直角坐标式机械手本科毕业论文

山东大学毕业设计（论）直角坐标式机械手

1论文摘要本次毕业设计的题目为四自由度工业机械手的设计。本设计是根据三年专科所学的课程进行的，主要有：机械零件设计，机械零件图测绘，液压与气动技术，PLC电子程技术，理论力学，工程力学等。设计共分为六章，第一章绪论是说明本次毕业设计的目的，意义，研究范围及要达到的技术要求，简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。第二章总体设计以及总体说明，对工业机械手的工作原理、组成及其种类型式进行介绍，确定整个机械手的总体方案。第三章工业机械手的机械部分设计，是介绍各部件的选择及相关数据的确定、性能的分析和各参数的计算；第四章工业机械手驱动系统（气动系统）的设计，包括：回路设计，执行元件选择，控制元件选择以及动作顺序表等进行介绍。第五章工业机械手的电气控制系统的设计，主要介绍了PLC的程序梯形图。第六章是设计的总结。在本次的毕业设计中，能顺利的完成，最重要的是由三位优秀的，具有丰富经验的导师王晓初和李克天老师的详细耐心的解说，教导。而本人也通过《毕业设计指导书械设计手册控制器以及参考其它有关机械手设计的专业书,经过十三周的努力终于把此毕业设计编制而成。关键字：机械手，气动系统PLC1

1

2目―――――――――――――――――――――――――――――――――--31．1课题设计的论述

--―――――――――――――――――――――――――――31．11工业机械手的技术概述112现状及国内外发展趋势

--――――――――――――――――――――3--――――――――――――――――――――――41工业机械手设计的基本步骤----

――――――――――――――――――――――52

―――――――――――――――――――2设计的基本内容2．1．1总体说明

――――――――――――――――――――――――――――――6――――――――――――――――――――――――――――――62．1．2驱动方式的选择和设计

―――――――――――――――――――――――62．1．3整体机构的确定

--――――――――――――――――――――――--73计――――――――――――――――――――――3.1工业机械手的规格参数3.2工业设计手的参数计算

―――――――――――――――――――――――――8――――――――――――---83.2.1手部质量计算

――――――――――――――――――――――――――-83.2.2机械手的爪部夹紧气缸的选择

――――――――――――――――――--93.2.3腕部传动气缸的选择

―――――――――――――――――――――――--103.2.4伸缩气缸的选择

――――――――――――――――――――――--113.2.5对伸缩导杆的校核

――――――――――――――――――――――――--123.2.6配重计算

―――――――――――――――――――――――――――--133.2.7升降部分计算

--――――――――――――――――――――――――――143.2.8对升降导杆的核算

―――――――――――――――――――――――---153.2.9挠度计算

――――――――――――――――――――――――――――---153.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算

―――――――――――――――--164

―――――――――――――――――――――――1741回路计算

―――――――――――――――――――――――――――――――--1742执行元件选择43控制元件选择

―――――――――――――――――――――――――――――17――――――――――――――――――――――――――――――1844执行元件用气量的计算和空压机的选择

――――――――――――――――――2145气动元件的清单

―――――――――――――――――――――――――――――224.6动作顺序表

――――――――――――――――――――――――――――――235

计―――――――――――――――――――――――――――

255．电气控制方案设计和元件的选择

―――――――――――――――――――――

255．2PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计

――――――――――――

255．3PLC梯形图的设计

―――――――――――――――――――――――――――

2554PLC的控制程序

―――――――――――――――――――――――――――――

252

31

绪11课题计的论机械是现代社会进行生产的主要要素之一机械制造工业是现代工业化国家的基础工业，是我国社会主义现代化的重要领域之一。机械设计是从使用要求等出发，对机械的工作原理，结构，运动形式，力和能量的传递方式，以至各个零件的材料和形状尺寸，以及使用维修等问题进行构思，分析和决策的工作过程，这种过程的结构一般要表达成设计图纸，说明书以及各种技术文件。机械设计是机械生产的第一步，是决定产品性能及影响产品制造过程的首要环节。因此，机械设计课程是讲授一般工作条件和常用参数范围内的通用设计的课程。1．1．1工业机械手的技术概述㈠工业机械手的工作原理和分类⒈原理机械手是一种模仿人手动作并按设定的程序轨迹和要求代替人手抓搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。⒉分类工业机械手的种类很多按使用范围可分为：专用机械手、通用机械手。专用机械手——一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可以附属与工作机械设备。通用机械手——独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内，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。按驱动方式可分为：液压机械手、气压机械手、电动机械手和机械式机械手。液压机械手——输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，油温对油的粘度影响较大。气压机械手——气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不大稳定，冲击大，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。电动机械手——直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单，不需要能量转换机构，维护使用方便。机械式机械手——由工作机械带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。按控制系统可分为：点位控制、连续控制。点位控制——只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用的工业机械手均属于此类。连续控制——工业机械手按给定的速度沿给定的路线（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点是无限的，整个运动过程都要求在控制之下。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。⒊工业机械手的自由度所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作不计在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少定着工业机械手动作多样化的程度由度数越多，它的动作越灵活，应用越广。但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保3

4证，整机的造价高，自重大。所以，应按生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目为２～５个。4．工业机械手手臂的坐标形式按照工业机械手手臂所具有的运动及其组合情况，若以坐标形式可分为下列四种：（1）直角坐标式手臂的运动是由三个直线运动组合而成。（2）圆柱坐标式手臂的运动是由两个直线运动和一个回转运动组成。（3）球坐标式手臂运动是由一个直线运动和两个回转运动组成。（4）关节式手臂运动是由三个回转运动组成。㈡工业机械手的结构组成目前国内工业机械手的种类和型式比较多。从结构型式分析，主要由执行机构、驱动系统和控制系统等组成。⒈执行机构由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。⑴手部它具有人手某种单一动作的功能是机械手直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件要求其抓取工件牢固定位准确小损伤工件由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型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；平移型结构比较复杂，应用较少。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，因此适宜夹持变化范围大的工件。⑵手腕手腕是连接手部和手臂的部件，用来改变或调整工作的方位（即姿势它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动，如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等手腕还可以有小距离的横移。也有的工业机械手没有手腕。⑶手臂手臂是机械手执行结构中的部件。其作用是将被抓住工件传送到规定位置上，它具有手臂伸缩、升降、回转三个自由度。工业机械手的手臂是支撑通常由驱动手臂运动的部件（如油、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。⑷行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作时可在机座轮轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。⒉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。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。⒊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（或机械挡位）系统组成。1．1．2现状及国内外发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1．工业机人性能不断提高（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，平均单机价格从年的10.3美元降至03的5.3万美元。2．机械结向模块化，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．工业机人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度高，控制柜日见小巧，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

54机器人中的传感器作用日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已有成熟应用。5．虚拟现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．机器人机械开始兴起。从年美国开发出“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“七五科技攻关开始起步在国家的支持下通“七五技攻关，目前已基本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，运动学和轨道规划技术，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；其中有多台套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，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，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，我国已安装的国产工业机器人200，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，对产品进行全面规划，搞好系列化，通用化，模化设计，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。其中最为突的是水下机器人米水下无缆机器人的成果居世界领先水平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国外先进水平差距较大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和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1．2

工业机手设计的基步骤工业机械手设计的步骤包括以下：1．根据机手的功能要求，选定其的类型2．分析机手的工作情况，确定作用在机械手上的载荷。3．根据工情况分析，判定机械手的失效形式，从而确定其计算准则。4．进行主的参数选择，根据计算准则求出零件的主要尺寸，选择材料，考虑热处理及结构工艺性要求。5．进行对机械手结构分析。6．绘制零图，制订技术要求。5

62

总设2．

总体设2．1．1总体设计工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序，轨迹和要求代替人手抓搬运或操作工具或进行操作自动化装置。机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑，容易操作安全可靠，安装维修方便，经济性好。为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材料，通常用高强度铝合金制造。据设计题目给出的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构其中已确定的各项有：1．本工业械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动作灵活多样的机械手。通用机械手工作的范围大，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生产。本工业机械手的控制定位方式是简易型的点定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。2．本工业械手是圆柱坐标的坐标型式，其手臂的运动系由两个直线运动和两个回转运动所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。特点：占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛，但因机械手结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置限制，故不能抓取地面上的物体。3．本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动：1手臂的升降；手臂的升缩；3手腕部回转；4．手臂回。根据给出的工业机械手的规格参数，还需确定其余各部件的设计。2．1．2驱动方式的选择和设计根据有关资料的显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要以下几种方式，并进行比较选择：1．液压传动机械手，是以油液的压力来驱动执行机构的机械手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系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高，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机械手。其主要特点：介质来源极方便，不污染环境，工作可靠，气动动作迅速，结构简单，成本低，操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特点，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速，轻载，高温和粉尘大的环境中进行工作。3．械传动机械手：既由机械传动机构（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。它的特点是运动准确可靠，动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。常被用于为工作主机的上，下料。4．电力传动机械手：即由特殊结构的感应电动机，直线电机或步电机直接驱动执行机构的机械手，因为不需中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手6

7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，有发展前途。综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求应选用气压传动来实现，则其抓重和定位都可达到，且结构可简单，其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。因此，本设计的四自由度工业机械手选用气压传动机械手作为驱动方式。2．1．3整体机构的确定1．执行构（）手部：既与物体直接接触的部件，采用夹持式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。手指直接与物体接触，传力机构采用斜楔杠杆式结构，通过手指产生夹紧力来完成夹放物件，其由气缸实现。（）手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。本系统则通过由回转气缸使手腕实现回转摆动，实现方位的改变。（）手臂：支撑手腕和手部的部件，以改变工件的位置。其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬到设定位置，本系统采用气缸和回转气缸分别实现手臂的升降回转以及伸缩的动作。（4）立柱：以手臂的升降气缸兼作立柱，以便实现该机械手的紧和简洁。（5）机座：是机械手的基础部分，各结构部件均安装其上，起支和连接作用。2．动系统：系统才用气压传动方式。3．控制系统：是支配工业机械手按规定的要求运动的系统。系统由可编程序控制器系统和行程开关电气定位以及相关的继电器系统组成的系统控制。4．位置检测盒的放置：为操作和安全，把电气控制箱置于机座上，而把操纵盒以长距离，远距离的操纵方式。操控人员可远离机械手操作。整个机构的位置布置初定大概如下所示：爪部+夹紧缸手腕转动缸+伸缩缸＋升降缸（回转缸）＋回转缸（升降缸）为了使整个机构尽量趋向于轻便简单，在此我们尽量选取叶片型回转气缸，将回转气缸放在升降缸之上但这一构想取决于叶片型回转缸的工作压力是否达到系统的压力要求，所以此部分将留待往后再作决定。5．部结构根据已知的规格参数，我们选择爪部通过汽缸推动楔块带动爪部杠杆运动的结构，以此实现爪部张合的夹紧运动。杠杆与楔块接触的一端用弹簧连起，以保证楔块缩回时杠杆端部始终与楔块接触爪部的张合弧度可通过改变楔块的斜面角度和杠杆的长度和比例来调节。结构紧凑简洁，受力性能良好，定位误差小。7

8

直坐式业械的械分计3．1

机械手规格参数1．抓重：N（额定抓取重量或额定负荷）2．自由度43．坐标形：圆柱坐标4．最大工半径：1200㎜5．手臂最中心高（下降时㎜6．手臂运参数①伸缩行程：500②伸缩速度：250／s③升降行程：300④升降速度：200／s⑤回转范围：

～１８０○⑥回转速度：180○／s7．手腕参①.回转范围：０○

～１８０○②.转速度：１８

㎜／s8．手指夹持范围：Ф０～Ф０9．定位精度：±１㎜10．驱动方式：气压传动11．电气控制方式：PLC点位程序控制12．电气操作方式：手动和自动32

工业机手的参数总计算3．2．1

机械手的质量工件的材质为钢结构ρ=７.８×１０３kｇ／ｍ３＝0.0078／㎜3钢8

工件的质量ｍ＝Ｇ／ｇ工件＝５０／９.８＝５.102Kg＝５１０2ｇ工件的体积Ｖ＝ｍ／ρ工件工件钢＝5102/0.0078

9（3－1）（3－2）＝654103mm

３当工件取Ф０时，面积应为Ｓ＝π（ｄ/25０5０＝3.14×

（3－3）＝１９６２

２长度应为Ｌ＝Ｖ／Ｓ5０工件5０＝654103／１９６２.5＝３３３.3mm当工件取Ф０时，面积应为Ｓ＝π（ｄ／2）70７0＝π（７０／2）２

（3－4）（3－5）＝３８４６.５mm

２长度应为Ｌ＝Ｖ／Ｓ70工件70＝654103／３８４６.５＝１７０.０5mm手部各部分质量估算如下：Ｖ＝21.5×9×10×2=4000mm３爪部Ｖ＝35×14×20×2=19600mm３杆V=πr2L=3.14×4×4×60=3000mm3螺栓Ｖ＝４×Ｖ＋２Ｖ+2V手部爪杆螺栓＝4000×4+19600×2+3000×2=65000mmｍ＝65000×0.0078＝507ｇ手部Ｖ＝12×21.5×51.5=13000mm３楔块ｍ＝13000×0.0078＝101.4ｇ楔块Ｖ＝８３×１5×40＝49800mm３支承板ｍ＝49800×0.0078＝776ｇ支承板ｍ＝１１４０×４０×3.5＝１２８０ｇ缸所以，总的质量ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ总工件爪部爪部缸工件手部楔块缸支承板＝５１０2＋507＋101.4＋１２８０＋＝7766.4ｇ3．2．2机械手的爪部夹紧气缸的选择气缸夹紧力计算如下：手指的角度：２＝１２００，b＝35㎜C=17㎜

（3－6）（3－7）9

10根据手部结构,其驱动力为：P=２ｂ×N×ｔｇα／C（3－8）（1）根据手指夹持工件的方位，可得握力公式：N＝0.5ｓｉNθ×Ｇ／ｆ

（－）＝０.5×ｓｉN60

０

×／0.1＝N则：２ｂ×N×ｔｇα／Ｃ＝2×35×216.5×ｔｇ15

0

/17＝N据公式≥P×K×K/（3－10）实12η式中：——手部的机械效率，一般取（～0.95）ηK——安全系数，一般取（1.2～２）1Ｋ——工作条件系数主要考虑惯性力的影响Ｋ可近似按下式估算Ｋ＝１＋α其２２２ｇ中α为被抓取工件运动时的最大加速度，ｇ为重力加速度（ｇ＝０９８米／秒）f—为被夹持工件与手指接触的磨擦系数在这取一般手爪传动机构的传动效率取η=0.85～0.9故η＝０.９0，Ｋ＝１.５１若被抓取工件的最大加速度取α＝ｇ，则：Ｋ=1+α/ｇ=1+1=2２Ｐ＝236×1.5×2/0.90=787N实所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为N则根据公式气缸

＝πＤ２

Ｐ／４（3－11）Ｐ

气缸

＝πＤ２

Ｐ／４＝３.４×（５０×１０－３

）２

×5×10

5

/4＝９８１.5NＰ＝９８１.５N>Ｐ气缸

弹簧

＋Ｐ

实际＝１４２.5+787＝N式中:D为气缸直径假设为气压假设为5×10

5

Pa所以选用MDBB50--35气缸合适．ｍ＝１１４０＋５０×３．５＝１３１５ｇ夹紧3．2．3腕部传动气缸的选择当工件取Ф０时，Ｒ＝０.０３５>Ｌ／８＝０１７／８＝０.０２１２５则根据公式Ｊ＝（L２＋３Ｒ２／１２得：（3－12）工件Ｊ＝ｍ×（L２＋３Ｒ２）／１２工件＝５．１×（０．１７２＋３×０．０３５２）／１２＝０．０１３８Kgm２10

11当工件取Ф０时，Ｒ＝０．０２５<Ｌ／８＝０３３３３／８＝０.０４１６６则根据公式Ｊ＝ｍL２／１２得：（3－13）工件Ｊ＝ｍL２／１２工件＝５．１×０．３３３３／１２＝０．０４７２Kgm

２因此Ｊ取ＪФ０＝０．０４７２Kgｍ计算工件工件根据公式J＝（ａ２＋ｂ２／１２得：（3－14）手爪J＝ｍ（ａ２＋ｂ２）／１２手爪＝２．７×（０．０７２＋０．０２）／１２＝０．００１５Kgm２ＭＪ＋J／△惯工件手爪＝（０．０４１７２＋０．００１５）×３．１４／０．１＝１．５２９２Nm根据手腕回转受力图,得：Ｍ＝Ｍ＋Ｍ＋Ｍ＋Ｍ驱惯偏摩封为简化计算可不计密封装置处的摩擦阻力矩，因此乘安全系数１．１即可Ｍ＝１．１Ｍ＝１.１×１.５２９２＝１６８２Nm．驱惯所以选用ＣＤＲＢ１ＢＷ５０－１８０Ｓ大型叶片式回转摆动气缸．其参数为：Ｍ＝３Nm．驱则，由以上结果可得手腕回转受力如图3－1

（3－15）（3－16）图3－1

手腕回转受力图3．2．4伸缩气缸的选择1．计算摩擦力：弯矩M的计算工件：Ｘ＝７００＋５００－３２６＝８４７（）１爪部：Ｘ＝６００＋５００－３２６＝７７４（）２腕部：Ｘ＝４４２＋５００－３２６＝６１６（）３导杆：Ｘ＝２５０mm４ｍ＝５．１Kgｍ＝３．２Kg(约为3.0取3.2)１２ｍ＝１．５Kg(约为1.4取1.5)ｍ＝４×２＝８Kg(约为3.8取4.0)３４Ｍ＝Ｍ＋Ｍ＋Ｍ＋Ｍ１２３４＝5.1×0.874×9.8+3.2×0.774×9.8+1.5×0.616×9.8+8×0.25×9.8≈96.6Nｍ根据手臂伸出时的受力状态得＝ＧＧ＋Ｇ＋Ｇ１２３４Ｇ＝Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ１２３４＝（5.1+3.2+1.5+8）×9.8＝17.8×9.8＝１７４．４４根据：２N＝２N＋Ｇ„（１）２１N=Ｍ/f„„（２）１解得：N＝Ｍ／0.15＝96.5／0.15＝６４４１N＝（２N＋Ｇ）／２＝（２×６４４＋１７４）／２２

(3-17)(3-18)11

＝７３１.22N根据公式＝fN摩22＝731.22×0.15×2＝219.4N（其中：钢－青铜ｆ＝0.1～0.15（润Ｆ＝fN＝６４４×0.15×2＝１９３.2N摩1１Ｆ＝Ｆ＋Ｆ＝193.2＋219.4＝412.6N摩摩１摩２2．惯性力计算Ｆ＝ｍａ惯＝（ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ）ａ1234＝17.8×1.25＝其中，ａ＝250／0.2mm／S＝1.25ｍ／ｓＦ＋Ｆ＝412.6＋22.25＝434.85N摩惯Ｆ＝Ｐ（πｄ２／4）缸驱工作缸＝5×1.01×106（40×10-3）2×3.14/4≈507.5N

12(3-19)(3-20)所以SMCMB系列标准气缸MDBB50-500合适料得料为铝合金的气缸行程为零时质量为1140g，每增加10mm程则质量增加40gｍ＝1140+50×40＝3140g伸缩缸3．2．5对伸缩导杆的校核P＝N／S2＝731.22／(0.03×0.03)＝0.0812×106Pa＝0.812MPa所以，P<[P]＝15MPaV＝0.25ｍ／ｓ

（3－21）ＰＶ＝0.0812×106

×0.25＝0.203×10

6

Pa＝0.203MPa<[PV]＝15MPa／ｓσ＝Ｍ／Ｗ＝（87.5×0.5）/[（π/32）×（30×10）3]

（3－22）＝18.2×10

６

Ｐａ＝18.2MPa所以，σ<[σ]＝100MPa（45钢[σ]＝100MPa）ｍ（ｄ２／4Ｌρ伸缩导杆伸缩缸＝（3.14×302／4）×720×7.8×10３＝3968ｇ3．2．6配重计算

（3－23）偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）对手臂回转轴的静力矩用Ｍ表示手臂前伸时则偏重力矩为最大若ＧＧＧＧ和Ｘ偏１２３４ＸＸＸ分别为工件手部手腕手臂之重量和重心位置至手臂回转轴的距离，１２３４则手臂，手腕等部件的总重量Ｇ为：12

Ｇ＝Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ＋„„＝ΣＧ１２３４

ｉ

13（3－24）式中ｉ——表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的顺序号。各零部件的总重心位置距手臂回转轴轴线的距离为Ｐ，其值为：ρ＝（ＧＸ＋ＧＸ＋„）／（Ｇ＋Ｇ＋„„１１２２１２＝ΣＧＸ／ΣＧ厘米ｉｉｉ其偏重力矩Ｍ为：Ｍ＝Ｇ＝ΣＧＸ偏偏ｐｉｉ

公斤

厘米

（3－25）当手臂处于伸长和回缩状态时，立柱所受偏重力矩分别为：ρ＝(Ｇ×Ｘ＋Ｇ×Ｘ＋Ｇ×Ｘ缩工件工件手爪手爪腕部回转缸腕部回转缸＋Ｇ×Ｘ－Ｇ×Ｘ)／（Ｇ＋Ｇ伸缩导向伸缩导向伸缩缸伸缩缸工件手爪＋Ｇ＋Ｇ＋Ｇ）（3－26）腕部回转缸伸缩导向伸缩缸＝（5.1×700＋3.2×570＋1.2×450＋9×－1.81×83）／（5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81）＝5900.77/20.31＝290.5mmρ＝(Ｇ×Ｘ/＋Ｇ×Ｘ/＋Ｇ×Ｘ/＋Ｇ缩工件工件手爪手爪腕部回转缸腕部回转缸伸缩导向×Ｘ/－Ｇ×Ｘ/)／（Ｇ＋Ｇ＋Ｇ伸缩导向伸缩缸伸缩缸工件手爪腕部回转缸＋Ｇ＋Ｇ）伸缩导向伸缩缸＝（×1200＋3.21070＋1.2×950＋9×355－1.81×30）/(5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81)＝670.1mm

（3－27）Ｍ＝Ｇρ缩

缩＝20.31×9.8×290.5＝57.8NｍＭ＝Ｇρ伸

伸＝20.31×9.8×670.1＝133.4Nｍ由于要将偏重力矩减至最小，因此配重取两者的中间值。Ｍ中间值

＝95.6Nｍ

ρ

中间值

＝450mm＝0.45mm则：Ｇ＝Ｍ配重

中间值

／ρ

中间值

＝／0.45＝Nｍ

配重

＝Ｇ

配重

／ｇ＝／9.8＝21.7kgV

配重

＝ｍ

配重

／ρ＝21.7/(7.8×10钢

-6

)＝2.78×10

6

mm

３（ａ：１５０ｂ：２００h：９２）3．2．7升降部分计算工业机械手的回转和升降机构安装在底座上，它们支承着手臂伸缩机构，手腕和手部。13

14升降导向立柱不自锁的条件——因为手臂在总重量Ｇ的作用下有一顺时针方向倾斜的趋势，而导套却阻止手臂这种趋势，若导套对升降立柱的作用力为ＲＲ，１２根据升降立柱的力平衡条件得：ΣＦ＝０Ｒ＝ＲＸ１

２Σｍ（Ｆ）＝０Ｒh＝ＧρＡ１则＝Ｇｐ／h１

（3－28）所谓不自锁的条件就是升降立柱能在导套内自由下滑。从力的观点分析必须使Ｇ>Ｆ＋Ｆ＝２Ｆ＝２Ｒｆ＝２ρＧｆ／h１２１１所以：h>２ｆρ式中：ｆ——摩擦系数。一般取0.1，这里考虑到摩擦的副作用则取。ρ——偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立柱轴线间的距离。ｍ＝863×200×12×7.8×10-6＝16.2kg托板ｍ＝20.31+16.2+21.7＝58.21kg总1Ｐ＝ｍａ＝58.21×0.2/0.1＝116.42N惯总1Ｍ＝Ｍ－Ｍ＝133.4－95＝38.4Nm总１伸配重ρ＝Ｍ／Ｇ＝38.4/(58.21×9.8)＝0.0673m＝67.3mm总１总１总１(h＝150mm>2fρ

总１

＝2×0.2×67.3＝26.92ｍ＝10×3.14×1002×7.8×10-3＝2449.2g＝2.45kg托连R＝Ｍ／h＝38.4/0.15＝256N总１Ｐ＝2Rf＝2×256×0.15＝76.8N摩Ｐ＝1.2×(Ｐ＋Ｐ)＋Ｇ＋Ｇ驱惯摩总１连＝1.2(116.42＋76.8)58.21×9.8＋×9.8≈826.332NＰ＝(πd缸驱

２

/4)p

工作压力

＝3.14×50

２

×0.5×10

６

/4＝981.25N>Ｐ＝826.332N驱所以，可选用MDBB０００3．2．8对升降导杆的核算当手臂伸出到最大范围时，回转中心所受的弯矩最大。根据公式：＝Ｍ／Ｗ。

（3－29）＝Ｍ／Ｗ＝／[(π／32)×(30×10≈12.5MPa<［］＝100MPa

-3)3]14

1545钢［］＝100MPa校核升降气缸缸头销：＝3.14×50×0.5×10６/4＝981.25N升降缸σ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／(πd

２

（3－）＝×4)/3.14×(8×10

-3

)

2＝19.5MPa<［σ］＝b

＝Ｐ／ＡＳ

b

Ｓ＝981.25/(815)×10

-6＝8.17MPa<［

b

Ｓ

］＝100所以此销安全。3．2．9考虑导杆在全伸出时挠度最大。

挠度计算G工件=5.1×9.8=50NG手爪=3.2×9.8=31.36N800mmG手腕=1.2×9.8=11.76NG手部和工件=Ｇ工件+Ｇ手爪+Ｇ手腕=93NG手部和工件工件重心到导向套端面距离=1200－324=876mm手爪重心到导向套端面距离=1070－324=746mm手腕重心到导向套端面距离=950－324=626mm工件及手部总重心到导向套端面距离=5.1×876+3.2×746+1.2×626)/9.5=800mm将导杆看作是悬臂梁,根据挠度计算公式：（手部=G×（C2/6EI）×(3LC)（3－31）考虑到是双导杆,每个导杆的径向受力为1/2×G手部和工件查表得E钢材=2.1×1011Pa导杆的极惯性矩I=П×D4/64=П×304/64=39760mm4C=800mm手爪夹持中心到导向套端面距离L=345+500=845mmy（手部）=1/2×G手部和工件×(C2/6EI)(3L－C)=46.5×(8002/6×2.1×1011×39760)×(3×845－800)15

=1mm经过核算,导杆挠度基本符合要求。3．2．10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算根据公式：①ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ总２工件爪部腕部回转缸伸缩缸伸缩导向配重托板ｍ＝ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ＋ｍ总２工件爪部腕部回转缸伸缩缸伸缩导向配重托板＝5.1+2.67+1.3+9+23.2+15.2＝56.5kgρ总２＝×5.1+622×2+442×1.5-50×10.3-40023.2-68×15.2)/56.5＝-130.21mm＝－0.132m

16（3－32）②J＝(ｍ/12)/(L2+ａ２)（3－33）总２J＝(ｍ/12)/(L2+ａ２)总２＝56.5×(11702+2002)/12＝6.65×10

6

kgmm

2＝6.65kgm

2J＝J+ｍρ总２＝×(-0.132)2＝7.63kgm20总２总２ｍ＝2.9+2.5+0.6+6.4+1＝13.4kg升降J＝(ｍ/12)/(12+ａ２)＝13.4×(5842+602)/12升降＝0.39×10×106kgmm2＝0.39kgm

2J＝J+J＝7.63+0.39＝8.02kgm2总升降Ｍ＝J(eq\o\ac(△,0)ω/△ｔ)＝×3.14/2)/0.3＝42.34Nm惯总Ｍ＝1.1Ｍ＝1.1×42.34＝46.57Nm驱惯Ｍ＝66.6Nm>46.57Nm手臂回转缸可选用SMC系列转台型齿杆式回转摆动气缸气缸。

直坐式业械的制分算4．回路算气动执行元件的工作顺序图：1）第一次上升→2）→手臂伸出3)手爪夹紧→4）延时→5手臂缩回↑14）手腕反转↑13）回转台反转↑

↓6第一次下降↓7手腕正转↓12）第二次手臂缩回←）延时←10手爪松开←9)第二次手臂伸出←）回转台正转1

42执行件选择类型与主要尺寸参数如下表（表－1）16

3173表41

类型与主要尺寸参数`

全行气缸或马达

标号

内径mm

活塞杆直径

行程mm

程需要

耗气量cmmm

时（s）指部腕部

夹紧MDBB50-35缸叶片CDRB1BW50-180S马达

5050

0

350180°

0.5臂伸缩CDA1BN40-50040500118.335部缸升降MDBB50-30050300缸齿轮80~2齿条180°马达2耗气量计算查《机械设计手册--5得计算公式有杆腔：Q=π(D

2

-d

2

)S/(4t)（4－1）无杆腔：Q=πD

2

S/(4t)（4－2）Q——每秒钟压缩空气消耗量D——气缸内径(大径)d——气缸活塞杆直径(小径)S——气缸行程t——杆单向伸缩时间1)夹紧缸：已知缸径，行程米，全行程需时间t=0.5秒，代入14－2式，可算出压缩空气量：Qa=π0.042×0.035/(4×0.5)≈87.92cm3/s2)伸缩缸：已知缸径D=0.050米，小径d=0.016，行程s=0.5米，全行程需时间t=2秒，代入4－1式，可算出压缩空气量：2Qb=π(0.042-0.012)×0.5/(4×2)≈297.375cm

3

/s3)升降缸知缸径D=0.050米小径d=0.01行程s=0.3米行程需时间t=22秒，代入4－1式，可算出压缩空气量：Qc=π(0.05

2

-0.016

2

)×0.3/(4×1.5)≈352.308cm

3

/s4)腕部马达耗气量：根据公式可可算出压缩空气量:G=pznV/(RT)（4－3）11Q=GRT/P（4－4）0017

18Q=pznV/(RT)RT/Pd1100=5.0×105×Z×30×V/(1.013×105)1=148ZVm3/min1注意于Z和V的具体参数不全故具体的数据不能算出.举有关资料显示其值小1于352cm3/s5)臂部马达耗气量：Q=pznV/(RT)RT/Pd1100=5.0×105×Z×30×V/(1.013×105)=148ZVm3/min11由于Z和V的具体参数不,故具体的数据不能算.有关资料显示其值小于3521cm3/s4．3控制元的选择1)选择类型根据系统对控制元件的工作能力及流量要求，按照气动回路原理图，初选各控制阀如下：主控电磁换向阀：为SMC之VF5000系列和SMCSY3000系列；单向节流阀：其型号为LA-L8；2)选择主控电磁阀对夹紧缸主控电磁换向阀的选择因夹紧缸要求压力Pa≤0.5MPa，流量

3

/s，查《机械设计手册--5》表38.7-14可选得阀的通径为6mm。对伸缩缸主控电磁换向阀的选择因伸缩缸要求压力Pa≤0.5MPa量Qa=352.308cm3/s机械设计手册-5》表38.7-14可选得阀的通径为3/8。对升降缸主控电磁换向阀的选择因升降缸要求压力Pa≤0.5MPa流量Qa=352.308cm

3

/s《机械设计手册--5》表38.7-14可选得阀的通径为3/8。对马达主控电磁换向阀的选择因马达要求压力Pa≤0.5MPa流量Qa=352.308cm3/s《机械设计手册--5》表38.7-14可选得阀的通径为3/8。从上可知，为了使元件尽量统一，利于互换性和便于维修，故主控电磁换向阀都选择通径为3/8的阀。结合以上数据，参考资料(SMC公司的《四通先导式电磁阀VF4000系列橡胶密闭》)，选得阀如表4－2：执行元电磁阀

表42数量

元件的种类配合管道(O/I)

速度控制器件夹紧缸SY313D-5G-C8腕马达VF42205-GB-03伸缩缸VF42205-GB-03升降缸VF42205-GB-03臂马达VF42205-GB-03

1个1个1个1个1个

φ6mm3/83/83/83/8

AS2000-01AS4000-02AS4000-02AS4000-02AS4000-0218

193)选择减压阀和其它气动动助件过滤器、减压阀、油雾器集全起来统称为气源三大件。同主控电磁阀的选择一样，考虑到系统的工作压力和流量，以及各执行元件因联锁关系不会同时工作的特点，即按其中压力、流量最大的一个执行元件来选择减压阀的其它阀。P=0.5MPaQ=440.385cm/s选择方大气动C系统气源三大件：QFLJWC-L8。4)确定管道直径、验算压力损失①选管道直径据管道直径的和阀的通径相一致的原则，同时考虑各执行元件和同时工作的特点，初定各段管径如上表4－2所示。而总气源管的气管管径：因Q=πD2V/4=πd2V/4+πdV/4则D=(d2+d2)1/2=(82+82)1/2=11.313mm1212取标准管径：D=14mm②验算压力损失预设供气压力为0.7MPa，压力损失为[△P]100KpaA、沿程损失由于设计系统的管道很短，故此项损失很小，可在总压力损失时计入系数。=1.11B、局部压力损失管路损失也是很小的，这理主要表现在流经元件，辅件的压力损失。减压阀和节流阀的压力损失较小，其余损失为系统回路和气控回路和：∑△P=△P+△P+△Pr2换向阀油雾器水滤气器查《机械设计手册-5》表38。7-15可得各压降值△P=21.6KPa换向阀△P=14.7KPa油雾器△P=14.7KPa水滤气∑eq\o\ac(△,P)eq\o\ac(△,)=eq\o\ac(△,器)+△P+△Pr2换向阀油雾器水滤气器=21.6Kpa+14.7Kpa+14.7Kpa=51Kpa总的压力损失为：eq\o\ac(△,∑)P=KK∑△P=1.3×1.1×51=72.9Kpa≤100Kpar2eq\o\ac(△,∑)P≤[eq\o\ac(△,1)P]说明所选的阀和管道通径是合格的。5）中央控制阀的功能中央控制阀上面集成了电磁阀，风缸速度调整和缓冲等重要功能。

（4－5）原理：当接受到伸的指令时,电磁阀Y1得电,缩空气经Y1到速度节流阀C和D,A1借口进入驱动风缸右腔,推动活塞向左运动,驱动风缸的空气从A2、D2口排出，当活塞想左运动接近终点的时，A2被辅助活塞堵上，空气只能从排出，实现运动终端的缓冲效果。通过调节速度节流阀和缓冲节流阀达到控制运动速度的效果。如图41风缸速度调整，4－2为缓冲原理。19

20图1

风缸速度调整图2

缓冲原理20

32134．执行元件用气的计算空压的选择1、各执行元件的压缩空气用气量如上计算，将其和一些数据列入下表夹紧缸的压缩空气用气量Q=Q(p+p)/pa00=352.308×(0.5×10

6

Q=Q(p+p)/pa00+0.1013×106)/(0.1013×10

6

)

（4－6）=521.879cm3/s同理可得：伸缩缸和马达的压缩空气用气量：=1076.374cmb升降缸的压缩空气用气量：Q=2091.242/sb结果记入下表4-3：

3

/s表－3部件指部

缸或马达夹紧缸

耗气量cm3/s352.308

工作压力MPa0.5

大气压MPa0.1013

自由空气工作量cm3/s时间S521.8790.5

计算公式腕部臂部

叶片马达伸缩缸升降缸齿轮齿条马达

0.101440.3850.52091.242130.101294.3750.51747.361230.10187.920.52091.2421.530.101440.3850.5209124223

Q’=Q(p+p)/p0

02、气缸的理论用气量查《机械设计手册-5》得公式：Q=[∑iaQt]（4－7）zQ──一台设备在一个周期内的平均用气量cm3/sz气缸每一往复的作用次数：单作用缸双作用缸a=2T──系统一次工作循环时间(25S)Q──某个执行元件一个行程的用气量cm

3

/st──某个执行元件一个行程的时间S由公式4－6可知，气缸理论用气量为：Q=[∑iaQt]z=1×521.879×0.5+2×2091.242×2+2×1747.361×1.5+2×2091.242×1+2×2091.242×2）/25=1056cm3

/s考虑系统泄漏取泄漏量为用气量的其总系数为1.3则系统工作用气量为：Qg=1.3×1.5×Q=1.3×1.5×1056z=2076.2cm3/s=2.076×10-33/s21

=0.125m

3

/min

223、气罐容积计算公式：Vc=1.15×10Q──使用需要的空气消耗量zT──储备气最小工作时间

5

QT/(p-p)（4－8）1P──贮气罐的空气压力P──用气需要的工作压力1由公式4－7，得Vc=1.15×105QT/(p-p)1=1.15×105×(2076.2×106×25)/(0.7×10-0.5×106)≈0.03m34、选择空压机根据《机械设计手册-5》表38。6-2选取容积式压缩机。由：系统用气量Q=0.153m3/min,gV=0.0367m3可选得VD2.2c其额定排气量0.28m3/min，额定排气压力0.7MPa，电动机功率2.2KW，压气机储气罐容积0.12m3，总重160Kg，生产厂：

长春空气压缩机厂4．5气动元的清单方向阀是SMC公司的；缸、气源三大件和马达是方大气动公司的；其他由《机械设计手册》查得：如表4－4表44元件名夹紧缸

标记(数量)MDBB50-35

电磁换向阀(数量)SY313D-5G-C8

配合官道φ6mm

其它元件及其数量单向节流阀LA-L8(9个)气腕部马达CDRB1BW50-180S(1)

VF52205-GB-03

3/8

源三大件QFLJWC-L8(1手臂伸缩CDA1BN40-500缸手臂升降MDBB50-300缸手臂马达QGK=1RSD80T180-E2

VF52205-GB-03VF52205-GB-03VF52205-GB-03

3/83/83/8

件)空压机2V-0.3/7(1台)阀的汇流板W5FS230-081-03(1个){SMC}总气源管直径14mm22

234．6

动作顺表

电控系设5．1电气控方案设和元件的选可编程控制器具有通用灵活、抗干扰能力强、可靠性高、易于编程、使用方便、安装简单于维修等特点可见可编程系统PLC作为电气控制系统具有一般继电器系统所没有的很多优点考虑到三菱PLC统是世界上知名和成熟的系统而且由于机械手用到的端口接点并不多，故本设计选用三菱PLC系统为机械手的气动控制系统。52PLC控系统设计及PLC及I/O口分配的设计PLC端口分配图设计