机械手模型结题

1、基于PLC的全气动组合式机械手教学模型结题报告项目负责人：许万宝成 员：袁延延周建宇王彬樊登高指导老师：梁 艳2013年 10 月机械技术和以计算机为代表的微电子技术在相互渗透中获得迅速 发展， 形成了机电一体化技术， 本次设计是在以机电一体化思想为基 础的前提下进行的， 其中应用了一些现代机电一化的常用技术， 充分 体现本次设计的内涵。在本文中确定基于 PLC 的全气动组合式多功 能机械手的主要技术参数，整体尺寸。设计基于 PLC 的全气动组合 式多功能机械手的三种机械手爪，分别为机械夹持器、真空吸附手、 充气膨胀手。 在本文的撰写过程中， 还给出了三种机械手的据图设计 方案和具体零件的选择

2、。基于 PLC 的全气动组合式多功能机械手在 设计的工程中还增加了了一个导向装置和平衡装置， 这样使得机械手 在运动的过程中更加的准确平稳。 在当今的工业领域中， 环保和科技 处在科研的前端，利用先进的机械设备，不但可以保证产品的质量， 提高劳动生产率， 同时也可减少了企业在生产中出现的环境问题， 更 为优越的是减少了企业产品的制造成本， 缩短了产品生产周期。 此款 工业设计不仅利用了环保的工作介质而且实现了多角度， 多方位， 多 工作环境的设计理念。同样也把“安全生产”的目标放在首位，更是 体现了我们国家“以人为本” “科教兴国”的战略方针。关键词：基于PLC的全气动组合式多功能机械手；机电

3、一体化；自 由度；可编程控制器（ PLC）；IO 点；梯形图基于PLC的全气动组合式机械手教学模型第一章 绪论一、课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人们对 生产率也不断提出新要求，由于微电子技术和计算软、硬件技术的 迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术得以快速发 展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不会污染环境、 组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已经渗透到工业 领域的各个部门中，在工业发展中占有非常重要的地位。现代生产 中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有 害气体场合以及水下作业等等，这些恶劣的生产环境不利于工人进 行生

4、产操作。气动机械手的问世，相应的各种难题应刃而解。机械 手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的 限制，非常方便。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨 迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。目 前，常用的机械手都是针对某一固定工件而设计的专用型机械手， 没有通用性。为了扩大机械手的功能，实现“一手多用”的需要， 我们对机械手采取了模块化设计，针对不同的抓取对象，如圆形棒 料、圆锥形零件及薄板零件等等，选择设计了相应的手爪附件，如 机械夹持器、真空吸附手和气袋膨胀手等等，以提高机械手的应用 范围和设备的利用率。可编程控制器（PLC）由于其具有

5、的高可靠性、编程方便、易于 使用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试 方便等优点，代替传统的继电器控制电路可以大大提高整个控制系统 的柔性。借助 PLC 强大的工业处理能力，很容易实现工业生产的自 动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下， 大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工人 的工作环境，减轻了工人的劳动强度，节约了成本，提高了生产效 率，对现代工业的发展具有十分重要的意义。二、机械手的概念和分类（一）机械手的概念机械手，英文命 mechanical hand ，是指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

6、工具的自动操作装 置。它可以替代人进行繁重的劳动，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。机械手主要是由手部和运动机构组成。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，如加持型、托持型和吸附型等等。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， 被称为机械手的自由度。 为了抓取空间中任意位置和方位的 物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参

7、数。自由度越 多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用 机械手有23个自由度。（二）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； 按使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等。三、基于PLC的全气动组合式多功能机械手研究的主要内容 和用途基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压 驱动，并用PLC对气控回路进行控制以实现机械手的运动，将机械、 气控回路与微电子有机地结合起来。 目前，工业上使用的机械手大部分是采用电机驱动或液压驱动的专用 型机械手，而整个系统全部采用

8、气压驱动的组合式多功能机械手却还 未见相关报道。气压驱动与电机驱动相比，更加适用于各种易燃、易 爆、强磁等恶劣环境下工作。而与液压驱动相比则反应更加灵敏，动 作更加迅速，而且不存在工作介质变质的问题。将PLC代替传统的继电器控制电路对机械手进行远距离控制，可以大大提高整个控制系统的柔性。 当被控对象的运动状态或工作方式发生 改变时，可以随时更改输入到PLC里的程序，从而很方便地就达到相 关目的的实现。与传统的继电器控制电路相比，则提高了效率，降低 了成本， 减轻了操作人员的劳动强度。 这是将机械和微电子有机地结 合起来应用到整个系统中的典范。机械手采用模块化设计， 具有多种功能。 受计算机模块

9、化发展趋势和 组合机床结构特点的启发， 本次设计对机械手进了模块化设计。 它由 设计独特的末端执行器与机械手的基体组合而成， 具有夹持多种工件 的功能。本机械手根据夹持对象的不同， 设计了三种不同的末端执行 器，分别是机械夹持器、真空吸附手和充气膨胀手。 为了控制机械手的转位角度， 我们设计了一种新型的气控回路， 它将 二位五通电磁换向阀配以安全阀并加上二位二通电磁阀组合在一起 代替中封式阀， 可以在满足相同功能并保证相当精度的条件下， 显得 更为经济，为气压驱动的过程化控制提供了一种新的控制方法。 本机械手作为模型通过适当放大或缩小， 可以广泛应用于冶金、 化工、 军工等环境恶劣、 安全要求

10、高的特定场合下， 还可用于自动流水线中， 也可专业综合实验系统。 以用作高校机电一体化课程的实验工具， 完 成日常的教学任务。第二章基于PLC的全气动组合式多功能机 械手的总体设计方案基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采用气压 驱动，并用PLC控制气控回路控制以实现机械手的运动，将机械，气 控回路与微电子有机的结合起来。 气压驱动与电机驱动相比，更适用 于更适用于在各种易燃、易爆，强磁等恶劣的环境下工作。并且在工 作的过程中反应更加灵敏，动作更加迅速而且不存在工作介质变质的 问题，最主要的是工作介质来源广泛，并且价格低廉。并且采用三个 组合式机械手爪，可以完成不同规格零件的夹持和

11、携带工件移动到合 适的位置。、机械手的工作原理基于PLC的全气动组合式多功能机械手是以空气压缩机产生具 有一定压力的气体作为气源，机械手的各个动作由气缸驱动，而气缸 由相应的电磁阀控制。机械手的全部动作由PLC控制完成。二、三种机械手抓的结构原理（一）机械夹持器本机械手采用了平行四边形传动机构， 实现两手指的平行开合运 动。该四连杆机构采用均衡受力的设计思路， 所有受力构件均为对称 结构。夹持工件时，受力均匀，定心准确，对中性好，平衡效果佳。 另外两手指的开合采用预缩型气缸驱动， 能快速松开工件，可以实现远距离控制。如图2-1为机械夹持器的机构简图:图2-1机械加持器的机构简图1.手指2.连动

12、杆3.气缸套4.杠杆5.支架一 6.支架二7.联接螺钉8.气缸一9.回转气缸10.悬臂11.螺母12.推力轴承一 13.长轴套14.机架14.轴承套16. 推力轴承二17.转轴18.齿轮19.气缸二20.加强肋21.气缸三22.齿条23.导向槽手指1、连动杆2、杠杆4、第一支架5、第二支架6、通过销钉联接，构成平行四边形结构，第一气缸8装在气缸套3中，并通过联接螺钉联接7,而气缸套3与回转气缸9通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂10与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套14与机架14间隙配合，第二推 力轴承16与轴承套14过盈配合，第一推力轴承12与轴承套过盈配合，齿轮1

13、8 通过螺钉与轴承套14联接，导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上， 齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙配合，并与齿轮22啮合。第二气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮 22上（二）真空吸附手真空吸附手是将真空吸盘和真空发生器组成一个专用件应用到 机械手中，并与基体构成一个完整的工作系统， 在电磁换向阀的控制 下，对表面平整光滑的工件进行吸附和脱开。机械手的抓取机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件 组成。其中真空吸盘是工件抓取的主要原件， 吸附机构有四个吸盘组 成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，真空吸附手的的装配 图如图2-2所示：图2-2真空吸附手的装配

14、图1.顶盖2.套管3.真空发生器4.真空吸盘（三）充气膨胀手充气膨胀手是通过气袋充气膨胀， 来夹持形状特殊的工件，如带 锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依然有一定的柔韧性， 可以实现工 件的无损夹持。考虑到被夹工件尺寸上的差异，我们配备了气压行程 开关和锥形螺母，以便扩大膨胀手的应用范围。图2-3为充气膨胀手 装配图：CD图2-3充气膨胀手装配图1.套管2.气动电磁阀3锥形螺母4.导向杆5.顶盖6.气袋7.气袋保持架气袋保持架7与套管1螺纹联接，导向杆 4通过螺纹联接在气袋保持架 7上，气袋6 装在气袋保持架 7中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆 4上，与行程开关接触，起限位作 用。顶盖5通过螺

15、纹联接在套管 1上。该配件针对不同的工作要求， 可与机械夹持器进行替 换。三、机械手的整体参数设计机械手的整体尺寸：长*宽*高=230mm*280mm*430mm机械手转位半径：R=62137mm机械手的上下位移行程：70mm机械手臂的转位角度：9三90o机械手爪的转位角度：9 =360o机械手爪取的最大重量：4 kg。四、机械手的辅助装置设计（一）导向装置在设计手臂结构时， 为了保证手指的正确方向防止手臂绕轴线转 动，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用， 以增加手臂的刚性需要采 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，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运

16、动部件的重量 和减少对回转中心的惯量。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， 在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。（二）平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够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，故在手臂的后背增加了平衡装 置，装置内加放砝码， 砝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。第三章 基于PLC的全气动组合式多功能 机械手的手腕的设计一、手腕的自由度 手腕是把手臂和手部的重要部件，它的作用是调整或改变工件的方 位，因而它必须具有独立的自由度，机械手才适应复杂的动作要求。 手腕自由度的

17、选用与机械手的通用性、 加工工艺要求、 工件放置方位 和定位精度等许多因素有关。 由于本机械手抓取的工件是不同方位的 放置，同时考虑到可行性， 因此给手腕设一绕 Z 轴转动回转运动才可 满足工作的要求。 目前实现手腕回转运动的机构， 应用最多的为回转 油缸或气缸，因此我选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于 360 0,并且要求有很好的密封度。 为了使机械手更加的方便灵活， 在手腕与手部的连接部分还增加一个 小于 90 的转位和机械手的上下运动,所以由此可见手腕的自由度有 两个,即手腕部的小于 90度的转位,手部的上下运动。二、手腕的驱动力矩的计算（一）手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、

18、 上下摆动均为回转运动, 驱动手腕回转时的驱动力 矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩, 手腕的转动轴与支承孔处 的摩擦阻力矩, 动片与其他零件连接处密封装置的摩擦阻力矩以及由 于转动零件的中心与转动轴线中心不重合所产生的偏重力矩。 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算,M驱=M惯M偏M封（3-1）式中：m驱一手腕转动的驱动力矩（ncmM惯一惯性力矩（n cm；M偏一参与转动的零件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸）对转动轴线所产生的偏重力矩（N cm）;M封一手腕回转缸的定片与动片、端盖、缸径等处密封装置 的摩擦阻力矩（N cm）;1. 手腕加速运动时所产生的惯性力矩 M惯若机械手手腕在起动

19、过程为等加速运动，机械手手腕转动的角速度为，转动过程所消耗的时间为-=t，贝心M 惯=（J+JJ N cm（3 - 2）式中：J 参与机械手腕转动对转动中心轴线的转动惯量（N9RVS2）；Ji 零件对机械手腕转动中心轴线的转动惯量 （N -cm-S2）o若零件中心与转动中心轴线不重合，其转动惯量J1为：Ji =Jc 色e2（3 - 3）g式中：Jc 零件对过重心线的转动惯量（NcmS2）;Gi 零件的重量（N）;0零件的重心到转动转动轴线的偏心距（cm）;机械手手腕转动的角速度（rad /s ）;：t 机械手起动过程所需时间（s）;机械手起动过程所转过的角度（rad ）。2. 手腕转动件和零件

20、的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M 偏=Ge G3©3(3 - 4)式中：G3 机械手手腕转动的零件的重量（N）;e3机械手手腕转动件的重心到转动中心轴线的偏心距（cm）。当零件的重心与手腕转动中心轴线所重合时，则Gq=O3. 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M封式中：M 封 = 2（RaC2 ' RBdi）（3-5）4、d2 机械手转动轴的轴颈的直径（cm）,f 摩擦系数，Ra、Rb转动轴的轴颈处的支承反力（N）。可按手腕转动轴的受力分析求解根据' Ma（F） 0，得:同理，RBl G3I3 =G2I2 ' G11(3-6)G1* G2J - G3l3R

21、bl(3-7)根据"Mb ( F)二 0，得：R G(l+l1)+G2(l+l2)+G3(l13)(38)A 一l()式中：G2的重量（IN）l、l1、l2、l3 为长度尺寸（cn）转缸的动片与缸径、定片、端盖处密封件的摩擦阻力矩M封，与选用的密封件的类型有关，应根据具体情况加以分析。（二）回转气缸的驱动力矩计算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,它的原理如图32所示，定片和缸体固连，动片和回转轴相连。动 片密封圈把气腔分隔成两个当压缩气体从孔A进入时，推动输出轴作逆时针回转，则低压腔的气体从 B孔排出。反之，输出轴作顺时针方 向回转。单叶气缸的压力 P驱动力矩M

22、的关系为：2 2M 二迹丄（3-9）22M(3-10)P 一 b(R2 r2)图42回转气缸简图1、静片；2、回转轴；3、缸体；4、动片；5、密封圈式中：M回转气缸的驱动力矩（Ncm）;P回转气缸的工作压力（N/cmf）R缸体内壁半径（cm）；R输出轴半径（cm）；b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R和背压P2之差。(三) 手腕回转缸的尺寸及其校核1 .尺寸设计气缸长度设计为b =100 mm,气缸内径为d1 =96mm,半径R = 48mm, 轴径D2=26mm,半径R=13mm,气

23、缸运行角速度 =90 /s ,加速度时间t=0.1 s, 压强P =0.4 MPa，则力矩为:2 2Mb(R(3- 11)26 2 20.4 100.1(0.048 -0.026 )2= 32.6 N m2.尺寸校核(1)测定参与手腕转动的部件的质量m1 =4kg，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r = 50mm的圆盘上，那么转动2mr惯量(3-12)4 0.052二 0.005 (kg m2)ml2工件的质量为4kg，质量分布于长1= 100mm的棒料上，那么转动惯量(3-13)4 0.12-12= 0.0033 (kg m2)假如工件中心与转动轴线不重合，对于长I = 1

24、00mm的棒料来说，最大 偏心距e =50 mm，其转动惯量J =Jc m2(3-14)= 0.00334 0.052二 0.0133 (kg m2)M惯二(J 7) ；(3-15)二 t90-(0.0125 0.0133) = 23.22 (N m)2) 机械手手腕转动件和工件的偏重对转动中心轴线所产生的偏重力 矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，e =0，夹持工件端时工件重心偏离转动轴线e3=50mm，贝卩，M 偏=Gc+G3e3(3-16)=10 10 0 5 10 0.05= 2.5 (N m)3) 机械手手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 M摩，对于滚动轴承来 说f=0.01，

25、对于滑动轴承来说f=0.1 , d1 , d2为手腕转动轴的轴颈 处的直径，d1 =30 mm, d2=20mm, RA、RB为转动轴轴颈处的支承反 力，粗略估计RA =300 N , RB =150 N，贝卩，M摩二 2(RAd2 RBdJ(3-17)0.01(300 況 0.02 +150 況 0.03)二 0.05 N m4）机械手回转气缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦 阻力矩M封，与选用的密封装置的类型有关系，应该根据具体情况加 以判别。在此处估计M封为M摩的3倍，则，M 封=3 M 摩（3-18）=3 0.05= 0.15 N mM驱二M惯M偏M摩M封= 23.222.5

26、 0.05 0.15= 25.92 N m经比较可得：M 驱：:M所以，设计尺寸符合使用要求，是安全的。（四）齿轮齿条的传动计算为了可以在工作中是机械手可以更加灵活的回转，在设计的过程 中除了在机械夹持器的上方增加了回转气缸，还在机械手手腕的部 分，增加了齿轮齿条的传动。这样使得机械手更为灵活的完成所要完 成的动作。1、齿轮与齿条传动特点齿轮在作回转运动同时，齿条也在作直线运动，齿条可以看作一个齿 数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲 线的渐开线也变可为直线。齿条直线的速度 v与齿轮分度圆直径d、转速n之间的关系为: dnv= (mm/s)(3-19)60其中：d齿轮分

27、度圆直径，mmn 齿轮转速， 厂min。其啮合线N1N2与齿轮的基圆相切Ni，由于齿条的基圆为无穷大，所以 啮合线与齿条基圆的切点N2在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否采用标准安装 ，其啮合角:-'等于齿轮 分度圆压力角也等于齿条齿形角；齿轮的节圆也与分度圆重合。只是采用非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿轮与齿条正确啮合条件为：基圆齿距相等。齿条的基圆齿距是两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即 P二Pcos：二 二 mcos：。齿条与齿轮的实际啮合线是 RB2，即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线N1N2的交点B2及Bi之间的长度。齿轮与齿条标准安装：齿条的分度圆与齿轮的分度圆相切

28、，载移 动电源与车辆，2007年 第12期。图4-2齿轮齿条的啮合2、齿轮齿条传动的几何尺寸计算表3-1齿轮齿条传动的几何尺寸计算（一）项目名计算公式及齿轮称代号齿乙56数模m2mm数螺旋角o0o基压力角齿a20本顶咼齿系数*ha1廓顶隙系数*C0.25变位系数x10齿轮齿条的主要参数计算齿条262mm0200.252mm2mm齿轮分度圆直径d1 umw.cosl，96mm齿轮中心到齿条中心距齿距齿条齿数齿轮齿条参数（二）hai = hi x m2.836 mmha2 = hai m2 mmhfi =(htic X2)mhf2 =(h1 c*)mh = ha - hfd1Pn Ymz2 二丄

29、0.5Pn1.6642.5 mm3 mm4.5 mm6.238 mm263、齿轮、齿条的主要特点:（1）由于齿条的齿廓为直线，所以齿廓上的各点都具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，这就是齿形角，标准值为20°。（2）与齿顶线平行的任何一条直线上都具有相同的齿距和模数。（3）与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线，这就是计算齿条尺寸的基准线。4、齿条的设计计算（1）齿条的强度计算在机械手的手腕结构中采用齿轮齿条传动， 选取在齿条的连接段施加 的扭矩T二20 Nm，齿轮传动都要加以润滑，啮合齿轮与齿条间的摩 擦力一般都很小，故计算齿轮齿受力时，不予考虑。齿轮齿条的受力状况类似于斜

30、齿轮，齿条的受力分析如图FF如图3-3，作用于齿条齿面上的法向力Fn，垂直于齿面，将Fn分解成 沿齿条径向的分力（径向力）Fr，沿齿轮周向的分力（切向力）Ft， 沿齿轮轴向的分力（轴向力）Fx。各力的大小为：R =2T d（ 3-20）Fr = Ft tan： n（3-21）其中：:n 法面压力角（由表3-1查得）齿轮轴受到的切向力：Ft =2T. d（ 2 20）/54=740.7N（ 3-22）其中：T作用在输入轴上的扭矩，T取20Nm 。d齿轮轴分度圆的直径，齿条齿面的法向力：Fn 二 Ft . cos： n =740.7/cos20 = 788.23N（3-23）齿条牙齿受到的切向力：

31、Fx 二 Fn cos： n =788.23 0.9396= 740.7N（3-24）齿条杆部受到的力：F =Fx =740.7N（3-25）（2）齿条杆部受拉压的强度计算计算出齿条杆部的拉应力：=F, A=10.25N mm2（3-26）其中：F齿条受到的轴向力A 齿条根部截面积，A =72.25mm由于强度的需要，齿条用35SiMn制造，其抗拉强度极限是匚b =69N/mn2,（没有考虑热处理对强度的影响）。因此- < 二b所以，齿条设计满足抗拉强度设计要求。（3）齿条牙齿的单齿弯曲应力：；飞=（6 Ft h）/（b s2）（3-27）其中：Ft 齿条齿面切向力b 危险截面处沿齿长方

32、向齿宽hi 齿条计算齿高s危险截面齿厚从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力：F° = （6 汉 740.7汉 3）/ （20 汉 32） = 74.07N/ mm2上式计算中只按啮合的情况计算的，即所有外力都作用在一个齿上了，实际上齿轮齿条的总重合系数是 2.63 （理论计算值），在啮合过 程中至少有2个齿同时参加啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低 一倍。二 f01 = "0 2 = 37.035N / mm2（ 3-28）齿条的材料我选择是35SiMn制造，因此：抗拉强度-b =69N / mm2 （没有考虑热处理对强度的影响）。齿部弯曲安全系数s =匚 b/匕=1.8

33、（ 3-29）因此，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求。又满足了齿面接触强度， 符合本次设计的具体要求。5、齿轮的强度计算（1）齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P （单位为N/mm为P*（ 3-30）其中；Fn 作用在齿面接触线上的法向载荷L沿齿面的接触线长，单位 mm法向载荷Fn为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别 是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮 合的齿对间，受力载荷的并不是均匀分配的，即使在一对齿上，受力 载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接 触

34、线单位长度上的最大受力载荷，即计算Pa （单位N/mm2）进行计算。即Pea 二 KP 二 K （ 3-31）其中：K 载荷系数载荷系数K包括：齿轮的使用系数Ka、齿轮的动载系数KV、齿轮齿 间载荷分配系数K.、齿轮齿向载荷分布数K ，即K 二 KaKvK：K ：（3-32）使用系数Ka :是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影 响的系数，Ka =1.0。动载系数Kv :齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后 还要发生弹性变形，因此引入了动载系数，Kv=1.0。齿间载荷系数K;:齿轮的制造精度7级精度，K：,1.2。齿向荷分配系数K二齿宽系数：d 二b/a =18.14/12.

35、13 =1.5O：=1.12 0.18（1 0.6 d2） 0.23 10b = 1.5（3-33）所以载荷系数K =KaKvKK?=1 1 1.2 1.5 = 1.8齿轮与齿条的传动比u, u趋近于无穷则 Iu所以 ch =30 MPa直齿圆柱齿轮接触疲劳强度极限二Himi =1200MPa，应力循环次数N =2 105。所以 Khn =1.1计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数s = 1，可得K 口I；_h HN 归=1.1 1000MPa =1100MPa（3-34）S其中：Khn 接触疲劳寿命系数由此可得二H < tH L所以，齿轮所选的参数满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度

36、要求。（2）齿轮齿跟弯曲疲劳强度计算齿轮承受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度 最弱。所以当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的 力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根 所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此， 齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。所以，直齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式：厂二KFY止小一FFbmnSa（3-35）式中齿间载荷分配系数Kf：. =1.2，载荷系数K 二 K11 .，齿形系数 YFa -3.41，校正系数 Ysa = 1.4 ，螺旋角系数Y =0.75。所以，校核齿根弯曲

37、强度bmn aYpaYsa(3-36)3.41 1.4 0.75 =249MPa1.2 3297.618.14 1.75 1.65弯曲强度最小安全系数SF min =1.5 计算弯曲疲劳许用应力!十=Kfn5SF min（3-36）Kfn 弯曲疲劳寿命系数Kfn =1.5可得 ：1 = 1.51 -： 00M0 P a .51（3-37）所以：二 F < '-F 1因此，本次设计及满足了小齿轮的齿面接触疲劳强度又满足了小齿轮 的弯曲疲劳强度，符合设计要求。综上所述，齿轮齿条的设计满足设计的强度要求。第四章 基于 PLC 的全气动组合式多功能机 械手的三种机械手的设计一、机械夹持器

38、的设计（一）机械夹持器的具体实施方案本机械手采用了平行四边形传动机构， 实现两手指的平行开合运 动。该四连杆机构采用均衡受力的设计思路， 所有受力构件均为对称 结构。夹持工件时，受力均匀，定心准确，对中性好，平衡效果佳。 另外两手指的开合采用预缩型气缸驱动， 能快速松开工件， 可以实现 远距离控制。1. 整体组成：手指、连动杆 、气缸套 、 杠杆、支架、联接螺钉 、 气缸、回转气缸、悬臂、螺母、推力轴承、长轴套、机架、轴承套、 转轴 、齿轮、加强肋、齿条、导向槽。2. 具体连接方式如图 4-1：手指 1、连动杆 2、杠杆 4、第一支架 5、第二支架 6、通过销钉联接， 构成平行四边形结构， 第

39、一气缸 8 装在气缸套 3 中，并通过联接螺钉 联接 7，而气缸套 3 与回转气缸 9通过螺栓联接共同组成机械夹持器 的执行机构。悬臂 10 与转轴 17 通过螺母 11 加弹簧垫片加以固定。 轴承套 14与机架 14 间隙配合，第二推力轴承 16 与轴承套 14过盈配 合，第一推力轴承 12与轴承套过盈配合， 齿轮 18通过螺钉与轴承套14 联接，导向槽 23和第三气缸 21 通过螺钉固定在机架上，齿条 22 与第三气缸 21 联接，并与导向槽 23 间隙配合，并与齿轮 22啮合。 第二气缸 19 通过四个内六方长螺钉固定在齿轮 22 上。（二）机械夹持器的设计计算1. 手指夹持力的计算假如

40、以 4kg 的工件为被夹物体来计算， 夹持器通过手指和工件接触面 间的摩擦力来夹持工件。机械手手爪抓取物体所需要的手指夹紧力 P 是根据被夹物体的重量 G 及被夹物体与手指接触面之间的动摩擦因 数是 f 来确定的，夹紧力 P 在两图4-1机械夹持器的机构简图指接触面上所产生的摩擦力和要大于被夹物体的重力G,满足：P 98“ =39.2N（ 4-1）2f 2 0.5其中：P手指夹紧力G 被夹物体的重量f 被夹物体与手指接触面之间的动摩擦因数在上式中根据工作要求选取f=0.4。如图4-2所示零件3.5、3.8、3.6、3.2、3.9、3.3构成平行四边形机构，零件3.0、3.1构成机械夹持器的工作

41、部件。机构从静止状态到开始工作时，所需要的驱动力最大，及如图4-2所图4-2机械夹持器工作简图的状态。（1）对构件3进行手里分析，得到如图4-3所示的受力分析图，列式可得：Fx = O(4-2 )Nf =G =40N(4-3 )Nf cos45 =NFx(4-4 )Nf =28.4N(4-5 )(2) 对构件2杠杆受力分析，得到如图4-4所示的受力分析图，列式可得：图4-4对构件2的受力分析Ex(4-6 )(4-7)Ne广 EGNfGFNex =48.3N(3) 对构件1进行受力分析，得到如图所示的受力分析图，列式可图4-5对构件进行受力分析ExNex / cos： - Ne(4-8 )(17

42、 ne / 17 =ne(4-9 )E丿ENe=29N(4-10)这样NE和NB的反作用力的合力就是夹持4Kg工件所需的理论夹力F* T TF =Ne Nb(4-11 )Fc 二 NEy Nb2NeS in：(4-12 )21=2 2945 N(4-13)27(三) 机械夹持器的手指夹持力校核在计算机械夹持器的手爪的驱动力Fc时，除了要考虑被夹持物体的重 力以外，还要考虑被夹物体在运动中所产生的惯性力振动及传动效率 等因素的影响。因此在实际计算中手指的夹持力Fc为：Fc 二也 F(4-14)其中：k1 为安全系数，取k1 =1.4 k2 为工作条件系数，取k2=1.2为工作效率，取=0.94所

43、以：坐 f=L£ H 45N =85.25N(4-15 )0.95所以满足要求。二、真空吸附手的设计(一)真空吸附手的具体实施方案在成品生产的的装配、包装、装箱、工作中，机械手抓取领域里对于 对于大型板件的抓取总不能得有效地解决，因为其表面光滑，厚度很薄，所以机械夹持器不易抓取，为了实现对板件的抓取、放置、重复 定位、提高搬运工件的安全性和可靠性，我设计一种新型的真空吸附 手抓，对板件的准确搬运和定位。机械手的工作机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。 支架采用刚性连接，末端可以与机械手腕部通过螺纹相连， 其中真空 吸盘是工件抓取的主要原件吸附机构有四个吸盘组成成矩形布局

44、，对板件工件形成均衡的吸附力，其中机械手设计的大致构型如图， 机械 结构的形式为四自由度机械手，分别有腕部，手臂，指部，腰部回转 组成，利用真空泵技术制成的真空吸附式机械手是一种高效、绿色， 定位精度高、经济可靠的装配工具。图4-6所表示的真空吸附手的装配图图4-6真空吸附手的装配图1-顶盖2-套管3-真空发生器4-真空吸盘1.吸盘顶盖2.套管3真空发生器4真空吸盘(二)真空吸附手的设计计算和校核1.吸盘的设计真空吸盘是真空吸附手的执行元件，它可以升降，输送，和夹持十几 克至几十克重的板件，由于周围压力高于真空吸盘和物料表面，真空吸盘与真空发生器相连接，压力越小，真空吸盘的压力越大。确定真空吸

45、盘的尺寸时，所需吸附力为必要条件，采用力学公式可得F 二 P A(4-16)其中:F 吸引力P压力A吸盘面积可求得真空吸盘的规格尺寸。因通常被吸附物体的重量是已知的，故吸盘直径通过如下的公式计算=一次丄玄巴“><1000(4-17)乜.14 P N其中：9 吸盘直径(mmp 真空度(Kpa)w 吸附力(NN 吸盘数量t安全系数在日常的工作中，水平吊起工件的时候，安全系数应该是4,垂直吊起工件的时候，安全系数应该在 8以上。吸盘数量的确定，为了使工件在被吊起的时候受力均匀，我采用了4个成矩形布局的吸盘。吸附力的确定，假设机械手抓取的工件的重量4Kg所以由此可得：D1x4xiooo(4

46、-18)V3.14 0.7"05415.6 mm所以取真空吸盘的直径为16mm。2.真空发生器的选取真空发生器时用来产生真空的。其结构简单，体积小，无可动机械部件，安装、使用方便。因此应用也非常的广泛，真空发生器的工作原理是：由负压腔、拉瓦尔喷管、接收管等组成。有供气口，排气口，和真空口，当供气口的供气压高于一定值后，喷管射出的超声速的气流，由于气体有粘性，高速气流卷走了负压腔的气体，是该腔形成较 低的真空度，在真空口出连接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物 体。吸附相应的时间T是指从供给阀工作以后到吸盘内的真空度达到吸 附所必要的真空度所需要的时间称之为吸附相应时间。设Pv表示最终

47、真空度，真空吸盘内的压力从大气压降至真空度达63%Pv的到达时间为Ti，降至真空度达94%Pv的到达时间为T2吸附的响应的时间Ti和T2可有下面的计算公式求的：吸着响应时间：TQ Q0(4-19)Q -Ql吸着响应时间：T2 =3Ti(4-20)314。2 L(4-21)41000= 3'14 62 21(4-22)41000-0.06 L其中：V 从真空发生器到吸盘的容积L从真空发生器到吸盘的连接管的长度Q 是通过真空发生器的平均吸入流量 Qi和通过配管的平均吸入流量Q2的较小者Ql 工件吸着时的漏气量图4-7真空影响时间曲线因为P PV =0.7由图4-7查的到达时间T = 1.2

48、T1,根据抓取工件的运动速 度要求吸盘响应时间小于1S可得T 0.833s，漏气量Q!根据经验确定QL = 4L / min 贝卩：Q=V-60 Q 0.06 605 =9.32 L/minT10.833(4-23)最大吸入量： Qmax = (2 3)Q = 2 9.32 = 18.64(L/min)应该选择最大吸入量比还大的真空发生器。通过查阅相关资料可得，选择 ZH10DS-06-06-08其喷嘴口径是1mm而且接管方式为快换接头，供气口和真空口6mm最大的吸入量是12ML该真空发生器的实际的反应时间为：V 60Q - Ql0.06 6012 -5= 0.515 s(4-24)所以可以满

49、足要求。三、充气膨胀手的设计（一）充气膨胀手的具体实施方案的柔韧性，我们配备了气压行程开关和锥形螺母，以便扩大图4-8充气膨胀手装配图m膨胀手的应到被夹工件充气膨胀手与真空吸附手的工作原理不同， 通过气袋充气膨胀，来夹 持形状特殊的工件如带锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依然有一定件的无损3考虑到亡 为该系统配件：充气膨胀手装配图。气袋保持架7与套管1螺纹联接， 导向杆4通过螺纹联接在气袋保持架7上，气袋6装在气袋保持架7 中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆4上，与行程开关接触，起限 位作用。顶盖5通过螺纹联接在套管1上。该配件针对不同的工作要 求，可与机械夹持器进行替换。（二）充气膨胀手的设计

50、计算充气膨胀手的工作原理主要是靠气袋充气后对锥形零件的斜表面产生压迫，然后在压迫力和摩擦力的共同作用下将锥形零件吊起，从而实现锥形零件的搬运。通过压力压强公式，和受力分析可以算出机械手的充气膨胀手可以对4千克的锥形零件进行搬运。假设搬运如图所示的锥形零件，其中该锥形零件的重量为 4Kg,其材 料为45#钢，气袋与锥形物体之间的动摩擦因数为 0.4,其中角为 60。以接触点进行受力分析：FnM图4-9充气膨胀算图根据受力分析图可得:f sin ： - Fn cos： =0（4-26）f cos其怦 Fn sin二一G =0（4-27）G = mg（4-28）其中：Fx在M点受力总和f 在M点锥形零件的所受的摩擦力Fn 在M点锥形零件的受到气袋所给的压力G 锥形零件本身所收到的重力:锥形零件斜面与底面的夹角所以由上述计算可得到 巴二80", f二40"。综上所述，充气膨胀手正 33常工作时，压力机所要提供的压力最少为80 N，充气布袋和零件之间3所产生的摩擦力为40 N o3第五章机械手控制部分的原理简介一、机械手的气压传动系统（一）气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传 动称为气压传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输 送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而做功； 传递 信息的系统是利用气动逻辑元件或射流