毕业设计(论文)-plc控制气动机械手设计管理资料

摘要 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，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，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 而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的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 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(一般不卜浇塞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。 本课题拟开发物料搬运用气动机械手，机械手可以实现在X、Z两个坐标方向上的移动、绕Z轴的回转，手部可以加紧的执行机构。控制方面，采用X-D图法设计了控制该机械手动作的气动控制系统。这是一个开放的气动控制系统平台。 该气动机械手的设计主要分为三个部分：总体方案设计，结构设计计算及元件选型和机械手气动控制系统的设计。由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。ABSTRACTInmodernindustry,theproductionprocessmechanizationandautomationhasbecomeaprominenttheme.Withthefurtherdevelopmentofindustrialmodernization,automationhasbecomeanimportantpillarofthemodernenterprise,noshop,noproductionlines,etc.,havebeeneverywhere.Meanwhile,modernproduction,thereareavarietyofproductionenvironments,suchashightemperature,radiation,toxicgases,harmfulgasesandunderwateroperations,andotheroccasions,theharshproductionenvironmentisnotconducivetomanualoperation.

Modernindustrialrobotsareappearinginthefieldofautomaticcontrolofanewtechnology,moderncontroltheoryandpracticeofindustrialautomationproductofthecombination,andtobecomeamodernmachinerymanufacturingproductionsystemsisanimportantcomponent.Industrialmanipulatoristoimprovetheproductionprocessautomation,improveworkingconditions,improveproductqualityandproductionefficiencyoftheeffectivemeans.Especiallyinthehigh-temperature,highpressure,dust,noiseandpollutionwithradioactiveandoccasions,morewidelyapplied.InChina,recentyearshaveTherobotisacompressedairpressuredrivethepressuretodrivetherobotactuatormovement.Itsmainfeaturesare:themediaisveryconvenientsource,theoutputforceissmall,pneumaticandpromptaction,simplestructureandlowcost.However,becauseairhascompressiblecharacteristics,operatingspeedisunstable,theimpactoflargeandlowpressuregassource,focusgenerally30kgweight,weightTiaojianarrestedunderthesamehydraulicmanipulatorthanthestructureoflarge,Soforhigh-speed,lightload,hightemperatureanddustyworkenvironment.

Pneumatictechnologyhasthefollowingadvantages:

(1)mediaextractionandprocessingconvenience.Lowpressurepneumatictransmissionwork,theworkingmediumextractedeasily,andthendischargedintotheatmosphere,convenient,generallydonotsettherecoverypipesandcontainers:themediaclean,easytoplugexistingmediapipelinedeteriorationandsupplemented.

(2)smallresistancelossandleakageinthedeliveryofcompressedairprocess,theresistancelossissmall(generallynotwaterplugBUonlyonethousandthofoil),airsupplyandeasytofocusonlong-distancetransport.Hydraulicfluidleakswillnotbeasforeignaspressuredecreasedsignificantlyandseriouspollution.

(3)actionquicklyresponsive.Pneumaticsystemsusuallyrequireonlytoestablishthedesiredpressureandspeed.Pneumaticsystemcanalsoachieveoverloadprotection,easytoautomaticcontrol.

(4)energycanbestored.Compressedaircanbestoredinthetank,andtherefore,theoccurrenceofsuddenpowerfailureoccurs,Machineanditsprocesswillnotbesuddenlyinterrupted.

(5)workingenvironmentandgoodadaptability.Flammable,explosive,andmoredust,magnetic,strongradiation,vibrationandotherharshenvironments,pneumaticdriveandcontrolsystemthanthemechanical,electricalandhydraulicsystemissuperior,andtemperaturechangeswillnotaffectthetransmissionandcontrolperformance.

(6)lowcost.Sincetheworkoflowpressurepneumaticsystem,therebyreducingaerodynamicelement,accessoriesprecisionmaterialsandprocessing,manufacturingiseasy,lowcost.

Thetopictobedevelopedpneumaticmaterialhandlingrobot,therobotcanbeachievedintheX,ZdirectionoftwocoordinatesthemovementofrotationaroundtheZaxis,thehandcanstepuptheenforcementagency.Control,theuseofXDdiagrammethoddesignedtocontrolthemovementofthepneumaticmanipulatorcontrolsystem.Thisisanopenpneumaticcontrolsystemplatform.

Thedesignofthepneumaticmanipulatorisdividedintothreeparts:theoveralldesign,structuraldesigncalculationsandcomponentselectionandroboticpneumaticcontrolsystemdesign.

Owingtotimeconstraintsandlimitedpersonallevel,Ihavenothadtimetodesign,therearemanyproblems,Ihopethemajorityofteachersandstudentscanbecriticizedandcorrectedandtobeaddressed.目录摘要……………1ABSTRACT………………………一.绪论………………………1.课题来源、目的及意义………………2.国内外研究现状………3.研究内容、拟解决的问题及设计要求………………二.总体方案设计……………1.功能分解及结构示意图………………2.气动执行元件简介……………………3.气缸类型的选择及总体方案的确定…………………三.设计计算及元件设计选型………………1.手部夹紧气缸的设计....……………2.水平气缸的计算及选型………………3.垂直气缸的计算及选型………………4.齿轮齿条缸的设计计算………………5.轴的结构设计、强度校核及轴承的寿命校核………四.机械手气动控制系统的设计……………1.气动机械手的动作过程……………2.机械手的控制要求…………………3..气压驱动系统设计4.PLC的选择和I/O口的分配五工作总结………………………六致谢………………参考文献……………一.绪论1.课题来源、目的及意义 由于现在在外面实习，也去了几家的工厂，很多工厂工作环境差，条件有限对于这种恶劣环境下工人们需要人工控制或者利用其他一些方法作为工具来搬运重物，而且都是一些机械的工作，我们完全可以利用机械手等机械来代替工人，从而高效率可靠的完成任务而且减轻工人的劳动强度。鉴于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[6]。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点，因此很适合在工业领域特别是那些环境比较差温度高，多震动、噪声大，灰尘多以及辐射等不适于人类长期工作的环境中工作。这样一来不仅提高了生产力，而且为生产力大大减轻了劳动强度和难度，为生产提供了基本保障。本课题是设计一个气动机械手装置，用以搬运体积大，重量大，温度高，有辐射等工业生产原材料或成品。在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：（1）可以高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。（2）可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（3）可以减少人力，便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。综上所述，有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。2.国内外研究现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环 随着工业的机械化和自动化的发展和气动技术本身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 80年代以来，气动技术的运用领域快速扩展，特别是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。 从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 目前在世界上日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手方面最为领先。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点，气动机械手将越来越广泛地进人工业、军事、航空、医疗、生活等领域。3研究内容，拟解决的问题及设计要求(1)本课题的研究内容①确定机械手的总体方案 根据现场环境布局以及气动机械手的特点，确定设计的的总体方案，分析并解决存在的技术难题。最后根据考虑的技术方案确定机械手的总体结构、功能和预期完成的动作。②设计机械手各执行机构 可采用模块化的设计方式，将机械手分为若干个模块，对各个模块进行设计，然后把这些模块拼装起来组成机械手。根据功能和尺寸要求匹配合适的气缸，设计机械手基座、各气缸之间连接关节等装置。③气动控制系统设计 包括气动回路的设计，绘出动作程序图，X-D线图，逻辑原理图，气动回路原理图。 (2)拟解决的问题解决机械手的机械结构的设计问题，要求机械手结构简单、经济并具具体有：气缸的计算及选型，气动控制，PLC程序的设计与编写。(3)设计要求①：②工件的材质是钢。③，行程为200mm，缓冲长度为20mm。④、下降动作，行程为300mm，缓冲长度为20mm。⑤抓手夹紧、。⑥抓手与工件之间的摩擦系数为u=。总体方案设计 在总体方案里，气动机械手将模拟人手的部分动作，按预先给定的程序、轨迹和工艺要求实现自动抓取、搬运，完成工件的上料或卸料。这些动作归结起来可分解成以下几个基本动作：（1）水平方向手臂的伸缩移动（2）垂直方向高度的上升、下降移动（3）绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动（4）手腕的旋转（5）手指的夹紧，放松：气动机械手框架图 系统共有四个气缸，从下到上，从左到右依次是：旋转气缸，该气缸是立柱的回转缸，他实际上是个组合气缸，是由两个气缸的组合中间以齿轮条杠连接两缸的活塞，然后再主立轴的下端套上一个直齿圆柱齿轮，与气缸齿轮条杠啮合，把活塞的直线运动改变成立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转。左上的伸缩气缸是机械手手臂的伸缩缸，用以实现手臂的伸长与缩回。右上的升降气缸是机械手升降缸，用以实现机械手的上升与下降。夹紧气缸，机械手抓的夹紧与放松，用以实现机械手的手爪取放物件。气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的装置。它包括气缸和气马达。(1)气缸气缸的分类及典型结构气缸是将压缩空气的压缩能转换成直线运动并做功的执行元件。气缸按结构形式分为两大类：活塞式和膜片式。其中活塞式又分为单活塞式和双活塞式，单活塞式有有活塞杆和无活塞杆两种。下面简单介绍几种典型气缸的结构与特点。①普通气缸图5为普通型单活塞杆双作用气缸的结构图。气缸由缸筒，前后缸盖，活塞，活塞杆，密封件和紧固件等零件组成。缸筒在前后缸盖之间由四根拉杆和螺母将其连接锁紧（图中未画出）。活塞与活塞杆相连，活塞上装有密封圈、导向环及磁性环。为防止漏气和外部粉尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用防尘组合密封圈。磁性环用来产生磁场，使活塞接近磁性开关时发生信号，即在普通气缸上安装磁性开关就成为可以检测气缸活塞位置的开关气缸。普通型单活塞杆双作用气缸②无活塞杆气缸无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现直线运动，无杆气缸由缸筒，防尘和抗压密封件，无杆活塞，左右端盖，传动舌片，导架等组成。拉制而成铝气缸筒沿轴向方向开槽，为防止内部压缩空气泄露和外部杂物侵入，槽被内部抗压密封件和外部防尘密封件密封。内、外密封件都是塑料挤压成形件，且互相夹持固定。无杆活塞的两端带有唇形密封圈。活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动。该运动通过缸筒槽的传动舌片被传递到承受负载的导架上。此时，传动舌片将防尘密封件与抗压密封件挤开，但它们在缸筒的两端仍然是互相夹持的。因此，传动舌片与导架组件在气缸上移动时无压缩空气泄露。无杆气缸缸径范围为25-63mm，行程可达10mm。这种气缸最大的有点是节省了安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。在自动化系统、气动机器人中或得大量应用。③膜片式气缸膜片式气缸由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。它可以是单作用式，也可以是双作用式。其膜片有盘形膜片和平膜片两种，多数采用夹织物橡胶材料。膜片式气缸与活塞式气缸相比，具有结构紧凑、简单、制造容易、成本低、维修方便、寿命长、泄露少、效率高等优点，但膜片的变形量有限，其行程较短。这种气缸适用于气动夹具、自动调节阀及短行程的工作场合。④冲击气缸冲击气缸是把压缩空气的压力能转化为活塞组件的动能，利用此动能去做功的执行元件。冲击气缸有缸筒、中盖、活塞和活塞杆等主要零件组成。中盖与缸筒固定，它和活塞把气缸分割成三部分，即蓄能腔、活塞腔和活塞杆腔。中盖的中心开有喷嘴口。冲击气缸整个工作行程可简单地分成三个阶段：复位段，储能段，冲击段。冲击气缸的用途广泛，可用于锻造、冲压、铆接、下料、压配、破碎等多种作业。⑤摆动气缸摆动气缸是由一个双作用叶片式马达和一个普通双作用气缸组成。活塞的一侧是圆形活塞杆，另一侧是方形活塞杆。方形活塞杆能在摆动马达的叶片轴槽里滑动，即叶片的摆动通过方形活塞杆来传动。采用这种双活塞杆结构的摆动气缸，结构简单，能同时分别实现直线和摆动运动。气缸的活塞上装有一个永久磁环，用行程开关可对气缸直线行程位置进行检测。摆动角度有电感式传感器检测。摆动角度在0°-270°之间无级可调，气缸行程范围为1-100mm。因摆动气缸的可调挡块装置和叶片之间是分开的，所以作用在挡块上的冲击力可由固定挡块或自调式缓冲器吸收。另外，叶片在行程终端也由弹性缓冲垫缓冲。为了便于调节，角度标尺安装在背面。摆动气缸的活塞杆有中空双活塞杆型的，可用于真空、喷射等。活塞杆端部有连接其它元件的内螺纹和半圆键。摆动气缸常用作气动机械手的手臂，在其上连接气动手指。(2)气马达气马达的分类及特点气马达是利用压缩空气的能量实现旋转运动的机械。按结构形式可分为：叶片式、活塞式、齿轮式等。最为常用的是叶片式气马达和活塞式其马达。叶片式气马达制造简单，结构紧凑，但低速启动转矩小，低速性能不好，适宜性能要求低或中功率的机械。目前在矿山机械及风动工具中应用普遍。活塞式气马达在低速情况下有较大的输出功率，它的低速性能好，适宜载荷较大和要求低速转矩大的机械，如起重机、绞车绞盘、拉管机等。由于使用压缩空气作为工作介质，气马达有以下特点：①有过载保护作用。过载时，转矩降低或停车，过载消除后立即恢复正常工作，不会产生故障②可以无级调速。控制进气流量，就能调整马达的功率和转速。额定转速从每分钟几十转到几万转。③具有较高的启动转矩，可直接带负载启动。④与同类电动机相比，重量只有电动机的三分之一到十分之一，因此，其惯量小，启动停止快。⑤适宜于恶劣环境使用，具有防火、防爆，耐潮湿、粉尘及振动的优点。⑥结构简单，维修容易⑦输出功率相对较小，最大只有20KW左右。⑧耗气量大，效率低，噪声大。(3)气动机械手手指及真空吸盘气动机械手抓取动作最终是由手指来完成的。手指主要有手指气缸和真空吸盘两种结构，在抓取异型、特殊工件时也有用膜片夹紧气缸、气囊来抓取工件的。①手指气缸手指气缸俗称抓手，是目前气动机械手在抓取技术中应用最普遍的方式之一。它有平行手指HGP，摆动手指HGW，旋转手指HGR及三点手指HGD。它的优点有：，与抓手连接十分简便抓取方式有：主要技术参数：，最大抓取力：390N；合拢/打开时间：，最大抓取力：530N；合拢/打开时间：，最大抓取力：250N；合拢/打开时间：，最大抓取力：320N；合拢/打开时间：②真空吸盘目前，在传输和装配生产线上，使用真空吸盘来抓取物体的例子越来越多，应用真空技术可很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能。需要说明的是，这里提到的真空不是指由电动机、真空泵等一系列辅助设备所组成的真空系统，而是指有压缩空气进入真空发生器的喷嘴后，按照文丘里原理在真空发生器内产生的负压（最高可达-88KPa）。因此，它是一种十分经济简便的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。真空吸盘可以吸持平整光滑的工件表面，它的最小直径为1mm，最大直径为125mm（可以制作大于125mm的吸盘）。吸盘形状一般分圆盘形和波纹形。圆盘真空吸盘一般用于吸取平整的工件，而波纹形真空吸盘吸取的工件表面允许有轻微不平、弯曲或倾斜。，最大吸力可达606N。真空吸盘由丁晴橡胶、聚氨酯或硅橡胶等材料组成，其中硅橡胶真空吸盘可用于食品工业。它们工作温度范围分别为-20°到+80°，-20°到+60°，-40°到+200°。气动机械手在抓取物体时，究竟是选抓手，还是选真空吸盘，是没有严格规定的，一般根据具体工况而定。对于平板的抓取，通常较多使用真空吸盘，而对于长方形、圆形物体，既可采用抓手又可采用真空吸盘来完成。抓手在抓取工件时，还应考虑到抓手张开的角度不能影响相邻工件。水平方向的伸缩移动，、下降移动都可选择普通型单活塞杆双作用气缸或无杆气缸，但是考虑到无杆气缸能够节省安装空间，又适合于小缸径长行程的场合，定位精度高，于是在本方案里选用无杆气缸。（如Z轴）的回转运动可选择齿轮齿条缸或摆动气缸，但摆动气缸一般是用作气动机械手的手臂，在其上连接气动手指，而本方案的回转运动是立柱的回转运动，考虑到齿轮齿条缸定位精度较高，结构简单，于是选用齿轮齿条缸。D.手指的夹紧，放松可选择平行手指气缸，摆动手指气缸，旋转手指气缸，三点手指气缸和真空吸盘。手指的选择，是没有严格规定的，一般是根据具体工况条件而定。对于平板的抓取，通常较多使用真空吸盘，而对于方形、圆形的物体，通常使用手指气缸来完成。考虑到工件的形状是圆柱体，宜采用手指气缸，手指气缸里平行手指气缸结构简单，功能明确，两个手指夹持圆柱形工件的两个端面，接触面积大，抓取稳定，于是采用两手指的阔形气动手指气缸。综合以上分析，执行元件的初步选择如下表1：表1执行元件的初步选择方案所要实现的功能初选执行元件类型水平方向的伸缩移动无杆气缸垂直方向的上升、下降移动无杆气缸绕某一个轴线（如Z轴）的回转运动齿轮齿条缸手指的夹紧，放松平行手指气缸由以上初选的执行元件类型，：总体方案图粗略图三.设计计算及元件设计选型1、手部驱动力计算：其工件重量G=10公斤，手指的活动角度，,摩擦系数为(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:所以机械手爪图(3)实际驱动力:、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。、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: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:Gf=式中:-弹簧刚度，N/m-弹簧预压缩量，m-活塞行程，m-弹簧钢丝直径，m-弹簧平均直径，.-弹簧有效圈数.-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:由以上分析得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，按公式有:其中，[]，则:满足实际设计要求。、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:式中:6-缸筒壁厚，mm-气缸内径，mm-实验压力，取,Pa材料为:ZL3,[]=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:二．水平无杆气缸的计算及选型无杆气缸与普通气缸的结构与工作原理并不相同。普通气缸有圆柱形的活塞杆，并且其动力的输出也是通过活塞杆与外界相连来实现的，于是普通气缸的设计计算选型有它的一整套的流程：①由工况来确定气缸的实际负载：②由气缸的运动速度来确定气缸负载率；③由公式算出气缸的理论输出力；④由公式计算出气缸的缸径；⑤查表按推荐值取活塞杆的直径。而无杆气缸的设计计算选型则是按照另一套流程：①按图8力矩及负载示意图计算出相应的力矩及负载；②根据计算所得出的力矩及负载查样本《SMC气动元件》，选型无杆气缸；③列出无杆气缸的基本参数，以供后面使用。(1)负载计算及气缸选型水平无杆气缸所受负载（暂不考虑连接组件的重量）根据，查《SMC气动元件》（），选型如下表2：表2水平无杆气缸选型结果元件名称及型号机械接触式无杆气缸（基本型）MY1B50G-200缸径50mm最大负载W1=700N，W2=140N，W3=200N最大容许力矩M1=78N·m,M2=·m,M3=·m接管方式单边接管行程200mm，无调程装置接管口径3/8(2)动作时间计算(3)耗气量计算该机械接触式无杆气缸为取自SMC公司的外购件，其具体部件图详见《SMC气动元件》（），这里不再赘述。(1)负载计算及气缸选型水平无杆气缸的重量在选型参数里没有提供，估算为根据查《SMC气动元件》（）选型如下表3：表3垂直无杆气缸选型结果元件名称及型号机械接触式无杆气缸（基本型）：MY1B63G-200缸径63mm最大负载W1=830N，W2=166N，W3=290N最大容许力矩M1=160N·m,M2=19N·m,M3=48N·m接管方式单边接管行程200mm，无调程装置接管口径3/8(2)动作时间计算该机械接触式无杆气缸为取自SMC公司的外购件，其具体部件图详见《SMC气动元件》（），这里不再赘述。上文中多次出现的符号W1,W2,W3,M1,M2,M3分别是负载和力矩的表示符号具体所表达的意义如所示：（1）负载分析齿轮齿条缸的负载力W在Y-Z平面内垂直向下，负载力矩在Y-Z平面内顺时针方向和X-Z平面逆时针方向。而齿轮齿条缸则图力矩及负载示意图提供的是X-Y平面内的驱动力矩，负载力矩在X-Y平面内的分量为0。齿轮齿条缸只需克服摩擦力和摩擦力矩等。（2）结构尺寸设计设定齿条前进、,齿轮齿条缸的缓冲长度为10mm。设定轴所传递的功率为P=60W=，则所以，齿轮齿条缸的轴向负载力又齿轮齿条缸的平均速度v=,查《气动自动化系统的优化设计》表2-8，选负载率理论输出力齿轮齿条缸的气缸缸径故选取齿轮齿条缸的缸径为保证齿轮齿条的强度，取它们的模数取齿轮的齿数则齿轮的分度圆直径而左回转或右回转的转角所以，齿轮齿条缸的行程取齿轮的齿宽系数为于是，齿轮的齿宽为.1齿轮齿条缸的齿轮图齿轮齿条缸的齿轮（3）密封设计在气动元件中所采用的密封大致分为两类：动密封和静密封。类似缸筒和缸盖等固定部分所需的密封成为静密封，至于活塞在缸筒里作往复运动及旋转所需的密封成为动密封。以下分别介绍气缸各种基本密封以及本方案的选择。①缸盖和缸筒连接的密封一般采用O形密封圈安装在缸盖与缸筒配合的沟槽内，构成静密封。有时也采用橡胶等平垫圈安装在连接止口上，构成平面密封。本方案里选用的O形密封圈安装在缸盖与缸筒配合的沟槽内。②活塞的密封活塞有两处地方需要密封：一处是活塞与缸筒间的动密封，除了用O型密封圈和唇形圈外，也有用W形密封圈，它是把活塞与橡胶硫化成一体的一种密封结构，W形密封是双向密封，轴向尺寸小。另一处是活塞与活塞杆连接处的静密封，一般用O形密封圈。本方案里活塞与缸筒间的动密封选用U形密封圈，活塞与活塞杆连接处的静密封选用O形密封圈。③活塞杆的密封一般在缸盖的沟槽里放置唇形密封圈和防尘圈，或防尘组合圈，保证活塞杆往复运动的密封和防尘。本方案里选用的是O形密封圈和防尘组合密封圈。④缓冲密封圈有两种方法：一种是采用孔用唇形密封圈安装在缓冲柱塞上；另一种是采用气缸缓冲专用密封圈，它是用橡胶和一个圆形钢圈硫化成一体构成，压配在缸盖上作缓冲密封。这种缓冲专用密封的性能比前者好。本方案选用的是后者。（4）动作时间计算（5）缓冲性能校核气缸活塞运动到行程终端位置时，为避免活塞与缸盖产生机械碰撞而造成机件变形、损坏及极强的噪声，气缸必须采用缓冲装置。通常缸径小于16mm的气缸采用弹性缓冲垫，缸径大于16mm的气缸采用气垫结构。由于本方案里所选择的气缸的缸径大于16mm，故所采用的是气垫缓冲结构。气缸的缓冲装置由缓冲柱塞、节流阀和缓冲腔室等构成，。在活塞高速向右运动时，活塞右腔的空气经缸盖柱塞孔和进排气口排向大气。在气缸活塞杆行程进入终端前，缓冲柱塞依靠缓冲密封圈将缸盖柱塞孔堵住。于是，封闭在活塞和缸盖之间的环形腔室内的空气只能通过节流阀排向大气。由于节流阀流通面积很小，环形腔室内的空气背压升高形成气垫作用，迫使活塞迅速减速，最后停下来。改变节流阀的开度，就可以调节缓冲速度。缓冲结构该齿轮齿条缸是自制件，其部件图详见图纸。 5．轴的结构设计、强度校核及轴承的寿命校核在本方案里轴是起立柱的作用，将齿轮齿条缸产生的回转通过轴传给垂直气缸，为实现这个动作，首先必须实现齿轮齿条缸的齿轮与轴的连接，以及轴和垂直气缸的连接，其次就是轴的支承。齿轮齿条缸与轴的连接可以通过键来实现，而借助一个法兰，就能很好地将轴和垂直气缸连接起来了。轴的支承采用一对滑动轴承，由于轴既承受轴向载荷，又承受径向载荷，而角接触球轴承正好能够承受这种载荷，并且采用一对角接触球轴承，结构简单实用，易于实现，故本方案里采用了一对角接触球轴承，并且采取反装的安装形式，为了避免两个轴承之间同心的问题，选取了两个大小不同轴承，一个是7206C,一个是7207C。轴的结构及轴上零件的布置轴的结构和轴上零件的布置该轴的轴上零件有齿轮、轴承、套筒、法兰。其中，齿轮是齿轮齿条缸的一部分，是与齿条相啮合的。而齿条的速度前面已经给定，齿轮的分度圆直径为则而在机械手回转带动立柱回转的过程中，工件、手指气缸、水平无杆气缸、垂直无杆气缸的重心均没有升高或降低，而是保持在原来的高度。所以，在此过程中，轴并没有传递有效功率。但事实上，在立柱回转的过程中还是消耗了功，比如克服摩擦做功，像滚动轴承与轴之间的摩擦及滚动轴承自身的摩擦，还有齿轮齿条缸的缓冲过程也有功的损耗。总之，在此，为校核轴的强度，可设定轴上传递的功率P=。综上所述，现设计机械手立柱轴。初始条件为：传递功率P=，转速n=，齿轮的齿宽B=36mm，齿数Z=30，模数m=3mm，轴端装有法兰。以下是设计及校核过程。（1）选择轴的材料选择轴的材料为45钢，经调质处理，其机械性能由《机械设计》表6-1查得：（2）初步计算轴径选C=110考虑到轴端法兰需开键槽，将其轴径增加5%，故取轴的最细轴端直径为（3）轴的结构设计轴工作要求，轴上所支承的零件主要有齿轮、轴端法兰以及滑动轴承。参考轴的结构设计要求，可确定轴的各段尺寸，又为便于装拆方便与轴的生产加工，轴的结构尺寸（4）按弯扭合成校核①画出受力简图（如图12轴的受力分析，弯矩图，扭矩图和弯扭合成图）画出轴的受力简图，求出支反力，对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩（因轴上零件如齿轮、法兰等均有宽度）可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。对于支反力的位置，随轴承类型和布置方式的不同而异，可查轴承样本。②轴受力分析轴上传递的转矩齿轮的圆周力③计算作用于轴上的支反力④计算轴的弯矩，并画出弯矩图、转矩图（，弯矩图，扭矩图和弯扭合成图）⑤计算并画出当量弯矩图轴的受力分析，弯矩图，扭矩图和弯扭合成图⑥校核轴的强度一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。根据轴的结构尺寸和当量弯矩图可知：a-a截面弯矩最大且截面尺寸也非最大，属于危险截面；b-b截面当量弯矩较大且截面尺寸最小，也属于危险截面。a-a处的当量弯矩为b-b处的当量弯矩为强度校核：查表得，所以，轴的强度满足要求。（5）轴承的寿命校核轴承寿命校核的初始条件如下：轴承部件受载荷示意图。轴承的受力平稳，转速n=;轴承1的轴颈直径d=35mm，轴承2的轴颈直径d=30mm,要求轴承的使用寿命（即轴承预期寿命）为10000h。轴承的轴向载荷为轴承部件受载荷示意图以下是寿命校核的过程：轴承1：30207，轴承2：30206查《机械设计课程设计》滚动轴承样本得，由《机械设计》表8-8查得，①计算派生轴向力S1,S2由《机械设计》表8-9查得30200型轴承派生轴向力S=，则可求得轴承1，2的派生轴向力为：②计算轴承所受的轴向载荷因为，轴承2被“压紧”，轴承2被“放松”。由此可得，③计算当量动载荷轴承1：由《机械设计》表8-7经插值得，轴承2；由《机械设计》表8-7经插值得，④轴承寿命计算轴承1：由《机械设计》表8-7经插值得，轴承2：所以，轴承1，2的寿命都满足要求。 四.机械手气动控制系统的设计1.气动机械手的动作过程气动机械手的动作过程所示由夹紧，升降两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，夹紧缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，升降缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；伸缩缸实现机械手的移动。旋转缸是两个气缸通过齿轮齿条的啮合，通过双电两位四通电磁阀控制两气缸同时动作，以实现机械手真反转。所有机械手的动作均由气压驱动，机械手臂的伸出、回缩、提升、下降等动作的转换时在电磁阀换向阀和限位开关的控制下进行的。2.机械手的控制要求为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。回原位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。单步运行：供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。单周期运行：供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置④连续运行：正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。气压驱动系统设计：气压驱动系统安排图 1：手动截止阀2：储气缸3：分水滤气器4：减压阀5：油雾器6、7、8、9：节流阀加单向阀10、11、12、13：双电两位三通电控阀工作方式伸缩，上下，夹紧与旋转部分：电磁线圈3Y2得电，手臂伸出。伸出到3QS2处伸出停止；电磁线圈3Y1得电，手臂回缩，缩到3QS1是缩回停止；电磁线圈2Y1得电，手臂上升，直到2QS1时上升停止；电磁线圈2Y2得电，手臂下降，直到2QS2时下降停止，同理线圈1Y1得电手爪夹紧，失电则放松。当电磁线圈4Y1的电视主轴逆时针旋转，直到4QS1处，旋转停止，反转即使4Y1得电，到4QS2处时，停止旋转。4.PLC的选择和I/O口的分配机械手的工作需要24个输入端子，输出端子需要七个，根据控制要求即端子数选用FX2n-48MR型PLC。FX2n-48MR输入输出皆有24个点，满足控制要求而又节约成本，I/：I/O口端子接线图输入输出触点分配及使用如图标注所示。5.PLC控制程序设计X7、10、11、12、13、14同时只能有一个处于ON状态，必须使用转换开关，以保证控制方式的单一性。以免发生错误和危险。机械手系统PLC程序的总体结构：.1PLC程序总体结构（1）公用程序:公用程序(如下图所示)用于自动程序和手动程序相互切换的处理。左限位开关X4、上限位开关X2的常开触点和表示机械手松开的Y1的常闭触点的电路接通是，表示“原为条件”的辅助继电器变为ON。当机械手处于原位是，在开始执行用户程序（M8002为ON），系统处于手动状态或者回原位状态（X7、X10为ON），初始步M0被置位，为进入单步，单周期和连续工作方式做好准备。如果此时机械手不在原位，M0将被复位，初始步不为活动步，系统不能在单步，单周期，连续方式下工作。但系统处于手动工作状态时，必须将初始步以外的各步对应的辅助继电器复位。同时将表示连续工作状态的M11复位，否则系统从自动工作方式切换到手动工作方式然后又返回自动方式时，可能会出现同时有两个活动步的异常情况，引起错误动作。