一种平面关节型搬运机器人设计

摘要本文设计一种平面关节型搬运机器手，该机器手由底座、机身，抓取装置和控制系统组成。底座由两个平面关节和一个转轴组成，可以在水平面上旋转和平移。机身由三个平面关节组成，可以在垂直平面上旋转和平移。抓取装置由机械手爪和气动缸控制组成，可以实现对物体的抓取和释放。该机器手具有结构简单、工作稳定、移动灵活、抓取精度高等特点，适用于工业生产线上的物料搬运和组装作业。以取代人力完成危险、重复或高精度的任务，与传统生产方式相比，可以提高生产效率和质量，降低成本和风险。在机械部分，我们将着重于整体结构的设计，包括气缸的选择与安装，以及各种零部件的结构设计。在气动部分，我们将提供搬运机械手的气动原理图，而在控制部分，我们将着重于程序的设计与调试。本文使用西门子（S7-200）指令进行编程，并提供了一系列梯形图、语句表以及清晰易懂的流程图。关键词：机械手

;搬运;

气缸AbstractThispaperdesignsaplanarjointtypehandlingrobot,whichconsistsofabase,abody,agrippingdeviceandacontrolsystem.Thebaseconsistsoftwoplanarjointsandapivot,whichcanberotatedandtranslatedinthehorizontalplane.Thebodyconsistsofthreeplanarjointsthatcanrotateandtranslateintheverticalplane.Thegrippingdeviceconsistsofaroboticclawandapneumaticcylindercontrol,whichcanrealizethegrippingandreleasingofobjects.Therobothandhasthefeaturesofsimplestructure,stablework,flexiblemovementandhighgrippingaccuracy,whichissuitableformaterialhandlingandassemblyoperationsonindustrialproductionlines.Toreplacemanpowerfordangerous,repetitiveorhigh-precisiontasks,itcanimproveproductionefficiencyandquality,reducecostandriskcomparedwithtraditionalproductionmethods.Inthemechanicalpart,wewillfocusonthedesignoftheoverallstructure,includingtheselectionandinstallationofcylinders,aswellasthestructuraldesignofvariouscomponents.Inthepneumaticpart,wewillprovidethepneumaticschematicofthehandlingmanipulator,whileinthecontrolpart,wewillfocusonthedesignanddebuggingoftheprogram.Inthispaper,weuseSiemens(S7-200)instructionsforprogrammingandprovideaseriesofladderdiagrams,statementtablesandclearandeasytounderstandflowcharts.Key

words:

Manipulator;Handling;Cylinder

目录第一章引言 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.3研究内容 2第二章机械手总体方案的设计 32.1手指设计 32.1.1手指设计时要注意的问题 42.2小臂的设计 52.3大臂结构的设计 62.4轴的设计计算 72.4.2轴承摩擦力矩的计算 8第三章驱动系统设计 103.1驱动的方式 103.2伺服系统的选择 113.3气缸的设计 123.3.1夹紧气缸的计算 123.3.2伸缩气缸的计算 153.3.3回转气缸的计算 19控制系统设计 214.1电磁铁动作顺序 214.2I/O分配 214.3PLC控制梯形图 22第五章总结 24参考文献 25附录 26致谢 30

引言1.1研究背景及意义搬运机器人是现代智能制造中不可或缺的重要组成部分，平面关节型搬运机器人是一类自动化搬运设备。它在现代工业制造中被广泛应用，因为它具有结构简单、灵活度高和搬运精度高等优点[1]。搬运机械手是一种用于工业制造领域的机器人系统，主要用于物料的搬运、装卸和转移等工作。在现代制造业快速发展的背景下，搬运机械手逐渐成为了替代传统人工搬运的重要装备。其研究背景和意义主要包括以下几个方面：

1.替代传统人工搬运：传统的人工搬运不仅效率低下，而且具有很大的安全隐患，容易发生人员伤亡事故。搬运机械手的使用可以极大地降低工人的搬运强度，提高生产效率，同时也可以保障工人安全，保证应用场景的稳定运行。

2.适应高工艺要求：随着生产工艺的不断发展，现代制造业提出了越来越高的技术要求。例如，高速生产线、精密机械加工中对表面平整度的要求、对零件的转移精度要求等等。搬运机械手具有高速、高精度、高负载等特点，能够满足现代制造业的高工艺要求，提高产品的质量和稳定性。

3.推动制造业智能化和自动化：随着科技的飞速发展和智能制造的应用，机器人系统已经成为制造业自动化的重要标志。搬运机械手作为机器人系统中的重要组成部分，其研究与应用将有力地推动制造业的智能化和自动化，提高制造业的竞争力，实现工厂数字转型。

4.应用领域广泛和前景广阔：搬运机械手适用于机械制造、汽车制造、航空航天、电子电器、食品餐饮等各个领域。随着机器人技术的不断发展和普及，搬运机械手的应用前景非常广阔。

综上所述，搬运机械手作为现代制造业中必不可少的一环，其研究和应用不仅可以改善制造业生产状况和劳动保障问题，还能加速工业智能化和自动化的发展，提升制造业的综合水平。1.2国内外研究现状近年来，机械手技术在国外的研究取得了长足的进展。20世纪70年代中期，人工智能技术的迅猛发展为机器人技术带来了前所未有的革新，为社会带来了深远的影响，推动了社会的变革。日本的机械手技术一直保持着世界领先的水平，已经有超过90万台的产品投放市场，占据了整个世界机械手行业的一半以上。美国作为机器人技术的先驱，虽然其机械手的数量没有日本那么多，使其在全球竞争中处于明显的劣势。随着科技的飞速发展，俄罗斯、德国、英国等发达国家的机械手系统已经取得了惊人的成就，令人瞩目。从日本到世界各地，其机械手技术的发展更是突飞猛进，目前已经处于世界领先的水平。国内的研究现状[2]：我国的机器人和机械手技术起步较晚，从"七五"期间的科技攻关期间才开始着力研究机器人和机械手系统。尽管我国在机器人和机械手系统的研究上取得了巨大的进步，但与美国、韩国、日本等国家相比，仍存在着巨大的差距，无论是数量、技术水平还是工程应用方面，都有待提升。我国将面临着新的发展机遇和严峻的挑战，迫切需要更多自主研发的。1.3研究内容本作设计的上下料搬运机械手主要由三个回转关节(分别控制大臂和手握)和一个以一个直流马达作为驱动装置的活动关节(控制腕部回缩)组成[3]。上下料搬运机器手是一种机器人系统，主要用于工业制造过程中的物料搬运和上下料操作。其研究内容包括以下几个方面：

1.机构设计：上下料搬运机器手的机构设计应符合物料搬运和上下料的需求，可以根据不同场景和任务设计不同的机构，如多关节机械手、线性轨道机械手、并联机构等。

2.运动规划：机器手要能按照预定方案进行规划的运动，主要涉及轨迹规划、动力学和控制，以确保能够稳定准确地搬运、上下料。

3.控制算法：机器手的操作涉及到多种运动参数和控制策略，以保证机器手的动作控制能够满足系统的任务需求。

4.应用场景：针对不同的应用场景，需要对机器手的功能和性能进行优化和适配。例如，在汽车制造车间，需要机器手具有高负载能力和高精度，而在物流仓储场景中，还需要机器手具有高灵活性和高运动速度等特点。

总之，上下料搬运机器手的研究内容涵盖了机械设计、控制系统、驱动系统、等多个方面，其运用广泛，并有着巨大的应用前景。机械手总体方案的设计机械手的总体设计根据机械手的使用场景和活动要求，在这个项目中，本文选择了以齿条为执行装置的抓手平移抓取方式，这种方式适合抓取各种形状的零件和非金属零件。[4]在这个设计中，手腕必须有两个自由度，它可以旋转和倾斜。为使该装置具有平顺性、精度高的特点，提出了谐波减速装置，回转机座，也称为机械臂的腰部。它的作用是固定和支撑机械臂还要确保机械手腰部的回转运动。该机械手有6个关节运动和1个抓取运动，使用6个步进电机来控制6个关节的运动。该机器人可分为4个部分：身体、手臂、手腕和手。为了能够到达工作区的各个位置，身体、手臂和手腕彼此之间共有三个旋转关节。在手的前端，一个驱动轴被安装在手臂的孔中，它可以将运动传输到手腕，使得手腕能够自由地伸展、弯曲，以达到最佳效果。精确定位三个关键部件对于保证机器人的安全性和高效性。整体设计的目标是：确定机械手的运动特性，选择合适的驱动系统和电子控制系统，构建出一个完整的结构，最终绘制出一份解决方案的草图。见表2-1。机械手类型平面关节型抓取重量2.2Kg自由度3个（2个回转，1个移动）大臂长700mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动单片机控制小臂长600mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动单片机控制移动关节气缸驱动行程开关控制手指气缸驱动行程开关控制表2.1机械手结构设计2.1手指设计工业机械手的手部是用来完成各种复杂任务的重要部件。工业机械手的性能取决它们抓取工件的速度、准确性和可靠性。R为外圆半径，r为内圆半径式（2-1），其中g取10取G=23（N）1.手指夹紧力的计算根据公式：根据《机械零件手册》中的表2-5取f=0.15，本文可以计算出40号钢制作的手指与工件之间的静摩擦系数。所以，取N=40（N）计算驱动力时，斜面倾角被设定为=15°，以此来衡量传动机构的效率。查《机械零件手册》表2-2，这里取0.85所以，（N）取P=55（N）2.活塞手抓重量的估算r为杆的半径，h为长度，g取10由于压缩空气具有极低的压力、无污染、强大的反作用力、等优势，因此气动元件的制造成本和精度要求比液压元件更低[5]，可以满足更多的应用需求。由于涉及的力不大，所以选择了气动驱动。

关于内部气缸的类型，由于冲程较短，选择了单动式活塞气缸，它由弹簧复位。采用《液压传动与气压传动》的13-1公式，本文能够更加精确地估算出气压缸的内径D，这样就能够更加准确地测定缸体的数量。式（2-2）根据《液压传动与气压传动》表13-2的数据，当负载率被设定为0.40时，可以推断出其可以达到0.30到0.65的最佳性能。然而，由于气缸采用垂直安装，因此，负载率被设定为0.3。所以，。根据《液压传动与气压传动》的规定，从13-3中选择32mm.的圆形部件。活塞杆直径d的计算，一般d/D=0.2~0.3，此处选0.2，所以，。根据《液压传动与气压传动》的13-4规定，将圆度调节至8mm。3.气缸壁厚的计算根据《液压传动与气压传动》的表13-5，本文可以获得相关信息弹簧力F的计算（N）。2.2小臂的设计机器人通过手臂来完成任务，这些手臂负责支撑身体和手臂[6]，并将工件移动到指定的位置和方向。为了提升机器人的性能，必须精心设计手臂结构，使其能够更加准确地完成任务，从而大大提高机器人的效率和可靠性。10号工字具有出色的性能，其理论重量为11.261kg/m，体积为Wy=9.72cm3，长度为100mm，宽度为d=4.5mm，小臂长度为600mm，这些特性使其成为一款卓越的工具。校核：G小臂=mg=，取75N。式（2-3）F=75+105=180（N）。+G小臂+。。按《材料力学》公式5.11。式（2-4）h代表工字钢的长度，b代表它的宽度，而Q则是指它承受的外力。所以，。轴的设计计算大轴的直径取20mm，材料为45号钢。F=180N，式（2-5），所以，选10号钢合适。轴承摩擦力矩的计算根据《机械设计手册》第二版（16.1-13）的公式，当基本额定动载荷为C，应用等效动载荷为P时，可以进行估算。滚动轴承的摩擦系数由U表示，而轴承的负载则由F表示，而轴承的孔径则由d表示。机械设计手册第二版中的表16.1-29给出了以下数值=0.0011，，所以也可用此公式估算，所以，（N.M）。根据《机械设计手册》第二版的16.1-29，本文可以计算出0.0013的结果，，所以也可用此公式估算，式（2-6）所以，，所以，T总=T1+T2=0.010189+0.002340.0125(N.M)，取0.1。2.3大臂结构的设计平面关节型搬运机器手大臂是由多个关节组成的[7]，但机械手大臂结构的设计需要考虑以下方面：1.功能需求：机械手大臂需要完成什么样的工作，例如物品抓取、放置、搬运等，不同功能需求需要不同的设计。2.结构设计：机械手大臂的结构需要保证足够的稳定性和精度，同时要考虑到尺寸和重量的限制。3.关节设计：机械手大臂的每个关节需要考虑到运动范围、传动方式以及精度等因素，以保证机械手的稳定性和工作效率。4.传动方式选择：机械手大臂的传动方式可以采用电机驱动、液压驱动等方式，不同的传动方式对机械手大臂的性能也会产生影响。5.控制系统设计：机械手大臂的控制系统需要能够实现精确定位和运动控制，同时要考虑到安全和稳定性。6.总体布局：机械手大臂需要与其他部件进行配合，因此，本文将大臂的横截面设计为工字形，这样可以提高弯曲强度系数，减少横截面积，从而降低小臂的重量，使其更加经济和轻便。根据测试，该物体的总重16.890kg/m，体积Wy为Wy=16.1cm3，体高为140mm，体宽为d=5.5mm，而其小臂长度为700mm。校核：（N），取140N按《材料力学》公式5.11式（2-7）h代表工字钢的长度，b代表它的宽度，而Q则是指它承受的外力。所以，所以选10号工字钢合适。2.4轴的设计计算平面关节型搬运机器手轴的设计是根据机器手的工作需要而进行的，根据机器手的不同工作任务和工作环境，设计出不同的轴结构。一般来说，平面关节型搬运机器手包括三种轴：基座轴、旋转轴和平移轴。[8]其中基座轴固定在机器手的底座上，用于控制机器手的旋转，而旋转轴和平移轴则用于控制机器手的位置和姿态。在设计平面关节型搬运机器手轴时，需要考虑到以下几个因素：轴的承载能力：轴要能够承受机器手运动时的负荷和力矩，并且要保证机器手在运动过程中的稳定性和精度。轴的精度和准确性：轴要具有高精度和准确性，保证机器手能够根据指令进行精确的运动和定位。轴的速度和加速度：轴的设计要考虑机器手的工作速度和加速度，保证机器手能够快速、平稳地完成任务。轴的防护措施：轴需要进行防护，防止外部污染和物理损坏，并且要保证可靠性和安全性。轴的可维护性和可调节性：轴需要具有易维护和调节的特性，方便机器手进行日常维护和调试。在具体的设计中，还需要考虑以下几个方面：轴的材料：选择适当的材料，要求轻量化、刚度高、抗疲劳性好等性能，以满足机器手的要求。轴的传动方式：根据机器手的需要，选择适合的传动方式，例如直接驱动、齿轮传动等。轴的控制方式：考虑机器手对轴的控制方式，可以选择电动、液压或气动控制等。轴的尺寸和几何形状：设计轴的尺寸和几何形状，使其适应机器手的工作空间和工作需求，同时要考虑到制造、维修和安装的方便性。轴的附件和配件：为轴设计附件和配件，例如传感器、制动器、润滑装置等，以提高机器手的性能和可靠性。总之，平面关节型搬运机器手轴的设计需要充分考虑各种因素[9]，从而达到最优的设计方案，提高机器手的工作效率和性能。综上所述，平面关节型搬运机器手轴的设计需要考虑机器手的工作需求和工作环境，保证机器手的稳定性、精度和可靠性，从而实现机器手的高效工作。此工作选取如下：轴的直径取20mm，材料为45号钢。验算：所以此轴合适。2.4.1大轴轴承的选择由于上部轴承只能抵抗轴向力，而下部轴承却必须兼顾轴向力与径向力，为此，本文采用了圆锥滚子轴承，以确保其在各种复杂的工况下都具有较高的可靠性。经过精心校准，[10]本文选择了7304E轴承，其中d=20mme=0.3，这是根据《机械零件手册》（GB297-84）的表9-6-1确定的。根据选定的公式，这个轴承的静载荷能力可以达到最优值，等效静载荷可以被视作轴承的静强度安全系数，它的大小与使用的环境有关。《机械设计》表3-8显示，在摆动运动中，轴承会受到冲击力以及不平衡的负载。此处1.5。上轴承受纯径向载荷,，式（2-8）所以。下轴承受径向和轴向载荷,，R为径向载荷；A为轴向载荷。X、Y代表径向轴向载荷系数，可以通过《机械设计》中的13-5参考文献获得相应的值。因为，所以。因此，由于小轴承承受的力量较小，因此无需进行核对。2.4.2轴承摩擦力矩的计算C表示基本额定动载荷，P表示应用的等效动载荷，基于《机械设计手册》第二版（16.1-13），本文能够精确计算C和P的动载荷值，从而更好地满足实际应用的要求估算。滚动轴承的摩擦系数由U表示，而轴承的负载则由F表示，而轴承的孔径则由d表示。机械设计手册第二版中的表16.1-29给出了以下数值。=0.0011，，所以也可用此公式估算，所以，根据《机械设计手册》第二版的16.1-29，本文可以计算出0.0013的结果，所以也可以用此公式估算，所以，。所以，T总取0.1。第三章驱动系统设计3.1驱动的方式四种驱动系统，包括液压、气动、电动和机械，可以有效地帮助机械手实现高效率的运动。一个机械手只能由一种类型的驱动装置操作[11]。它也可以以不同的组合方式操作；驱动方式的选择应根据生产线的需求和应用场景来决定，各种驱动装置的特点见表3.1。比较内

容/驱动方式机械传动异步电机，直流电机步进或伺服电机气压传动液压传动输出力矩输出力矩大输出力矩较大输出力矩较小气体压力小，输出扭矩小；如果需要更大的输出扭矩，结构尺寸太大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能可实现高速运转，速度和加速度由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步。控制性能低，惯性大，易于定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制体积当有许多自由度时，机制就很复杂，液体的体积也很大要有减速装置，体积较大体积较小体积较大在相同的输出力下减少了体积维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂易于维护，可在高温、粉尘等恶劣环境下使用，泄漏影响小易于维护，流体对温度变化敏感，漏油容易起火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用成

本结构简单，成本低，一般工厂可自行制作成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件更加昂贵，油路也更加复杂表3.1驱动装置的特点表3.2伺服系统的选择机械手伺服系统需要定期维护和保养，步进电机被选择用于此任务，因为它所需的驱动力较小，对精度的要求不高，控制简单，且其输出角度长期不会积累误差[12]。步进电机的选择：根据"机电设计套件指南"的表2-1，步进角应小，以匹配最大的静态扭矩，因为不考虑低速时的频率特性。1技术参数控制BF无功的步进电机，选择45BF005，其主要参数如下：

该系统的步矩角度达到了1.5度，电压达到了27伏，最大静转矩达到了0.196N.M，质量达到了0.4kg，外径达到了45mm，长度达到了58mm，轴径达到了4mm。大小臂总长1400mm。精度验证：式（3-1）为了满足精度要求，本文选择了变速机构，并采用了直齿圆柱齿轮来实现传动。为了提高精度，采用以及齿轮传动i==3.5。Z1的齿数为20，Z2的齿数为70。通过将m设置为1，可以有效地改善机械设备的性能，提高使用效率和可靠性，从而达到最佳的机械效果。根据《机械原理》本文可以有效地利用这些模数来解决复杂的机械问题，从而提高系统的性能和可靠性。经过对《机械设计》本文可以准确地估算出其宽度[13]。在这里，两个承载着小齿轮的轴线应该是对称的，其间的距离在0.9—1.4之间。则为了确保两个齿轮在装配完成后能够保持轴向一致，避免啮合齿宽减少，本文建议将其加宽至24mm，以确保啮合效果。3.3气缸的设计气缸在机器人设计中占据重要地位，在平面关节型搬运机器人中，气动式气缸是最常用的类型，因其具有简单的结构、运动快捷、可承受较大的载荷等特点。为了提高效率，我们选择了双作用单活塞油缸。这种油缸能够通过压缩空气来驱动活塞朝两个不同的方向移动。根据d=12mm的标准，我们预测了活塞杆的总重量取5N。F=G+G1+G2=23+23+5=51，取80N。当进行液压或气压传动测试时，应根据气缸的直径（m）、工作压力（Pa）以及负荷状态，来确定P的大小，其中P=0.4。根据表13-2的数据，P的值一般介于0.30-0.65之间，然而，由于油缸的垂直安装，[14]因此，最终的P值应当被调整至0.3。根据《液压传动与气压传动》的指引13-3，我们可以准确地将圆度调节至40mm.，这样就可以大大提升系统的效率和性能。一般d/D=0.2~0.3，此处选0.3。通过《液压传动与气压传动》的数据，本文可以准确地计算出气缸的质量：R代表其外径，r代表其内径，h代表其长度，g代表其材料密度G，即10。3.3.1手部夹紧气缸设计计算1.手部驱动力计算根据图3-8，本文发现气动机械手的手部结构由三个部分组成：G=10公斤、a=37.5mm、b=70mm。通过改变这些部分的摩擦系数，本文发现它们的摩擦系数达到了f=0，这样就可以有效地减轻工件的重量，并且提高了机械手的性能。图3-8手部结构分析图通过对手部结构的分析，本文发现其驱动力是：式（3-2）2.通过观察手指夹持物体的姿势，本文可以推导出握力的计算公式。式（3-3）代入公式（3-2）得：3.参照实际驱动力:式（3-4）由于采用了齿轮齿条传动的传力机构，本文可以按照需要进行选择当a=g的最大加速度被用来抓取物体时，可以按以下方式进行操作：式（3-5）代入公式（3-4）得：因此，在夹持工件时，必须使用1191N的驱动力来确保夹紧气缸的正常运行。这个气缸具有独特的单向运动能力，可以实现高效的运动。根据力学平衡定律，当气缸活塞杆施加一个单向的推动力时，它需要抵抗弹簧的反作用力[15]，并且在运动过程中会产生一个总的阻力，这一过程可以通过一个公式来表示：式（3-6）式中:—活塞杆上的推力，N—弹簧反作用力，N—气缸工作时的总阻力，N—气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式（3-7）式（3-8）式（3-9）式中：—弹簧刚度，N/m—弹簧预压缩量，m一活塞行程，m—弹簧钢丝直径，m—弹簧平均直径，m—弹簧外径，m—弹簧有效圈数一弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则：经过精心研究，本文可以确定单向作用气缸的直径：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，按公式式（3-10）有：其中，,则：所以满足设计要求。缸筒壁厚的设计缸筒必须具备足够的厚度，以便能够承受压缩空气的冲击和振动[16]。一般来说，气缸缸筒壁厚的比例不超过1/10，因此利用薄壁筒公式，本文能够更加准确地测量和分析它的壁厚。（3-11）式中:—缸筒壁厚，mmD—气缸内径，mm—实验压力，取Pa材料为:ZL3，代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:经过计算，本文选择了QGSDq32×50BLB的气缸型号，以满足本文的需求。其中：QGSD-普通型单作用气缸；q–派生气缸代号：q=弹簧前置型；32–汽缸内径；50-气缸行程；B–缓冲：B=可调缓冲；LB–安装方式：LB=轴向底座。3.3.2升降气缸设计计算这种手臂升降机构由多个精密的零部件组成，具有出色的升降性能。通过连接的气缸，可以将压缩空气输送到手腕，使其能够实现旋转和伸展，达到最佳的运行效果。当压缩空气进入上部时，两个导向杆会朝着缸体方向运动，同时碰铁也会跟着上升。如果碰到了可调节的定位块，[17]定位拉杆就会推动碰铁朝上移动，而液压缓冲器则会减轻碰铁的重量，最终实现升降。采用可调定位块，可以根据需要控制上升的距离，而手臂的垂直下落则需要借助其本身的重力。从图3-9中可以清晰地看到，结构的简洁性十分显著。图3-9结构分析简图1.驱动力计算通过观察图像，本文可以确定活塞的推进力F，从而推导出摩擦系数f=0。根据结构分析简图，驱动力公式为：式（3-12）质量计算：手臂升降机构由伸缩机构、夹紧机构、手臂、手爪以及其他相关的固定部件组成，以确保机构的稳定性和可靠性。经过标准气缸进行精确的评估，我们能够大致估算出它的质量，而且，经过精确的测量，还能够获取更加精确的估计值。所以代入公式（3-12）：参照实际驱动力：由于传动机构采用齿轮齿条传动，因此本文可以参考这个原理并采用它。当a=g的最大加速度被用来抓取物体时，可以得出以下结论：所以因此，在夹持工件时，必须使用1494N的驱动力来确保夹紧气缸的正常运行2.气缸的直径这个气缸是一个单向的气缸。当气缸活塞杆处于单向运动状态时，其产生的推进力必须与弹簧的反作用力及其在整个运动过程中所产生的总阻力相抵消，而这种平衡定律可以由以下公式来描述：式中：—活塞杆上的推力，N—弹簧反作用力，N—气缸工作时的总阻力，N—气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:式中：—弹簧刚度，N/m—弹簧预压缩量，m一活塞行程，m—弹簧钢丝直径，m—弹簧平均直径，m—弹簧外径，m—弹簧有效圈数一弹簧材料剪切模量，一般取在设计中，必须考虑负载率的影响，则：通过研究，本文发现单向流动的气缸的直径如下：代入有关数据，可得3677.46220.6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，，则：所以满足设计要求。3.缸筒壁厚的设计缸筒应当拥有充分的厚度，以便能够抵抗压缩空气的冲击。一般来说，气缸缸筒壁厚的比例低于1/10，因此，可以利用薄壁筒公式来精确估算出它的厚度。式中:—缸筒壁厚，mmD—气缸内径，mm—实验压力，取，Pa材料为:ZL3，代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:经过仔细的分析和比较，本文最终决定采用QGSDq40×100BFB的气缸结构。其中：QGSD-普通型单作用气缸；q–派生气缸代号：q=弹簧前置型；40-汽缸内径；100-气缸行程；B–缓冲：B=缓冲可调；FB-安装方式：FB=后法兰。3.3.3回转气缸设计计算采用矩形密封圈的旋转臂气缸具有出色的密封性能，而且其内部孔的加工精度也可以得到有效的保障。单叶片旋转缸帮助机械手实现精确的旋转运动，其结构和功能可以参照图3-10描述。板1与气缸2相连，板3则与旋转轴5相互连接，实现动力传输。可动板4将气室分成两部分。活动板4的密封环将气室一分为二。当压缩气体从a孔进入时，推动输出轴逆时针旋转4，低压气室从b孔排出。当气体从a孔进入时，驱动轴会顺时针旋转4，而低压气室则会从b孔排出。图3-10回转气缸示意图参照单叶片气缸的压力p和驱动力矩M的关系为：式中：M-回转气缸的驱动力矩P-回转气缸的工作压力;R-缸体内壁半径;r-输出轴半径;b-动片宽度.根据以上计算选择回转气缸型号为：QGH250×180BFSR其中：QGH-齿杆式回转摆动气缸；2-派生气缸代号：2=双出轴；50-气缸内径；180-回转动摆动角度；B–缓冲：B=可调缓冲；F–法兰；S–单杆基本型；R–耐热型：R=采用氟橡胶密封件，最高耐温200°。第四章控制系统设计4.1电磁铁动作顺序1YA和2YA负责控制机械手的上升、下降，而3YA和4YA则负责夹住物体，而5YA和6YA则负责左右摇晃，最后，7YA和8YA则负责完成这些动作[18]。为了确保安全，在将工件搬运至工作台B并返回时，应使用光电开关检查是否有任何可疑物品，并按照表4-1中的指示进行电磁铁操作，以确保安全。工位号动作名称电磁铁1YA2YA3YA4YA5YA6YA7YA8YA0原位---+----2夹紧--+-----3上升+-+-----4右摆动--+-+---5右伸--+---+-6下降-++-----7放松---+----8上升+--+----9左伸---+---+10左摆动---+-+--表4-1电磁铁动作顺序除了输入和输出开关量，该系统没有其他特定的功能要求。经过精确的测量，我们发现了22个输入[19]，每个都代表着一种特定的功能：6个行程开关、1个光电开关、1个操作按钮以及2个工作方式选择开关，这些设备的精确安装和调试，将为系统的可靠性和稳定性带来极大的提升；这个由12个电磁铁和4个指示灯组成的完美系统，拥有强大的功能，它能够迅速、准确地传递重要信息。4.2I/O分配经过精心研究，本文采用具有超过14个输入和10个输出功能的PLC。PLC的核心参数S7-200（CPU226）具有卓越的控制能力[20]，可以显著提高系统的运行效率。该控制系统拥有24个输入点、16个输出点，随机存储器容量可达8KB，计数器可达256个，定时器也可达256个，它还拥有2个高速脉冲输出端，以及2个RS-485通信口，能够支持PPI、MPI和自由口协议的传输，从而极大地提升了系统的性能。图5-1显示了PLC与器件之间的逻辑连接电路。图4-1中的电路图4.3PLC控制梯形图通过使用西门子的编程语言，本文可以按照I/O分配原则以及电磁铁的运行轨迹，创建一个梯形图，如图4-2所示：图4-2梯形图第五章结论平面关节型机械手是一种常见的工业机器人，通常由基座、臂架、末端执行器、传感器、控制系统和安全保护装置等组成。用于处理平面物体的装配、焊接、搬运和包装等任务。通过使用平面关节型机械手，本文可以大幅提高生产效率，并且可以有效地改善产品质量，同时还可以降低生产成本和风险。这是现代制造业中不可或缺的一部分，至关重要。本论文旨在设计平面关节型搬运机器人的设计效果。首先，本文设计了平面关节型搬运机器人的设计原理和技术指标。本文将深入探讨机器人的性能特征，除此之外，本文还将深入探讨机器人的机械构造、控制机制和传感器技术。其次，本文设计平面关节型搬运机器人的设计流程和实现过程。从机器人的结构设计、控制系统设计、传感器选择等方面入手，分别进行了详细的讲解，对机器人的实现过程进行了全面的设计。最后，本文设计平面关节型搬运机器人的应用场景和优势。在电子制造、气车制造、食品加工等行业中，平面关节型搬运机器人可以替代人工搬运，提高生产效率和产品质量，同时还可以避免作业人员受到损伤。因此，该机器人在工业生产中具有重要的应用价值。综上所述，平面关节型搬运机器人的设计效果得到了很好的实现和应用。本文的设计了对于进一步推广平面关节型搬运机器人的应用具有重要意义。机身的高度是900毫米，因为这个设计需要具备三个自由度，所以它不是用来运动的，而是被用来支撑。只要满足刚度要求，高度可以根据自动线的高低来确定。参考文献杨建峰.基于LabVIEW的平面关节型机器人控制系统的研究[J].齐鲁工业大学学报，2019傅永建，张雪华，丘友青.平面关节型机械手的运动学求解与仿真研究[J].盐城工学院学报(自然科学版)，2019李昂.平面关节型机器人结构分析与改进[J].自动化应用，2019张铁，梁骁翃.平面关节型机器人关节力矩的卡尔曼估计[J].浙江大学学报(工学版)，2018蔡裕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