冲床上下料气动机械手的设计

PAGEPAGE42冲床上下料气动机械手的设计摘要机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配、轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。本文的机械手用于冲床上下料，介绍它的组成和分类、自由度和座标型式、气动技术的特点、PLC控制的特点及国内外的发展状况，对机械手进行总体方案设计，确定机械手的座标型式和自由度，确定机械手的技术参数，设计机械手的手臂结构，设计出机械手的气动系统，绘制机械手气压系统工作原理图。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定可编程序控制器的控制方案，画出机械手的工作时的顺序功能图和梯形图，并编制可编程序控制器的控制程序。关键词：机械手设计；冲床上下料；气动；PLCPunchdischargingpneumaticmanipulatordesignAbstractMechanicalhandinmachining,stamping,casting,forging,welding,heattreatment,plating,painting,assemblyandlightindustry,transportationindustryhasbeenmoreandmorewidelyapplied.Inthispaper,themechanicalhandforpunchingbaiting,introducesitscompositionandclassification,degreeoffreedomandcoordinatetype,thecharacteristicsofpneumatictechnology,PLCcontrolcharacteristicsandthedomesticandforeigndevelopmentconditionofthemanipulator,theoverallschemedesign,themanipulatortodeterminethecoordinatetypeanddegreeoffreedom,identifyingthemechanicalthetechnicalparameters,thedesignofthemanipulatorarmstructure,designofmanipulatorpneumaticsystem,renderingthemanipulatorpneumaticsystemworkingprinciplediagram.Usingprogrammablecontrollertocontrolthemechanicalhand,theappropriateselectionofPLCmodels,accordingtothemanipulatorworkflowdevelopedprogrammablecontrollercontrolscheme,drawthemechanicalhandworkorderfunctiondiagramandladderdiagram,andthepreparationofPLCcontrolprogram.Keywords:Designofmanipulator;Punchblanking;Pneumatic;PLC目录1前言 11.1选题背景 11.2设计目的 21.3发展现状和趋势 31.4机械手的系统工作原理及组成 32机械手各部件的设计 72.1机械手的总体设计 72.1.1机械手总体结构的类型 72.2机械手手爪结构设计 82.2.1设计要求 82.2.2驱动方式 82.2.3典型结构 92.2.4具体设计方案 102.3机械手手臂结构的设计 102.3.1手臂结构的设计要求 102.3.2具体设计方案 102.4机械手腰座结构的设计 112.4.1腰座结构的设计要求 112.4.2具体设计方案 112.5机械手驱动系统设计 112.5.1常用驱动系统及其特点 112.5.2具体设计方案 122.6机械手手臂的平衡机构设计 122.6.1平衡机构的形式 122.6.2具体设计方案 133手部结构设计 143.1手指的形状 143.2设计时考虑的几个问题 143.3手部夹紧气缸的设计 153.3.1手部驱动力计算 153.3.2气缸的直径 163.3.3缸筒壁厚的设计 184手臂结构设计 204.1手臂伸缩 204.1.1结构设计 204.1.2导向装置 204.1.3手臂伸缩驱动力的计算 204.2手臂升降和回转部分的结构设计 214.3手臂伸缩气缸的设计 214.3.1驱动力计算 214.3.2气缸的直径 224.3.3活塞杆直径的计算 234.3.4缸筒壁厚计算 245气动系统设计 255.1主要元器件的选择 255.1.1气动三联件 255.1.2换向阀 255.1.3节流阀 285.2拟定执行元件运动控制回路 295.3气源系统的设计 295.4气压传动系统工作原理图 305.5机械手运行顺序及电气控制 306机械手的PLC控制设计 326.1可编程序控制器的选择及工作过程 326.1.1可编程序控制器的选择 326.1.2可编程序控制器的工作过程 326.2可编程序控制器的使用步骤 336.3机械手可编程序控制器控制方案 346.3.1系统简介 346.3.2工业机械手的工作流程 346.3.3I/0分配 346.3.4机械手工作时序图 366.3.5梯形图设计(如附图所示) 367结论 38参考文献 39致谢 40附录1 41附录2 42附录3 431前言1.1选题背景由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作已满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我把上下料机械手作为我研究的课题。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，本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，管道不易堵塞，不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(一般仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。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)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，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)成本低廉。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，制造容易，成本较低。1.2设计目的目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代机械行业自动化生产的要求,针对具体生产工艺,结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。1.3发展现状和趋势

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：（1）机械结构向模块化、可重构化发展。（2）工业机械手控制系统向基于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，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。（3）机械手中的传感器作用日益重要，使其向智能化方向发展。（4）关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；（5）焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机械手的智能化，多传感器，多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.4机械手的系统工作原理及组成机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。控制系统控制系统（PLC）位置检测装置驱动系统位置检测装置驱动系统（气压传动）执行机构执行机构立柱手臂手腕手部立柱手臂手腕手部图1-1机械手的系统工作原理框图机械手的工作原理：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。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置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）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设计中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面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生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)。③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。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如气缸、液压缸、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机座机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。（2）驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、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。（3）控制系统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。该机械手采用的是PLC程序控制系统，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，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（4）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。2机械手各部件的设计2.1机械手的总体设计2.1.1机械手总体结构的类型工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：（1）直角坐标机械手结构特点直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。（2）圆柱坐标机械手结构特点圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。（3）球坐标机械手结构特点球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。（4）关节型机械手结构特点关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。2.1.2具体采用方案如图2-1所示机械手模拟工作布局图，根据实际操作的需要，该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为直线运动,另一个为手臂的回转运动,因此其自由度数目为3，综合考虑，应选择圆柱坐标机械手结构，其结构简单，工作范围相对较大，且有较高的精度，满足设计要求。图2-1机械手模拟工作布局图2.2机械手手爪结构设计2.2.1设计要求手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。机械手手爪设计有如下要求：（1）机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。既根据其应用场合设计手爪，在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。（2）机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。（3）机械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。（4）机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制。2.2.2驱动方式一般工业机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：（1）气动驱动方式这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。（2）电动驱动方式电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。（3）液压驱动方式液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。2.2.3典型结构机械手手爪的典型结构有以下五种：（1）楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。（2）滑槽式手爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。（3）连杆杠杆式手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。（4）齿轮齿条式手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。（5）平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。2.2.4具体设计方案结合具体的工作情况，本设计采用齿轮齿条式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条与齿轮的啮合来实现手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。2.3机械手手臂结构的设计2.3.1手臂结构的设计要求机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：（1）工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。（2）为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。（3）应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。（4）机械手各关节的间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。（5）为提高机械手手臂运动的速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。2.3.2具体设计方案由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大（质量达50Kg），以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择气压驱动方式。通过气缸的直接驱动，气缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件；而且气缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。由于气压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。因此手臂气缸的设计原则是气缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大气缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，尽量增加其刚度；为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。2.4机械手腰座结构的设计2.4.1腰座结构的设计要求

机械手的腰座，就是机械手的回转基座。它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：（1）由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。（2）腰部结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。（4）腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。（5）为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。2.4.2具体设计方案腰座回转的驱动形式主要有三种，一是电机通过减速机构来实现，二是通过摆动液压缸或液压马达来实现，三是通过气缸来实现。考虑到腰座是机械手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，且整个系统都用气压驱动，故采用气压驱动齿条与齿轮的啮合来实现腰部的回转运动。2.5机械手驱动系统设计2.5.1常用驱动系统及其特点工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。（1）液压驱动系统具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。（2）气动驱动系统具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机械手中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。（3）电动驱动系统具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。2.5.2具体设计方案在分析了具体工作要求后，综合考虑各个因素，机械手腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，因此采用气压传动来实现。随着机床加工的工件的不同，通过程序对其控制，结合气压驱动可增加其通用性。2.6机械手手臂的平衡机构设计直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。2.6.1平衡机构的形式（1）配重平衡机构这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。（2）弹簧平衡机构弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。（3）活塞推杆平衡机构活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。2.6.2具体设计方案因为本机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。 因为机械手设计为圆柱坐标形式，且具有4个自由度，一个为腰座的转动，两个为手臂的移动和手部的抓取。同时考虑机械手的工作环境和载荷对其布局和定位精度的要求，以及计算机的控制的因素，机械手的腰座的转动、水平伸缩手臂、垂直升降手臂、手部抓取都采用单活塞杆液压缸来实现。3手部结构设计手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。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。本次设计的机械手是冲床气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。该机械手主要应用于棒料的拾取，故采用齿轮齿条夹持式，当活塞向前运动时，齿轮和齿条的啮合推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。3.1手指的形状夹持式中常用的有两指式、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和外夹式两种，用于模仿人手手指的动作，该种手指结构简单，制造容易，应用广泛。鉴于本文的机械手的用途，选择两指夹持式。3.2设计时考虑的几个问题(1)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。(2)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。(3)保证工件准确定位使手指和被夹持工件保持准确的相对位置。(4)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，应当尽量使结构简单紧凑，自重轻。3.3手部夹紧气缸的设计3.3.1手部驱动力计算该动机械手的手部结构如图3-1所示，其工件重量，“V”形手指的角度°，，,摩擦系数为。图3-1齿轮齿条式手部根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:（3-1）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以：实际驱动力:(3-2)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：所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。3.3.2气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。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:（3-3）式中:-活塞杆上的推力，-弹簧反作用力，-气缸工作时的总阻力，——气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算: （3-4） （3-5） （3-6）式中:-弹簧刚度，L-弹簧预压缩量，S-活塞行程，d-弹簧钢丝直径，D-弹簧平均直径，D-弹簧外径，-弹簧失效率n-弹簧有效圈数G-弹簧材料剪切模量，一般取，在设计中，必须考虑负载的影响，则:由以上分析代入公式得单向作用气缸的直径:由公式（3-5）代入有关数据，可得：所以：查有关手册圆整，得由，可得活塞杆直径圆整后，取活塞杆直径，校核，按公式 有:其中,F则:(4490/120)满足设计要求，则取气缸直径为。3.3.3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，其壁厚可按薄壁筒公式计算:(3-7)式中:-缸筒壁厚，-气缸内径，-实验压力，取=Pa。材料为:ZL3,[]代入己知数据，则壁厚为:==查设计手册，取=，则缸筒外径为:。4手臂结构设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转是通过齿轮与齿条的啮合来实现，升降运动是通过立柱升降来实现的，手臂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。4.1手臂伸缩4.1.1结构设计手臂的伸缩是直线运动，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。同时，气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，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，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。4.1.2导向装置气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，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，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。4.1.3手臂伸缩驱动力的计算手臂作水平伸缩时所需的驱动力:图4-1手嘴伸出时的受力状态图4-1所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油(或压缩空气)输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为:（4-1）式中:-手伶在起动过程中的惯性力,-摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力),-密封装置处的摩擦阻力，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同；-气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力，若非工作腔与油箱或大气相连时，则。4.2手臂升降和回转部分的结构设计其结构如附图所示。手臂升降装置由转柱、升降缸活塞杆、升降缸体、立柱回转缸等组成。其中立柱回转缸有两个活塞，分别装在带齿条的活塞杆两头，齿条的往复运动带动立柱上的齿轮旋转，从而实现立柱的旋转。4.3手臂伸缩气缸的设计4.3.1驱动力计算根据手臂伸缩运动的驱动力公式:+（4-2）其中，由于手臂运动从静止开始，所以,摩擦系数:设计气缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查有关手册可知f=0.17。手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、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，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg，放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=O.5m2则上料时：=+=下料时：=+=考虑安全因素，应乘以安全系数则上料时，所需驱动力:下料时，所需驱动力:4.3.2气缸的直径根据双作用气缸的计算公式:（4-3）（4-4）其中:F-活塞杆伸出时的推力,F-活塞杆缩入时的拉力,D-活塞直径,P-气缸工作压力,由公司（4-3）和（4-4）代入有关数据，得:当推力做功时:==当拉力做功时:圆整后，取气缸直径。4.3.3活塞杆直径的计算根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3根伸缩气管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取,。校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)气缸承受纵向推力达到极限力F以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F与工作总阻力F之和)小于极限力F。该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:（4-5）式中:L-活塞杆计算长度，K-活塞杆横截面回转半径，空心杆，d-空心活塞杆内孔直径，A-活塞杆横截面面积，空心杆，f-材料强度实验值，对钢取f=2.110，a-材料系数，对钢a=1/5000。代入有关数据，得:==推力负载为:代入有关数据，得:=<<所以，活塞杆的直径设计受力安全，设计符合要求。则取活塞杆直径为，内孔直径为。4.3.4缸筒壁厚计算根据公式：（4-6）式中P为实验压力，取P=1.5P=0.610Pa，材料为ZL3，则[]=3MPa，由前面得：=100mm，则：==查手册，取气缸筒壁厚。5气动系统设计5.1主要元器件的选择5.1.1气动三联件气源处理三联件包括空气减压阀、过滤器、油雾器三大件，减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。（1）安装①安装时请注意清洗连接管道及接头，避免脏物带入气路。②安装时请注意气体流动方向与本体上箭头所指方向是否一致，注意接管及接头牙型是否正确。③过滤器、调压阀（调压过滤器）给油器的固定；将固定支架的凸槽与本体上凹糟匹配，再用固定片及螺丝锁紧即可。④单独使用调压阀、调压过滤器时的固定；旋转固定环使之锁紧附带的专用固定片即可。（2）注意事项①部分零件使用PC材质，禁止接近或在有机剂环境中使用。PC杯清洗请用中性清洗剂。②使用压力请勿超过其使用范围。③当出口风量明显减少时，应及时更换滤芯。5.1.2换向阀电磁换向阀是用电磁铁的推力来推动阀芯运动以变换气体流动方向的控制阀，简称电磁阀。电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀。常用的换向阀阀芯在阀体内作往复滑动，成为滑阀。滑阀是一个有多段环形槽的圆柱体，其直径大的部分称凸肩,凸肩与阀体内孔相配合，阀体内孔中加工有若干段环形槽，阀体上有若干个与外部想通的油口，并与相应的环形槽相通。（1）工作原理换向阀滑阀的工作置数称为“位”，于气压系统中气路相连通的气口数称为“通”，如图5-1：图5-1换向阀的工作原理当阀工作在中位时，P、A、B、T，四个气口互不相通，处于截止。当阀工作在左位时，阀的气口P和A相通，B和T相通。当阀工作在右位时，气口P和B相通，A和T相通。控制时滑阀在阀体内作轴向移动，通过改变各气口间的连接关系，实现气体流动方向的改变，这就是滑阀的工作原理。（2）种类电磁换向阀的品种繁多，按其工作位置数和通路数的多少可分为二位三通、二位四通、三位四通等；按其复位和定位形式可分为弹簧复位式、钢球定位式、无复位弹簧式；按其阀体与电磁铁的连接形式可分为法兰连接和螺纹连接；按其所配电磁铁的结构形式可分为干式和湿式，每一类又有交流、直流、本整等形式，而且所需电源电压又有好多种，因而在其结构上存在很多差别。（3）结构在气压传动系统中广泛采用的是滑阀式换向阀，在这里主要介绍这种换向阀的几种结构。=1\*GB3①手动换向阀：手动换向阀是利用手动杠杆来改变阀芯位置实现换向的。主要有弹簧复位和钢球定位两种形式。=2\*GB3②机动换向阀：又称行程阀,它主要用来控制液压机械运动部件的行程，它是借助于安装在工作台上的挡铁或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向。机动换向阀通常是二位的,有二通、三通、四通和五通几种,其中二位二三通机动阀又分常闭和常开两种。=3\*GB3③电磁换向阀：利用电磁铁的通、断电而直接推动阀芯来控制油口的连通状态。操纵方便，布局灵活，有利于提高自动化程度，广泛应用。=4\*GB3④电液换向阀：由电磁换向阀和液动换向阀组合而成。电磁换向阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动换向阀的位置。由于操纵液动换向阀的液压推力可以很大，所以主阀可以做得很大，允许有较大的流量通过。这样用较小的电磁铁就能控制较大的液流。=5\*GB3⑤比例式电磁换向阀：比例方向阀是以在阀芯外装置的电磁线圈所产生的电磁力，来控制阀芯的移动，依靠控制线圈电流来控制方向阀内阀芯的位移量，故可同时控制油流动的方向和流量。综上所诉，根据具体的工作及其原理选择三位五通电磁换向阀。5.1.3节流阀节流阀的启闭件大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流量和压力。节流阀供在压力降极大的情况下作降低介质压力之用。介质在节流阀瓣和阀座之间流速很大，以致使这些零件表面很快损坏－即所谓汽蚀现象。为了尽是减少汽蚀影响，阀瓣采用耐汽蚀材料（合金钢制造）并制成顶尖角为140-180的流线型圆锥体，这还能使阀瓣能有较大的开启高度，一般不推荐在小缝隙下节流。（1）工作原理油液流经小孔时，会产生较大的液阻，通流面积越小，油液受到的液阻越大，通过阀口的流量就越小，因此，改变节流口的通流面积，使液阻发生变化，就可以调节流量的大小。（2）特点=1\*GB3①构造较简单，便于制造和维修，成本低；

=2\*GB3②调节精度不高，不能作调节使用；

=3\*GB3③密封面易冲蚀，不能作切断介质用；

=4\*GB3④密封性好较差。（3）分类和安装注意事项节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种。节流阀的安装注意以下事项：

=1\*GB3①该阀经常需要操作，因此应安装在易于方面便操作的位置上；

=2\*GB3②安装时要注意介质方向与阀体所标箭头方向保持一致。5.2拟定执行元件运动控制回路执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是气压回路的核心问题。速度控制通过改变气压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现，相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现，对于一般中小流量的系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。本设计的速度控制主要采用节流调速，利用用比较简单的节流阀来实现，而方向控制采用电磁换向阀来实现。5.3气源系统的设计气压系统的工作介质完全由气源来提供，气源的核心是气压泵。节流调速系统一般用定量泵供气，在无其他辅助气源的情况下，气压泵的供气压要大于系统的所需气压，溢流阀同时起到控制并稳定气源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供气，用安全阀来限定系统的最高压力。气源的净化装置是气压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装气动三联件，进入系统的气体根据要求，通过气动三联件净化。

本设计的气压系统采用定量泵供气，由溢流阀来调定系统压力。为了保证气源的洁净，避免气源带入污染物，故在气源出口安装气动三联件对循环的气源进行净化。5.4气压传动系统工作原理图附录2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。该装置由五个气压缸组成，可在三个空间方向工作。图中A缸为夹紧缸，其活塞杆退回时夹紧工件，活塞杆伸出时松开工件。B缸为长臂伸缩缸，可实现伸出和缩回动作。C缸为立柱升降缸，立柱回转缸有两个活塞D1、D2，分别装在带齿条的活塞杆两头，齿条的往复运动带动立柱上的齿轮旋转，从而实现立柱的旋转。5.5机械手运行顺序及电气控制该机械手用于冲床上下料，其工作循环为：立柱右转—立柱下降—手臂伸出—爪抓紧—臂收缩—柱上升—柱左转—手臂伸出—手爪松开—手臂收缩。五个气缸均由三个三位四通双电控换向阀和五个调速阀组成换向、调速回路。各气缸的行程位置均由电气行程开关进行控制，表5-1为机械手在工作循环中各电磁铁的动作顺序表。按下启动按钮，1YA通电，压缩空气从左边进入D2气缸推动活塞杆右移，立柱右转，当挡块压下电气行程开关2J时，1YA断电，4YA通电，压缩空气推动C缸活塞杆下移，立柱下降，当挡块压下电气行程开关6J时，4YA断电，5YA通电，压缩空气推动B缸活塞杆右移，手臂伸长，当挡块压下电气行程开关8J时，5YA断电，7YA通电，压缩空气推动A缸活塞杆右移，手爪抓紧，当挡块压下电气行程开关10J时，7YA断电，6YA通电，压缩空气推动B缸活塞杆左移，手臂收缩，当挡块压下电气行程开关7J时，6YA断电，3YA通电，压缩空气推动C缸活塞杆上移，立柱上升，当挡块压下电气行程开关5J时，3YA断电，2YA通电，压缩空气推动D1缸活塞杆左移，立柱左转，当挡块压下电气行程开关4J时，2YA断电，5YA通电，压缩空气推动B缸活塞杆右移，当挡块压下电气行程开关8J时，5YA断电，7YA通电，压缩空气推动A缸活塞杆左移，当挡块压下电气行程开关9J时，7YA断电，6YA通电，压缩空气推动B缸活塞杆左移，手臂收缩。至此完成一个工作循环。如再给启动信号，可进行同样的工作循环。表5-1电磁铁动作顺序电磁铁右转下降伸长抓紧收缩上升左转松开1YA+2YA+-3YA+--4YA-+5YA--+6YA+7YA+8YA+注：“+”表示电磁铁的电，“-”表示电磁铁不得电。6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时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。6.1可编程序控制器的选择及工作过程6.1.1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FX系列PLC,德国西门子公司的S7-200系列PLC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了德国西门子公司的S7-200系列PLC可编程序控制器。6.1.2可编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/0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/0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对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0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/0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/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0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又返回执行下一个循环的扫描周期。6.2可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的动作及动作顺序。(2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。6.3机械手可编程序控制器控制方案6.3.1系统简介控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩,竖直方向的上、下,绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置—机械手，还可完成抓、放功能。以上动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化为旋转运动。这样，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连