輸送單元設(shè)計

摘要..........................................................2

第一章輸送單元的概述.........................................3

1.1課題的提出及主要任務(wù)..............................錯誤！未定義書簽。

1.2輸送單元的概述.......................................................3

1.3輸送單元的結(jié)構(gòu)組成...................................................3

第二章輸送單元機械手手臂裝置的設(shè)計方案.......................10

2.1機械手的運動........................................................10

2.2機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計...........................................10

2.3機械手的主要參數(shù)...................................................10

2.4手部要求...........................................................12

2.5機械手的技術(shù)參數(shù)列表...............................................14

第三章輸送單元手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計.........................16

3.1輸送單元手臂伸縮氣缸方案一的尺寸設(shè)計................................16

3.2輸送單元手臂伸縮部分方案二的尺寸設(shè)計...............................16

3.3.導(dǎo)向裝置..........................................................19

3.4平衡裝置...........................................................19

3.5氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖.............................................19

第四章結(jié)論..................................................21

致謝.........................................................22

參考文獻......................................................23

摘要

本文簡要介紹了物料輸送單元在整個柔性演示系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角

色.物料輸送單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理及穩(wěn)定性能好壞直接反應(yīng)了整個系

統(tǒng)的優(yōu)劣.本設(shè)計中,采用性能穩(wěn)定,定位精度高的進口元部件作為物料的

定位系統(tǒng)。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取了合適的PLC型

號，根據(jù)機械手的工作流程制定了可編程序控制器的控制方案，畫出了機

械手的工作時序圖，并繪制了可編程序控制器的控制程序。

關(guān)鍵詞：換向閥、機械手、氣動驅(qū)動、可編程控制器（PLC）

第一章輸送單元的概述

1.1輸送單元的概述

輸送單元由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一

種輸送裝置，它可自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自

動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提

高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

輸送單元并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的

一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷力，又有機器可長

時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程

產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺

少的自動化設(shè)備.

輸送單元能按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。

在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的

自動化水平和勞動生產(chǎn)率:可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高

溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進

行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電

鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用.

機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附

屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重

復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械

手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中

獲得廣泛的引用。

1.2輸送單元的結(jié)構(gòu)組成

輸送單元是YL-335A系統(tǒng)中最為重要同時也是承擔(dān)任務(wù)最為繁重的工作單元。

該單元主要完成驅(qū)動抓取機械手裝置精確定位到指定單元的物料臺，在物料臺上抓取工

件，把抓取到得工件輸送到指定地點然后放下的功能。同時，該單元在PPI網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中

擔(dān)任著主角色，它接收來自按鈕/指示燈模塊的系統(tǒng)主令信號，讀取網(wǎng)絡(luò)上各從站的狀

態(tài)信息，加以綜合后，向各從站發(fā)送控制要求，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。

輸送單元由抓取機械手裝置、步進電動機傳動組件、PLC模塊、按鈕/指示燈模塊

和接線端子排等部件組成，如圖17所示。

氣缸連接件

圖1—1輸送單元的組成

1.2.1氣動手指

氣動手指由一個二位五通雙向電磁閥控制，帶狀態(tài)保持功能用于各個工作站抓取

搬運。雙向電控閥工作原理和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器類似，即輸出狀態(tài)由輸入狀態(tài)決定，如果輸

出狀態(tài)確認了，即使無輸入狀態(tài)雙向電控閥一樣保持被觸發(fā)前的狀態(tài)。

1.2.2雙桿氣缸

雙桿氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手爪伸出縮回。

1.2.3回轉(zhuǎn)氣缸

回轉(zhuǎn)氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于控制手臂回轉(zhuǎn)90。旋轉(zhuǎn)，氣缸旋轉(zhuǎn)

角度可以任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0°?180。，調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥下方兩顆固定緩沖器調(diào)整。

1.3.4提升氣缸

提升氣缸由一個二位五通單向電控閥控制，用于整個機械手的提升下降。以上氣缸

運行速度快慢由出氣口節(jié)流閥調(diào)整進氣量進行速度調(diào)節(jié)。

1.3.5步進電動機

步進電動機傳動組件用以拖動抓取機械手裝置作往復(fù)直線運動，完成精確定位的功

能。

1.36按鈕/指示燈模塊

該模塊放置在抽屜式模塊放置架上，模塊上安裝的所有元器件的引出線均連線到面

板上的安全插孔。

按鈕/指示燈模塊內(nèi)安裝了按鈕/開關(guān)，指示燈/蜂鳴器和開關(guān)穩(wěn)壓電源等三類元

器件，具體如下：

(1)按鈕/開關(guān)：急停按鈕一只，轉(zhuǎn)換開關(guān)二只，復(fù)位按鈕黃、綠、紅各一只，

自鎖按鈕黃、綠、紅各一只。

透???

(2)指示燈/蜂鳴器：24V指示燈黃、綠、紅各二只，蜂鳴器一只。

(3)開關(guān)穩(wěn)壓電源：DC24V/6A,12X//2A各一組。一)施行機構(gòu)

包括手部、伎倆、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。

1、手部

即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的方式差別，可分為夾持式和吸附式手部。

夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機構(gòu)所組成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常

用的手指運動方式有回轉(zhuǎn)型和平移

2、手腕

是連接手部和手臂的部件，可以調(diào)整和改變工件方位

3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件,

并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置.

工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件（如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連

桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等）與驅(qū)動源（如液壓、氣壓或電機等）相配合，以實現(xiàn)手

臂的各種運動。

圖2機械手的手臂運動示意圖

手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以

保證手指按正確方向運動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以

及手臂回轉(zhuǎn)運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件

受力狀態(tài)簡單。

導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向

型式。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降（或

俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，

有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。

5、行走機構(gòu)

當(dāng)工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安

裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾滾輪輪式式布行走機構(gòu)可

分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應(yīng)另外增設(shè)機械傳動裝置。

6、機座

機座是機械手的基礎(chǔ)部分。執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，起支承

和連接的作用。

有時為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。

驅(qū)動系統(tǒng)：

驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝

置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。

控制系統(tǒng)：

控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系

統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機械擋塊定位）系統(tǒng)組成。

控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶

人們給予機械手的指令信息（如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間），同時按其控制

系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯誤或

發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。

位置檢測裝置:

控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，

并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度

達到設(shè)定位置。

1.37機械手的分類

1.機械手的分類

機械手按不同的標(biāo)準(zhǔn)可有不同的分類方法，如按用途可分為通用機械手和專用機械

手；按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動機械手、氣壓驅(qū)動機械手、電力驅(qū)動機械手和機械驅(qū)動

機械手；按控制方式可分為點位控制機械手和連續(xù)軌跡控制機械手兩種。工業(yè)機械手的

種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，

在實際應(yīng)用中，大多按運動坐標(biāo)形式將機械手分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐

標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式四種，在此暫按使用范圍、控制系統(tǒng)和坐標(biāo)式等進行分類

（-）按坐標(biāo)系分類

其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。

（二）按用途分

機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種：

1、專用機械手

它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械

手具有動作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大

批量的自動化生產(chǎn)，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加口工中心”附屬的自動

換刀機械手。

2、通用機械手

它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。在規(guī)格性能

范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和

控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于

不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。

通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一

關(guān)”式控制定位，只能是點位控制：伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，可以是點位的，

也可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。

（三）按控制方式分

1、點位控制

它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制

其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用

和通用工業(yè)機械手均屬于此類。

2、連續(xù)軌跡控制

它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設(shè)定點為無限的，整個移動過程處

于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這

類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制。

第二章輸送單元機械手手臂裝置的設(shè)計方案

對氣動機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾一放和搬運物件，這就要求它們具有

高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都

能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象（工件）的作業(yè)技術(shù)要

求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)形

狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進

一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過

程，兼顧通用性和專用性，并能實柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.

2.1機械手的運動

機械手以及其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置，由臂部、腕部等組成部

件以及整機的各自獨立運動的合成來確定。如圖2所示，機械手通?？蓪崿F(xiàn)如下的基本

動作：

手臂的運動：伸縮運動、回轉(zhuǎn)運動、上下擺動（即俯仰）、升降運動。

手腕的運動：回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。

手部的運動：夾緊和松開。

整機主體的運動：整機行走。

機械手的每一個運動，必須要配有一個原動件，當(dāng)各原動件按一定的規(guī)律運動時，

機械手各運動部件隨之作確定的運動，從而使機械手具有運動和位置的確定性。

2.2機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和

降（或俯仰）運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手

2.3機械手的主要參數(shù)

1.機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，查閱相關(guān)機械

手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為io公斤

2.基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要

求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮

及回轉(zhuǎn)的速度。

1.抓取重量

抓取重量（又稱臂力）是指機械手所能抓取或搬運物件的最大重量，它對其他參數(shù)

如行程范圍、運動速度、坐標(biāo)形式和緩沖裝置的設(shè)計均有影響，是機械手最基本的參數(shù)。

主參數(shù)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機械手最大抓重以10公斤左右

的為數(shù)最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤，高速動作時抓重減半。使用吸盤式手部

時可吸附5公斤的重物。

2.運動速度

運動速度反映了機械手的生產(chǎn)水平，影響機械手的運動周期和工作效率，很多機械

手由于速度低而限制了它的使用范圍。影響機械手動作快慢的兩個主要運動是手臂的伸

縮和回轉(zhuǎn)運動。速度大小與機械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)系。

基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，

設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂升降及旋

轉(zhuǎn)的速度。

該機械手最大移動速度設(shè)計為L2m/s,最大旋轉(zhuǎn)速度設(shè)計為1200。/s,平均移動

速度為lm/s,平均回轉(zhuǎn)速度為900°/so

機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度

特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度

特性。

除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手

設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必

然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和

比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm，最大工作半徑約為1500mm,手臂安裝前

后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400（應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂），又由于

該機械手設(shè)計成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴大了它的使用范圍。手臂升降行程定為

150mm。

定位精度也是基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為土0.5~±lmm

3.行程范圍

機械手的手臂運動行程對使用性能有較大的影響。一般來說，通用機械手的手臂回

轉(zhuǎn)應(yīng)盡可能大些，回轉(zhuǎn)行程范圍應(yīng)大于180°,使機械手具有一定的通用性；手臂伸縮行

程及工作半徑要適宜，太大會增加手臂懸伸量，相應(yīng)的偏重力矩和轉(zhuǎn)動慣量也增加，且

剛性降低，對于定位精度也難以保證。

4.定位精度

定位精度是衡量機械手工作質(zhì)量的又一重要指標(biāo)，是指機械手的運動部件從某一起

始位置運動到預(yù)期的另一位置時所到達的實際位置的準(zhǔn)確程度。定位精度的高低取決于

位置控制方式以及機械手運動部件本身的精度和剛度，并和抓取重量、運動速度等因素

也有密切關(guān)系。定位精度包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度兩種，一般所說的定位精度

是指重復(fù)定位精度。

2.4手部要求

2.4.1概述

手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，

因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型式。

它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。如圖3所示：

左右樞助

圖3

設(shè)計手部時除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以下幾點要求：

(1)手指握力的大小要適宜

確定手指的握力(即夾緊力)時，應(yīng)考慮工件重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的

慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞

工件。

(2)應(yīng)保證工件能順利地進入或脫開手指

開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距

離以方便地抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。

(3)應(yīng)具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕

因受到被夾持工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手

具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手部的

重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。

(4)動作迅速、靈活、準(zhǔn)確，通用機械手還要求更換手部方便

根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具(噴槍、扳手、焊接工具)

三類，

1.夾持式手部

夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動作與鋼絲鉗

或臺虎鉗相似。

夾持式手部是由驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)和手指(或手爪)等組成。驅(qū)動裝置多半用活

塞缸。傳動機構(gòu)常用連桿機構(gòu)、滑槽杠桿機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)等。手指通常是兩指，也

有多指等形式。指端是手指上直接與被夾持工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件

的形狀。

手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、移動型等型式?；剞D(zhuǎn)型的連桿傳

動手部它由雙作用活塞缸、連桿機構(gòu)和手指組成。當(dāng)驅(qū)動活塞左右移動時，通過連桿機

構(gòu)使手指閉合或張開。這種結(jié)構(gòu)由于各連桿間都是較鏈連接，故能傳遞較大的作用力。

另外，在一定的驅(qū)動力條件下，適當(dāng)?shù)剡x擇連桿尺寸可使手指獲得較大的夾緊力。但應(yīng)

注意，當(dāng)活塞向左移動到使連桿組成的角a為零時，手指已閉合到極限位置。若此時手

指還沒有夾緊工件，活塞再左移則手指反而要張開。因此，設(shè)計時須注意工件尺寸及各

連桿尺寸，保證a角要大于零。

2.吸附式手部

吸附式手部是靠吸附力抓取物料，它適用于抓取大平面、易碎、微小等類型的物料。

吸附式手部有真空負壓吸盤和電磁吸盤兩種。

a.真空負壓吸盤

真空負壓吸盤是用橡膠或軟塑料制成碗狀，使之在吸盤中形成真空而把工件吸附

住，多半應(yīng)用于抓取薄板工件及弧形殼體工件等。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、表面吸

附力分布均勻，但對吸取的工件表面要求平整而無孔洞，它不宜吸取過重的工件。

b.電磁吸盤

電磁吸盤是采用電磁鐵，通過磁場吸力作用吸取工件。它的結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于

磁性材料工件，不能在高溫下應(yīng)用。

所以經(jīng)過對比我選取了夾持式手剖及氣流負壓式吸盤

2.5機械手的技術(shù)參數(shù)列表

一、用途:

用于自動輸送線的上下料。

二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：

1、抓重

io公斤（夾持式手部）

5公斤（氣流負壓式吸盤）

2、自由度數(shù)：3個自由度

3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)

4、最大工作半徑：1500mm

5^手臂最大中心高：1380mm

6、手臂運動參數(shù)：升降行程200mm

升降速度300mm/s

回轉(zhuǎn)范圍0°?180

回轉(zhuǎn)速度90°

7、手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍0°?180

回轉(zhuǎn)速度180°/s

8、手指夾持范圍：棒料：80?150nlm

片料：面積不大于0.5mZ

9、定位方式：行程開關(guān)或可調(diào)機械擋塊等

10、定位精度：士0.5mm

11、緩沖方式：液壓緩沖器

12、驅(qū)動方式：氣壓傳動

13、控制方式：點位程序控制

第三章輸送單元手臂伸縮氣缸的設(shè)計

3.1輸送單元手臂伸縮氣缸方案一的設(shè)計

為方便大規(guī)模生產(chǎn)需求以及采購，根據(jù)實驗設(shè)計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動

元件廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)

計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63NM.

(1).在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑，=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足

使用要求即可,設(shè)計使用壓強P=OAMPao

則驅(qū)動力：

F=PXHR2

=0.4X106X3.14X0.03152

=1246N

(2).測定手腕質(zhì)量為5kg,設(shè)計加速度a=10(m/s),則慣性力

Fi=am

=10X5=50N

(3).考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k=0.2

F尸kXR

=50X0.2

=10N

總受力Fo=Fl+Fm

=50+10=60N

F?<F

所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求要求。

3.2輸送單元手臂伸縮部分方案二的設(shè)計

為使所設(shè)計的機械手擁有更高精度，同時便于安裝調(diào)試，現(xiàn)設(shè)計手臂伸縮部分第二

套方案。

(1)活塞桿上輸出力和缸徑的計算

活塞左行時活塞桿產(chǎn)生推力E,活塞右行時產(chǎn)生拉力入。

2

Fx=nDp4-4XFz

2

F2=n(D-d)4-4XFz

式中F「活塞桿的推力(N);

F2-活塞桿的拉力(N);

D-活塞直徑(m);

d-活塞桿直徑(m);

P-氣缸工作壓力(Pa);

Fz-氣缸工作總阻力(N);

氣缸工作時的總阻力Fz與眾多因素有關(guān),如運動部件慣性力，背壓阻力，密封處摩

擦力等.以上因素可以載荷率V的形式計入公式,如要求氣缸的靜推力以和靜拉力Fz,則計

入載荷率后

=P-7

7T

22

F2=-{D-dyp-7

計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特征.若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻

率高,其載荷率一般取產(chǎn)3~0.5,速度高時取小值,速度低時取大值.若氣缸動態(tài)參數(shù)

要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運動,其載荷率可取產(chǎn)0.7?0.85。根據(jù)要求本次設(shè)計

中，我們?nèi)　?0,8?；钊麠U拉力約為克服機械手的自重(1.5KG)和克服抓取物的重量

(0.5KG)所用的力為

F2=(l.5+0.5)X10=20N

可求得氣缸直徑D。

當(dāng)推力作功時

D=J4尸1/(冗)

VKpr]

活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定。估定活塞桿直徑可按d/D=O.2?0.3計算得

=85mm

式中系數(shù)在缸徑較大時取小值，缸徑較小時取大值。

以上公式計算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)d/D=O.2飛.3可估算得d=12cm

（2）活塞桿的計算

1）按強度條件計算當(dāng)活塞桿的長度L較小時（LWlOd）,可以只按強度條件計

算活塞桿直徑d

4尸i

式中F「氣缸的推力（N）；

外一活塞桿材料的許用應(yīng)力（Pa）,；

0b一材料的抗拉強度（Pa）；

S-安全系數(shù)，S21.4。

按縱向彎曲極限力計算氣缸承受軸向壓力以后，會產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力

達到極限力Fk以后，活塞桿會產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的

安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。

當(dāng)長細比/>85G時

22

Fk=nJiEI/L

當(dāng)長細比L/K<85時

式中L-活塞桿計算長度（m）

K-活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，

K=江=旦

實心桿7Al4'

空心桿K=J力+―/4；

I-活塞桿橫截面慣性矩，

實心桿1=nd4/64

空心桿1=Ji（d-do4）/64

d廠空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；

A「活塞桿截面積

實心桿A尸Jid2/4

空心桿Akn（d2-do2）/4

n-系數(shù)（V,見表3-3

E-材料彈性模量，對鋼取E=2.lX10"Pa

f-材料強度實驗值，對鋼取f=49Xl（rPa

a-系數(shù)，對鋼取a=l/5000

3.3.導(dǎo)向裝置

氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指

的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂

結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體

重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對

回轉(zhuǎn)中心的慣量。

導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中才用

單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。

3.4平衡裝置

在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重

力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放祛碼，祛碼塊的

質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近

平衡。

3.5氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖

圖4為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣壓

力大于0.4-0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入

各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。

手描里缸手

04-0.6MPe

圖4機械手氣壓傳動原理圖

序號型號規(guī)格名稱數(shù)量

1QF-44氣動截止閥1

2儲氣缸2

3QSL-26-S(l)分水濾氣器1

4QTY-20-S(l)減壓閥1

5QIU-20-S(l)油霧器1

6YJ-1壓力繼電器1

7Q(2)4DH-10-S(l)二位五通電磁換向閥1

8Q24D(2)H-10-S(l)二位五通電磁換向閥4

9Q24D(2)H-15-S(1)二位五通電磁換向閥1

10單向節(jié)流閥2

11LI-25單向節(jié)流閥2

12快速排氣閥2

13氣液轉(zhuǎn)換器1

表3

各執(zhí)行機構(gòu)調(diào)速。凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻

尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸

處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進

氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在

電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回

轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。

為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以

省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。

電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，

與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應(yīng)來確定的。

第四章結(jié)論

1、本次設(shè)計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變,

控制程序可調(diào)，因此適用面更廣。

2、該機械手可以選擇配置普通的夾持手指，以抓取一般工件;也可更換噴射式氣流

負壓吸盤，以吸附玻璃、墻地磚等板料及光盤、磁盤等薄型不透氣工件，使機械手的用

途更多，使用范圍更廣。另外，該機械手既可以用于搬運小型零件，也可供教學(xué)、實驗

使用。

3、采用氣壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。工作

環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染

環(huán)境。同時成本低廉。

4、機械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間

控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實現(xiàn)。可以根據(jù)機械手的動

作順序修改程序，使機械手的通用性更強。

5、如果該PLC程序再和組態(tài)監(jiān)控軟件連接將能更形象的表達出機械手的實時工作

過程，可達到操作遠程監(jiān)控機械運轉(zhuǎn)的效果，讓操作人員遠離惡劣的工作環(huán)境，但遺憾

的是我們沒有做出組態(tài)的動畫效果。

致謝

首先，我要感謝王老師對我畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工

作作風(fēng)使我收益匪淺。在此