山东大学
毕业设计（论文）
直角坐标式机械手
1
论 文 摘 要
本次毕业设计的题目为四自由度工业机械手的设计。本设计是根据三年专科所学的课程进行的，主要有：机械零件设计，机械零件图测绘，液压与气动技术，PLC电子编程技术，理论力学，工程力学等。设计共分为六章，第一章绪论是说明本次毕业设计的目的，意义，研究范围及要达到的技术要求，简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。第二章总体设计以及总体说明，对工业机械手的工作原理、组成及其种类型式进行介绍，确定整个机械手的总体方案。第三章工业机械手的机械部分设计，是介绍各部件的选择及相关数据的确定、性能的分析和各参数的计算；第四章工业机械手驱动系统（气动系统）的设计，包括：回路设计，执行元件选择，控制元件选择以及动作顺序表等进行介绍。第五章工业机械手的电气控制系统的设计，主要介绍了PLC的程序梯形图。第六章是设计的总结。
在本次的毕业设计中，能顺利的完成，最重要的是由三位优秀的，具有丰富经验的导师王晓初和李克天老师的详细耐心的解说，教导。而本人也通过《毕业设计指导书》、《机械设计手册》、《可编程序控制器》以及参考其它有关机械手设计的专业书籍,经过十三周的努力终于把此毕业设计编制而成。
关键字：机械手，气动系统，PLC，
1
2
目 录
1 绪论 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――-- 3
1．1 课题设计的论述 --―――――――――――――――――――――――――――― 3 1．1．1 工业机械手的技术概述 --―――――――――――――――――――――― 3 1．1．2现状及国内外发展趋势 --――――――――――――――――――――――― 4 1．2 工业机械手设计的基本步骤 ----―――――――――――――――――――――― 5
2 总体设计 ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 6
2．1 设计的基本内容 ――――――――――――――――――――――――――――――
6
2．1．1总体说明 ―――――――――――――――――――――――――――――― 6 2．1．2驱动方式的选择和设计 ――――――――――――――――――――――― 6 2．1．3整体机构的确定 --――――――――――――――――――――――――-- 7
3 工业机械手的机械部分设计–--―――――――――――――――――――――― 8
3.1 工业机械手的规格参数 ――――――――――――――――――――――――― 8 3.2 工业设计手的参数计算 ――――――――――――――――――――――――--- 8
3.2.1 手部质量计算 ―――――――――――――――――――――――――――- 8 3.2.2 机械手的爪部夹紧气缸的选择 ―――――――――――――――――――-- 9 3.2.3 腕部传动气缸的选择 ―――――――――――――――――――――――-- 10 3.2.4 伸缩气缸的选择 ――――――――――――――――――――――――――-- 11 3.2.5 对伸缩导杆的校核 ―――――――――――――――――――――――――-- 12 3.2.6 配重计算 ―――――――――――――――――――――――――――――-- 13 3.2.7 升降部分计算 --――――――――――――――――――――――――――― 14 3.2.8 对升降导杆的核算 ――――――――――――――――――――――――--- 15 3.2.9挠度计算 ―――――――――――――――――――――――――――――--- 15 3.2.10转台型齿杆式回转摆动气缸的计算 ――――――――――――――――-- 16
2
3
4 工业机械手的控制部分设计 ―――――――――――――――――――――――
17
4．1 回路计算 ――――――――――――――――――――――――――――――――-- 17 4．2 执行元件选择 ―――――――――――――――――――――――――――――― 17 4．3 控制元件选择 ―――――――――――――――――――――――――――――― 18 4．4 执行元件用气量的计算和空压机的选择 ――――――――――――――――――
21
4．5 气动元件的清单 ―――――――――――――――――――――――――――――
22
4.6 动作顺序表 ―――――――――――――――――――――――――――――――
23 5
电气控制系统设计―――――――――――――――――――――――――――― 25
5．1电气控制方案设计和元件的选择 ――――――――――――――――――――― 25 5．2 PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计 ―――――――――――― 25 5．3 PLC梯形图的设计 ―――――――――――――――――――――――――――― 25 5．4 PLC的控制程序 ――――――――――――――――――――――――――――――
25
总结 致谢 参考文献
1 绪论
1．1 课题设计的论述 机械是现代社会进行生产的主要要素之一，机械制造工业是现代工业化国家的基础工业，是我国社会主义现代化的重要领域之一。
机械设计是从使用要求等出发，对机械的工作原理，结构，运动形式，力和能量的传递方式，以至各个零件的材料和形状尺寸，以及使用维修等问题进行构思，分析和决策的工作过程，这种过程的结构一般要表达成设计图纸，说明书以及各种技术文件。机械设计是机械生产的第一步，是决定产品性能及影响产品制造过程的首要环节。
因此，机械设计课程是讲授一般工作条件和常用参数范围内的通用设计的课程。
1．1．1 工业机械手的技术概述
㈠ 工业机械手的工作原理和分类
3
4
⒈ 原理
机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。 ⒉ 分类
工业机械手的种类很多按使用范围可分为：专用机械手、通用机械手。
专用机械手—— 一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可以附属与工作机械设备。
通用机械手—— 独立工作的自动化机械装置。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。
按驱动方式可分为：液压机械手、气压机械手、电动机械手和机械式机械手。 液压机械手—— 输出力大，传动平稳。如采用电液伺服机构，可实现连续轨迹控制。液压系统的密封要求严格，油温对油的粘度影响较大。
气压机械手—— 气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。但工作不大稳定，冲击大，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大。
电动机械手—— 直接用直线电机，功率步进电机和具有特殊结构的感应电动机等来驱动，动力源简单，不需要能量转换机构，维护使用方便。
机械式机械手—— 由工作机械带动机械手运动，工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不可变。
按控制系统可分为：点位控制、连续控制。
点位控制—— 只能控制工业机械手运动的几个点的位置，运动轨迹不受控制。目前使用的专用和通用的工业机械手均属于此类。
连续控制—— 工业机械手按给定的速度沿给定的路线（轨迹）实现平稳准确的运动。特点是设定点是无限的，整个运动过程都要求在控制之下。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 ⒊ 工业机械手的自由度
所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作不计在自由度数目内。 工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。自由度数越多，它的动作越灵活，应用越广。但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。所以，应按生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目为２～５个。 4．工业机械手手臂的坐标形式
按照工业机械手手臂所具有的运动及其组合情况，若以坐标形式可分为下列四种： （1）直角坐标式 手臂的运动是由三个直线运动组合而成。
（2）圆柱坐标式 手臂的运动是由两个直线运动和一个回转运动组成。 （3）球坐标式 手臂运动是由一个直线运动和两个回转运动组成。 （4）关节式 手臂运动是由三个回转运动组成。 ㈡ 工业机械手的结构组成
目前国内工业机械手的种类和型式比较多。从结构型式分析，主要由执行机构、驱
动系统和控制系统等组成。
⒈ 执行机构 由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成。 ⑴ 手部 它具有人手某种单一动作的功能。是机械手直接用于抓取和握紧工件进行操作的部件，要求其抓取工件牢固、定位准确、小损伤工件。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。
4
5
夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型结构比较复杂，应用较少。平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持变化范围大的工件。
⑵ 手腕 手腕是连接手部和手臂的部件，用来改变或调整工作的方位（即姿势）。它可以有上下摆动、左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动，如有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类、盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有小距离的横移。也有的工业机械手没有手腕。
⑶ 手臂 手臂是机械手执行结构中的部件。其作用是将被抓住工件传送到规定位置上，它具有手臂伸缩、升降、回转三个自由度。
工业机械手的手臂是支撑通常由驱动手臂运动的部件（如油、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。
⑷ 行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作时，可在机座轮，轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。
⒉ 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。
⒊ 控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡位）系统组成。
1．1．2 现状及国内外发展趋势
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1．工业机器人性能不断提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至03年的5.3万美元。 2．机械结构向模块化，可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机，减速机，检测系统三位一体化；由关节模块，连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。
3．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性，易操作性和可维修性。
4．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置，速度，加速度等传感器外，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉，声觉，力觉，触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
5．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真，预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
6．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
7．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”，“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计技术，运动学和轨道规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，
5
6
搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多，批量小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本也不低，而且质量，可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化，通用化，模化设计，积极推进产业化进程，我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人，双臂协调控制机器人，爬壁机器人，管道机器人等机种；在机器人视觉，力觉，触觉，声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术，遥控加局部自主系统遥控机器人，智能装配机器人，机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
1．2 工业机械手设计的基本步骤
工业机械手设计的步骤包括以下：
1．根据机械手的功能要求，选定其的类型
2．分析机械手的工作情况，确定作用在机械手上的载荷。
3．根据工作情况分析，判定机械手的失效形式，从而确定其计算准则。
4．进行主要的参数选择，根据计算准则求出零件的主要尺寸，选择材料，考虑热处理及结构工艺性要求。
5．进行对机械手结构分析。 6．绘制零件图，制订技术要求。
2 总体设计
2．1 总体设计
2．1．1 总体设计 工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序，轨迹和要求代替人手抓搬 运或操作工具或进行操作自动化装置。
机械手的总体设计要进行全面综合考虑，尽可能使之做到结构简单，紧凑，容易操作安全可靠，安装维修方便，经济性好。
为了提高机械手的运动速度和控制精度，在保证机械手有足够强度与刚度的条件下，尽可能从结构与材料上设法减轻机械手的重量，力求选高强度，轻质材料，通常用高强度铝合金制造。
据设计题目给出的坐标形式和基本参数确定该设计和各项结构，其中已确定的各项有：
1．本工业机械手是通用机械手，是一种具有独立控制系统的，程序可变，动作灵活
6
7
多样的机械手。通用机械手工作的范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。本工业机械手的控制定位方式是简易型的点定位控制，因此，其控制系统不是很复杂。
2．本工业机械手是圆柱坐标的坐标型式，其手臂的运动系由两个直线运动和两个回转运动所组成，即沿X轴的伸缩，沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。特点：占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到较高的定位精度，应用广泛，但因机械手结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置限制，故不能抓取地面上的物体。
3． 本工业机械手是四自由度机械手。所谓工业机械手的自由度就是整机手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动：1 手臂的升降；2 手臂的升缩；3 手腕部回转； 4．手臂回转。根据给出的工业机械手的规格参数，还需确定其余各部件的设计。
2．1．2 驱动方式的选择和设计
根据有关资料的显示，现在机械手驱动方式的成熟控制方式有多种，主要以下几种方式，并进行比较选择：
1． 液压传动机械手，是以油液的压力来驱动执行机构的机械手，但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大影响，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，使机械手的通用性扩大，但电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高，
2． 气压传动机械手：是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点：介质来源极方便，不污染环境，工作可靠，气动动作迅速，结构简单，成本低，操作维修方便。但是由于空气具有可压缩的特点，工作速度的稳定性较差，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，适用于高速，轻载，高温和粉尘大的环境中进行工作。
3． 机械传动机械手：既由机械传动机构（如凸轮，连杆，齿轮和齿条，间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的特点是运动准确可靠，动作频率高，但结构较大，动作程序不可变。常被用于为工作主机的上，下料。
4．电力传动机械手：即由特殊结构的感应电动机，直线电机或步进电机直接驱动执行机构的机械手，因为不需中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，有发展前途。 综合上述四种驱动方式的优缺点结合本设计之工业机械手的各项规格要求，应选用气压传动来实现，则其抓重和定位都可达到，且结构可简单，其传动平稳和动作灵敏性可达到设计要求。
因此，本设计的四自由度工业机械手选用气压传动机械手作为驱动方式。
2．1．3 整体机构的确定
1． 执行机构
（1）手部：既与物体直接接触的部件，采用夹持式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构构成。手指直接与物体接触，传力机构采用斜楔杠杆式结构，通过手指产生夹紧力来完成夹放物件，其由气缸实现。
（2）手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。本系统则通过由回转气缸使手腕实现回转摆动，实现方位的改变。
（3）手臂：支撑手腕和手部的部件，以改变工件的位置。其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬到设定位置，本系统采用气缸和回转气缸分别实现手臂的
7
8
升降回转以及伸缩的动作。
（4）立柱：以手臂的升降气缸兼作立柱，以便实现该机械手的紧凑和简洁。 （5）机座：是机械手的基础部分，各结构部件均安装其上，起支撑和连接作用。 2． 驱动系统：系统才用气压传动方式。
3． 控制系统：是支配工业机械手按规定的要求运动的系统。系统由可编程序控制器系统和行程开关电气定位以及相关的继电器系统组成的系统控制。
4． 位置检测盒的放置：为操作和安全，把电气控制箱置于机座上，而把操纵盒以
长距离，远距离的操纵方式。操控人员可远离机械手操作。 整个机构的位置布置初定大概如下所示：
爪部+夹紧缸+手腕转动缸+伸缩缸
＋
升降缸（回转缸）
＋
回转缸（升降缸）
为了使整个机构尽量趋向于轻便简单，在此我们尽量选取叶片型回转气缸，将回转气缸放在升降缸之上，但这一构想取决于叶片型回转缸的工作压力是否达到系统的压力要求，所以此部分将留待往后再作决定。 5． 手部结构
根据已知的规格参数，我们选择爪部通过汽缸推动楔块带动爪部杠杆运动的结构，以此实现爪部张合的夹紧运动。杠杆与楔块接触的一端用弹簧连起，以保证楔块缩回时杠杆端部始终与楔块接触。爪部的张合弧度可通过改变楔块的斜面角度和杠杆的长度和比例来调节。结构紧凑简洁，受力性能良好，定位误差小。
3 直角坐标式工业机械手的机械部分设计
3．1
机械手的规格参数
1．抓重：50 N （额定抓取重量或额定负荷）
2．自由度： 4
3．坐标形式： 圆柱坐标 4．最大工作半径：1200㎜
5．手臂最大中心高（下降时）：800㎜
8
6．手臂运动参数
①伸缩行程：500㎜ ②伸缩速度：250㎜／s ③升降行程：300㎜ ④升降速度：200㎜／s ⑤回转范围：０○～１８０○ ⑥回转速度：180○／s 7．手腕参数
①. 回转范围：０○～１８０○
②.回转速度：１８０○㎜／s
8．手指夹持范围：Ф５０～Ф７０ 9．定位精度：±１㎜ 10．驱动方式：气压传动
11．电气控制方式：PLC点位程序控制 12．电气操作方式：手动和自动
3．2 工业机械手的参数总体计算
3．2．1 机械手的质量
工件的材质为钢结构
ρ钢=７.８×１０３kｇ／ｍ３＝0.0078ｇ／㎜3
工件的质量
ｍ工件＝Ｇ／ｇ ＝５０／９.８
＝５.102Kg＝５１０2ｇ
工件的体积
Ｖ工件＝ｍ工件／ρ钢 ＝5102/0.0078
＝654103 mm３
当工件取Ф５０时，面积应为
Ｓ２5０＝π（ｄ5０/2） ＝3.14×625 ＝１９６２.5mm２
长度应为
Ｌ5０＝Ｖ工件／Ｓ5０ ＝654103／１９６２.5
9
3－1）
3－2）
3－3）
3－4） 9
（（（（ 10
＝３３３.3mm
当工件取Ф７０时，面积应为
Ｓ70＝π（ｄ７0／2） （3－5）
＝π（７０／2）２ ＝３８４６.５mm２
长度应为
Ｌ70＝Ｖ工件／Ｓ70 （3－6）
＝654103／３８４６.５ ＝１７０.０5mm
手部各部分质量估算如下： Ｖ爪部＝21.5×9×10×2=4000mm３ Ｖ杆＝35×14×20×2=19600mm３
V=πr2L=3.14×4×4×60=3000mm3
螺栓 Ｖ手部＝４×Ｖ爪＋２Ｖ杆+2V螺栓
＝4000×4+19600×2+3000×2=65000mm３ ｍ手部＝65000×0.0078＝507ｇ
Ｖ12×21.5×51.5=13000mm３
楔块＝ｍ楔块＝13000×0.0078＝101.4ｇ Ｖ３支承板＝８３×１5×40＝49800mm ｍ支承板＝49800×0.0078＝776ｇ
ｍ缸＝１１４０×４０×3.5＝１２８０ｇ 所以，总的质量
ｍ总＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ爪部缸＝ｍ工件＋ｍ手部＋ｍ楔块＋ｍ缸＋ｍ支承板 ＝５１０2＋507＋101.4＋１２８０＋776 ＝7766.4ｇ
3．2．2 机械手的爪部夹紧气缸的选择
气缸夹紧力计算如下：
手指的角度：２θ＝１２００，b＝35㎜ C=17㎜ 根据手部结构,其驱动力为：
P=２ｂ×N×ｔｇα／C （1） 根据手指夹持工件的方位，可得握力公式：
N＝0.5ｓｉNθ×Ｇ／ｆ ＝０.5×ｓｉN 60０×50／0.1 ＝216.5 N
则：P=２ｂ×N×ｔｇα／Ｃ
＝ 2×35×216.5×ｔｇ150/17 ＝236 N 据公式：Ｐ实≥ P×K1×K2/η 式中：η——手部的机械效率，一般取（0.85～0.95）
（3－7）
（3－8）
（3－9） 3－10） 10
（ 11
K1 ——安全系数，一般取（1.2～２）
α
Ｋ２——工作条件系数，主要考虑惯性力的影响，Ｋ２可近似按下式估算：Ｋ２＝１＋ｇ其中α为被抓取工件运动时的最大加速度，ｇ为重力加速度（ｇ＝０.９８米／秒２） f—为被夹持工件与手指接触的磨擦系数在这取f=0.1 一般手爪传动机构的传动效率取η=0.85～0.9， 故η＝０.９0，Ｋ１＝１.５
若被抓取工件的最大加速度取α＝ｇ，则： Ｋ２=1+α/ｇ=1+1=2
Ｐ实＝236×1.5×2/0.90=787 N
所以，夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为787 N
则根据公式：Ｐ气缸＝πＤ２Ｐ／４ （3－11） Ｐ气缸＝πＤ２Ｐ／４＝３.１４×（５０×１０－３）２×5×105/4 ＝９８１.5 N
Ｐ气缸＝９８１.５N >Ｐ弹簧＋Ｐ实际
＝１４２.5 +787＝929.5 N
式中: D为气缸直径假设为50mm
P为气压假设为5×105Pa
所以选用MDBB50--35气缸合适．
ｍ夹紧＝１１４０＋５０×３．５＝１３１５ｇ
3．2．3 腕部传动气缸的选择
当工件取Ф７０时，Ｒ＝０.０３５>Ｌ／８＝０.１７／８＝０.０２１２５
则根据公式：Ｊ工件＝ｍ×（L２＋３Ｒ２）／１２得： （3－12） Ｊ工件＝ｍ×（L２＋３Ｒ２）／１２
＝５．１×（０．１７２＋３×０．０３５２）／１２ ＝０．０１３８Kgm２
当工件取Ф５０时，Ｒ＝０．０２５<Ｌ／８＝０.３３３３／８＝０.０４１６６ 则根据公式：Ｊ工件＝ｍL２／１２得： （3－13）
Ｊ工件＝ｍL２／１２
＝５．１×０．３３３３２／１２ ＝０．０４７２Kgm２
因此Ｊ工件取Ｊ工件Ф５０＝０．０４７２Kgｍ２计算
２２
根据公式：J手爪＝ｍ（ａ＋ｂ）／１２得： （3－14） J手爪＝ｍ（ａ２＋ｂ２）／１２
＝２．７×（０．０７２＋０．０35２）／１２ ＝０．００１５Kgm２
Ｍ惯＝（Ｊ工件＋J手爪）ω／△ （3－15） ＝（０．０４１７２＋０．００１５）×３．１４／０．１ ＝１．５２９２Nm
根据手腕回转受力图 , 得：
11
12
Ｍ驱＝Ｍ惯＋Ｍ偏＋Ｍ摩＋Ｍ封 （3－16）
为简化计算可不计密封装置处的摩擦阻力矩，因此乘安全系数１．１即可 Ｍ驱＝１．１Ｍ惯＝１.１×１.５２９２＝１.６８２Nm．
所以选用ＣＤＲＢ１ＢＷ５０－１８０Ｓ大型叶片式回转摆动气缸． 其参数为：Ｍ驱＝３Nm．
则，由以上结果可得手腕回转受力如图3－1
图3－1 手腕回转受力图
3．2．4 伸缩气缸的选择
1． 计算摩擦力： 弯矩M的计算
工件：Ｘ１＝７００＋５００－３２６＝８４７（mm） 爪部：Ｘ２＝６００＋５００－３２６＝７７４（mm） 腕部：Ｘ３＝４４２＋５００－３２６＝６１６（mm） 导杆：Ｘ４＝２５０mm
ｍ１＝５．１Kg ｍ２＝３．２Kg (约为3.0 取3.2) ｍ３＝１．５Kg (约为1.4 取1.5)ｍ４＝４×２＝８Kg (约为3.8 取4.0)
Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４ ＝5.1×0.874×9.8+3.2×0.774×9.8+1.5×0.616×9.8+8×0.25×9.8 ≈96.6 Nｍ
根据手臂伸出时的受力状态得：Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４ Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４
＝（5.1+3.2+1.5+8）×9.8＝17.8×9.8＝１７４．４４N 根据： ２N２＝２N１＋Ｇ……（１） N１=Ｍ/f……（２）
解得：N１＝Ｍ／0.15＝96.5／0.15＝６４４N
N２＝（２N＋Ｇ）／２＝（２×６４４＋１７４.44）／２ ＝７３１.22 N 根据公式：Ｆ摩2＝fN2 ＝731.22×0.15×2＝219.4 N
（其中：钢－青铜ｆ＝0.1～0.15（润）） Ｆ摩1＝fN１＝６４４×0.15×2＝１９３.2 N
Ｆ摩＝Ｆ摩１＋Ｆ摩２＝193.2＋219.4＝412.6 N 2． 惯性力计算
Ｆ惯＝ｍａ (3-20)
＝（ｍ1＋ｍ2＋ｍ3＋ｍ4）ａ ＝17.8×1.25＝22.25N 其中，
ａ＝250／0.2mm／S
＝1.25ｍ／ｓ
Ｆ摩＋Ｆ惯＝412.6＋22.25＝434.85N Ｆ缸驱＝Ｐ工作（πｄ２缸／4）
(3-17) (3-18) (3-19)
12
13
＝5×1.01×106（40×10-3）2×3.14/4 ≈507.5 N 所以SMC MB系列标准气缸 MDBB50-500合适，查资料得：材料为铝合金的MDBB50-500
气缸行程为零时质量为1140g，每增加10mm行程则质量增加40g ｍ伸缩缸＝1140+50×40＝3140g
3．2．5 对伸缩导杆的校核
P＝N2／S （3－21）
6
＝731.22／(0.03×0.03)＝0.0812×10Pa ＝0.812MPa
所以，P<[P]＝15MPa V＝0.25ｍ／ｓ
66
ＰＶ＝0.0812×10×0.25＝0.203×10Pa
＝0.203MPa<[PV]＝15MPa／ｓ
σ＝Ｍ／Ｗ （3－22）
-33
＝（87.5×0.5）/[（π/32）×（30×10）]
６
＝18.2×10Ｐａ ＝18.2MPa
所以，σ<[σ]＝100MPa
（45钢[σ]＝100 MPa） ｍ伸缩导杆＝（πｄ２／4）Ｌ伸缩ρ缸 （3－23）
2３
＝（3.14×30／4） ×720×7.8×10 ＝3968ｇ
3．2．6 配重计算
偏重力矩即手臂及其上所支承的全部零件的重量（作用在各自重心上）对手臂
回转轴的静力矩，用Ｍ偏表示，手臂前伸时则偏重力矩为最大。若Ｇ１Ｇ２Ｇ３Ｇ４和Ｘ
手部、手腕、手臂之重量和重心位置至手臂回转轴的距离，１Ｘ２Ｘ３Ｘ４分别为工件，
则手臂，手腕等部件的总重量Ｇ为： Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２＋Ｇ３＋Ｇ４＋……＝ΣＧｉ （3－24） 式中ｉ——表示工件、手部、手腕、手臂等零部件的顺序号。 各零部件的总重心位置距手臂回转轴轴线的距离为Ｐ，其值为： ρ＝（Ｇ１Ｘ１＋Ｇ２Ｘ２＋……）／（Ｇ１＋Ｇ２＋……）
＝ΣＧｉＸｉ／ΣＧｉ 厘米 （3－25） 其偏重力矩Ｍ偏为：Ｍ偏＝Ｇｐ＝ΣＧｉＸｉ 公斤‧厘米 当手臂处于伸长和回缩状态时，立柱所受偏重力矩分别为： ρ缩＝(Ｇ工件×Ｘ工件＋Ｇ手爪×Ｘ手爪＋Ｇ腕部回转缸×Ｘ腕部回转缸
＋Ｇ伸缩导向×Ｘ伸缩导向 －Ｇ伸缩缸×Ｘ伸缩缸)／（Ｇ工件＋Ｇ手爪
＋Ｇ腕部回转缸＋Ｇ伸缩导向＋Ｇ伸缩缸） （3－26）
13
14
＝（5.1×700＋3.2×570＋1.2×450＋9×13－1.81×83） ／（5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81）
＝5900.77/20.31＝290.5 mm
ρ缩＝(Ｇ工件×Ｘ/工件＋Ｇ手爪×Ｘ/手爪＋Ｇ腕部回转缸×Ｘ/腕部回转缸＋Ｇ伸缩导向
×Ｘ伸缩导向 －Ｇ伸缩缸×Ｘ伸缩缸)／（Ｇ工件＋Ｇ手爪＋Ｇ腕部回转缸 ＋Ｇ伸缩导向＋Ｇ伸缩缸） （3－27） ＝（5.1×1200＋3.2×1070＋1.2×950＋9×355－1.81×30） /(5.1＋3.2＋1.2＋9＋1.81) ＝670.1 mm Ｍ缩＝Ｇρ缩
＝20.31×9.8×290.5＝57.8 Nｍ Ｍ伸＝Ｇρ伸
＝20.31×9.8×670.1＝133.4 Nｍ
由于要将偏重力矩减至最小，因此配重取两者的中间值。 Ｍ中间值＝95.6 Nｍ ρ中间值＝450mm＝0.45mm 则：Ｇ配重＝Ｍ中间值／ρ中间值＝95.6／0.45＝212.4 N ｍ配重＝Ｇ配重／ｇ＝212.4／9.8＝21.7 kg
V配重＝ｍ配重／ρ钢＝21.7/(7.8×10-6)＝2.78×106mm３
（ａ： １５０ ｂ：２００ h：９２）
3．2．7 升降部分计算
工业机械手的回转和升降机构安装在底座上，它们支承着手臂伸缩机构，手腕和手部。
升降导向立柱不自锁的条件——因为手臂在总重量Ｇ的作用下有一顺时针方向倾斜的趋势，而导套却阻止手臂这种趋势，若导套对升降立柱的作用力为Ｒ１和Ｒ２，根据升降立柱的力平衡条件得： ΣＦＸ＝０ Ｒ１＝Ｒ２ ΣｍＡ（Ｆ）＝０ Ｒ１h＝Ｇρ
则：Ｒ１＝Ｇｐ／h （3－28） 所谓不自锁的条件就是升降立柱能在导套内自由下滑。从力的观点分析必须使 Ｇ>Ｆ１ ＋Ｆ２＝２Ｆ１＝２Ｒ１ｆ＝２ρＧｆ／h 所以：h>２ｆρ
式中：ｆ——摩擦系数。一般取0.1，这里考虑到摩擦的副作用则取0.16。
/
/
14
ρ——偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立柱轴线间的距离。 ｍ托板＝863×200×12×7.8×10-6＝16.2 kg ｍ总1＝20.31+16.2+21.7＝58.21 kg
Ｐ惯＝ｍ总1ａ＝58.21×0.2/0.1＝116.42 N Ｍ总１＝Ｍ伸－Ｍ配重＝133.4－95＝38.4 Nm
ρ总１＝Ｍ总１／Ｇ总１＝38.4/(58.21×9.8)＝0.0673 m＝67.3 mm (h＝150 mm>2fρ总１＝2×0.2×67.3＝26.92 mm)
ｍ2托连＝10×3.14×100×7.8×10-3＝2449.2 g＝2.45 kg R＝Ｍ总１／h＝38.4/0.15＝256 N Ｐ摩＝2Rf＝2×256×0.15＝76.8 N Ｐ驱＝1.2×(Ｐ惯＋Ｐ摩)＋Ｇ总１＋Ｇ连
＝1.2×(116.42＋76.8) ＋58.21×9.8＋2.45×9.8≈826.332 N Ｐ缸驱＝(πd２/4)p工作压力＝3.14×50２×0.5×10６/4
＝981.25 N >Ｐ驱＝826.332 N
所以，可选用MDBB５０--３００
3．2．8 对升降导杆的核算
当手臂伸出到最大范围时，回转中心所受的弯矩最大。
根据公式：σ＝Ｍ／Ｗ。 σ＝Ｍ／Ｗ＝38.4／[(π／32) ×(30×10-3)3] ≈12.5 MPa<［σ］＝100 MPa 45钢［σ］＝100 MPa
校核升降气缸缸头销：
P升降缸＝3.14×50２×0.5×10６/4＝981.25 N
τ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／(πd２/4) ＝(981.25×4)/3.14×(8×10-3)2 ＝19.5 MPa<［τ］＝58 MPa σbＳ＝Ｐ／ＡbＳ
＝981.25/(8×15)×10-6
＝8.17 MPa<［σbＳ］＝100 MPa 所以此销安全。
15
3－29） 3－30） 15
（ （ 16
3．2．9 挠度计算
考虑导杆在全伸出时挠度最大。 G工件=5.1×9.8=50N
G手爪=3.2×9.8=31.36N 800mm
G手腕=1.2×9.8 =11.76N
G手部和工件=Ｇ工件+Ｇ手爪+Ｇ手腕
=93N G手部和工件
工件重心到导向套端面距离=1200－324
=876 mm
手爪重心到导向套端面距离=1070－324
=746 mm
手腕重心到导向套端面距离=950－324
=626 mm
工件及手部总重心到导向套端面距离
= 5.1×876 +3.2 ×746+ 1.2×626)/9.5=800 mm 将导杆看作是悬臂梁,根据挠度计算公式：
y（手部）= G×（C2/6EI）×(3L－C) 考虑到是双导杆, 每个导杆的径向受力为1/2 ×G手部和工件 查表得 E钢材=2.1×1011Pa 导杆的极惯性矩I=П×D4/64
=П×304 /64 =39760 mm4 C=800 mm
手爪夹持中心到导向套端面距离L=345+500=845 mm y（手部）= 1/2×G手部和工件×(C2/6EI)×(3L－C)
=46.5×(8002/6×2.1×1011 ×39760) ×(3×845－800) =1 mm
经过核算,导杆挠度基本符合要求。
3．2．10 转台型齿杆式回转摆动气缸的计算
根据公式：
① ｍ总２＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ腕部回转缸＋ｍ伸缩缸＋ｍ伸缩导向＋ｍ配重＋ｍ托板 ｍ总２＝ｍ工件＋ｍ爪部＋ｍ腕部回转缸＋ｍ伸缩缸＋ｍ伸缩导向＋ｍ配重＋ｍ托板
＝5.1+2.67+1.3+9+23.2+15.2＝56.5 kg
ρ总２＝(700×5.1+622×2+442×1.5-50×10.3-400×23.2
-68×15.2)/56.5＝-130.21 mm＝－0.132 m
② J２总２＝(ｍ/12)/(L2+ａ) J(ｍ/12)/(L2+ａ２
总２＝)
＝56.5×(11702+2002)/12 ＝6.65×106 kgmm2
3－31）
3－32） 3－33）
16
（（（ 17
＝6.65kgm2
J0＝J总２+ｍ总２ρ总２2＝6.65+56.5×(-0.132)2＝7.63 kgm2 ｍ升降＝2.9+2.5+0.6+6.4+1＝13.4 kg
J升降＝(ｍ/12)/(12+ａ２)＝13.4×(5842+602)/12
＝0.39×10×106 kgmm2＝0.39 kgm2
2
J总＝J升降+J0＝7.63+0.39＝8.02kgm
Ｍ惯＝J总(△ω/△ｔ)＝(8.02×3.14/2)/0.3＝42.34 Nm Ｍ驱＝1.1Ｍ惯＝1.1×42.34＝46.57 Nm Ｍ手臂回转缸＝66.6 Nm > 46.57 Nm
可选用SMC MSQ系列转台型齿杆式回转摆动气缸气缸MSQB200A。
4 直角坐标式工业机械手的控制部分计算
回路计算
4．1
气动执行元件的工作顺序图：
1）第一次上升→ 2）→手臂伸出 3) 手爪夹紧→4）延 时→5）手臂缩回
↑ ↓
14）手腕反转 6）第一次下降 ↑ ↓ 13）回转台反转 7）手腕正转
↑ ↓ 12）第二次手臂缩回←11）延时←10）手爪松开← 9)第二次手臂伸出←8）回转台正转
4．2 执行元件选择
1 类型与主要尺寸参数如下表（表4－1）
17
表4－1 类型与主要尺寸参数
18
` 气缸或 马达 标号 内径 mm 活塞杆直径 mm 0 行程 mm 指部 腕部 夹紧MDBB50-35 缸 叶片CDRB1BW50-180S 马达 50 50 35 0 ~ 180° 全 行 程耗气需量 要cm3/s 时（s） 0.5 87.92 臂伸缩CDA1BN40-500 40 10 500 2 118.335 部 缸 升降MDBB50-300 50 16 300 1.5 352.308 缸 齿轮QGK-1RSD80T180-E2 80 0 ~ 齿条 180° 马达 2 耗气量计算 查《机械设计手册--5》，可得计算公式 有杆腔：
Q=π(D2-d2)S/(4t) （4－1）
无杆腔：
Q= πD2S/(4t) （4－2）
Q——每秒钟压缩空气消耗量 D——气缸内径(大径)
d——气缸活塞杆直径(小径) S——气缸行程
t——杆单向伸缩时间
1)夹紧缸：已知缸径D=0.040米，行程s=0.035米，全行程需时间t1=0.5秒，代入4－2式，可算出压缩空气量：
Qa=π0.042×0.035/(4×0.5)≈87.92cm3/s
2)伸缩缸：已知缸径D=0.050米，小径d=0.016米，行程s=0.5米，全行程需时间
t2=2秒，代入4－1式，可算出压缩空气量：
Qb=π(0.042-0.012)×0.5/(4×2)≈297.375cm3/s 3)升降缸：已知缸径D=0.050米，小径d=0.01米，行程s=0.3米，全行程需时间t2=2
秒，代入4－1式，可算出压缩空气量：
Qc=π(0.052-0.0162)×0.3/(4×1.5)≈352.308cm3/s 4) 腕部马达耗气量：
根据公式可可算出压缩空气量:
G=pznV1/(RT1) （4－3）Q=GRT0/P0 （4－4）
18
19
Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0
=5.0×105×Z×30 ×V1/(1.013×105) =148ZV1 m3/min 注意：由于Z和V1的具体参数不全,故具体的数据不能算出.举有关资料显示其值小于352 cm3/s
5) 臂部马达耗气量： Qd=pznV1/(RT1)RT0/P0
=5.0×105×Z×30 ×V1/(1.013×105)=148ZV1 m3/min
由于Z和V1的具体参数不全,故具体的数据不能算出.举有关资料显示其值小于352 cm3/s
4．3 控制元件的选择
1)选择类型
根据系统对控制元件的工作能力及流量要求，按照气动回路原理图，初选各控制阀如下：
主控电磁换向阀：为SMC之VF5000系列和SMC之SY3000系列； 单向节流阀：其型号为LA-L8； 2)选择主控电磁阀
对夹紧缸主控电磁换向阀的选择
因夹紧缸要求压力Pa≤0.5MPa，流量Qa=87.92cm3/s，查《机械设计手册--5》
表 38.7-14可选得阀的通径为6mm。 对伸缩缸主控电磁换向阀的选择 因伸缩缸要求压力Pa≤0.5MPa，流量Qa=352.308cm3/s，查《机械设计手册--5》
表38.7-14可选得阀的通径为3/8。 对升降缸主控电磁换向阀的选择
因升降缸要求压力Pa≤0.5MPa，流量Qa=352.308cm3/s，查《机械设计手册--5》
表38.7-14可选得阀的通径为3/8。 对马达主控电磁换向阀的选择
因马达要求压力Pa≤0.5MPa，流量Qa=352.308cm3/s，查《机械设计手册--5》
表38.7-14可选得阀的通径为3/8。
从上可知，为了使元件尽量统一，利于互换性和便于维修，故主控电磁换向阀
都选择通径为3/8的阀。
结合以上数据，参考资料(SMC公司的《四通先导式电磁阀VF4000系列橡胶密闭》)，选得阀如表4－2：
表4－2 元件的种类
执行元电磁阀 件 夹紧缸 SY313D-5G-C8 腕马达 VF42205-GB-03 伸缩缸 VF42205-GB-03 升降缸 VF42205-GB-03 臂马达 VF42205-GB-03 数量 1个 1个 1个 1个 1个 配合管道(O/I) φ6mm 3/8 3/8 3/8 3/8 速度控制器 AS2000-01 AS4000-02 AS4000-02 AS4000-02 AS4000-02 19
20
3)选择减压阀和其它气动动助件
过滤器、减压阀、油雾器集全起来统称为气源三大件。同主控电磁阀的选择一样，考虑到系统的工作压力和流量，以及各执行元件因联锁关系不会同时工作的特点，即按其中压力、流量最大的一个执行元件来选择减压阀的其它阀。P=0.5MPaQ=440.385cm3/s选择方大气动C系统气源三大件：QFLJWC-L8。 4)确定管道直径、验算压力损失 ① 选管道直径
据管道直径的和阀的通径相一致的原则，同时考虑各执行元件和同时工作的特点，
初定各段管径如上表4－2所示。而总气源管的气管管径：
因Q=πD2V/4= πd12V/4+ πd22V/4则D=( d12+ d22)1/2 =( 82+ 82)1/2=11.313mm 取标准管径：D=14mm ② 验算压力损失
预设供气压力为0.7MPa，压力损失为[△P]100Kpa A、沿程损失
由于设计系统的管道很短，故此项损失很小，可在总压力损失时计入系数。(K1=1.1 B、局部压力损失
管路损失也是很小的，这理主要表现在流经元件，辅件的压力损失。 减压阀和节流阀的压力损失较小，其余损失为系统回路和气控回路和： ∑△Pr2=△P换向阀+△P油雾器+△P水滤气器 （4－5） 查《机械设计手册-5》表38。7-15可得各压降值 △P换向阀=21.6KPa △P油雾器= 14.7KPa △P水滤气器= 14.7KPa
∑△Pr2=△P换向阀+△P油雾器+△P水滤气器
=21.6Kpa+ 14.7Kpa+ 14.7Kpa=51 Kpa
总的压力损失为：
∑△P=KK1∑△Pr2=1.3 ×1.1×51=72.9 Kpa≤100 Kpa ∑△P≤[△P]
说明所选的阀和管道通径是合格的。 5）中央控制阀的功能
中央控制阀上面集成了电磁阀，风缸速度调整和缓冲等重要功能。
原理：当接受到伸的指令时,电磁阀Y1得电,压缩空气经Y1到速度节流阀C和D,A1借口进入驱动风缸右腔,推动活塞向左运动,驱动风缸的空气从A2、D2口排出，当活塞想左运动接近终点的时，A2口被辅助活塞堵上，空气只能从D2排出，实现运动终端的缓冲效果。通过调节速度节流阀和缓冲节流阀达到控制运动速度的效果。 如图4－1为风缸速度调整，4－2为缓冲原理。
20
21
图4－1 风缸速度调整
图4－2 缓冲原理
21
22
4．4 执行元件用气量的计算和空压机的选择
1、各执行元件的压缩空气用气量如上计算，将其和一些数据列入下表003夹紧缸的压缩空气用气量
Qa = Q(p+p0)/p0 （4－6） Qa = Q(p+p0)/p0
=352.308×(0.5×106+0.1013×106)/(0.1013×106) =521.879cm3/s
同理可得：伸缩缸和马达的压缩空气用气量：Qb=1076.374 cm3/s 升降缸的压缩空气用气量： Qb=2091.242 cm3/s 结果记入下表4-3：
表4－3 部件 指部 腕部 臂部 缸或马达 夹紧缸 叶片马达 伸缩缸 升降缸 耗气量 cm3/s 352.308 440.385 294.375 87.92 工作压力MPa 0.5 0.5 0.5 0.5 齿轮齿条马440.385 0.5 2091．242 2 达 2、气缸的理论用气量 查《机械设计手册-5》得公式：
Qz=[∑iaQt] （4－7）
Qz── 一台设备在一个周期内的平均用气量 cm3/s
a── 气缸每一往复的作用次数：单作用缸a=1双作用缸a=2 T── 系统一次工作循环时间(25S)
Q── 某个执行元件一个行程的用气量 cm3/s t── 某个执行元件一个行程的时间S 由公式4－6可知，气缸理论用气量为： Qz=[∑iaQt]
=1×521.879×0.5+2×2091.242×2+2×1747.361×1.5+2×2091.242×1+2×2091.242×2）/25 =1056cm3/s 考虑系统泄漏，取泄漏量为用气量的15%，及其总系数为1.3，则系统工作用气量为： Qg=1.3×1.5× Qz=1.3×1.5×1056
=2076.2 cm3/s=2.076×10-3cm3/s
大气压 MPa 0.1013 0.1013 0.1013 0.1013 0.1013 自由空气工作量 cm3/s 时间S 521.879 2091.242 1747.361 2091.242 0.5 1 2 1.5 计算公式 Q’=Q(p+p0)/p0 22
23
=0.125 m3/min
3、气罐容积计算
公式：
Vc=1.15×105QT/(p-p1) （4－8） Qz── 使用需要的空气消耗量 T── 储备气最小工作时间 P── 贮气罐的空气压力 P1── 用气需要的工作压力 由公式4－7，得
Vc=1.15×105QT/(p-p1)
5666
=1.15×10×(2076.2×10×25)/(0.7×10-0.5×10)
≈0.03 m3
4、选择空压机
根据《机械设计手册-5》表38。6-2选取容积式压缩机。
由：系统用气量 Qg=0.153m3/min,
Vc=0.0367m3 可选得VD2.2
其额定排气量 0.28 m3/min， 额定排气压力 0.7MPa，
电动机功率 2.2KW， 压气机储气罐容积 0.12m3，
总重 160Kg， 生产厂： 长春空气压缩机厂 4．5 气动元件的清单
方向阀是SMC公司的；缸、气源三大件和马达是方大气动公司的；其他由《机械
设计手册》查得：如表4－4
表4－4 元件名 夹紧缸 腕部马达 手臂伸缩缸 手臂升降缸 手臂马达 标记(数量) MDBB50-35 CDRB1BW50-180S(1) CDA1BN40-500 MDBB50-300 QGK=1RSD80T180-E2 电磁换向阀(数量) SY313D-5G-C8 VF52205-GB-03 VF52205-GB-03 VF52205-GB-03 VF52205-GB-03 配合官道 φ6mm 3/8 3/8 3/8 3/8 其它元件及其数量 单向节流阀LA-L8(9个)气源三大件QFLJWC-L8(1件)空压机2V-0.3/7(1台)阀的汇流板W5FS230-081-03(1个){SMC}总气源管直径14mm
23
24
4．6 动作顺序表
5 电气控制系统设计
5．1 电气控制方案设计和元件的选择
可编程控制器具有通用灵活、抗干扰能力强、可靠性高、易于编程、使用方便、安装简单、便于维修等特点,可见可编程系统PLC作为电气控制系统具有一般继电器系统所没有的很多优点。考虑到三菱PLC系统是世界上知名和成熟的系统 ，而且由于机械手用到的端口接点并不多，故本设计选用三菱PLC系统F1-60MR作为机械手的气动控制系统。
5．2 PLC控制系统设计及PLC及I/O端口分配图的设计
PLC端口分配图设计输入部分包括手动控制、自动控制、停止、急停保护和手动单个动作操作以及行程开关输入接点。输出部分为驱动电磁阀线圈的12个输出接点和四个表示功能方式转换的信号输出接点。 机械手PLC动作流程图：见《动作流程图》。 I/O端口分配图：见《I/O端口分配图》。
5．3 PLC梯形图的设计
1）考虑到双动电磁阀的两侧线圈不能同时带电，故在梯形图的设计中将输出驱动
24
25
线圈回路加入互锁功能，保证双动电磁阀两侧线圈不会同时通电。
2）由于手动和自动控制按钮的常开接点在按下启动后自行复归断开。故在手动和自动启动回路中设计自锁回路，以保证在启动按钮复归后仍可维持输出辅助继电器接点的接通闭合。
3）考虑到手爪的夹紧动作适合使用延时控制防式，故在梯形图中使用时间继电器进行手爪夹紧气缸的电气控制，同时可以节省两个输入接点。 4）自动循环的功能由时间继电器接点和行程限位共同串联启动。
PLC的控制程序如下：
000 LD 001 OR 002 ANI 003 ANI 004 ANI 005 OUT 006 OUT 007 LD 008 MPS
009 AND 010 ANI 011 OR 012 OR 013 ANI 014 OUT 015 MRD
016 AND 017 OUT 018 MRD
019 AND 020 OR 021 ANI 022 OUT 023 OUT 5．4 PLC的控制程序
X001 Y014 X002 X023 M101 Y014 M101 M100 X022 X017 Y006 X021 Y007 Y006 X015 C 16 K2 X015 Y012 C16 Y012 T201
25
26
K50 024 MRD
025 AND T201 026 OR Y007 027 OR T202 028 ANI X016 029 OUT Y007 030 031 032 033 034 035 036 037 038 039 040 041 042 043 044 045 046 047 048 049 050 051 052 053 MRD
AND X016 OUT C17 K2 MRD
AND X016 OR Y003 ANI X020 ANI C17 OUT Y007 OUT Y011 MRD
AND X202 OR Y004 ANI X021 OUT Y004 MRD
AND C16 OUT Y013 OUT T202 K50 MRD
AND C17 ANI X022 OUT Y005 MPP
26
27
054 AND X022 055 RST C16 056 RST C17 057 LD X023 058 OR X002 059 OR Y016 060 OUT Y016 061 END
27
28
心得体会
经过本次的工业机械手设计，本人对机械设计，原理，液压，气路控制，以及PLC的编程等知识已经从原来的肤浅认识到有深入的了解，能得到本次这么丰富的知识积累，也是对本人在以后的工作道路上的成功的保证。通过这设计，也能趁这段宝贵时间对自己在这四年当中所学到的知识作一次全面的检阅和加强，绝对是一件非常有意义的事情。随着设计的不断深入，很多意想不到的问题也随之出现，这使我们感觉到自身知识的不足，明白到当初学校为我们所设置的课程在应用中的意义。所以，我衷心感谢学校在这四年对本人的教育，能使我学到工作以外的文化知识，也感受的学校里的老师对同学的热切关怀，希望学校的所有老师的文化教育水平能随时间的增长而更进一步！
28
29
致 谢
在整个设计过程当中，全组上下都工作得十分愉快。我们特别要感谢具有丰富经验的李克天老师的指导，从老师的身上，我们明白到自己的不足，往后，我们还要不断努力，充实和完善自己。
这次毕业设计历时十周，我们在本课题的指导导师李老师的悉心指导下，顺利地完成了设计任务。老师不但有严谨的治学态度，很高的学术研究水平，还有丰富的实践经验，因此在老师的指导和帮助下，我们设计过程中遇到的各种问题都迎刃而解，并且还学到许多课本上没有的知识和经验，拓宽了我们的视野，加强了我们对过去几年所学知识的理解和综合运用，同时也提高了我们理论联系实际的能力，真是获益良多。在此，我们小组的同学向老师致以最衷心的感谢！感谢老师在过去两个多月的时间里对我们不辞劳苦的教导！也真挚地祝愿李老师，在以后的教学科研生涯中不断地取得丰硕的成果！
29
30
参 考 文 献
1、同济大学，上海交通大学何铭新，钱可强 主编 高等教育出版社《机械制图》 2、王晓初 主编 学校出版 《可编程序控制器》
3、东南大学章宏甲 上海工业大学黄宜 编写 机械工出版社 《液压传动》1997年5月 4、刘鸿文主编 高等教育出版社
《材料力学》(第三上下册) 1996年6月 5、清华大学王先逵 主编 机械工业出版社 《机械制造工艺学》 1994年7月
6、西北工业大学濮良贵 纪名刚 主编 高等教育出版社 《机械设计》(第六版) 1996年11月 7、何元庚主编 高等教育出版社
《机械零件与机械原理》1989年12月
8、SMC公司的《五通先导式电磁阀VFS系列 金属密封闭》 9、《SMC产品样品(3版)》2001年9月 10、《肇庆方大产品样品(2000版)》
11、可编程序控制器使用手册（三菱公司） (第三版上册)
东北大学编写冶金工业出版社 1980年11月
12、余灏主编 机械工业出版社 1986年2月 《机械设计手册》(第一版第1卷) 《机械设计手册》(第一版第2卷) 《机械设计手册》(第一版第3卷) 《机械设计手册》(第一版第4卷) 《机械设计手册》(第一版第5卷)
13、王承义编写 机械工业出版社 《机械手及其应用》 1990年9月
14、东北工学院郑洪生主编 机械工业出版社 《气压传动》1994年1月
15、曲以义编写 上海交通大学出版社 《气压伺服系统》1981年11月
16、上海大学史美堂 主编 上海科学技术出版社 《金属材料及热处理》1994年1月 17、赵容主编 辽宁科学技术出版社
《互换性与测量技术基础》 1998年3月 18、《工业机械手设计》 学校主编 2000年7月
30
《机械零件设计手册》
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容