【原创】送料机械手毕业论文设计

学号 000000000

毕业设计

设计题目：送料机械手

学院： 0000 000

专业：000000000 班级 0000

姓名： 0000000

指导教师： 00000000

日期：年月日

１

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

φ-

(4) 工件直径尺寸：mm

80φ

mm150

(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

３

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

５

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

７

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2θ=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: N R

2b

P =

(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: ()

()N tg Gtg N 5042560105.0)(5.0`≈-??=-= φθ

所以：

N R

2b

P =

=490（N ） (3)实际驱动力:

η

2

1K K P

P ≥实际

因为传力机构为齿轮齿条传动，故取η=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=+=g

a

K 所以：

()N P 156394

.02

5.1490≈??

=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: z t F F p

D F --=

4

21π

式中: 1F ——活塞杆上的推力，N

t F ——弹簧反作用力，N z F ——气缸工作时的总阻力，N P ——气缸工作 压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

()S l C F f t += n

D Gd C f 3

14

1

8=

12d D D t -=

９

式中: f C —— 弹簧刚度，Nm

L —— 弹簧预压缩量，m S ——活塞行程，m d 1——弹簧钢丝直径，m D t ——弹簧平均直径，m D 2——弹 簧外径，m n —— 弹 簧 有效 圈数

G —— 弹簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 护Pa

在设计中，必须考虑负载率几的影响，则: t F p D F -=

4

21η

π

由以上分析得单向作用气缸的直径:

ηπ

p F F D t ???

? ?

?+=14

代入有关数据，可得： n

D Gd C f 3

141

8=

()(

)[]()

m N /46.36771510308/105.3104.7934

39=??????=--

()S l C F f t +=

N

6.22010606.33673

=??=-

所以：ηπ

p F F D t ???

? ?

?+=

14

()()[]

()

mm 23.654.0105.0/6.22049042

/16=???+?=π

查有关手册圆整，得D=65 mm

由dD=O.2～0.3， 可得活塞杆直径:d=(0.2～0.3)D=13～19.5 mm 圆整后，取活塞杆直径d=18 mm 校核，按公式

[]σπ≤2

4/d

F t

有: []()

2

/1/4σπt F d ≥

其中[]σ=120MPa, F t =750N 则:d ≥(4?490π?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110，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

[]σδ2/p DP = 式中: 6—— 缸筒壁厚 mm

D ——气缸内 径 ，咖

P p ——实验压力，取P p =1.5P t Pa

材料为 : ZL3,[σ] =3MPa

代入己知数据，则壁厚为: []σδ2/p DP =

１１

=()

365101032/10665-????? =6.5 mm

取δ=7.5 mm ，则缸筒外径为:D=65+7.5?2 =80 mm 。

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ω，起动过程所用的

时间为△t，则:

M

惯=()

t

J

J

?

+

ω

1

(N.cm)

１３

若手腕转动时的角速度为ω，起动过程所转过的角度为△ψ，则:

M 惯=()ψ

ω?+22

1J J (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 ·s 2);

J 1——工件对手腕转动轴线的转动惯量(N ·cm ·s 2);。

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J 1,为:

2

111e g

G J J g +

= J g ——工件对过重心轴线的转动惯量(N ·cm ·s 2);

G 1——工件的重量(N);

1e ——工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)-,

ω——手腕转动时的角速度(弧度s);

t ?——起动过程所需的时间(S);

ψ?——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=3311e G e G +

式中 : G 3——手腕转动件的重量(N);

e 3——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11e G =0 .

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M 摩 M 摩=

()122

d R d R f

B A + 式中: d 1、d 2——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; R A 、R B ——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

()∑=0F m A

得:

R B l+G 3l 3=G 2l 2+ G 1l 1

同理，根据()∑=0F m B 得: R A =

l

l G l G l G 3

32211-+

式中: G 2——手部的重量(N)

1、11、l

2、l 3——如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M 封，与选用

的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

1.2.3回转气缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的二理如图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，则低压腔的气从b 孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶J 气缸的压力p 和驱动力矩M 的关系为:

()

2

2

2r R pb M -=

或： ()

2

22r R b M

p -=

图1-3回转气缸简图

式中: M- 回转气缸的驱动力矩(N﹒cm);

P- 回转气缸的工作压力(N﹒cm);

R- 缸体内壁半径(cm);

r- 输出轴半径(cm);

b—动片宽度 (cm).

上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定

的背压，则上式中的P应代以工作压力P

1与背压P

2

之差。

1.3手臂结构设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

１５

1.3.1手臂伸缩与手腕回转部分结构设计

手臂的伸缩是直线运动，实现直线往复运动采用的是气压驱动的活塞气缸。由于活塞气缸的体积小、重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用比较多。同时，气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。在本机械手中，采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。

该机械手的手臂结构如附图所示，现将其工作过程描述如下:

手臂主要由双作用式气缸1、导向杆2、定位拉杆3和两个可调定位块4等组成。双作用式气缸1的缸体固定，当压缩空气分别从进出气孔c, e进入双作

用式气缸1的两腔时，空心活塞套杆6带动手腕回转缸5和手部一同往复移动。

在空心活塞套杆6中通有三根伸缩气管，其中两根把压缩空气通往手腕回转气缸

5，一根把压缩空气通往手部的夹紧气缸。在双作用式气缸1缸体上方装置着导

向杆2，用它防止活塞套杆6在做伸缩运动时的转动，以保证手部的手指按正确

的方向运动。为了保证手嘴伸缩的快速运动。在双作用式气缸1的两个接气管口

c, e出分别串联了快速排气阀.手臂伸缩运动的行程大小，通过调整两块可调定位块4的位置而达到。手臂伸缩运动的缓冲采用液压缓冲器实现.

手腕回转是由回转气缸5实现，并采用气缸端部节流缓冲，其结构见A-A

剖面;

在附图中所示的接气管口a、b是接到手腕回转气缸的;d是接到手部夹紧气

缸的。直线气缸1内的三根气管采用了伸缩气管结构，其特点是机械手外观清晰、

整齐，并可避免气管的损伤，但加工工艺性较差。另外活塞套杆6做成筒状零件

可增大活塞套杆的刚性，并能减少充气容积，提高气缸活塞套杆的运动速度。

5.导向装置

气压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，必须采用适当的导向装置。它应根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取

重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。

目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

1.3.2手臂伸缩驱动力的计算

手臂作水平伸缩时所需的驱动力

:

图1-4 手嘴伸出时的受力状态

图1-4 所示为活塞气缸驱动手臂前伸时的示意图。在单杆活塞气缸中，由于气缸的两腔有效工作面积不相等，所以左右两边的驱动力和压力之间的关系式不一样。当压力油(或压缩空气)输入工作腔时，驱使手臂前伸(或缩回)，其驱动力应克服手臂在前伸(或缩回)起动时所产生的惯性力，手臂运动件表面之间的密封装置处的摩擦阻力，以及回油腔压力(即背压)所造成的阻力，因此，驱动力计算公式为:

P驱 = P惯 + P摩+ P密 + P背 N

式中:P惯——手伶在起动过程中的惯性力(N);

P摩——摩擦阻力(包括导向装置和活塞与缸壁之间的摩擦阻力)(N);

P密——密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同。

P背——气缸非工作腔压力(即背压)所造成的阻力(N)，若非工作腔与油箱或大气相连

１７

时，则 P

=0 。

背

1.3.3手臂升降和回转部分结构设计

其结构如附图所示。手臂升降装置由转柱1、升降缸活塞轴2、升降缸体3,

碰铁4、可调定位块5、定位拉杆6、缓冲撞铁7、定位块联接盘13和导向杆14

等组成。转柱1上钻有a, b, c, d, e和f六条气路，在转柱上端用管接头和气

管分别将压缩空气引到手腕回转气缸(用a, b气路)，手部夹紧气缸(用d气路)

和手臂伸缩气缸(用c, e气路)，转柱下端的f气路，将压缩空气引到升降缸上

腔，当压缩空气进入上腔后，推动升降缸体3上升，并由两个导向杆14进行导

向，同时碰铁4随升降缸体3一同上移，当碰触上边的可调定位块5后，即带动

定位拉杆6,缓冲撞铁7向上移动碰触升降用液压缓冲器进行缓冲。当J, K两

面接触时而定位。上升行程大小通过调整可调定位块5来实现。最大可调行程为

170mm,缓冲行程根据抓重和手臂移动速度的要求亦可调整，其范围为15-30mm,

故上升行程最大值为200mm。手臂下降靠自重实现。

实现机械手手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。在本机械手中，手臂回转装置由回转缸体10、转轴11(它与动片焊接成一体，见E-E剖面)、定片12、回转定位块8、回转中间定位块9和回转用液压缓冲器(此部件位置参见附图)等组成。当压缩空气通过管路分别进入手臂回转气缸的两腔时，推动动片连同转轴一同回转，转轴通过平键而带动升降气缸活塞轴、定位块联接盘、导向杆、定位拉杆、升降缸体和转柱等同步回转。因转柱和手臂用螺栓连接，故手胃亦作回转运动。

手臂回转气缸采用矩形密封圈来密封，密封性能较好，对气缸孔的机械加工

精度也易于保证。

手臂回转运动采用多点定位缓冲装置，其工作原理见回转用液压缓冲器部分。手臂回转角度的大小，通过调整两块回转定位块8和回转中间定位块9的位置而定。

1.3.4手臂升降气缸的设计

１９

1．驱动力计算

根据手臂伸缩运动的驱动力公式:F=F f +

t

m ??ν

其中，由于手臂运动从静止开始，所以△v=v,

摩攘系数:设计气缸材料为ZL3，活塞材料为45钢，查有关手册可知f=0.17.质量计算:手臂伸缩部分主要由手臂伸缩气缸、手臂回转气缸、夹紧气缸、手臂伸缩用液压缓冲器、手爪及相关的固定元件组成。气缸为标准气缸，根据中国烟台气动元件厂的《产品样本》可估其质量，同时测量设计的有关尺寸，得知伸缩部分夹紧物体时其质量为70kg ，放松物件后其质量为55kg.接触面积:S=O.5m 2 则上料时：()N F f 3505.01070=??= F=F f +

t

m ??ν

=05

.010

600703503

-??+

=1540（N ）

下料时：()N F f 2755.01055=??= F=F f +

t

m ??ν

=05.0/10600552753-??+ =935(N)

考虑安全因素，应乘以安全系数K=1.2

则上料时: F=1540?1.2=1850 (N) 下料时: F=935?1.2=1120 (N)

2、气缸的直径

根据双作用气缸的计算公式:41η

πDp F =

()4

222η

πp d D F -=

其中: F 1——活塞杆伸出时的推力，N

F 2——活塞杆缩入时的拉力

d ——活塞直径，mm P ——气缸工作压力，Pa

代入有关数据，得:

当推力做功时:

η

πp F D 1

4=

=()

2

/134.010518504??

????????π

=108.5(mm)

当拉力做功时:

D=(1.01～1.09)(4F 2()

2

/1ηπp

=(1.01～1.09)()

2

/154

.0105/11224????π

=92.12(mm) 圆整后，取D=100mm

3、活塞杆直径的计算

根据设计要求,此活塞杆为空心活塞杆，目的是杆内将装有3根伸缩气管。因此，活塞杆内径要尽可能大，假设取d=70mm, d 0=56mm. 校核如下:(按纵向弯曲极限力计算)

气缸承受纵向推力达到极限力F k 以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使推力负载(气缸工作负载F 1与工作总阻力F z 之和)小于极限力F k 。

该极限力与气缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。有关公式为: 2

11??

? ??+

=

k L n a fA F K

式中: L ——活塞杆计算长度，m

K ——活塞杆横截面回转半径，空心杆4

2

2d d K +=，m

d 0——空心活塞杆内孔直径，m A 1——活塞杆横截面面积，空心杆(

)64

4

041d d A -=

π，m

2

f ——材料强度实验值，对钢取f=2.1?107Pa

a ——系数，对钢a=15000

代入有关数据，得: