气动机械手设计-内含计算步骤及尺寸装配图等等.doc

毕业设计(论文)
课　题 名 称:气动机械手得设计
专 业 班 级：　 　　　 　
学 生 姓　名: 　　 　 　
指 导 教　师: 　 　 　 　
2０1 年　 月
ﻬ目录
摘要、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、4
第一章 前言 　 　 　 　
１、１机械手概述、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、5
１、２机械手得组成与分类、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、5
1、2、１机械手得组成．....．......．..．....．...．...．．.......．.4
1、2、2机械手得分类.．..............．.......．．..．.．.．...．.．6
第二章 机械手得设计方案
2、1机械手得坐标型式与自由度.．...．．.....．...．....．..．.....　８
2、2机械手得手部结构方案设计．......．．....．.．..．．.．．......． 8
２、３机械手得手腕结构方案设计．..．....．.．．.．.．...．．.．.......　9
２、4机械手得手臂结构方案设计..．....．．..．.．．.．...．...．..．...9
2、５机械手得驱动方案设计....................．....．.．..．．...9
2、6机械手得控制方案设计．.．..．.．．．............．．...．.．．.．．．9
2、7机械手得主要参数．．...．.．.．．...．．．...．.．..．.．．.．．.．..．..9
2、８机械手得技术参数列表.........．....．．......．．．.........．9
第三章 手部结构设计
3、1夹持式手部结构.....．.．..．．......．..．.．..．．．...．..．．．...１1
3、1、1手指得形状与分类.......．........．..........．.．...11
3、1、2设计时考虑得几个问题．...．.....．.．．.．.．...．.．.....1４
３、１、3手部夹紧气缸得设计..．..．......．...．．..．．......．..14
第四章 手腕结构设计
4、1手腕得自由度.．.．．......．.．......．..．.．.．....．.．....．..　19
４、2手腕得驱动力矩得计算.......．..．...．..........．．....．．． 1９　
４、2、1手腕转动时所需得驱动力矩．．.．............．...．... ２0
4、2、2回转气缸得驱动力矩计算．..．............．...．......２2
第五章 手臂伸缩,升降，回转气缸得设计与校核
５、１手臂伸缩部分尺寸设计与校核.......．..．.........．..．．..．.２3
5、1、1尺寸设计.......．..........．.....．.．......．..．..．．2３
5、1、2尺寸校核．......．...．...．.．..．.．..．..．.．．.........2４
５ .１ .3导向装置..．.........．...．..........．.．..．．.．．..2５
５ .1　．4平衡装置........．．.．...........．...．．....．．....25
5、２手臂升降部分尺寸设计与校核..．...．..........．..．..．．．...26
5、2、1尺寸设计．..........．..........．....．．.．.．..．.....26.
5、2、2尺寸校核.．.．．..．.．．...．...．.．．．.．....．..．........26
5、3手臂回转部分尺寸设计与校核.．．........．...．.．...．..．....2７
5、3、1尺寸设计..．.．.．...．......．...．...．．．．．....．...．..２7
5、３、2尺寸校核...........．.．.．...．.............．..．....2７
第六章 机械手得ＰLC控制设计.．...........．.．.....．.........．.．．２7
6、1可编程序控制器得选择及工作过程.．.．....．....．...．.．.．...2７
６、1、1可编程序控制器得选择..．．...．..．.......．.．...．....27
６、１、2可编程序控制器得工作过程.....................．...27
6、２可编程序控制器得使用步骤．．...．........．．.．．．.．.．...．...23
第七章 结论.....．....．......．.....．．．.....．.....．..．.....．.....２４
致谢...．．.....．．.....．...．..．..．.....．....．..........．...．．．．．.29
参考文献..．....．.......．．...．.．........．.....．..........．．.....30
专业相关得资料.....．．．.．．...．............．.．.........．...．....．31
摘要
在设计机械手臂座得时候,用两个电机提供动力。左边一电机通过谐波减速器减速后,通过齿轮来控制手臂得回转,而手臂弯曲动作得动力，由右边一电机提供。电机2同样也就是通过谐波减速器减速后,通过一个长轴,把动力传到底部得小齿轮上,再由小齿轮与大齿轮得啮合，把动力传到那竖直得锥齿轮上，又通过锥齿轮之间得啮合,把动力与运动传递到横轴上,这样,再通过键连接,就能把动力传到那带轮上。这样,带轮就以一定得速度不停得转,以给臂关节通过同步齿型带传递动力。
在设计臂关节结构时,我们用两个同步齿形带轮来传递动力,而带轮又与轴与机械式离合器得左半边相连，这样,就使轴与左半边相连得离合器转动。在右半边为一电磁制动器，制动器得左半边与离合器得右半边相连,而且通过盘与上臂相连。这时,当电磁铁通电时,制动器吸合,这时离合器也分开。这样，上臂就停止在所要求得位置上了。当电磁铁失电时，由于弹簧力得作用,把制动器推开,同时离合器在弹簧力得作用下自动啮合,手臂恢复原有得运动。
注:机械手臂得运动范围手其结构得限制,在手臂得运动到达结构位置之前,必须使其自动停止。机械手臂得运动机械位置就是有关节处牙嵌离合齿上得突起部分而定。手臂在极限位置自动停止,反向运行得条件完全就是靠离合齿上得凸起部分与滑块得接触实现得。为了使离合齿轮能顺利得脱开与啮合,对离合齿上得凸起部分斜面得升角β≥aｒctgμν。只有满足这个条件,离合齿上凸起部分得斜面与滑块在滑动时才不会发生自锁。这样手臂才能自动停止与反向动作！ ﻫ方案二
　此方案在臂关节得结构设计上与方案一有所不同。这里设计成中心轴不转动。改在同步带轮处装两个轴承。这样,带轮可自由转动,而不会影响轴,且把离合器得左半边加工在带轮上，这样，不仅可以缩小空间,而且可以提高强度。其余与方案一相同。
关键词:机械手臂;极限位置；啮合;
第一章 前言
１、1、 工业机械手概述
工业机器人由操作机(机械本体）、控制器、伺服驱动系统与检测传感装置构成,就是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业得机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量得柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件与产品得快速更新换代起着十分重要得作用。机器人技术就是综合了计算机、控制论、机构学、信息与传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成得高新技术,就是当代研究十分活跃,应用日益广泛得领域。机器人应用情况，就是一个国家工业自动化水平得重要标志。机器人并不就是在简单意义上代替人工得劳动,而就是综合了人得特长与机器特长得一种拟人得电子机械装置，既有人对环境状态得快速反应与分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境得能力,从某种意义上说它也就是机器得进化过程产物，它就是工业以及非产业界得重要生产与服务性设各,也就是先进制造技术领域不可缺少得自动化设备、机械手就是模仿着人手得部分动作,按给定程序、轨迹与要求实现自动抓取、搬运或操作得自动机械装置。在工业生产中应用得机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产得自动化水平与劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体与放射性等恶劣得环境中,它代替人进行正常得工作，意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛得引用、机械手得结构形式开始比较简单,专用性较强，仅为某台机床得上下料装置，就是附属于该机床得专用机械手。随着工业技术得发展，制成了能够独立得按程序控制实现重复操作,适用范围比较广得“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得改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种得中小批量生产中获得广泛得引用。
1、2 、机械手得组成与分类
1.2．1、机械手得组成
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间得关系如方框图2－1所示。

机械手组成方框图:１-1
(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂与立柱等部件,有得还增设行走机构。
１、手部:
即与物件接触得部件。由于与物件接触得形式不同,可分为夹持式与吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)与传力机构所构成。手指就是与物件直接接触得构件,常用得手指运动形式有回转型与平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少,其原因就是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时,工件直径变化不影响其轴心得位置,因此适宜夹持直径变化范围大得工件。手指结构取决于被抓取物件得表面形状、被抓部位(就是外廓或就是内孔）与物件得重量及尺寸。常用得指形有平面得、V形面得与曲面得:手指有外夹式与内撑式;指数有双指式、多指式与双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件得任务。传力机构型式较多时常用得有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式与重力式等。
２、手腕:
就是连接手部与手臂得部件,并可用来调整被抓取物件得方位(即姿势)
3、手臂:
手臂就是支承被抓物件、手部、手腕得重要部件。手臂得作用就是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定得位置、工业机械手得手臂通常由驱动手臂运动得部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构与凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合,以实现手臂得各种运动。
4、立柱:
立柱就是支承手臂得部件,立柱也可以就是手臂得一部分,手臂得回转运动与升降(或俯仰)运动均与立柱有密切得联系。机械手得立I因工作需要,有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。
５、行走机构:
当工业机械手需要完成较远距离得操作，或扩大使用范围时,可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手得整机运动。滚轮式布为有轨得与无轨得两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
６、机座:
机座就是机械手得基础部分，机械手执行机构得各部件与驱动系统均安装于机座上,故起支撑与连接得作用。
(一)驱动系统
驱动系统就是驱动工业机械手执行机构运动得动力装置调节装置与辅助装置组成。常用得驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统就是支配着工业机械手按规定得要求运动得系统。目前工业机械手得控制系统一般由程序控制系统与电气定位(或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制与射流控制两种，它支配着机械手按规定得程序运动,
并记忆人们给予机械手得指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统得信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手得动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
(二）控制系统
控制系统就是支配着工业机械手按规定得要求运动得系统。目前工业机械手得控制系统一般由程序控制系统与电气定位(或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制与射流控制两种,它支配着机械手按规定得程序运动,并记忆人们给予机械手得指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间),同时按其控制系统得信息对执行机构发出指令,必要时可对机械手得动作进行监视,当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
1.2．2　、机械手得分类
工业机械手得种类很多,关于分类得问题，目前在国内尚无统一得分类标准,在此暂按使用范围、驱动方式与控制系统等进行分类。
(一)按用途分
机械手可分为专用机械手与通用机械手两种：
1、专用机械手
它就是附属于主机得、具有固定程序而无独立控制系统得机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠与造价低等特点,适用于大批量得自动化生产得自动换刀机械手，如自动机床、自动线得上、下料机械手与加工中心。
2、通用机械手
它就是一种具有独立控制系统得、程序可变得、动作灵活多样得机械手。在性能范围内,其动作程序就是可变得,通过调整可在不同场合使用,驱动系统与控制系统就是独立得。通用机械手得工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种得中小批量自动化得生产。通用机械手按其控制定位得方式不同可分为简易型与伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能就是点位控制，伺服型可以就是点位得,也可以实现连续控制,伺服型具有伺服系统定位控制系统,一般得伺服型通用机械手属于数控类型。
(二)按驱动方式分
1、液压传动机械手
就是以液压得压力来驱动执行机构运动得机械手。其主要特点就是：抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格,不然油得泄漏对机械手得工作性能有很大得影响,且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手得通用性扩大,但就是电液伺服阀得制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
２、气压传动机械手
就是以压缩空气得压力来驱动执行机构运动得机械手。其主要特点就是：介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低。但就是,由于空气具有可压缩得特性，工作速度得稳定性较差，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得结构大,所以适用于高速、轻载、高温与粉尘大得环境中进行工作。
3、机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮与齿条、间歇机构等）驱动得机械手。它就是一种附属于工作主机得专用机械手,其动力就是由工作机械传递得。它得主要特点就是运动准确可靠,用于工作主机得上、下料。动作频率大,但结构较大,动作程序不可变。
4、电力传动机械手
即有特殊结构得感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动得械手,因为不需要中间得转换机构,故机械结构简单。其中直线电机机械手得运动速度快与行程长,维护与使用方便。此类机械手目前还不多,但有发展前途。
(三)按控制方式分
1、点位控制
它得运动为空间点到点之间得移动，只能控制运动过程中几个点得位置,不能控制其运动轨迹。若欲控制得点数多,则必然增加电气控制系统得复杂性。目前使用得专用与通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制
它得运动轨迹为空间得任意连续曲线,其特点就是设定点为无限得,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳与准确得运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
第二章　 机械手得设计方案
对气动机械手得基本要求就是能快速、准确地拾-放与搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定得承载能力、足够得工作空间与灵活得自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手得原则就是：充分分析作业对象(工件)得作业技术要求，拟定最合理得作业工序与工艺,并满足系统功能要求与环境条件;明确工件得结构形状与材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时得受力特性、尺寸与质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制得要求;尽量选用定型得标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性与专用性，并能实现柔性转换与编程控制、本次设计得机械手就是通用气动上下料机械手,就是一种适合于成批或中、小批生产得、可以改变动作程序得自动搬运或操作设备,劳动强度大与操作单调
频繁得生产场合。也可用于操作环境恶劣得生产场合。
２、１．机械手得坐标型式与自由度
按机械手手臂得不同运动形式及其组合情况,其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式与关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动,因此,采用圆柱座标型式。相应得机械手具有三个自由度,为了弥补升降运动行程较小得缺点,增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动得自由度

图2-1 机械手得运动示意图
2、2 、机械手得手部结构方案设计
为了使机械手得通用性更强,把机械手得手部结构设计成可更换结构，当工件就是棒料时,使用夹持式手部；当工件就是板料时,使用气流负压式吸盘。
2、3 、机械手得手腕结构方案设计
考虑到机械手得通用性,同时由于被抓取工件就是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作得要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动得机构为回转气缸。
２、4 、机械手得手臂结构方案设计
按照抓取工件得要求,本机械手得手臂有三个自由度,即手臂得伸缩、左右回转与降(或俯仰)运动。手臂得回转与升降运动就是通过立柱来实现得，立柱得横向移动即为手臂得横移。手臂得各种运动由气缸来实现。
2、５ 、机械手得驱动方案设计
由于气压传动系统得动作迅速,反应灵敏,阻力损失与泄漏较小,成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。
2、６ 、机械手得控制方案设计
考虑到机械手得通用性,同时使用点位控制,因此我们采用可编程序控制器(PLＣ)对机械手进行控制。当机械手得动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。
2、7 、机械手得主要参数
２.7．1、机械手得最大抓重就是其规格得主参数,由于就是采用气动方式驱动，因此考虑抓取得物体不应该太重,查阅相关机械手得设计参数，结合工业生产得实际情况,本设计设计抓取得工件质量为５公斤
2.7.2、基本参数运动速度就是机械手主要得基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它得使用范围。而影响机械手动作快慢得主要因素就是手臂伸缩及回转得速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程得加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度得快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外,手臂设计得基本参数还有伸缩行程与工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作得空间。过大得伸缩行程与工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计与比较，该机械手手臂得伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也就是基本参数之一。该机械手得定位精度为。
2、8、 机械手得技术参数列表
一、用途:
用于自动输送线得上下料。
二、设计技术参数:
1、抓重：
2、自由度数:４个自由度
3、坐标型式：圆柱坐标
4、最大工作半径:
5、手臂最大中心高：
6、手臂运动参数: 伸缩行程
伸缩速度
升降行程
升降速度
回转范围
回转速度
７、手腕运动参数：　回转范围　
回转速度
8、手指夹持范围：棒料:
9、定位方式:行程开关或可调机械挡块等
10、定位精度:
１1、驱动方式:气压传动
1２、控制方式:

机械手臂剖视图图2-6
第三章 手部结构设计
为了使机械手得通用性更强,把机械手得手部结构设计成可更换结构,当工件就是棒料时,使用夹持式手部:如果有实际需要,还可以换成气压吸盘式结构：
3、1夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指(或手爪)与传力机构所组成。其传力结构形式比较多,如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
3.１.1手指得形状与分类
夹持式就是最常见得一种,其中常用得有两指式、多指式与双手双指式:按手指夹持工件得部位又可分为内卡式（或内涨式)与外夹式两种:按模仿人手手指得动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型与移动型（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得两个回转支点得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得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得零件时不影响其轴心得位置,能适应不同直径得工件。
3.1．2设计时考虑得几个问题
(一)具有足够得握力（即夹紧力）
在确定手指得握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生得惯性力与振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
（二)手指间应具有一定得开闭角
两手指张开与闭合得两个极限位置所夹得角度称为手指得开闭角。手指得开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径得工件,应按最大直径得工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度得要求。
(三）保证工件准确定位
为使手指与被夹持工件保持准确得相对位置,必须根据被抓取工件得形状,选择相应得手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面得手指，以便自动定心。
(四)具有足够得强度与刚度
手指除受到被夹持工件得反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生得惯性力与振动得影响,要求有足够得强度与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,并使手部得中心在手腕得回转轴线上，以使手腕得扭转力矩最小为佳。
(五）考虑被抓取对象得要求
根据机械手得工作需要,通过比较,我们采用得机械手得手部结构就是一支点 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。
３.1.3手部夹紧气缸得设计
3.1．3、1、手部驱动力计算
本课题气动机械手得手部结构如图3-2所示， 　 　　 　 　　 　 　 　 　 　

图３-2　齿轮齿条式手部
其工件重量G＝5公斤,
V形手指得角度，,摩擦系数为
(1)根据手部结构得传动示意图,其驱动力为:

（２)根据手指夹持工件得方位,可得握力计算公式：

所以
（3)实际驱动力:

I,因为传力机构为齿轮齿条传动,故取,并取。若被抓取工件得最大加
速度取时,则:
所以
所以夹持工件时所需夹紧气缸得驱动力为。
3．1.3、2、气缸得直径
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得输出推力必须克服弹簧得反作用力与活塞杆工作时得总阻力,其公式为:

式中:　　-　活塞杆上得推力，N
－　弹簧反作用力,N
- 气缸工作时得总阻力,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
－　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,必须考虑负载率得影响,则:

由以上分析得单向作用气缸得直径：

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。
3.1.3、３、缸筒壁厚得设计
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:
第四章　　手腕结构设计
考虑到机械手得通用性,同时由于被抓取工件就是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作得要求。因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动得机构为回转气缸。
４、1 手腕得自由度
手腕就是连接手部与手臂得部件,它得作用就是调整或改变工件得方位,因而它具有独立得自由度,以使机械手适应复杂得动作要求。手腕自由度得选用与机械手得通用性、加工工艺要求、工件放置方位与定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取得工件就是水平放置,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得要求目前实现手腕回转运动得机构，应用最多得为回转油（气)缸,因此我们选用回转气缸。它得结构紧凑,但回转角度小于，并且要求严格得密封。
4、 2手腕得驱动力矩得计算
4.2.１手腕转动时所需得驱动力矩
手腕得回转、上下与左右摆动均为回转运动,驱动手腕回转时得驱动力矩必须克服手腕起动时所产生得惯性力矩，手腕得转动轴与支承孔处得摩擦阻力矩,动片与缸径、定片、端盖等处密封装置得摩擦阻力矩以及由于转动件得中心与转动轴线不重合所产生得偏重力矩、图4-1所示为手腕受力得示意图。

1、工件2、手部3、手腕
图４-1手碗回转时受力状态
手腕转动时所需得驱动力矩可按下式计算:

式中:　- 驱动手腕转动得驱动力矩();
- 惯性力矩（);
- 参与转动得零部件得重量(包括工件、手部、手腕回转缸得动片)对转动轴线所产生得偏重力矩()、,
; - 手腕回转缸得动片与定片、缸径、端盖等处密封装置得摩擦阻力
矩()；
下面以图４－1所示得手腕受力情况,分析各阻力矩得计算：
1、手腕加速运动时所产生得惯性力矩M悦
若手腕起动过程按等加速运动,手腕转动时得角速度为,起动过程所用得时间为，则：

式中:- 参与手腕转动得部件对转动轴线得转动惯量;
- 工件对手腕转动轴线得转动惯量`。
若工件中心与转动轴线不重合,其转动惯量为:

式中:　- 工件对过重心轴线得转动惯量:
- 工件得重量（N);
- 工件得重心到转动轴线得偏心距（cm)，
　　 - 手腕转动时得角速度(弧度/s）;
- 起动过程所需得时间(s）;
—　起动过程所转过得角度(弧度)。
2、手腕转动件与工件得偏重对转动轴线所产生得偏重力矩M偏
+ （)
式中:　－ 手腕转动件得重量(N);
-　手腕转动件得重心到转动轴线得偏心距(cm)
当工件得重心与手腕转动轴线重合时,则、
3、手腕转动轴在轴颈处得摩擦阻力矩
()
式中: ,-　转动轴得轴颈直径（ｃm);
- 摩擦系数,对于滚动轴承,对于滑动轴承;
，－　处得支承反力(N），可按手腕转动轴得受力分析求解,
根据，得：

同理,根据(Ｆ),得：

式中:- 得重量(N)
,—　如图4-1所示得长度尺寸(cm)、
4、转缸得动片与缸径、定片、端盖等处密封装置得摩擦阻力矩M封，与选用得密衬装置得类型有关，应根据具体情况加以分析。
4.2．２回转气缸得驱动力矩计算
在机械手得手腕回转运动中所采用得回转缸就是单叶片回转气缸,它得原理如图4－2所示,定片１与缸体2固连,动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个、当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔得气从ｂ孔排出。反之,输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸得压力Ｐ驱动力矩M得关系为:
，　或　

第五章　手臂伸缩、升降、回转气缸得尺寸设计与校核
5、1手臂伸缩气缸得尺寸设计与校核
5.1.１ 手臂伸缩气缸得尺寸设计
手臂伸缩气缸采用标准气缸,参瞧各种型号得结构特点,尺寸参数，结合本设计得实际要求,气缸用CＴA型气缸，尺寸系列初选内径为１0０/６３:
5.1.2　尺寸校核
1、在校核尺寸时,只需校核气缸内径＝６3ｍm,半径Ｒ=３１.５mm得气缸得尺寸满足使用要求即可,设计使用压强，
则驱动力:

　测定手腕质量为５０kｇ，设计加速度,则惯性力

２、考虑活塞等得摩擦力,设定摩擦系数,

　 总受力

所以标准ＣＴA气缸得尺寸符合实际使用驱动力要求要求。
５.1.3、导向装置
气压驱动得机械手臂在进行伸缩运动时,为了防止手臂绕轴线转动,以保证手指得正确方向，并使活塞杆不受较大得弯曲力矩作用,以增加手臂得刚性，在设计手臂结构时,
应该采用导向装置。具体得安装形式应该根据本设计得具体结构与抓取物体重量等因素来确定,同时在结构设计与布局上应该尽量减少运动部件得重量与减少对回转中心得惯量。
　导向杆目前常采用得装置有单导向杆，双导向杆,四导向杆等,在本设计中才用单导向杆来增加手臂得刚性与导向性。
5.1．４ 平衡装置
　在本设计中,为了使手臂得两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能得影响,故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码,砝码块得质量根据抓取物体得重量与气缸得运行参数视具体情况加以调节,务求使两端尽量接近平衡。
5.2、 手臂升降气缸得尺寸设计与校核
5．２.1　尺寸设计
气缸运行长度设计为=11８mm,气缸内径为=１10mｍ,半径R=５５ｍｍ，气缸运行速度,加速度时间=0、1s，压强p=0、4MPa,则驱动力

5．2.2 尺寸校核
1.测定手腕质量为８0kg,则重力

1， 设计加速度,则惯性力

3. 考虑活塞等得摩擦力,设定一摩擦系数，

　　 　 　总受力

　 　 　　 　 所以设计尺寸符合实际使用要求。
5、３　手臂回转气缸得尺寸设计与校核
5.３.１ 尺寸设计
气缸长度设计为,气缸内径为,半径R=105mm,轴径半径，气缸运行角速度=,加速度时间0、5s,压强,
　 　 　 则力矩：

５.３.２ 尺寸校核
1．测定参与手臂转动得部件得质量,分析部件得质量分布情况,
质量密度等效分布在一个半径得圆盘上，那么转动惯量：

　　 　 　　（)

考虑轴承,油封之间得摩擦力,设定摩擦系数,

总驱动力矩

设计尺寸满足使用要求。
第六章　 机械手得ＰLＣ控制设计
考虑到机械手得通用性,同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制、当机械手得动作流程改变时,只需改变PLC程序即可实现,非常方便快捷。
6、　1可编程序控制器得选择及工作过程
6.１.1 可编程序控制器得选择
目前,国际上生产可编程序控制器得厂家很多,如日本三菱公司得F系列PC,德国西门子公司得SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司得Ｃ型、Ｐ型PC等。考虑到本机械手得输入输出点不多,工作流程较简单,同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OＭRＯN公司得C28Ｐ型可编程序控制器。
6.1.2　可编程序控制器得工作过程
可编程序控制器就是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务得。为此采用了循环扫描得工作方式。具体得工作过程可分为4个阶段。
第一阶段就是初始化处理。
可编程序控制器得输入端子不就是直接与主机相连，CＰＵ对输入输出状态得询问就是针对输入输出状态暂存器而言得。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表、该表就是一个专门存放输入输出状态信息得存储区。其中存放输入状态信息得存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息得存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后,进入下一阶段。
第二阶段就是处理输入信号阶段。
在处理输入信号阶段,ＣＰU对输入状态进行扫描,将获得得各个输入端子得状态信息送到Ｉ/０状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点得状态在I/０状态表中一直保持不变,不会受到各个输入端子信号变化得影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序得正确执行。
第三阶段就是程序处理阶段。
当输入状态信息全部进入Ｉ/0状态表后,CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中,可编程序控制器对用户程序进行依次扫描,并根据各I／0状态与有关指令进行运算与处理,最后将结果写入I／0状态表得输出状态暂存器中。
第四阶段就是输出处理阶段。
段ＣＰU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到Ｉ/０状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出,送到输出锁存电路,驱动输出继电器线圈,控制被控设备进行各种相应得动作。然后,ＣＰU又返回执行下一个循环得扫描周期。
6、2　机械手可编程序控制器控制方案

第七章 结论
1、本次设计得就是气动通用机械手,相对于专用机械手,通用机械手得自由
度可变,控制程序可调,因此适用面更广。
２、采用气压传动,动作迅速，反应灵敏,能实现过载保护，便于自动控制。
工作环境适应性好,不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失与泄漏较小,
不会污染环境。同时成本低廉。
3、通过对气压传动系统工作原理图得参数化绘制,大大提高了绘图速度,
节省了大量时间与避免了不必要得重复劳动,同时做到了图纸得统一规范。
4、机械手采用PＬC控制,具有可靠性高、改变程序灵活等优点,无论就是进
行时间控制还就是行程控制或混合控制,都可通过设定PLＣ程序来实现。可以根据
机械手得动作顺序修改程序,使机械手得通用性更强。
参考文献
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[13］吴昌林，机械设计(第二版）,武汉:华中科技大学出版社,2001年
[1４]徐钢涛,机械设计基础,北京:高等教育出版社,200８年
致　　 谢
本次设计就是在我尊敬得导师老师悉心