送料机械手设计

学号000000000毕业设计设计题目：送料机械手学院：0000000专业：000000000班级0000姓名：0000000指导教师：00000000日期：年月日诚信声明本论文是我个人在老师指导下，按任务书要求，自己撰写的论文。该论文凡引用他人的文章或成果之处都在论文中注明，并表示了谢意。除此之外都是自己的工作成果。若本论文及资料与以上声明不符，本人承担一切责任。本人签名：日期：年月日设计任务书班级：0000000000学生：000000000学号：0000000000设计题目：送料机械手摘要：设计一个送料机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。设计内容及要求：1.采用气动驱动方式2.选取至少3个-4个运动自由度，设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。3．设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图4．采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图5.技术参数(1)抓重：8kg(2)自由度数：4个自由度(3)最大工作半径：1500mm(4)工件直径尺寸：mmmm15080(5)气动原理图1张（A2）气缸装配图1张（A0）夹持机械手零件图3张（A3、A4）指导老师（签字）：年月日前言近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其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。学生签名：年月日摘要在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。机械手可在空间抓、放、搬运物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。机械手一般由耐高温，抗腐蚀的材料制成，以适应现场恶劣的环境，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。机械手是工业机器人的重要组成部分，在很多情况下它就可以称为工业机器人。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。可编程控制器是继电器控制和计算机控制出上开发的产品，逐渐发展成以微器处理为核心把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。本文应用三菱公司生产的可编程控制器FX系列PLC，实现机械手搬运控制系统，该系统充分利用了可编程控制器（PLC）控制功能。使该系统可靠稳定，时期功能范围得到广泛应用。关键词：机械手PLC气动控制自动化第一章各执行机构的设计1.1手部的结构设计夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。1.1.1设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示.1.1.2手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图1-1所示，其工件重量G=8公斤，“V”形手指的角度2=120°，b=120mm，R=24mm,摩擦系数为f=0.10。图1-1齿轮齿条式手部(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:NR2bP(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:NtgGtgN5042560105.0)(5.0`所以：NR2bP=490（N）(3)实际驱动力:21KKPP实际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94，并取1K=1.5.若被抓取工件的最大加速度取a=g时，则:212gaK所以：NP156394.025.1490实际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。2、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:ztFFpDF421式中:1F——活塞杆上的推力，NtF——弹簧反作用力，NzF——气缸工作时的总阻力，NP——气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:SlCFftnDGdCf3141812dDDt式中:fC——弹簧刚度，N/mL——弹簧预压缩量，mS——活塞行程，md1——弹簧钢丝直径，mDt——弹簧平均直径，mD2——弹簧外径，mn——弹簧有效圈数G——弹簧材料剪切模量，一般取G=79.4X1护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则:tFpDF421由以上分析得单向作用气缸的直径:pFFDt14代入有关数据，可得：nDGdCf31418mN/46.36771510308/105.3104.793439SlCFftN6.22010606.33673所以：pFFDt14mm23.654.0105.0/6.22049042/16查有关手册圆整，得D=65mm由d/D=O.2～0.3，可得活塞杆直径:d=(0.2～0.3)D=13～19.5mm圆整后，取活塞杆直径d=18mm校核，按公式24/dFt有:2/1/4tFd其中=120MPa,Ft=750N则:d(4490/120)2/1=2.2818满足设计要求。3、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:2/pDP式中:6——缸筒壁厚mmD——气缸内径，咖Pp——实验压力，取Pp=1.5PtPa材料为:ZL3,[]=3MPa代入己知数据，则壁厚为:2/pDP=365101032/10665=6.5mm取=7.5mm，则缸筒外径为:D=65+7.52=80mm。1.2手腕的结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。1.2.1手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于3600，并且要求严格的密封。1.2.2手腕的驱动力矩的计算手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。图1-2所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图1-2手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:M驱=M惯+M偏+M摩+M封cm(4-1)式中:M驱——驱动手腕转动的驱动力矩(Kg﹒cm);M惯——惯性力矩(Kg﹒cm);M偏——参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(Kg﹒cm),.M摩——手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩(Kg﹒cm);M封——手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(Kg﹒cm);下面以图1-2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为△t，则:M惯=tJJ1(N.cm)若手腕转动时的角速度为，起动过程所转过的角度为△，则:M惯=221JJ(N.cm)式中:J——参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N·cm·s2);J1——工件对手腕转动轴线的转动惯量(N·cm·s2);。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1,为:2111egGJJgJg——工件对过重心轴线的转动惯量(N·cm·s2);G1——工件的重量(N);1e——工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)-,——手腕转动时的角速度(弧度/s);t——起动过程所需的时间(S);——起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M偏=3311eGeG式中:G3——手腕转动件的重量(N);e3——手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm).当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则11eG=0.3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M摩M摩=122dRdRfBA式中:d1、d2——手腕转动轴的轴颈直径(cm);f——轴承摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01，对于滑动轴承f=0.1;RA、RB——轴颈处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据0FmA得:RBl+G3l3=G2l2+G1l1同理，根据0FmB得:RA=llGlGlG332211式中:G2——手部的重量(N)1、11、l2、l3——如图4-1所示的长度尺寸(cm).4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖