 1机械手的组成11.2.2机械手的分类41. 3国内外发展状况51.4课题的提出及主要任务 71.4. 1课题的提出71.4.2课题的主要任务8第二章机械手的设计方案2.1机械手的座标型式与自由度92. 2机械手的手部结构方案设计102. 3机械手的手腕结构方案设计102. 4机械手的手臂结构方案设计102. 5机械手的驱动方案设计112. 6机械手的控制方案设计112. 7机械手的主耍参数112. 8机械手的技术参数列表11第三章手臂伸缩，回转气缸的设计与校核.3. 1手臂伸缩部分尺寸设计与校核123. 1. 1手臂伸缩部分方案一的尺寸设计与校核123.

7、 1. 2手臂伸缩部分方案二的尺寸设计与校核123. 1.3导向装置163.1.4平衡装置 163. 2手臂回转部分尺寸设计与校核173.2. 1尺寸设计173.2.2尺寸校核 17第四章气动系统设计184. 1气压传动系统工作原理图18第五章机械手的plc控制设计205. 1可编程序控制器的选择及工作过程205.1.1可编程序控制器的选择 205.1. 2可编程序控制器的工作过程 215. 2 s7-200的扩展模块225.2. 1数字量i/o扩展模块225.2.2模拟量扩展模块235.2.3通信模块 245. 2. 4功能模块245.3 plc程序的实现255. 4本程序设计思路265.

8、5程序285. 5. 1主程序285. 5. 2在现子程序295. 5. 3初始化295. 5.4存储程序31第六章上位界面的设计32第七章结论33结束语34参考文献35第一章概述1.1气动机械手概述气动机械手由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一 种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设 备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率， 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、 控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿牛学等多学科而形成的高新技术，是当 代

9、研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的 重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长 的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可 长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程 产物，它是工业以及非产业界的重要牛产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少 的自动化设备.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”。生产中 应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动

10、生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、 实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣 的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、 焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用. 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附屈于该 机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作， 适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的 改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换牛产品种的中小批量牛产中获得广泛

11、的引 用。1. 2机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成机械手主耍由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1-1所示。图1-1机械手组成方框图:（一）执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题屮 我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。手指是与物件直 接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易， 故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时， 工件直

12、径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于 被抓取物件的表而形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平 面的、v形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而 传力机构则通过手指产牛夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽 杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）o3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按 预定要求将其搬运到指定的位置工业机械

13、手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气 缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等） 相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移 式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机 构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨 的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行

14、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。（二）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的 驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运 动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系 统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆 人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统 的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错课或发生故障 时即发出报警信号。（三）控制系统

15、控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一 般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制 两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、 运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机 械手的动作进行监视，当动作有错误或发牛故障时即发出报警信号。（四）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与 设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定 位置.1. 2. 2机械手的分类

16、工业机械手的种类很多，关于分类的问题，冃前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使 用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。（一）按用途分按用途机械手可分为专用机械手和通用机械手两种：1、专用机械手它是附属于主机的、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、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适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、下料机械手和'叨口工中心”2、通用机械手它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。格性能范围内， 其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机 械

17、手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的 牛产。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，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型 和一般型的机械手，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、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达儿百公斤以上、 传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性 能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动

18、系统，可实现连 续轨迹控制，使机械手的通用性扩人，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格， 成木高。2、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。其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小，气动动作迅速，结构简单，成木低。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。3、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

19、主要特点是运动准确可靠, 用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手， 因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长, 维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。（三）按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点z间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运 动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加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、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无

20、限的，整个移动过程处于控 制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机 械手一般釆用小型计算机进行控制。1.3国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（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，平均单机价格从91年的10. 3万美元降至97年的65万美元。（2）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。(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

21、标准化、网络化;器件集 成度提高，控制柜曰见小巧，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。(4) 机器人中的传感器作用口益重要，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己 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) 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

22、 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。(7) 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，目前己基木掌握 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

23、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

24、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，述开发出直接遥控机 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

25、和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之 中。1. 4课题的提出及主要任务1.4. 1课题的提出进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到來，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现 象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必 行，将机械手，应用于工业自动化牛产线，把工业产品从一条牛产线搬运到另外一条牛产线, 实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时乂可以提高劳动生产率。现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点：(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，限制其应用范围，可

26、能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性 及正确性。(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要求较高，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，木机械手拟采用气压传动，气动技术有以下优点：(1) 介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处 理方便，一般不需设置回收管道和容器: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

27、分z-),空气便于集屮供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显 降低和严重污染。(3) 动作迅速，反应灵敏。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，发生突然断电等情况时，机器及其工 艺流程不致突然中断。(5) 工作坏境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境屮，气压 传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6) 成木低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要 求，制

28、造容易，成本较低。传统观点认为：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(尤其在高速情况下，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屮的驱动功能己有部分被工业界所接受，而且对于不 太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取 得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器 人的实用性和前最存在不少疑虑。1.4. 2课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下：(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) 设计气动机械手气路设计，进行关键部件的设

29、计计算；(3) 设计气动机械伸缩、回转臂部分结构，进行关键部件的设计计算；(4) 人工移动式(无动力)点位示教部分控制软件设计与上位监控系统设计。第二章 机械手的设计方案对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-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 耍求，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

30、量选用定型的标准组件，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.2. 1机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，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。由于木机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此， 采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增 加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度下is幼图2-1机械手的运动示意图2. 2机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，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

31、压式吸盘。2. 3机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动 才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.4机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的仲缩、左右回转和降（或 俯仰)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。 手臂的各种运动由气缸来实现。2. 5机械手的驱动方案设计由于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. 6机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时

32、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. 7机械手的主要参数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 体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的 工件质量为0.5公斤2. 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仲缩及回转的速 度。该机械手最大移动速度设计为0. lm/so最大冋转速度设计为90°/5o平均移

33、动速度为0. 08m/so平均回转速度为60°/5o2. 8机械手的技术参数列表一、用途：用于自动输送线的上下料。二、设计技术参数：1、抓重0. 5kg2、自由度数4个自由度3、座标型式圆柱座标4、手臂运动参数伸缩行程100mm伸缩速度40min/s升降行程50mm升降速度loomm/s回转范围0°-180°回转速度90。/$5、手腕运动参数回转范围0 -180u冋转速度90。/s6、手指夹持范围棒料：（1）5（1）209定位方式行程开关10、定位精度± mm11、驱动方式气压传动12、控制方式点位程序控制（采用plc）第三章手臂伸缩，回转气缸的尺寸设计

34、与校核3. 1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核3. 1.1手臂伸缩气缸方案一的尺寸设计与校核为方便大规模生产需求以及采购，根据实验设计要求，手臂仲缩气缸采用烟台气动元件 厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用cta型气缸，尺寸系列初选内径为0 100/63.(1) 在校核尺寸时，只需校核气缸内径£>, =63mni,半径r二31. 5nini的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强p = oampa ,则驱动力：f = pttr2= 0.4x106x34 xo.03152= 124qn)(2) 测定手腕质量为5kg,设计加速度

35、6/= 10(/h/5),则惯性力f = ma=10x 5=50(3) 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k = 0.2,=50x0.2=10总受力f()=ffm=50+10=60所以标准cta气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。3. 1. 2手臂伸缩部分方案二的尺寸设计与校核为使所设计的机械手拥有更高精度，同时便于安装调试，现设计手臂伸缩部分第二套方案。(1)活塞杆上输出力和缸径的计算活塞左行时活塞杆产生推力人，活塞右行时产生拉力巧。f2=d2-d2)p-fz式中 阳活塞杆的推力(n)；f2活塞杆的拉力(n);d活塞直径(m);d活塞杆直径(m);p 气缸工作压力(pa);fz气缸工作总阻力

36、(n);气缸工作时的总阻力色与众多因素有关，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少的形式计入公式,如要求气缸的静推力人和静拉力%,则计入载荷率后7tfx = d2p 77tf2 = -d2-d2p 7计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征.若气缸动态参数要求较高;且工作频率高，其 载荷率一般取n =0. 30. 5,速度高时取小值，速度低时取大值.若气缸动态参数要求一般，且 工作频率低，基木是匀速运动，其载荷率可取n二0.7o. 8o根据要求木次设计中，我们取n =0.8。活塞杆拉力f2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=(

37、1.5 + o.5)xlo = 2on可求得气缸肓径d。当推力作功时d= /4f1/(兀的)d=+d2活塞杆d可根据气缸拉力预先估定。估定活塞杆肓径可按d/d二0.20.3计算得d=(l01 109)=85mm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应圆整为标准值。根据d/d二0. 20. 3可估算得d=12cm（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（lwlod）,可以只按强度条件计算活塞杆直径d式中凡气缸的推力（n）；6活塞杆材料的许用应力（pa）, k = %/s；材料的抗拉强度（pa）；s安全系数，sm1.4。按纵向弯曲极限力计算

38、气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极 限力fk以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。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>85 "时fk = nn2ei/l2当长细比乙/kv85右时f二 加式中l活塞杆计算长度（m）,见表3-3k活塞杆横截面回转半径，实心杆k空心杆k =j 2+<o/4;i活塞杆横截面惯性矩,=曲实心杆 64空心杆 z=*/)/ 64 ；da 空心活塞杆内径直径（m）;4活塞杆截面积、.41 =手2， 实心杆 47t宀、虹ai = &&）；空心杆4n系数，见表3-3e材料弹性模量，对钢取&#

39、163; = 2.1x10npa；f材料强度实验值，对钢取/=49x 107pa；系数，对钢取a二1/50003.1.3.导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确 方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该 采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定， 同吋在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对冋转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在木设计中才用单导向 杆来增加手臂的刚性和导向性。3.1.4平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够

40、尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放舷码，舷码块的质量根据抓取 物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3. 2手臂回转气缸的尺寸设计与校核3. 2.1尺寸设计气缸长度设计为b = 120/7w?,气缸内径为£>| =210t?/7?,半径r= 105mm,轴径q = 40mm半径r = 20mm ,气缸运行角速度血二90° / s ,加速度吋间ar =0. 5s,压强p = oampa ,则力矩：m =_ 0.4 x 10& x 02(005? 0.0202)_ 2

41、= 255(mw)3. 2. 2尺寸校核1 测定参与手臂转动的部件的质量ml二20kg,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布 在一个半径/' = 200/77/72的圆盘上，那么转动惯量：=20x0. 1/2=0. 1 ( kg,trr )m r j. 惯/二0. 1 x (90/0. 5)=18考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数£ = 0.2,=0.2x18=3.6总驱动力矩m驱=m惯+ m摩=18+3. 6=21. 6设计尺寸满足使用要求。第四章气动系统设计4. 1气压传动系统工作原理图图4-1为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（排气压

42、力大于 0. 4-0. 6mpa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路 上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。钿爾气门图4-1机械乎气压传动原理图序号型号规格名称数量1qf74手动截止阀12苗缸23qsl-26-sl分水濾代器14qty-20- s*减压阀10qiu-20- sj油雾器16yj-1压力继电器17-q24dhto- s,二位五通电磁滑阀18q24d.h-10* s二位五通电磁滑阀4911q24d2h-15- s,二位五通电磁滑阀110单向节流阀211li-25单向节流阀212快速擀气阀213气液转换器1各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电

43、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，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向 节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速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 电磁阀和切换调节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

44、适应来确定的。第五章 机械手的plc控制设计考虑到机械手的通用性，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吋，只需改变plc程序即可实现，非常方便快捷。5. 1可编程序控制器的选择及工作过程5. 1. 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很多，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、日木omron(立石)公司的c型、p型pc等。木次设计中选择 了 simatic公司的s7-200的可编程序控制器。s7-200 plc是sm1at1c s7家族中的小型可编程控制器，适用于各行各业、各种

45、应用场 合中的检测、监测及控制的自动化。s7-200的使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制，到 极复杂的自动化控制，应用领域极为广泛。s7-200的应用范围覆盖所有与自动检测、自动化 控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。 s7-200在全批界拥有数以百万计的成功应用案例，无论是单独运行，还是联网应用。s7-200将高性能与小体积集成一体，运行快速，并且提供了丰富的通信选项，具有极高 的性能/价格比。s7-200的系统的硬件、软件都易于使用。s7-200系统坚持一贯的模块化设 计，不但能够经济地满足目前的项目要求，也为将来扩展提供了开放的接口。s7-

46、200易于编 程，引入了编程工具箱(toolbox)概念，设计了许多编程向导(wizard)以方便用户完成一 些比较复杂的程序设计工作。s7-200 cn继承了 s7-200的优良品质和卓越性能，适用范围可覆盖从替代继电器的简 单控制到复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动监测，自动化控制有关的 工 业及民用领域，包括各种纺织机械、中央空调、印刷机械、包装机械、工程机械、小型机 床、楼宇自控、民用设施、环境保护设备等等。s7-200的出色性能表现在:极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握便捷的操作丰富的内置集成功能实时特性丰富的扩展模块前盖:状态指示灯模式选择开关（run/stop

47、） 模拟电位器i/o扩展端口接线端子（cpu 224, cpu226 cpu226xm上可插拔）安装在标准din导轨上的夹子可选卡插槽 eeprom 卡 时钟卡 电池卡通讯口i/o ledssfrunstop图5-1 cpu外形结构cpu及其扩展模块安装在标准的35mm的导轨上模式选择开关：开关拨到run,则cpu运行（在上电时，cpu会自动运行）；开关拨到 stop, cpu停止；开关拨到term时，不改变当前操作模式。当模式选择开关打在run或term 状态时，可以使用micro/win编程软件来控制cpu的运行停止。cpl'226和cpu226xm上有两个通信口5. 1. 2可编

48、程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描 的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，cpu对输入输出状态的询问是针对输入 输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为i/o状态表该表是一个专门存放输入输 出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息 的存储器叫输出状态暂存器。开机时，cpu首先使i/o状态表清零，然后进行自诊断。当确认 其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，cpu对输入状态进行

49、扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到 i/o状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在i/o状态表中一直保持不变，不 会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程 序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入i/o状态表后，cpu工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可 编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各i/o状态和有关指令进行运算和处理，最后 将结果写入i/o状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。段cpu对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到i/o状态表状态暂存器中。此时将 输入信号从输出状态暂存器中取

50、出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设 备进行各种相应的动作。然后，cpu乂返回执行下一个循环的扫描周期。5. 2 s7-200的扩展模块除了 cpu221夕卜，s7-200的其他cpu型号都可以附加扩展模块，以增加i/o点数、扩展通 信能力和一些特殊功能。s7-200的扩展模块包括：数字量i/o扩展模块模拟量i/o模块通信模块功能模块不同类型的模块可以组合搭配，一起做s7-200 cpu的扩展模块。5. 2.1数字量i/o扩展模块数字量i/o扩展模块有:em221：数字量输入扩展模块。包括8 点 x 24vdc8 x 120/230vac16 x 24vdcem222:数字量输

51、出扩展模块4 x 24vdc/5a4 x继电器/10a8 x 24vdc/0.75a8 x继电器/2a8 x 120/230vac/0. 5aem223：数字量输入/输出混合模块24vdc 输入；4 x24vdc/0. 75a 输出24vdc 输入;4 x继电器/2a输出24vdc 输入；8 x24vdc/0. 75a 输出24vdc 输入;8 x继电器/2a输出16 x 24vdc 输入;16x 24vdc/0. 75a 输出16 x 24vdc 输入;16x继电器/2a输出不同类型的数字量模块可以同时连接到cpu后面，只要注意各自的电源连接就可以了。数字量1/0接线5. 2. 2模拟量扩展

52、模块除了 cpu224 xp外有两通道输入/一通道输出的简单模拟量i/o组外，其他cpu都需要加模拟 量扩展模块才能获得模拟量i/o能力。em231： 4通道电源/电流模拟量输入em231 rtd： 2通道热电阻温度输入模块em231 tc： 4通道热电偶温度输入模块em235： 4通道电压、电流输入/i通道电压、电流输出模块5. 2. 3通信模块除cpu本体上的通信口可以支持ppt/mpt和自由口通信之外，s7-200系列使用扩展模块 支持更多的通信模式。这些通信模块有：em277： profibus-dp/mpi 通信模块。带 db-9 插座，可连接到 profibus-dp 和 mp网

53、络上。em277也可以用于连接西门子的iimi产品em241：模拟咅频调制解调器（modem）模块，带rj11电话插口。支持自动电话拨号等 功能cp243-1：以太网模块，带rj45接口，可连接到支持tcp/ip标准的以太网中，与西门 子的其他cp243模块、cp343/cp443模块，或西门子软件（opc server）通信cp243-1 it：带因特网功能的以太网模块，除cp243-1的功能外，还支持ftp、http、 e-mail等it功能cp243-2： as-interface （执行器一传感器接口）主站模块。as-interface从站可以 连接到端子上。一个完整的系统还需要as-

54、interface电源等设备5. 2. 4功能模块s7-200冃前有一种特殊功能模块：rm253：定位处理模块，支持开环速度和定位控制。一般用于控制步进电机控制器和伺 服电机控制器。支持rs422/rs-485差动输出和漏极开路输出。每个模块可以控制一个轴。使 用多个模块的情况下也不能进行复杂的插补计算5. 3 pic程序的实现s7-200的数据主要分为：与实际输入/输出信号相关的输入/输出映象区：i：数字量输入（di）q：数字量输出（do）ai：模拟量输入aq：模拟量输岀内部数据存储区v：变量存储区，可以按位、字节、字或双字来存取v区数据m：位存储区，可以按位、字节、字或双字来存取区数据t：

55、定时器存储区，用于时间累计，分辨率分为ims、10ms、100ms三种c：计数器存储区，用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。cpu提供了三 种类型的计数器：一种只能增计数；一种只能减计数；另外一种既可以增计数，又可以减 计数寻址格式数据长度（二进制位）数据类型取值范围bool （位）1 （位）布尔数（二进制位）真（1）;假（0）byte （字节）8（字节）j无符号整数0255； 0ff （hex）1nt （整数）16（字）有符号整数-3276832767；80007fff （hex）word （字）无符号整数065535；0ffff (hex)dint（双整数）有符号整数-214748364821474836478000 00007fff ffff (hex)dword（双字）32（双字）无符号整数04294967295；0ffff ffff (hex)real（实数）ieee 32 位 单精度浮点 数-3. 402823e+381. 175495e-38 (负数)；+1. 175495e-38 +3. 402823e+38 (正数)；0. 0ascii8/个字符列表ascii字符、汉字内码（每个汉字2字节）string（字符串）（字节）字符串1254个ascii字符、汉字内码（每个汉字2字节）图5-6 s7-200支持的数据格式5. 4本程序设计思路我所设计的程序要