锌锭码垛机工作原理及机械手的设计毕业设计说明书

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锌锭码垛机工作原理及机械手的设计

目录

第一章 绪论 ............................................... 3

1.1本次设计对此机器的要求 ············ 3 1.2课题设计背景与目的 ·············· 4 第二章 锌锭码垛机工作原理总体设计 ......................... 5

2.1 码垛机工作示意图 ·············· 5 2.2 自动化生产线主要技术参数 ·········· 6 2.3 锌锭自动化码垛生产线的组成及工作原理 ···· 6 第三章 接锭装置设计 ....................................... 9

3.1接锭装置工作原理 ·············· 10 3.2接锭装置机构选择 ·············· 10 3.3接锭驱动气缸选择 ·············· 10 第四章 载锭装置设计 ...................................... 11

4.1传送带的选择 ················ 11 4.2传送机构选择 ················ 12 4.3减速机的选择 ················ 14 第五章 翻锭装置设计 ...................................... 15

5.1翻锭装置工作原理 ·············· 15 5.2翻锭装置机构选择 ·············· 15

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5.3翻锭驱动气缸选择 ·············· 16 第六章 运锭装置设计 ...................................... 16

6.1传送带的选择 ················ 16 6.2传送机构选择 ················ 17 6.3减速机的选择 ················ 17 第七章 机械手设计 ........................................ 18

7.1总体设计 ················· 18 7.2部件设计 ················· 18 7.3机械手部件的选取 ·············· 19 第八章 拢锭装置设计 ...................................... 21

8.1码垛形式与推锭顺序 ············· 22 8.2推板设计 ················· 23 8.3拢锭气缸的选择 ··············· 23 第九章 升降平台及输出小车设计 ............................ 24 第十章 码跺机总装配图说明 ................................ 25 第十一章 PLC编程 ......................................... 25

11.1可编程序控制器（PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLLER） 26 11.2 OMRON C200H 可编程序控制器 ········ 26 11.3 PLC控制过程 ··············· 27 总结 ..................................................... 47

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致 谢 ................................................... 48 参考文献 ................................................. 49

第一章 绪论

1.1本次设计对此机器的要求

设计的机器首先要能胜任对它提出的全部功能要求，即在预定的使用期间，机器能可靠的完成它的使命，此外，还要求成本低，重量和尺寸小，效率高，制造容易，操作灵活方便，安全可靠，便于维护维修，造型美观，不污染环境等。

（1）实现机器的工艺动作要求

根据机器的功能要求和使用条件，从运动上确定工作原理，选择机构类型及传动方式，以合理的机构组合来协调运动，实现机器的工艺动作要求。码垛机的功能要求：把从连铸机取下的热锌锭平稳的放到锭块传送带上，通过传送带锭块被传送到翻锭机构上，依靠两个气缸行程和位置的不同来控制锌锭的翻转，并触动自动开关为下一步操作提供信号。运锭装置再把锭块运到指定位置上，触碰行程开关，使机械手运动到指定位置上，然后机械手将锭块抓走，并把锭块运到码垛升降台上进行码垛，再通过小车把码好的锌垛运走，并且另一个升降台移动到指定位置上准备码下一垛。以上是基本的功能要求。使用条件：机械运行在温度高，湿度大等条件下，零件要求高耐腐蚀性，要求零部件能适应这种要求，需要合理选用材料。

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（2）零件应具有足够的强度和刚度

零件强度要求在预定寿命期间内，不至反复工作而疲劳破坏，不至因突然过载而断裂，也不会因受载荷以致产生过量的弹性变形，还有锌锭刚铸好，锭块很热，所以部分零件还得有很好的耐热性。零件设计要严格，理论公式推导，类比方法设计出个零部件的尺寸来。 （3）摩擦，磨损及润滑

许多机械零件在工作是相互接触的表面因具有相对运动而产生的摩擦。摩擦一方面消耗能量，降低机械效率，一方面使零件表面产生磨损，导致机器工作能力下降。为此应对相互摩擦的零件选用适当的配合材料、润滑剂和润滑装置，以降低磨损及减少能耗。在这次设计中，采用了合理的措施和机构来减少摩擦，提高机械效率。 （4）振动

由振动而产生的附加应力可能使零件提前失效，振动会使机器不能正常工作或影响工作位置而达不到工作要求，使机器效率降低，性能不稳定。所以本次设计采用了相应的措施防止机械及其零部件因振动而失效。 （5）生产能力要求

设计的机械产品，应满足单位时间内完成工作量的要求，应有一定的可变性，以适应不同的生产要求，理论上码垛机的效率应大于或等于连铸机的效率。连铸机的效率为6.5吨/小时，设计的码垛机的工作效率为6.5吨/小时。

1.2课题设计背景与目的

锌锭出厂要经过码垛，称重，捆扎，包装等工序。近年来，对锌锭的

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包装要求越来越高，特别是堆垛、码垛、捆扎的质量直接影响到锌垛的保管和运输。码垛不齐，捆扎不牢，会在运输中出现散包的现象，造成经济损失。

目前，锌锭码垛工序主要是人工完成。由于锭块质量不轻（12.5公斤/块），工作现场锌块表面温度也很高，工人劳动强度极大，且人工码垛不齐，稳定性差，质量低，直接影响捆扎质量以及后面的运输等工作。从70年代起，国内不少厂家都曾经试图实现锌锭码垛过程的自动化，但都由于锌锭码垛形式的复杂，工作的繁琐，电器自动化控制系统环境适应能力差和控制不方便等原因，均未能很好的解决这个问题，到目前为止，国内不少厂矿企业还用人工码垛。

笔者在总结以往经验的基础上，设计研制了锌锭自动码垛生产线。大大的提高了生产效率和码垛质量和锌垛稳定性。

第二章 锌锭码垛机工作原理总体设计

2.1 码垛机工作示意图

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图2—1 码垛机总装配简图

主要组成： 1.载锭装置 2.移动气缸 3.升降气缸 4.机械手 5.Y方向拢锭气缸 6.X方向拢锭气缸 7.升降平台 8.升降油缸 9.搬运气缸 10.输出小车 11.运锭装置 12.翻锭气缸-1 13.翻锭气缸-2 14.接锭装置 示意图如上图

2.2 自动化生产线主要技术参数

生产能力：6.5吨/小时

块节拍即连铸机的生产率为：〉7秒/块， 〉5分钟/垛。 锌锭质量：12.5公斤/块 锌垛质量：500公斤/垛 生产线工作时间：24小时

2.3 锌锭自动化码垛生产线的组成及工作原理

结构组成：

1）锌锭输入系统：把从连铸机取下的热锌锭平稳的放到锭块传送带上，通过传送带锭块被传送到翻锭机构上，依靠两个气缸行程和位置的不同来

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控制锌锭的翻转，并触动自动开关为下一步操作提供信号。运锭装置再把锭块运到指定位置上。

2）锌锭码垛系统：锌锭触碰行程开关，使机械手运动到指定位置上，然后机械手将锭块抓走，通过具体的码垛方式对机械手进行旋转并把锭块运到码垛升降台上进行码垛，通过X、Y方向的拢锭装置进行拢锭，每垛为10层，共40块锌锭。

3）锌锭输出装置：采用两个升降台交替工作，这样可以节省时间，提高效率，便于控制。通过小车把码好的锌垛运走，并且另一个升降台移动到指定位置上准备码下一垛。

4）气压和液压系统：接锭驱动气缸1个、翻锭驱动气缸2个、机械手升降气缸1个、机械手臂闭合气缸1个、械手旋转气缸1个、机械手移动气缸1个、拢锭气缸2个、升降台升降油缸4个、升降台小车移动气缸1个。

5）PLC控制系统：此码垛机选用OMRON的C200H可编程控制器，本次设计有输入点12个，16个输出点，更适合本次设计任务。 工作原理：

整条自动码垛生产线如工作示意图所示。锌锭经连铸机浇注成形后，又经过接锭装置放到传送带上，传送带靠电机转动，电机直联到行星摆线减速机上，减速后使转数适合锭的输出频率。运到翻锭装置上，通过翻锭装置的两个气缸控制来实现锌锭的翻转。锌锭落到运锭装置上，再通过传送带的运输到指定位置，触碰行程开关，控制机械手移动到锌锭的位置上，机械手爪张开，既有使锭对中、拢锭的作用还有提锭的作用。然后通过机械手平移、旋转、放锭动作后，把锭放到升降平台上，在升降平台上，通

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过X、Y两个方向的拢锭气缸把锌锭推到预设位置，升降台由油缸来控制其的升降，每码好一层，平台就下降一定的距离，当锌垛码好后，平台降到指定位置，然后通过输出小车把码好的锌垛运到指定位置，进行捆扎和打包，并在此时另一个升降平台移动到前一个升降平台位置上，接锭、码锭，使生产连续不中断。 自动生产线的特点：

(a)(b)(c)

图2—2 码垛方式

码垛方式由图2─2（b）的码垛方式改为图2─2（a）的码垛方式，原图（b）的码垛方式在拢锭时易出现如图2─2（c）的尖角对顶情况而顶死，造成码垛机不能完成工作，此码垛方式为了不必要的美观和微小的锌垛的稳定性而大大增加了码垛机的故障率，笔者通过计算判断认为最上层都翻锭没有必要，故将其去掉，改为图（a）的码垛方式。而且笔者也到码锭现场考察实际情况，通过各方面的衡量决定用此码垛方式的。 自动翻锭装置

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图2—3翻锭装置

由于采用图2─2（a）的码锭方式，故每垛仅需要一个锌锭不翻锭，本装置采用了图2—3所示的翻锭装置，结构简单，安全可靠。当锌锭滑到翻板上时，翻板将其暂时卡住，然后根据块数决定是否翻锭。如果不翻转，下面的短行程的气缸伸出，将其沿着前面的滑板靠重力滑下；如果需要翻转，则上面的长行程的气缸伸出，将其翻转过来，然后锌锭落到前面的滑板上靠重力滑到下个装置上。一个锌锭过后，气缸从伸出状态马上收回，来迎接下个锌锭的到来，准备伸出。 C200H可编程控制器

此码垛机选用OMRON的C200H可编程控制器，本次设计有输入点12个，16个输出点，更适合本次设计任务。

第三章 接锭装置设计

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3.1接锭装置工作原理

当锌锭从连铸机上翻下来，铸造槽磕锭将锭磕下，触发接锭信号，控

制气缸将锌锭平稳的放到传送带1上，并保持一定时间，待锌锭向前运行一定距离后，气缸复位，准备下一次接锭。

3.2接锭装置机构选择

采用气缸推动拉杆接锭装置，简单的杆机构装置，前端有接锭槽，接锭槽之间距离要小于锌锭的宽的尺寸，并且大于下面的载锭装置中输送带的带宽。根据锌锭的尺寸及落锭的高度，确定杆臂长1115，高40，宽11（单位：毫米）。

3.3接锭驱动气缸选择

锌锭产生的力矩：M=F×L=m×g×L=12.5×9.8×1.115=136.6 N.M 杆重产生的力矩：M=V×ρ×g×L

=11×40×1.115×7.85×9.8×0.5575 =21 N.M 总力矩M=157.6 N.M

设计力臂长540mm，则气缸的推力为291.8 N. 普通气缸输出力的计算： 气缸输出力F的公式：

F=π/4 ×D2Psβ

式中F——活塞杆伸出时的轴向推力（N）； D——活塞直径或气缸内径（m）； Ps——气缸工作压力（Pa）；

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β——气缸的负载率。

通过对大量实验数据的分析，发现气缸运动的平均速度v与β的关系极大。β值大，v低；β值小，v高。因此，β值的大小可以根据系统对气缸运动的平均速度v的要求来选取。对于国内大量使用的缓冲气缸和无缓冲气缸来说，推荐采用如下β值：

1）当系统对气缸无速度要求时，β值取0.8~0.9；

2）当气缸速度在0.2m/s左右，β值取0.6； 3）当气缸速度在0.5m/s左右，β值取0.4.

根据锌锭码垛机接锭装置的工作要求，若取β=0.8，气缸工作压力Ps=0.5Mpa。

则当选择气缸内径为40mm，

F=π/4 ×D2Psβ

=π/4 ×0.042×0.5×1000000×0.8 ≈503N

推力最大可达503 N。

根据上述气缸推力，选QGBⅡ40×275─MT4，强度和力都满足设计要求。

第四章 载锭装置设计

4.1传送带的选择

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由于锌锭从连铸机脱落下来，温度可能会稍高些，所以在这次设计中用耐热传送带，耐热传送带耐热最高温度能达到180度。锌锭连铸机从浇注铸造，到锌锭从锭模中脱落有10多米长，这距离足以让锌锭冷却到100度以下，所以耐热传送带强度和负载极限都符合要求。传送带的宽度要小于接锭槽之间的宽度，这样才能使锭从接锭装置下来平稳，不跑偏。

带式传送机是在一定的线路上连续输送物料的物料搬运机械，又称

连续输送机。输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。输送机输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。

带式输送机（直线式）该输送机用于物料的输送。采用不锈钢网带作为载体，适用于各种食品行业的烘干、去湿、冷冻等、热处理等；不锈钢制成，具有耐高温、便于清洗等特点；具体尺寸可以根据客户要求定做。

带式输送机应用行业：食品、冶金、电力、煤炭、化工、建材、码头、粮食等。

带式输送机结构形式有： 水平直线输送、提升爬坡输送、转弯输送等多种形式，输送带上还可增设提升挡板、侧挡板等附件，能满足各种工艺要求。

带式输送机输送机材质：有A3低碳钢、201不锈钢、304不锈钢等。 带式输送机驱动方式有： 减速电机驱动。

带式输送机调速方式有： 变频调速、无极变速。

4.2传送机构选择

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由于从接锭到翻锭距离很长，传送带上锌锭很多，所以在有锌锭在上面的地方，下面放小滚筒来支撑，滚筒的长度根据机架的宽度决定，滚筒间的间距尽量小一点，能够保证传送锌锭的平稳，不会造成错位、跑偏等情况。

跑偏原因及处理方法：

传送带运行时输送带跑偏是最常见的故障之一。跑偏的原因有多种，其主要原因是安装精度低和日常的维护保养差。安装过程中，头尾滚筒、中间托辊之间尽量在同一中心线上，并且相互平行，以确保输送带不偏或少偏。 另外，带子接头要正确，两侧周长应相同。 在使用过程中，如果出现跑偏，则要作以下检查以确定原因，进行进行调整。输送带跑偏时常检查的部位和处理方法有： （1）检查托辊横向中心线与带式输送机纵向中心线的不重合度。如果不重合度值超过3mm，则应利用托辊组两侧的长形安装孔对其进行调整。具体方法是输送带偏向哪一侧，托辊组的哪一侧向输送带前进的方向前移，或另外一侧后移。 （2）检查头、尾机架安装轴承座的两个平面的偏差值。若两平面的偏差大于1mm，则应对两平面调整在同一平面内。头部滚筒的调整方法是：若输送带向滚筒的右侧跑偏，则滚筒右侧的轴承座应当向前移动或左侧轴承座后移；若输送带向滚筒的左侧跑偏，则滚筒左侧的轴承座应当向前移动或右侧轴承座后移。尾部滚筒的调整方法与头部滚筒刚好相反。 （3）检查物料在输送带上的位置。物料在输送带横断面上不居中，将导致输送带跑偏。如果物料偏到右侧，则皮带向左侧跑偏，反之亦然。在使用时应尽可能的让物料居中。为减少或避免此类输送带跑偏可增加挡料板，改变物料的方向和位置。

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4.3减速机的选择

传送锌锭的速度不能太高，所以不能直接把电机直联到传送滚筒上，需要安放减速装置，这次设计，选择了行星摆线针轮减速机。

行星摆线减速机是一种应用行星传动原理，采用摆线针轮啮合，设计先进、结构新颖的减速机构。这种减速机在绝大多数情况下已替代两级、三级普 通圆柱齿轮减速机及圆柱蜗杆减速机，在军工、航天、冶金、矿山、石油、化 工、船舶、轻工、食品、纺织、印染、制药、橡胶、塑料、及起重运输等方面得到日益广泛的应用。

行星摆线针轮减速机主要特点：1、传动比大。一级减速时传动比为1/6--1/87。两级减速时传动比为1/99--1/7569；三级传动时传动比为1/5841--1/658503。另外根据需要还可以采用多级组合，速比达到指定大。 2、传动效率高。由于啮合部位采用了滚动啮合，一般一级传动效率为 90%--95%。 3、结构紧凑，体积小，重量轻。 体积和普通圆柱齿轮减速机相比可减小2/1--2/3。 4、故障少，寿命长。主要传动啮合件使用轴承钢磨削制造，因此机械性能与耐磨性能均佳，又因其为滚动摩擦，因而故障少，寿命长。 5、运转平稳可靠。因传动过程中为多齿啮合，所以使之运转平稳可靠，噪声低。 6、拆装方便，容易维修。 7、过载能力强，耐冲击，惯性力矩小，适用于起动频繁和正反转运转的特点。

选用的减速机是把电机直联到减速机上，安装方便，使用便利，重要的是传动比大，能够大比率减速，因为一级传动效率为 90%--95%，所以选择一级减速传动比为1/6--1/87，能够实现符合设计要求的转数。

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第五章 翻锭装置设计

这是本次设计的一个创新，也是设计的重点环节，本次设计采用了利用气缸实现翻锭的装置（简图见图2—3），这种结构简单明了，制作方便，功能也容易实现。

5.1翻锭装置工作原理

由计数器记下锌锭的数目，到指定的数目的锌锭进行翻锭，其余的不翻。当不翻时，下面的气缸活塞杆伸出，把锌锭顶起来，滑落到下一个板上，由于板的倾斜角度大于锌锭的自锁角度，所以锭块能够自由滑落下来，不转变锭的形式。当需要翻锭时，后面的气缸活塞杆伸出，由于行程大，把锌锭顶翻，锌锭落到前面板上，也由于角度大，锌锭自由的下滑下来，锌锭的形式改变。锌锭从板上滑落下来后，触碰开关，是气缸复位，等待下个锌锭。

5.2翻锭装置机构选择

采用两个气缸推锌锭的两个不同位置在重力作用下实现翻锭效果。翻锭槽的一端跟传送带1相连，为了使锌锭准确滑入翻锭槽，所以此端两侧板应该适当往外张能够起到引导锌锭滑入的作用。滑入翻锭槽后，翻板将其暂时卡住，根据翻锭需要，分别伸出上面的长程气缸和下面的短程气缸，两气缸的拉杆都连接着推板（推板嵌在翻锭槽底板上），实现翻锭。根据锌锭的尺寸，确定翻锭槽的长610，高95，宽310，翻板的长193，高30，宽310，推板的长230，宽30（单位：毫米）。

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5.3翻锭驱动气缸选择

翻锭槽与水平面的夹角为40° 翻锭产生的力矩，

长程气缸的力矩：M=F×L=m×g×L=12.5cos40°×9.8×0.095=8.9 N.M 短程气缸的力矩：M=F×L=m×g×L=12.5cos40°×9.8×0.030=2.8 N.M 根据接锭装置中接锭气缸输出力的计算公式：

F=π/4 ×D2Psβ

因为锌锭码垛机翻锭装置的工作要求，若取β=0.8，气缸工作压力Ps=0.5Mpa。

则当选择气缸内径为32mm，

F=π/4 ×D2Psβ

=π/4 ×0.0322×0.5×1000000×0.8 ≈322N

推力最大可达322 N。

根据上述气缸推力，长程气缸选QGBⅡ32×120—MT4，短程气缸选QGBⅡ32×50—MT4，强度和力度都满足设计要求。

第六章 运锭装置设计

6.1传送带的选择

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与载锭装置一样负载极限都需要符合要求。传送带的宽度要小于接锭槽之间的宽度，这样才能使锭从翻锭装置下来平稳，不跑偏。

6.2传送机构选择

由于从翻锭到被机械手抓锭还有一段距离，传送带上锌锭很多，所以在有锌锭在上面的地方，下面放小滚筒来支撑，滚筒的长度根据机架的宽度决定，滚筒间的间距尽量小一点，能够保证传送锌锭的平稳，不会造成错位、跑偏等情况。

其基本结构与前面的载锭装置相似，构件基本相同。区别之处在于这里放一块挡板，作用有两个，一是取信号，当锌锭碰到挡板，瞬间产生个信号，此信号被PLC微分采集，用来控制下步操作。二是拦锭，使锭到指定位置，好被机械手抓起运走。

6.3减速机的选择

传送锌锭的速度不能太高，所以不能直接把电机直联到传送滚筒上，需要安放减速装置，这里还是选择行星摆线针轮减速机。

行星摆线减速机是一种应用行星传动原理，采用摆线针轮啮合，设计先进、结构新颖的减速机构。

行星摆线针轮减速机主要特点：1、传动比大。一级减速时传动比为1/6--1/87。两级减速时传动比为1/99--1/7569；三级传动时传动比为1/5841--1/658503。另外根据需要还可以采用多级组合，速比达到指定大。 2、传动效率高。由于啮合部位采用了滚动啮合，一般一级传动效率为 90%--95%。 3、结构紧凑，体积小，重量轻。 体积和普通圆柱齿轮减速机相比可减小2/1--2/3。 4、故障少，寿命长。主要传动啮合件使用轴承钢

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磨削制造，因此机械性能与耐磨性能均佳，又因其为滚动摩擦，因而故障少，寿命长。 5、运转平稳可靠。因传动过程中为多齿啮合，所以使之运转平稳可靠，噪声低。 6、拆装方便，容易维修。 7、过载能力强，耐冲击，惯性力矩小，适用于起动频繁和正反转运转的特点。

选用的减速机是把电机直联到减速机上，安装方便，使用便利，重要的是传动比大，能够大比率减速，因为一级传动效率为 90%--95%，所以选择一级减速传动比为1/6--1/87，能够实现符合设计要求的转数。

第七章 机械手设计

这是本次设计的又一个重点环节，笔者在以前设计者的基础上，做了很大的改进。

7.1总体设计

机械手的作用是把排好的锌锭抓起来，按照规定的码垛方式，在空中运输并旋转90度。全部过程大概可以描诉为抓锭、运锭、旋转、放锭几个过程。这里机械手完成这些功能一定在生产节拍范围内完成，否则会在挡板处出现堆积的现象。设计的思想是要求机构简单，动作可靠，准确，快速，而且便于安装维护。

7.2部件设计

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机械手的张紧是借助气缸，这样增加动作的可靠性，又简化结果。旋转是靠一个气缸给转盘一个旋转力矩来实现的，旋转气缸固定小车上。转盘与小车之间是靠一个推力球轴承连接，这样既减少了摩擦力，又实现了旋转功能。机械手的上升和下降也借助于气缸，同时为了防止在运动过程中机械手的摆动而引起的气缸杆的偏置，导致气缸漏气，设计了两个导向柱，这样既防止漏气，有增加运动的可靠性。小车在导轨上移动，导轨采用标准槽钢，车轮的设计有防止轴向窜动的结构，轮子与导轨始终接触，保证小车沿直线运动，保证了运动的平稳性。 机械手的机构原理简图如图7—1

图7—1机械手简图

7.3机械手部件的选取

（1）移动气缸的选取：此气缸是使小车水平移动，根据整个部件的重量大概为1000Kg以及车轮与导轨之间的摩擦系数0.3，可以估算出其的摩擦力f=μN=1000×9.8×0.3=2940N，若取β=0.8，气缸工作压力Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为100mm，

F=π/4 ×D2Psβ

=π/4 ×0.12×0.5×1000000×0.8

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≈3142N

推力最大可达3142 N。

根据上述气缸推力，选定气缸为：QGBⅡ 100×1000─MT4，强度和力都满足设计要求。

（2）升降气缸的选取：一次机械手爪取一块为12.5×9.8=122.5 N。另外加上机械手自重大概为60Kg，总重大概为F=122.5+60×9.8=710.5N，估算出气缸的大小，在根据机械手到锌锭的高度，来确定行程。若取β=0.8，气缸工作压力Ps=0.5Mpa。 则当选择气缸内径为50mm，

F=π/4 ×D2Psβ

=π/4 ×0.052×0.5×1000000×0.8 ≈785N

推力最大可达785 N。

根据上述气缸推力，选取气缸为：QGBⅡ 50×600─MF1，强度和力都满足设计要求。

（3）旋转气缸的选取：由于转盘下面是推力球轴承，摩擦力不大约为0.0010~0.0015，另外根据旋转点的位置，若取β=0.8，气缸工作压力Ps=0.5Mpa。

则当选择气缸内径为32mm，

F=π/4 ×D2Psβ

=π/4 ×0.0322×0.5×1000000×0.8 ≈322N

推力最大可达322 N。

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