机械手设计书- 副本

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目 录

摘要.............................................................................................................................................Ⅰ

Abstract......................................................................................................................................Ⅱ 第一章 绪论.............................................................................................................................1

1.1前言 ..................................................................................................................................... 20 1.2 工业机械手的简史 ............................................................................ 错误！未定义书签。 1.3工业机械手在生产中的应用 ............................................................. 错误！未定义书签。 1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 ......................... 错误！未定义书签。 1.3.2 在实现单机自动化方面 ............................................................. 错误！未定义书签。 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 ............................................. 错误！未定义书签。 1.4 机械手的组成 .................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.1 执行机构 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.2 驱动机构 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4.3 控制系统分类 ............................................................................. 错误！未定义书签。 1.5工业机械手的发展趋势 ..................................................................... 错误！未定义书签。 1.6 本文主要研究内容 ............................................................................ 错误！未定义书签。 1.7 本章小结 ............................................................................................ 错误！未定义书签。

第二章 机械手的总体设计方案.......................................................................................7

2.1 机械手基本形式的选择 .................................................................................................... 22 2.2机械手的主要部件及运动 ................................................................................................. 22 2.3驱动机构的选择 ................................................................................................................. 23 2.4 机械手的技术参数列表 .................................................................................................... 23 2.5 本章小结 ............................................................................................................................ 23

第三章 机械手手部的设计计算.............................................................................9

3.1 手部设计基本要求 ............................................................................................................ 24 3.2 典型的手部结构 ................................................................................................................ 24 3.3机械手手抓的设计计算 ..................................................................................................... 24 3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 ...................................................................................... 24 3.3.2 手抓的力学分析 ......................................................................................................... 24 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 ............................................................................................. 25

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3.3.4 手抓夹持范围计算 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .................................................... 错误！未定义书签。 3.5弹簧的设计计算 ................................................................................. 错误！未定义书签。 3.6 本章小结 ............................................................................................................................ 26

第四章 腕部的设计计算..................................................................................................27

4.1 腕部设计的基本要求 ........................................................................................................ 27 4.2 腕部的结构以及选择 ........................................................................ 错误！未定义书签。 4.2.1典型的腕部结构 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ..................................................... 错误！未定义书签。 4.3 腕部的设计计算 ................................................................................................................ 27 4.3.1 腕部设计考虑的参数 ................................................................................................. 27 4.3.2 腕部的驱动力矩计算 ................................................................................................. 27 4.3.3 腕部驱动力的计算 ....................................................................................................... 1 4.3.4 气压缸盖螺钉的计算 ................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 ...................................................... 错误！未定义书签。 4.4 本章小结 .............................................................................................................................. 1

第五章 臂部的设计及有关计算......................................................................................2

5.1 臂部设计的基本要求 .......................................................................................................... 2 5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .................................................... 错误！未定义书签。 5.2.1 手臂的典型运动机构 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.2.2 手臂运动机构的选择 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.3 手臂直线运动的驱动力计算 .............................................................................................. 2 5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ........................................................................................... 2 5.3.2 手臂惯性力的计算 ....................................................................................................... 3 5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ................................................................................................... 3 5.4 气压缸工作压力和结构的确定 .......................................................................................... 4 5.5 本章小结 .............................................................................................................................. 5

第六章 机械手的PLC控制系统设计..........................................................................6

6.1 可编程序控制器的选择及工作过程 ................................................ 错误！未定义书签。 6.1.1 可编程序控制器的选择 ............................................................. 错误！未定义书签。 6.1.2 可编程序控制器的工作过程 ..................................................... 错误！未定义书签。

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6.2 可编程序控制器的使用步骤 ............................................................ 错误！未定义书签。 6.3 机械手可编程序控制器控制方案 .................................................... 错误！未定义书签。 6.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 ............................................. 错误！未定义书签。 6.3.2 气动机械手的工作流程（如图7-1所示） ................................................................ 6 6.3.3 I/0分配 .......................................................................................................................... 7 6.3.4 梯形图设计 ................................................................................................................... 7

结论..............................................................................................................................................错

误！未定义书签。

参考文献.....................................................................................................................................错

误！未定义书签。

致谢..............................................................................................................................................10

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第一章 背景介绍

1.1前言

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器气压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一系列的成果。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。

1.2工业机械手在生产中的应用

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成或者危险的工作。下面具体说明机械手在工业方面的应用。 1.2.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

旋转零件自动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。 1.2.2 单机自动化

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。

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1.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。

1.3 机械手的组成

工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 1.3.1 执行机构

（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如气压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。 1.3.2 驱动机构

驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为气压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 1.4.3 控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

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第二章 机械手的总体设计方案

本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，及PLC控制系统设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。

2.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用

?11?圆柱坐标型。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。图2.2为机械手的实物图。

图2.1 机械手基本形式示意

图2.2 机械手实物图

2.2机械手的主要部件及运动

在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度。既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；基座回转；机械手上

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下移动。

本设计机械手主要由3个大部件和3个气压缸组成：（1）手部，采用直线气压缸，通过

0机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个摆动式气压缸实现手部回转180（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动200mm。图2.3为机械手的组成部件图

2.3驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为气压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便等优点。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。

2.4 机械手的技术参数列表

一、用途：搬运:用于车间搬运 二、设计技术参数:

1、抓重:4Kg (夹持式手部) 2、自由度数:5个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径:120mm 6、手臂运动参数 伸缩行程： 200mm 升降行程：800mm 升降速度：800mm/s 回转范围:0—1800 7、手腕运动参数 回转范围: 0—1800

2.5 本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用气压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将依次进行。

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第三章 机械手手部的设计计算

3.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）??，以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4） 应保证手抓的夹持精度。

3.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

3.3机械手手抓的设计计算

3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：方形工件

40*80*60mm,m=4kg放松动作时两爪间最大距离110~120mm。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择连杆杠杆式这种结构方式。 3.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

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图3.1连杆杠杆式手部结构

由?Fx?0 得 F1?F2

F 2cos?F1??F1'

'由?M01(F)?0 得 F1?FN?120sin79/(90?sin66)

?Fy?0 得 F1?式中 ?——工件被夹紧时手指的拉杆方向与两回转支点的夹角。

F由分析可知，当驱动力F一定时，?角增大，则握力N也随之增大，但?角过大会导

00致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好?=30?40。 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

F?K1K2K3G手指对工件的夹紧力可按公式计算： N （3.2） 式中 K1——安全系数，通常1.2?2.0；

b k2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K2?1?其

av中a，重力方向的最大上升加速度；a?max

t响 vmax——运载时工件最大上升速度

t响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03?0.5s K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G——被抓取工件所受重力（N）。

表3-1 气压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（N） 小于2000 气压缸工作压力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 气压缸工作压力Mpa F?2.138FN （3.1）

0.5?0.8 20000?30000 0.3?0.4 现代设计方法大作业

2000?5000 0.8?1.5 30000?50000 0.4?0.8 50000以上 5000?10000 1.5?2.0 0.8?1.3 计算：设a=100mm,b=50mm, 10????40?;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力

FN和驱动力F和 驱动气压缸的尺寸。 设K1?1.5

bK2?1??1?0.8/?1*9.8??1.08

aK3=5

根据公式，将已知条件带入：

?FN?1.5*1.08*5*4*9.8?317.52N （2）根据驱动力公式得：

F?317.52*2.318?736.01N

（3）取??0.85 F实际?736.01/0.85?865.89N （4）确定气压缸的直径D

选取活塞杆直径d=0.5D,选择气压缸压力油工作压力P=0.8MPa,

?F实际??D?42?d2?p?D=38.4mm

根据表4.1（JB826-66），选取气压缸内径为：D=40mm 则活塞杆内径为:

d=40?0.5=20mm，选取d=20mm

3.4 本章小结

通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算。

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第四章 腕部的设计

4.1 腕部设计的基本要求

（1）结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （3） 必须考虑工作条件

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

4.2 腕部的设计计算

4.2.1 腕部设计考虑的参数

夹取工件重量4Kg，1800。

4.3.2 腕部的驱动力矩计算

（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩M惯。 （2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。

夹取棒料直径80mm，长度60mm，重量4Kg，当手部回转1800时，计算力矩：

（1） 手抓、手抓驱动气压缸及回转气压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径

15mm，其重力估算G=9.8*30=294N （2） 摩擦力矩M摩?0.1m。

（3） 启动过程所转过的角度?启?180=0.314rad，等速转动角速度??2.616s。

?2查取转动惯量公式有：

J工件?2M惯??J?J工件?2?启

J?m?R?R?0.5?0.084375N?m

?m（a?a?b?b）/12?4??0.04?0.04?0.08?0.08?/12?0.002176N?m

代入： M惯?（0.084375?0.002176）*2.616*2.616/?2*0.314??0.9439N?m

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M?M惯?M摩?M惯?0.1M

M?0.9439/0.9?1.049N?m

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（4.1）

4.3.3 腕部驱动力的计算

表4-1 气压缸的内径系列（JB826-66） （mm） 气压缸内径 0.5MP?p?1.0Mpa 20 70 25 75 32 80 40 85 50 90 55 95 63 100 1.0MP?p?3.3Mpa 110 125 130 140 160 180 200 设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是气压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力

2M2?61.11P???0.735Mpa，选择0.8Mpa 2222b?R?r?0.066??0.055?0.0225?图4.1 腕部气压缸剖截面结构示意

气压缸外径 1MP?p?3Mpa 3MP?P?10Mpa

表4.2 标准气压缸外径（JB1068-67） （mm） 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194

4.4 本章小结

本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算。

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第五章 臂部的设计

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降

手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。

5.1 臂部设计的基本要求

（1） 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （2） 臂部运动速度要高，惯性要小 （3） 手臂动作应该灵活

5.2 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的气压缸的驱动力根据气压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定气压缸所需要的驱动力。气压缸活塞的驱动力的计算。

F?F摩?F密?F回?F惯 (5.1) 5.2.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

?MA?0

G总L?aFb

2

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得 Fb?G总L a?Y?0

G总?Fb?Fa

L?a?得 Fa?G总???

a??F摩?Fa摩?Fb摩??'Fa??'Fb

?2L?a? (5.2)

?F摩??'G总??a??式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：

?4???'????????1.27?1.57????2?

?——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

钢对青铜：取??0.1?0.15 钢对铸铁：取??0.18?0.3

计算：

'?1.?50.3G总?1070N，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁??0.20 ，

L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

?2L??2?1.41?0.16?F摩?G总?'??1070?0.3?????5978.6N0.16?a???

5.2.2 手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=5mmin,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.2s，启

动速度?V=V=0.083mS,

G总?v (5.3) g?tG?v1070N?0.083SF惯?总??45.5N

g?t9.8NKg?0.02SF惯?5.2.3 密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当气压缸工作压力小

于1Mpa。气压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F。 经过以上分析计算最后计算出气压缸的驱动力：

3

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F?0.03F?F摩?F惯=621N

5.4 气压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了气压缸的驱动力F=621N，根据表3.1选择气压缸的工作压力P=0.8MPa

（1） 确定气压缸的结构尺寸：

气压缸内径的计算，如图5.2所示

图5.2 双作用气压缸示意图

当油进入无杆腔，

F?F1??p

?D24?当油进入有杆腔中，

F?F2??p

??D2?d2?4?气压缸的有效面积：

S?Fp1

故有 D?D?4FF （无杆腔） (5.4) ?1.13?p1??p14F?d2?p1? （有杆腔） (5.5)

6p2?10pa，选择机械效率??0.95 1F=6210N，=

将有关数据代入：

D? 根据表4-1（JB826-66），选择标准气压缸内径系列，选择D=65mm. （2） 气压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到气压缸的臂厚在7mm，所以该气压缸的外径为79mm. （3） 活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或气压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

4

4FF6210??1.13?1.13?0.06460m6?p1?p10.95?2?10河北工程大学毕业设计

??F?4 (5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故????100?120Mpa，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现

d2????在进行校核。

??F??621044结论： 活塞杆的强度足够。

d2??19.8?106Mpa?100?106?0.022

5.5 本章小结

本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的气压缸的驱动力进行了详细的计算，并对气压缸的基本尺寸进行了设计。

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第六章 机械手的PLC控制系统设计

6.1气动机械手的工作流程（如图6-1所示） 6.1.1气动机械手的工作流程 （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13） （14） （15） （16）

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当按下机械手启动按钮之后，首先立柱右转电磁阀通电，机械手右转，至右限位开关动作。

立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。 手爪抓紧电磁阀通电，手爪抓紧，至限位开关动作。 立柱上升电磁阀通电，立柱上升，至上限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。 立柱左转电磁阀通电，机械手左转，至左限位开关动作。 手臂伸长电磁阀通电，手臂开始伸长，至限位开关动作。

手腕逆时针转电磁阀通电，手腕逆时针转动，至逆时针转限位开关动作。 立柱下降电磁阀通电，立柱下降，至下限位开关动作。 手爪松开电磁阀通电，手爪松开，至限位开关动作。

手腕收缩电磁阀通电，手腕收缩，至限位开关动作。完成一次循环，然后重复以上循环动作。

按下停止按钮或停电时，机械手停止在现行的工步上，重新启动时，机械手按上一工步继续工作。

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启动 手腕收缩 立柱右转 手爪松开 立柱上升 立柱下降 手臂伸长 手腕逆时针手腕逆时针手臂伸长 立柱下降 立柱左转 手爪抓紧 手腕收缩 立柱上升 手腕逆时针图6-1机械手自动控制工作流程框图

6.1.2 I/0分配

根据系统输入输出点的数目，选用OMRON C28P型PC，它有16个输入点，

标号为0000-0015; 12个输出点，标号为0500-0511.如表7-1所示。 其它地址分配： 1、 夹紧定时器:T1,定时5s 2、 放松定时器:T2，定时5s 3、 自动方式标志:M0.0 4 、单动方式标志:M0.1 5、 手动方式标志:M0.2 6、 结束标志:M0.5 6.2梯形图设计

根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，可以画出控制梯形图。控制梯形图可分为子程序部分和主程序部分。

子程序部分包括：自动方式控制梯形图（6-2）和手动方式控制梯形图（6-3）。

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1．自动控制方式梯形图如下：

网络1：启动机械手下降 Q4.0I0.6I0.5I0.4I0.6I1.5Q4.1M1.1(P)Q4.0(S)网络2：机械手下降到位，停止下降并启动夹紧控制 M1.2(P)Q4.0(R)Q4.4(S)网络3：机械手夹紧并启动夹紧定时器，定时5 s T1(SD) S5T#5 s 网络4：定时时间到，并且机械手没有下降时，启动上升 Q4.4I0.6I0.5Q4.1

T1I0.6I0.5Q4.0M1.3(P)Q4.1(S)图6-2自动方式控制梯形图

2.手动控制方式梯形图如下： 网络1：手动下降 I1.0I0.5Q4.0(R)网络2：手动夹紧，采用置位和复位方式使 夹紧后不允许松开 7-3手动控制方式梯形图

3.主程序梯形图如图7-4所示：

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I1.2I0.6I0.5M1.2(P)Q4.4(S)网络3：手动上升I1.1I0.4Q4.1( )

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网络1：自动方式启动M0.0＝1，有自锁I0.0M0.0M0.1I0.3M0.0(S)网络2：M0.1＝1，单动有效I0.1M0.0M0.1(S)网络3：单动方式启动M0.1＝1，有自锁I0.1M0.1M0.0M0.3I0.3M0.1( )图6-4主程序梯形图

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参考文献

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