机械手-代

1第一章设计要求1、设计题目基于PLC的气动机械手设计，所实现的运动如下：材料形状尺寸提升高度平移下降尼龙圆柱体直径100*60mm80mm50mm10mm2、设计目的机电专业综合课程设计是一个重要的实际性教学环节。要求学生综合运用所学的机械、电子、计算机和自动化控制等方面的知识，独立进行设计训练。主要目的：（1）、学习机电一体化系统总评方案的拟定、分析与比较的方法。（2）、通过对机械、液压及气动的设计，掌握几种典型的传动元件与导向元件的原理、设计计算方法与选用原则。（3）、通过对控制系统的设计，掌握运用驱动元件的工作原理、参数计算、型号选用和控制方式。（4）、通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。（5）、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文、设计的能力。3、设计内容机械手实现的运动及所夹工件的参数如表1（单位：mm）。材料形状尺寸提升高度平移下降尼龙圆柱体100608050104、设计任务(1)基于PLC的气动机械手设计整体装配图、气动系统原理图、PLC控制原理图和机械手首部原理装配图。（2）编写课程设计任务书。第二章机械手手臂方案设计由设计要求可知，此设计要实现的是对平面内两个固定位置的循环操作。能实现此要求的方案有：21、气缸连杆式图2-1气缸连杆式机械手该方案可通过对1、2、3、4气缸的控制实现对该平面内一定区域的任意操作。该方案由于构件较多，系统本身较重。适合运送较重的工件，且适合平面内多位置的连续操作。对于平面内简单的两位置固定循环操作和夹持搬运轻型工件此方案不够经济。2、气缸式全气缸式实现此设计要求有两大方案：一种是四气缸式，另一种是三气缸式。（1）、四气缸式按安装方式的不同，又有两种形式（见图2-2）3图2-2四气缸全缸式机械手这两种方案中，每个气缸都只有一个固定的行程，由于气缸较多，故安装较复杂，但控制简单可靠。B方案与A方案相比，气缸3的缸筒和活塞杆的强度和刚度要求较高。(2)、三气缸式4图2-3三气缸全缸机械手这两种方案中，气缸2有两个行程。安装较四气缸式的简单，但控制稍复杂，整体较四缸式简单经济。D方案与C方案相比，D方案中气缸2的缸壁和活塞杆的强度和刚度要求比C方案的高。根据设计要求并结合以上各方案的特点，选用三气缸式C方案较实用、可靠和经济。5三、机械手手部方案设计1、机械手手部方案的选型（1）、方案一斜楔杠杆式图3-1斜楔杠杆式机械手动作原理：如图所示，为单作用斜楔式回转型机械手的结构简图，斜楔向下运动时，客服弹簧拉力使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹住工件。当斜楔向上运动时，则在弹簧力的作用下使手指松开，从而放下工件。在手指与楔块之间装有滚子，从而减小摩擦力，提高机械效率。（2）、方案二滑槽杠杆式图3-2滑槽杠杆式机械手6动作原理：如图所示，为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图。杠杆形手指4的一端装有V型指5，另一端则开有长槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时即可拨动两个手指各绕支点（绞销3）作相对回转运动。从而实现手指的夹紧与松开动作。滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有关，因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视。此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。（3）、方案三连杆杠杆式图3-3连杆杠杆式机械手动作原理：如图所示，为双支点式回转型连杆杠杆式手部的简图。驱动杆2末端与连杆4由绞销3绞接，当驱动杆作直线往复运动时，则通过连杆推动两杠杆手指，使其各绕支点作回转运动，从而使手指夹紧或松开。（4）、方案四齿条齿轮杠杆式7图3-4齿轮齿条杠杆式机械手动作原理里：如图所示，为齿条齿轮杠杆式手部结构简图。由齿条直接传动给齿轮杠杆结构，驱动杆2末端制成双面齿条，与扇形齿轮4相啮合，而扇形齿轮4与手指5相固连在一起，可绕支点回转，驱动力推动齿条作直线往复运动，即可带动扇形齿轮回转，从而实现手指的加紧与松开。比较上述四种方案，斜楔杠杆式的松开方式主要靠弹簧，由于楔块容易磨损和弹簧也容易失效，所以斜楔杠杆式并不够理想；滑槽杠杆式在工作过程中绞销与槽壁相对滑动，磨损较大，难以保证运动精度，因此对槽壁的强度、刚度和尺寸要求都较大，此方案也不够理想；对于方案四，由于结构复杂，且齿轮齿条的造价较高，故从经济上讲不够理想；方案三，结构简单，易于更换零部件，承载能力较大，且只有绞接处有磨损，其他地方几乎没有磨损，经综合考虑选用方案三，并作适当改进。经改进后的方案如下图所示。8图3-5修改后的机械手手部装配图2、机械手手指夹持件的设计手指夹持件是机械手上直接与工件相接触的部位，它的结构形式多种多样，但具体选用时要取决于所夹持工件的形状。最常见的有平面指形、尖指或薄、长指形和V形指三种。平面指形一般用于夹持方形工件（具有两个平行平面）、板形或细小棒料等。尖指或薄、长指形一般用于夹持小型或柔性工件，薄指常用于夹持狭窄工作场合的细小工件，长指常用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构及电子元件的影响。V形指常用于夹持圆柱形工件。图3-6常用的机械手手指形状由于本次设计是针对圆柱形工件（直径固定）所进行的，所以可选用V形指并加以改进，即可用圆弧形代替V形，夹持件圆弧面的半径小于工件的半径，与工件相接触的材料选用橡胶，这样既可增大接触面积和摩擦因数，有具有柔性（允许工件有误差），由于所夹持的工件的材料是尼龙，所以可选用较常使用铸铁和橡胶材料即可，此材料经济且易加工。改进后的手指夹持件如下图所示。9图3-7机械手手指夹持件3、自锁装置设计由于所夹持工件的质量比较轻，所以所需的夹持力并不大，因此可以选择在手部的底座的螺栓柱上，加一扭簧来实现防止停电时被夹工件的掉落。此方式简单经济，仅要求在气缸不能工作时，机械手有足够的力夹持工件。安装方式如下图，扭转弹簧安装在底座与手指相连的螺栓柱上，两端分别连接在底座和手指上。图3-8机械手自锁装置4、机械手的力学分析（1）工件的相关参数材料形状尺寸密度（）尼龙圆柱体310060()mm31.05/gcmA、工件体积233(/2)47110IVDhmmB、工件质量494.55500IImVgg10C、工件重量5IIGmgN(2)、手指夹持件受力分析图3-9手指夹持件的受力分析图手指夹持件与工件之间的摩擦因数0.2。/fF工件被夹起的条件：2IfG即：/25IFGN夹持件受力/12.5FFN为了能够保证加紧工件，取/15FFN（3）手指上杠杆的受力分析为了方便计算及夹紧时的方便，取摆动杆竖直时刚好加紧。尺寸分布如下图所示：图3-10手指杠杆的受力分析由图中尺寸可计算出BC杆长度。即：22(/2)525.5BCDMLLmm///537.52FFN11//57.525FFN(4)手指上杠杆的运动分析为了保证夹紧时，夹持件与工件之间有较大接触面积。在设计安装中手指夹持件与手指杠杆之间有一定的相对转动空间。并且为了手指夹紧和放松工件的方便，手指在张开时，其下端两夹持件间的距离应小于直径D=100mm，现取两夹持件在手指张开时的距离。图3-11手指杠杆的运动分析图//120HEmm，如上图中虚线部分，经计算易得/EE两点间水平距离为10mm。上端/CC的水平距离与/EE两点间的水平距离之比为2/5，即上端/CC的水平距离为102/54mm，所以//CJ的水平距离为2450842DMLmm图为上图的局部视图。其中O为CJ的中点，/O为//CJ的中点。由上述易知1sin5即：01arcsin11.55/4tan0.8OOmm22//////14.16OBCBOCmm当手指张开时，气缸1的拉力要克服扭转弹簧的扭力////////////////25.82/2/2/2JBJOBOBOBFFFFNCJCJCJ////8.66BBOBOBOOmm即：驱动杆的位移为8.66mm。四、气缸的选型1、明确工作要求12图4-1机械手气缸布置图（1）如上图所示，气缸整体位置布置图，由三个气缸组成。气缸1实现机械手的夹持功能，气缸2实现上升和下降功能，气缸3实现平行移动。（2）工作环境、要求在一般环境下工作，工作温度在0025~80CC,防尘。（3）系统与机、电、气控制相配合的情况下，对气动系统的要求：在此设计中，电气控制采用PLC，故在气动设计时采用了行程开关，从而实现机械部分向电气部分发送电信号，最终实现系统运动的要求。2、气缸类型选择经过对设计要求的分析，三个气缸均采用双作用式气缸，系统工作压力选取0.4MPa。(1)气缸1的选型由前面可知，气缸1是实现机械手的夹持工作。由于此系统装有停电时防止工件掉落的扭转弹簧，此弹簧可以在气缸不能工作时能够夹紧工作，所以此气缸的推力做功很小，即大于/BF即：F拉/BF=25.82N气缸的直径1.27F/p10.2Dmm表1缸筒内径系列810121620253240506380（90）（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630由表1查得取D=12mm。气缸的输出拉力020.634.56PFDPNoPFF拉，所以气缸1的内径D=12mm。13行程为驱动杆的移动/8.66BBmm，设运动时间为1S。所以气缸活塞杆的平均速度/8.66/BBSVmmst，经查阅相关厂家的资料，最终选用上海全伟自动化元件有限公司生产的QCQ2B12-10DM气缸。（2）气缸2的选型气缸2为实现机械手完成上升和下降功能的气缸，根据设计要求，该气缸要完成抓取的行程为80mm，放置时的行程为10mm。可选标准行程为100mm的气缸。工件质量为494.55g，机械手手部的质量约为500~1500g，即：气缸2的拉力要克服约2kg的质量做功。气缸的直径1.27F/p8.98Dmm.由表1可知D可取10mm、12mm、16mm等。当D=10mm时，气缸输出的拉力为：020.62420PFDPNN所以，可以选用10mm的气缸内径，又考虑到增大气缸的内径会增加整个机械手的质量。所以最终选定气缸2的内径D=10mm。查阅相关厂家的资料后，选用烟台未来自动化有限公司的110100QGMS型气缸。（3）气缸3的选型气缸3的作用是实现机械手的平动，根据设计要求，机械手水平移动的距离为50mm。选用气缸的行程为50mm。设水平移动的功能完成的时间为1s，则：50/sVmmst气缸2的质量约为400~1000g，再加上工件和机械手的质量2kg，所以气缸3的活塞杆顶端所受的力为30N如下图所示：图4-2气缸3的活塞杆受力图14即活塞杆所受的剪切力FS=30N，所以活塞杆直径64/33.14100100.12SdFmm，所以活塞杆直径的大小可不考虑，可根据其他情况选用气缸。此气缸不受轴向力作用，因此输出拉力和压力很小。从经济方面考虑此气缸选用广东肇庆方大气动有限公司生产的1650QG气缸。根据上述计算各气缸相关参数如下所示：刚径（mm）行程（mm）速度（mm/s）工作压力（MPa）工作方式112108.660.4双作用210100400.4双作用31650500.4双作用3、气动控制回路的设计本控制系统共有3个气缸，所以共需要3个支路分别对三个气缸分别供气，控制回路具体详见气动控制原理图。4、气源设备的选择（1）气缸耗气量的计算取气缸的容积效率0.9V,由于供气可能是从有杆端，又可能是从无杆端，因此考虑最大气流量，即无杆端气流量231max1256/4vDsqmmst232max3488.89/4vDsqmmst233max11164.44/4vDsqmmst（2）气源设备的选型根据本系统选用的压力，结合各种气源设备的特点，选用低压活塞式空气压缩机最适用。选用型号：Z-0.015/5.（3）气动三联件的选择经计算气管选用内径为2.5mm，外径为4mm的聚氨