气动搬运机械手设计

设计说明书全套图纸加V信153893706或扣3346389411目录TOC\o"1-3"\h\u267171.课题设计目的 设计及计算结果课题设计目的课程题目气动搬运机械手课题设计目的:1、对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，加深对机械结构、气动执行装置、PLC控制系统的理解；2、从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，培养学生对机电一体化产品的系统设计能力；3、运用和初步熟悉设计资料，了解有关部门的国标、部标及设计规范等。设计任务设计一气动搬运机械手，将工件从供料处到装配处。夹持器：工件的夹紧和放松（气动手爪）伸缩臂：Z轴移动（伸缩气缸）垂直臂：Y轴竖直移动（升降气缸）底座：回转运动（摆动气缸）水平移动：X轴移动（步进电机+丝杠）主要设计参数表1要求参数表抓取重量2.71kg（铁）抓取尺寸70mm×70mm×70mmx轴行程700mmy轴行程300mmz轴行程300mm控制方式PLC控制驱动方式气动驱动+步进电机驱动速度X轴移动速度，Y、Z轴单向伸缩时间：1-1.5s，摆动时间4s总体方案设计设计要求设计生产线上搬运机械手，实现工件从供料处到装配站的搬运，机械手总体设计简图如下，机械手可实现工件的夹紧和放松，整体旋转，X、Y、Z方向的移动，具体性能见要求参数表1。原位：气动爪松开，Y轴下降，Z轴气缸缩回，摆缸右摆，气缸上的磁性开关有输出，滚柱丝杠上的微动开关有输出。原点时，按下启动按钮，Z轴伸出，伸出到位，气动爪夹紧，延时2秒，Y轴上升，上升到位，Z轴缩回，缩回到位，延时2秒，整体沿X轴移动，移动到位，摆缸左摆180°，右摆到位，机械手到达装配站，Y轴下降，下降到位，Z轴伸出，伸出到位，气动爪松开，Z轴缩回，Y轴上升，摆缸右摆180°，机械手返回原点，Y轴下降。机械手的组成本机械手由气动手爪、伸缩臂气缸、升降臂气缸、摆动气缸、步进电机和丝杠滑台组成，如图1所示。图1机构简图设计方案气动手爪安装于伸缩臂前端上，伸缩臂与升降臂互相垂直安装，升降臂安装在摆动气缸上，摆动气缸安装在滚珠丝杠滑台上。如下图2所示。连接方式：法兰盘/连接支架/螺栓连接/螺钉连接。图2设计示意图气动手爪选型气爪类型选择根据工件大小、形状、质量和使用目的，选择类型：平行气爪DHPS系列；抓取方式：外抓取；手指类型：平行手指。其工件重量G=2.71kg，尺寸为70mm×70mm×70mm，选用DHPS系列的平行气爪，安装一对平行手指，手指材质为45钢，其接触摩擦系数为。气爪加持力计算图3受力示意图如图3所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得：式中：-工件质量，kg；-重力加速度，；-动态运动时产生的加速度，；-安全系数；-气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手爪与工件材料都采用45钢，查表得。由于上升行程Y=300mm，，t=1s,所以：=气爪尺寸确定由于夹紧力与工作压力和杆臂长度相关所以根据下图4选取气爪尺寸。图4夹紧力与杠杆臂x之间的关系图夹持点距离的确认：夹持点外伸距离必须小于允许外伸量，否则会降低手指气缸(气爪)的使用寿命；选取型号DHPS-20型号的平行气爪，工作压力0.5Mpa，X=70mm，手指长度L=110mm，查表可知DHPS-20型号的平行气爪总夹紧力为242N，扭矩为11.67。校核：所以该型号平行气爪符合要求，所以选取DHPS-20的平行气爪。手指设计查DHPS系列参数表得到B1=30mm，B2=17mm，B3=17.5mm;可求得最大距离为65mm。图5尺寸参数图最大距离小于工件尺寸，于是设计如下图6所示。图6手指示意图手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核负载负载：运动部件（工件、夹持器、连接器）惯性力+活塞杆摩擦力，如图7所示。图7垂直受力图手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参看各种型号的结构特点、尺寸参数，结合设计的实际要求，气缸预选用SLE-25-300-KF-A-G-CN-CH-PV-PH。校核最大横向负载1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径=25mm的气缸的尺寸满足使用要求即可，设计使用压强，重量约为3.5kg。则驱动力：惯性力：其中m=3.5kg，抓取重量2.71kg，平行气爪重量0.79kg；对Z轴受力分析：，取t=1s，SZ=300mm，故aZ=0.6m/s22.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数,总受力=2.1+0.42=2.52(N),所以标准SLE气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。伸缩臂与气爪气缸连接件设计及校核由于平行气爪标准孔与伸缩臂标准孔不能直接连接，如图8所示设计一连接板与平行气爪通过螺钉进行连接，内设沉头孔；连接板与伸缩气缸通过螺钉与连接板连接，如图8所示。图8安装示意图连接板材质为45钢，板上开有螺纹孔，中间为M4螺纹孔,板厚8mm。升降臂气缸选型负载负载：升降臂以上全部重量+上升期运动部件惯性力+活塞杆摩擦力，如图9所示。图9垂直受力示意图升降臂气缸的选用预选用型号为SLM-20-300-KF-A-G-CV-CH-PV-PH-HV-E-41选缸径为20mm，压强P=0.5mpa，重量约为2.5kg。则驱动力校核最大横向负载则重力:惯性力:对Z轴受力分析：取t=1s，SY=300mm，故aY=0.6m/s2考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数0.2，总受力，所以设计尺寸符合实际使用要求。升降臂和伸缩臂连接件设计由于升降臂与伸缩臂不能直接连接，故采用如图L型的连接板进行连接，L型托板与伸缩气缸采用螺钉连接；与升降气缸采用螺栓连接，如图10所示。图10垂直安装示意图摆动气缸选型计算负载：惯性负载其中，t=2s代入得工件的转动惯量为：伸缩臂气缸的转动惯量为：升降臂气缸的转动惯量为：手爪的转动惯量为：所以，含工件的整体转动惯量为：J=0.0133+2.92×10-3+0.000125+7.9×10-5=0.0288kg·m2力矩：M=J·α=0.0288×1.571=0.045N·m按负载性质选取负载率，计算气缸输出转矩取代入得转动动能总质量=10kg所以F=m总g=10×9.8=98N使用压力为方便选型，结构简单取0.5MPa预选名义缸径由M0、选取压力P，选取缸径，初步选型用DRRD-12-180-FH-P。检验最大轴向负载170N>93.1N，最大扭矩0.8N·m>0.512N·m，最大转动惯量0.03kg·m2>0.0288kg·m2，所以选型符合要求。电机与丝杠的选型预选福誉科技的FLS40滚珠丝杆直线模组。查询FLS40滚珠丝杆直线模组基本参数得：品牌： FUYU 型号： FSL40有效行程： 700MM 定位精度： ±0.05MM最大速度： 250MM/S 最大负载： 25KG标配电机： 57步进电机 丝杆规格： G161057步进电机参数：FM5756SFD04，保持转矩为0.92Nm，步矩角为1.8°。图11垂基本参数表根据要求参数表1中X轴运动速度为150mm/s及上述设计选型后得所重小于FLS40滚珠丝杆直线模组最大负载，故选型符合。驱动器的选择根据选用的步进电机，选取与之匹配的驱动器FMDD50D40NOM型号。根据细分设定为m=200，步距角=1.8°，行进700mm，丝杠导程10mm，要求速度为150mm/s，求出脉冲当量为：输出脉冲数P为：输出频率F为：底座平台及其他连接件设计摆动气缸与升降臂连接件连接件呈C形状，如图12所示，与升降臂采用螺栓连接，与摆动气缸采用螺钉连接。图12升降气缸与摆动气缸安装图底座平台设计如图13所示，底座平台采用长方形块，平台在上滑动，地板内设滑动导轨支撑，外壳两端设平台导轨。丝杠副与滑动平台采用螺栓连接。图13移动滑台示意图控制系统设计总控制方案机械手采用电气相结合，电动由一电机带动平台移动和感应装置；气动控制气缸运作。原位：气动爪松开，Y轴下降，Z轴气缸缩回，摆缸右摆，气缸上的磁性开关有输出，滚柱丝杠上的微动开关有输出。原点时，按下启动按钮，Z轴伸出，伸出到位，气动爪夹紧，延时2秒，Y轴上升，上升到位，Z轴缩回，缩回到位，延时2秒，整体沿X轴移动，移动到位，摆缸左摆180°，右摆到位，机械手到达装配站，Y轴下降，下降到位，Z轴伸出，伸出到位，气动爪松开，Z轴缩回，Y轴上升，摆缸右摆180°，机械手返回原点，Y轴下降。气动控制原理图图14气动连接图PLC外部连线图（I/0分配图）硬件：FX3U-64MT/DS表3PLC外部接线表（I/O分配表）输入信号输出信号转换开关（手动）X0脉冲频率PUL驱动器Y0转换开关（自动）X1脉冲频率DIR驱动器Y2Z轴伸出传感器X2电磁阀1左ZY4Z轴缩回传感器X3电磁阀1右ZY5Y轴伸出传感器X4电磁阀2左YY6Y轴缩回传感器X5电磁阀2右YY7手动Z轴伸出X6电磁阀3左气爪（紧）Y10手动Z轴缩回X7电磁阀3右气爪（松）Y11手动Y轴伸出X10电磁阀4左回转气缸Y12手动Y轴缩回X11电磁阀4右回转气缸Y13手动气爪抓紧X12手动气爪放松X13手动左限位X14手动右限位X15丝杠前进X17丝杠后退X20停止按钮X21图15电路接线图连接线路：通过24V变压器将220V交流电转换为24V直流电；正极连接一熔断器FU、PLC正极输入端、驱动器正极和PUL+与BIR+上，步进电机驱动器脉冲接电源24V，步进电机驱动器脉冲输入电压高于5V需要串联电阻在电源正极与PUL+端与BIR+端之间；PLC上X的输入端各接一个开关再接PLC“0”端形成回路。负极连接PLC负极输入端、驱动器负极和PUL+上；PLC上Y0、Y2接驱动器上的PUL-端与BIR-端，Y4~Y7、Y11~Y14每个输出端各接一通电线圈后连接PLC的COM端口形成回路，PLC的COM端口形成回路在与电源负极相接。程序设计参考文献[1]机械手的意义：/p-4325820.html[2]JohnHolland.DesigningAutonomousMobileRobots.USA.2004[3]机器人2（英文）：/topic/robots[4]芮延年主编.机器人技术及其应用.化学工业出版社，2008.05.[5]任宗伟主编.机器人设计与实现.科学出版社，2008.01.[6]王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动.机械工业出版社，2005[7]机械设计手册编委会.机械设计手册.气压传动与控制.机械工业出版社，2007.02.[8]气动工程手册编委会.气动工程手册.国防工业出版社，1995.[9]毛谦德，李振清主编.袖珍机械设计师手册.机械工业出版社,2007.01.[10]合肥工业大学,尹志强等编著.机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社,2007.05.[11]张建民主编.机电一体化系统设计.高等教育出版社，2000.07.[12]李刚，林凌主编.现代测控电路.高等教育出版社，2004.11.[13]谭维瑜主编.电机与电气控制.机械工业出版社，2004.01.[14]邓星钟著.机电传动控制.华中科技大学出版社，2008.05.[15]王淑芳著.电机驱动技术.科学教育出版社，2008.[16]张毅刚著.单片机原理及应用.高等教育出版社，2003.12.[17]李飞，郑郁飞，文斌，杨明欣编著.单片机原理及应用.西安