毕业设计-真空吸盘式气动机械手的设计

一 绪论

（一）气压传动技术的研究发展动向

随着科学技术的不断进步，目前气压技术正向着高压、高速、大功率、高效、高度集成化的方向发展。虽然气压传动技术方便简洁，但是气压传动中存在着一些亟待解决的问题，如：气压系统工作时的稳定性、工作介质的泄漏、气压冲击对设备可靠性的影响等等，这些问题都是气压传动技术需要研究和解决的。任何技术的改革和创新，都必须以稳定、可靠的工作为前提，这样才具有它的实际意义。

（二）气压传动技术的应用

机械制造业，其中包括机械加工生产线上工件的装夹及搬送，铸造生产线上的造型、捣固、合箱等。在汽车制造中，汽车自动化生产线、车体部件自动搬运与固定、自动焊接等。

电子IC及电器行业，如用于硅片的搬运，元器件的插装与锡焊，家用电器的组装等。

石油、化工业 用管道输送介质的自动化流程绝大多数采用气动控制，如石油提炼加工、气体加工、化肥生产等。

轻工食品包装业，其中包括各种半自动或全自动包装生产线，例如：酒类、油类、煤气罐装，各种食品的包装等。

机器人，例如装配机器人，喷漆机器人，搬运机器人以及爬墙、焊接机器人等。 其它，如车辆刹车装置，车门开闭装置，颗粒物质的筛选，鱼雷导弹自动控制装置等。目前各种气动工具的广泛使用，也是气动技术应用的一个组成部分。

（三）气压传动的特点

气压传动的优点 ：以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道；因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题；工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电

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气控制优越；成本低，过载能自动保护。

气压传动的缺点：由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差，但采用气液联动装置会得到较满意的效果；因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN；噪声较大，在高速排气时要加消声器；气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。

（四）机械手的组成

工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1 执行机构

（1）手部

即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、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、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。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 （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。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，

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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。

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液压、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、可获得较大的输出功率、气体不可压缩，压力、流量易于控制，反应灵敏、控位精确等优秀特点。

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。

（五）本课题设计的主要内容

本设计课题名称为真空吸盘式气动机械手的设计，设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。

性能特点：机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。

主要技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180o；定位方式为定位块；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压传动系统。

（六）设计的基本思路、方案

分析、理解设计任务书的要求→查阅相关资料→初步拟订设计方案→设计方案对比并确定最佳方案→参数的设计计算→装配图草图→零件设计→零件草图→绘制装配图→绘制零件图→编写设计说明书

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（七）设计原则

这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

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二 真空吸盘式气动机械手的总体设计

（一）真空吸盘式气动机械手设计的主要技术参数

设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求，主要技术参数见表2.1：

表2.1 主要技术参数

吸盘吸持力 运动形式 手臂伸缩行程范围 手臂升降行程范围 手臂回转行程范围 定位方式 控制方式 驱动方式 自由度数 2kg 圆柱坐标 0-300mm 0-200mm 0-180° 定位块 点位式、PLC控制 气压传动系统 3

（二）真空吸盘式气动机械手工作原理分析

真空吸盘式气动机械手功能原理如图2.1所示

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图2.1 功能原理图

真空吸盘工作原理：真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独立的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。

真空发生器的原理是：压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，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。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状来实现任意角度的传递。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘的受力进行动态分析。 （三）真空吸盘式气动机械手工艺方案

设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。

主要技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180o；定位方式为定位块；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压传动系统。

机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。

（四）真空吸盘式气动机械手方案设计

（1）对于真空吸盘式气动的机械手，其工件的运动只需较少的自由度就能完成。

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气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂，故采取气压传动方式。

（2）本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。

（3）本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征，选择气吸式（真空吸盘式）手部结构。

（4）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: 直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标(极坐标)型机械手、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，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确定机械手采用气压传动方式，PLC控制，真空吸盘式手部结构，圆柱坐标形式。

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三 真空元件的设计及参数计算

（一）真空吸盘吸持工件的动力学分析

在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上 ,使用真空吸盘来抓取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能 ,并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持 ,真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独力的真空系统 ,而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此 ,特别在各种包装作业过程中,利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是 压空气通过收缩的喷腾后 ,从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动 ,从而在接受室形成负压 ,诱导二次真空。这样的真空系统,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。真空发生器的结构及参数设计 ,可以根据需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来抓取物体 ,可以根据物体的不同形状实现任意角度的传递。 在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘的受力分析进行动态分析。如图3.1所示为真空吸盘用于水平位置工作时的安装方位。在图3.1吸盘水平安装时 ,除了要吸持住工件负载外 ,还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。

图3.1 真空吸盘的安装位置

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（二）真空吸盘的选取

为了确保真空吸盘能完成给定的任务,需考虑一定的安全系数,根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5，因此,许用提升重量= 理论提升重量/N=垂直提升力/N

表3.1 吸盘直径、面积、垂直提升力参数表

吸盘垂直提升力（N） 吸盘直径D(mm) 10 吸持面积（cm2） 吸盘垂直提升力（N）（-0.04MPa） 13 1.33 5.32 16 2.01 8.04 20 3.14 12.56 25 4.91 19.64 32 8.04 32.16 40 12.6 50.4 50 19.6 78.4 0.785 3.14 由上表可知，当工件重量为2kg时，许用提升重量为19.6N，欲使安全系数达到要求，只需满足

垂直提升力许用提升重量 ?2.5 （3.1） 即可，由表3.1选取吸盘直径为40mm即可满足

考虑到吸附物的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右。

因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。

吸盘直径虽表示吸盘的外径，但利用真空压力吸附物体时，因真空压会使橡胶变形，吸附面积也会随之缩小。缩小后的面积即称为有效吸附面积，此时的吸盘直径即称为有效吸盘直径。

根据真空压力，吸盘橡胶的厚度以及与吸附物的摩擦系数等不同，有效吸盘直径也会有差异，一般情况可预估会缩小10%。

综合上述，所选吸盘参数为：吸盘直径D=40mm， 吸盘吸持面积A=12.6，吸盘个数n=1，真空压力P=0.04MPa。

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（三）真空发生器设计

真空发生器用于产生真空，结构简单，体积小，无可动机械部件，安装和使用都很方便，因此应用很广泛，真空发生器产生的真空度可达到88kpa，真空发生器的工作原理如图3.2所示。它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2、和接收管3等组成，有供气口、排气口和真空口，当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出的超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度，在真空口A处接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。

图3.2 真空发生器的结构原理图

真空发生器的结构简单，无可动机械部件，故使用寿命长。

真空发生器的耗气量是指供给拉伐尔喷管的流量，它不但由喷嘴的直径决定，还与供气压力有关。同意喷嘴直径，其耗气量随供气压力的增加而增加，如图3.3所示。喷嘴直径是选择真空发生器的主要依据。喷起直径越大，抽吸流量和耗气量就越大，真空度越低；喷嘴直径越小，抽吸流量和耗气量越小，真空度越高。

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图3.3 真空发生器耗气量与工作压力的关系

图3.4所示为真空度特性曲线。由图可知，真空度存在最大值Pzmax，当超过最大值后，即使增加供气压力，真空度不但没有增加反而下降。实际使用时，建议真空度选为（63%-95%）Pzmax。

图3.4 真空发生器耗气量与工作压力的关系

在真空吸盘的选取时，已确定真空压力为0.04Mpa，由图3.3、3.4可得，该真空

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发生器耗气量和真空度分别取5L/min，-0.002Mpa。

（四）其他元器件的选用

一个完整的真空吸附系统还包括真空过滤器 、 供给阀 、 破坏阀等 ， 真空过滤器的选择ZFB-200-06 型， 流量是 30L/min， 大于真空发生器的最大流量 24L/min， 满足需求， 真空节流阀选择KLA系列单向节流KLA-L6，公称通径是6mm，有效截流面大于5mm2,泄露量小于50cm3/min,单向阀开启压力为0.05Mpa。

供给阀设置在压力管路中，选择一般的换向阀AB31、AB41系列多流体二位二通直动截止电磁换向阀，型号：AB310-1-6，公称通径5mm，AB接管螺纹ZG1/8，有效截面面积15.3mm2,有效截面面积大于真空发生器喷嘴儿面积的4倍，供气口得连接管内径大于喷嘴直径的4倍，减少供给回路的压力损失。

真空换向阀设置在真空回路中，必须选择能用在真空条件下的换向阀，真空换向阀要求不泄露，故选择用截止式和导膜片式结构比较理想，选择09270、09550系列多种流体二位二通先导膜片式电磁阀，型号：0927000，接管螺纹1/4in,通径8mm,换向频率大于0.5HZ。

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四 机械手控制系统设计

（一）机械手电气控制系统的概述

应用PLC作为电气控制，可以简化控制线路，降低故障率，实现机械手多种动作线路。一般机械手有手动和自动控制之分，手动控制主要用来硬件调试。自动控制中也分单步、单周期、周期循环等工作状态。其控制要求为：按下启动按钮，检测气动机械手是否处于原位，如果不是，按下复位按钮回到原位，如果是，则检测气动机械手处于何种工作状态下，单步意味着每按下一次启动按钮，机械手执行一步动作；单周期指执行一次动作循环，最后回到初始位置；周期循环是机械手重复不断的执行动作，直到按下复位或停止按钮为止。

根据机械手的硬件结构，PLC输入信号有：工作状态选择开关输入、启动停止按钮输入、磁性接近开关信号输入、手动开关输入及程序选择开关输入共22个输入点；机械手的输出信号有：驱动4个气缸的电磁阀线圈4个，控制真空吸盘的电磁阀线圈2个，原点指示灯1个，共七个输出点。选择输入点大于22点，输出大于7点的PLC。

机械手的定位系统采取定位块定位，在设定位置装置定位块。并为了达到缓冲的目的，在满足工作要求的前提下，设计尽量轻的零部件。比如将某些铸钢件改用铝合金制造，或者将一些实心的零件做成空心的，以此来减轻总质量。采取PLC程序控制，控制系统选择三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外机械手还可进行回零等，其有手动控制方式和全自动控制。

自动生产线机械手的主要参数:吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩最大行程300mm；手臂升降最大行程为200mm；手臂回转最大行程180度，手臂升降速度为150mm/s；大臂回转角度范围0-90°，大臂回转速度为135°/s；定位方式为定位块；定位精度为；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压系统。

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（二）机械手电气控制程序

表4.1机械手自动控制程序

步序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 指令 LD ANI ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT OUT OUT 数据 X400 X401 T450 Y430 T450 K2 T450 T451 Y432 T451 K0.5 T451 T452 Y433 T452 K1.5 Y434 T453 K2 步序号 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 27 28 29 30 指令 AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT 数据 T453 T454 Y435 T454 K1.5 T454 T455 Y436 T455 K2 T455 T456 Y437 T456 K0.5 T456 T457 Y438 T457 步序号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 指令 OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT OUT 数据 K1.5 Y439 T550 K2 T550 T551 Y530 T551 K1.5 X500 T552 Y531 Y532 T552 K3

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（三）机械手电气控制系统图

1自动控制系统图

图4.1 机械手自动控制系统图

上图为机械手自控控制系统图，他的指令采用FX1S的专用PLC控制器控制，他的工作顺序是按照上图中大臂下降开始直至最后一次大臂回转为完成一个完整的工作周期，每个工作段所用的时间在上图均已标明，从系统启动到结束程序，除非系统受到X500停车指令，否则系统均通过各个时间控制器来完成精确的控制。

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2 手动控制系统图

图4.2 机械手手动控制系统图

上图为本机械手在进行试运行和系统检查以及手动控制完成所需动作而设计的

手动控制系统，工作流程在上图已经清晰标明。

3 机械手自动方式状态图

机械手自动方式状态图如图4.3所示，其中S2是自动方式的初始状态。状态转

移开始辅助继电器M8041，原点位置条件辅助继电器M8044的状态都是在初始化程序中设定的，在自动系统程序运行中不再改变。

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图4.3 机械手自动方式状态图

4 机械手独立控制面板设计图

机械手控制独立控制面板如图4.4所示

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图4.4 机械手控制面板

面板中的启动和急停按钮与PLC的运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外部负载的电源。本机械手由手动和自动两种运行状态的控制系统，所以应能根据所设置的运行方式自动进入，这就要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态，其相应的输入设定按钮在图4.4已经标定。

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五 机械手气压传动系统设计

（一）机械手的工作原理分析

真空吸盘式气动机械手是自动化流水生产线中广泛应用的工件搬运机械设备，它是流水线作业中不可或缺的运输单元。气动机械手要求气压系统完成的主要动作是（工件平放）：吸持工件---大臂上升200mm---大臂回转180°---手臂延伸300mm---放下工件---手臂收缩300mm---大臂反转180°---大臂下降200mm。整个周期要完成所有动作必须由3个气压缸协调动作才能做到 。

（二）气压传动系统工作原理图

图5.1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图

图5.1 机械手的气压传动系统工作原理图

1-气源 2-空气过滤器 5-单向阀 6、9-两位二通阀 7-先导型阀 8-三位四通电磁阀 10-节

流阀 11-调速阀其余元件已在上图说明。

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（三）各缸运动过程分析

1、吸持工件 在整机启动的情况下，气体流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT通电吸合，此时此二位四通电磁阀处于右位，气体直接流进右腔，从而拉动滑槽杠杆式结构吸持工件。

2、大臂上升 PLC指令控制电磁铁4DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，接着流向减压阀和单向阀构成的复合阀，然后直接流向大臂升降气压缸的下腔，从而推动机械手做上升运动。

3、大臂回转 PLC指令控制电磁铁6DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图5.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转气压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

4、手臂延伸 PLC指令控制电磁铁1DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀右位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手臂伸缩气压缸，从而推动机械手手臂做伸缩运动。

5、放松工件 气体流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT断电跳开，此时此二位四通电磁阀处于左位，气体直接流左腔，从而放松工件。

6、手臂收缩 PLC指令控制电磁铁2DT通电吸合气体经单向阀5，流经图5.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀左位，然后直接流向手臂伸缩气压缸，从而推动机械手手臂做收缩运动。

7、大臂回转 PLC指令控制电磁铁7DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，接着气体流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转气压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

8、大臂下降 PLC指令控制电磁铁5DT通电吸合。气体经单向阀5，流经图5.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂升降气压缸的上腔，从而推动机械手做下降运动。

至此就完成整个机械手的循环运动，如果此时接到停止的指令，则10DT和11DT同时通电，电磁铁将电磁换向阀到上位，此时气压系统卸压，同时上面的各个电磁铁同时断电回到默认位置，完成卸荷。电磁铁动作顺序表如下：

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六 机械手臂部的设计及参数计算

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、翻转和升降。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。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。

由于本设计需要，手部、腕部无需设计，只需设计手臂即可。

（一） 臂部设计的基本要求

臂部应承载能力大、刚度好、自重轻：根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸； 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；合理布置作用力的位置和方向；注意简化结构；提高配合精度。

臂部运动速度要高，惯性要小：机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000～1500mm/s,最大回转角速度设计在180°/s内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在90°/s。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。

手臂动作应该灵活：为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。

（二）手臂的典型机构以及结构的选择

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1 手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。

（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转

运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气压缸空心结构。 （3） 双活塞杆气压缸结构。 （4） 活塞杆和齿轮齿条机构。

2 手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，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。

（三）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。气压压缸活塞的驱动力的计算。

F?F摩?F密?F回?F惯 （6.1）

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。下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缸两侧。

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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。

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?FY?0

G总?Fb?Fa

?L?a?Fa?G总??a?? 得 （6.2）

F摩?Fa摩?Fb摩??'Fa??'Fb （6.3）

2L?a? ?F摩??'G总? （6.4）

???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（mm） a——导向支撑的长度（mm）;

'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：

?4??u'??~??u??1.27~1.57?u

??2? ?——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取u=0.1～0.15 钢对铸铁：取u=0.18～0.3 计算：

'导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁??0.20?1.5?0.3 ，G总?400N，

L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m

将有关数据代入进行计算

?2?0.6?0.1?‘?2L?F摩?G总????400????1560N

a0.1???? 24

手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是??15m/min,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, F惯?G总?v （6.5） g?tG总?v400?0.083??16.94N F惯?9.8?0.2g?t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10Mpa。气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：

F=0.03F?F摩?F惯=1700N

（四）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=1700N，选择气压缸的工作压力P=0.04MPa

（1） 确定气压缸的结构尺寸：

气压缸内径的计算，如图6.2所示

图6.2 双作用气压缸示意图

当气进入无杆腔，

F?F1??p?D24?

当气进入有杆腔中，

25

F?F2??p气压缸的有效面积：

??D2?d2?4?

S?Fp1

D?故

4FF?1.13?p1??p1 （无杆腔） (6.6) 4F?d2?p1? （有杆腔） (6.7)

D?6p2?10pa，选择机械效率??0.95 1F=1625.7N，=

将有关数据代入： D?4F1625.7???1.13?0.02925m ?p10.95?2?106选择标准气压缸内径系列及机械的工作范围冗余设计，选择D=40mm. （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54mm. （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：

??

F?4d2???? （6.8）

设计中活塞杆取材料为45刚，故????100?120Mpa，活塞直径d=20mm,现在进行校核。

??F??1625.74结论： 活塞杆的强度足够。

d2?4?26.13MPa?100?106

?0.022 （五）气压缸的尺寸参数的确定

根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了气压缸的内径为40mm，行程为500mm；下面要确定气压缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要

26

来确定，即：

L=l+B+A+M+C （6.9）

式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取60mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，气压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。 所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm

气压缸缸底厚度计算，本气压缸选用平行缸底，且缸底无气孔时h?0.433?D???py，

其中h为缸底厚度；?D为气压缸内径；py为实验压力；???为缸底材料的许用应力，气压缸选用缸体材料为45号钢，????100MPa。

2.5?106?0.433?0.016??1.1?10?3m， h?0.433?D6???100?10py所以选取厚度h?7mm。

27

七 齿轮齿条机构

齿轮齿条在传动过程中会有自己所独有的运动特点:齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。

齿轮齿条传动与带传动相比主要有以下优点：

（1）传递动力大、效齿轮传动的特点。齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s，传递功率可达105KW，齿轮直径可从不到1mm到150m以上，是现代机械中应用最广的一种机械传动。

（2）寿命长，工作平稳，可靠性高；

（3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 齿轮传动与带传动相比主要缺点有：

（1）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；

（2）不宜作远距离传动。

由于齿轮齿条传动，因此传动比为1。机身重量不大，选取输入功率为0.8Kw，转速为12r/min。齿轮齿条参数设计如下：

（1）材料选择 由《机械设计（第八版）》表10-1选择齿轮材料为Q235，齿齿面硬度为240HBS；齿条材料味Q235，齿条齿面硬度为280HBS，。

1）齿轮齿数z1?20，齿条齿数z2?1?20?20 按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算，即

2KtT3u?1ZHZE?()^2 （7.1） ?d??u??H? d1t?3(2) 确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数Kt?1.6 2）计算齿轮的转矩

T?95.5?10^5P95.5?10^5?0.8??636666N?mm

n1228

3)选齿宽系数?d?0.8

4)由《机械设计（第八版）》图10-30选取区域系数ZH?2.433

??2?0.89，5)由《机械设计（第八版）》图10-26查得??1?0.78，则?????1???2?1.67 6)由《机械设计（第八版）》表10-6查得材料的弹性影响系数ZE?189.8MPa^0.5 7）由《机械设计（第八版）》图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim1?600MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim2?550MPa

由《机械设计（第八版）》图10-19取接触疲劳寿命系数KHN1?0.92,KHN2?0.88 8）计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数S=1，得

KHN1?Hlim1?0.92?600?552MPa SKHN2?Hlim2?0.88?550?484MPa ??H?2?S??H?1?（3）计算

1）试算齿轮分度圆直径d1t，由计算公式得

d1t?2KtT?u?1ZHZE()^2 u??H?3?d?? ?32?1.6?63666622.433?189.8?()^2?64.8mm

1?1.6715182)计算圆周速度v

v??d1tn360?1000???64.8?1260?1000?0.04m/s

3)计算齿宽b及模数mnt

b??d?d1t?1?64.8?64.8mm mnt?d1t64.8??3.24mm Z1202.?253.?24mm7. 25mnt? h?2.2?b64.8??8.89 h7.294)计算载荷系数

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根据v?0.04m/s，8级精度，由《机械设计（第八版）》图10-8查得动载系数Kv?1.02 由《机械设计（第八版）》表10-3查得KH??KF??1.4 由《机械设计（第八版）》表10-2查得使用系数KA?1 由《机械设计（第八版）》表10-13查得KF??1.35 由《机械设计（第八版）》表10-4查得KH??1.452

接触强度载荷系数K?KAKvKH?KH??1?1.02?1.4?1.452?2.07 5）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得

d1?d1t36)计算模数mn

K2.07?64.8?3?69.4mm Kt1.6mn?d169.4??3.47mm Z120

7)按齿根弯曲强度设计

2KT1Y?cos2?YFaYSa (7.2)

??dz1?a??F?由式mn?3（4）确定计算参数 1)确定载荷系数

K?KAKvKF?KF??1?1.02?1.4?1.35=1.9278

2)根据重合度???1.824，由《机械设计（第八版）》图10-28查得螺旋角影响系

数Y??0.88

3) 由《机械设计（第八版）》表10-5查得齿形系数

YFa1?2.724 YFa1?2.724

4) 应力校正系数

Ysa1?1.574 Ysa2?1.748

30

5） 由《机械设计（第八版）》图10-20C查的齿轮的弯曲疲劳强度极限为500MPa，齿条的弯曲强度极限为380MPa。

6） 由《机械设计（第八版）》图10-18取弯曲疲劳强度极限，KFN1?0.85,KFN2?0.90 取安全疲劳系数S=1.4

KFN1??FE10.85?500??303.57MPa S1.4KFN2??FE20.9.?380??244.28MPa ??F?2=S1.4??F?1=

7） 计算齿轮、齿条的

YFaYSa??F?并加以比较

YFa1YSa12.724?1.574==0.01412 ?F1303.57??YFa2YSa22.244?1.748==0.01605

244.28??F?2齿轮的数值大。 （5）设计计算

32?2.4?124.09?10?0.88??0.01642 3?2.297

1?202?1.67对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，去mn=3.5mm，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=69.4mm来计算应有的齿数。于是由

z2=d1cos?69.4==23.11 mn3取z1=23，则z2=uz1=31*23=23.

(6)几何尺寸计算

（1）计算齿轮的分度圆直径

d1?Z1m?23?3.5?80.5mm

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（2）计算齿轮宽度

b??dd1?0.8?80.5?64.4mm

圆整后取B2?63mm B1?65mm

图7.1为齿轮结构图，图7.2为齿条结构图，表7.1为齿轮性能参数。

图7.1 齿轮结构图

图7.2 齿条结构图

32

表7.1 齿轮性能参数表

33

结论

毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次真空吸盘式气动机械手的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

在设计中应用的是真空吸盘，不同于传统的机械手爪，让我在对真空方面的知识得到加深的同时，也认识到了其相对手爪的优势。真空吸盘，具有结构简单、安装方便、外形美观、吸持力强等特点。在机械日益发展的今天，真空吸盘设备将会得到更广泛的应用。

由于经验知识水平、时间的局限，设计难免有不到之处。

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致谢

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学生签名：日 期：

附 录

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