氣壓與凸輪組合傳動機械手的設計

1、畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文） 題目題目 氣壓與凸輪組合傳動機械手的設計氣壓與凸輪組合傳動機械手的設計 系系 別別 光電與機電工程系光電與機電工程系 專專 業(yè)業(yè) 機電設備維修與管理機電設備維修與管理 班班 級級 學學 號號 姓姓 名名 肖宣朝肖宣朝 指導教師指導教師 何其明何其明 完成時間完成時間 20112011 年年 6 6 月月 閩南理工學院教務處制閩南理工學院教務處制 二二 0 0 一一年六月一日一一年六月一日 摘摘 要要 隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。文章主要敘述 了凸輪傳動與氣動結合的機械手的設計過程。在工業(yè)生產流水線上，機械手得到了 廣泛的應用

2、，大大提高了生產的自動化，精細化。機械手是在機械化、自動化機械手是在機械化、自動化 生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電 子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高科技技術領域內迅子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高科技技術領域內迅 速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手 能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人 手那樣靈活，

3、但它具有可不斷重復工作、能在條件比較惡劣的環(huán)境下工手那樣靈活，但它具有可不斷重復工作、能在條件比較惡劣的環(huán)境下工 作、載重量大、定位精確等特點，因此，機械手受到了許多部門的重視，作、載重量大、定位精確等特點，因此，機械手受到了許多部門的重視， 并越來越廣泛地得到了應用。并越來越廣泛地得到了應用。 關鍵詞：新型裝置；機械化；自動化 Abstract With the needs of the development of industrial automation, manipulator in industrial application in more and more important.

4、 This paper mainly describes the design process of manipulator. In the industrial production line, manipulator a wide range of applications, enhanced the production of automation and refinement. Manipulator is mechanized, automatic production process in developing a new device together. In recent ye

5、ars, with electronic technology, especially the wide application of electronic computers, robot has become the development and production of high-tech technology developed quickly in a new technology, it is the development of the manipulator promote more, make manipulator with to better achieve orga

6、nic combination of mechanization and automation. As though the manipulator as flexible hands, but it has may repeat work, is poor in conditions can work under conditions, load, etc, so precise position by many departments, manipulator attention to, and has been applied more and more widely. Keywords

7、: new device; Mechanization; automation 目目 錄錄 引引 言言.1 1 第一章、總體技術方案及系統(tǒng)組成第一章、總體技術方案及系統(tǒng)組成.2 2 1.11.1 原始數(shù)據原始數(shù)據 2.22.2 工作要求：工作要求： 2.32.3 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 2.42.4 務介紹及意義務介紹及意義 第二章、機械手的氣動控制部分第二章、機械手的氣動控制部分.2 2 2.22.2 氣控設計任務明細氣控設計任務明細 2.2 液壓傳動的工作特性 .3 2.3 液壓系統(tǒng)的組成 .3 2.4 液壓系統(tǒng)的優(yōu)、缺點 .3 第三章、機械手直動型弧面凸輪控制部分第三章、機械手直動型弧面凸輪控

8、制部分.4 4 結束語結束語.8 8 參考文獻參考文獻.9 9 致致 謝謝.1010 引引 言言 氣動技術是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動的介質來自于空氣，環(huán)境污染 小，工程容易實現(xiàn)，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應用技術。 氣動技術在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個 制造行業(yè)，尤其在各種自動化生產裝備和生產線中得到了廣泛的應用，極大地提高了 制造業(yè)的生產效率和產品質量。氣動系統(tǒng)的應用，引起了世界各國產業(yè)界的普遍重視， 氣動行業(yè)已成為工業(yè)國家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。 間歇傳動是自動機械和半自動機械常見的機械傳動方式之一，其作用是使設備中 某

9、些構件產生周期性的運動和停歇。 近年來，自動機械手發(fā)展很快，純機械的機械手，在可靠性,價格方面具有優(yōu)越性。 弧面凸輪機械手作為一種新型機械手，具有結構緊湊、可靠性好、成本低、精度高的 點，在現(xiàn)代生產上仍具有十分重要的地位。 本設計將氣控傳動和間歇傳動這兩種現(xiàn)代機械中重要的傳動方式結合一起實現(xiàn)兩 者性能取優(yōu)，完成在一定工作要求下的機械手運作。 第一章第一章 總體技術方案及系統(tǒng)組成總體技術方案及系統(tǒng)組成 1.11.1 原始數(shù)據原始數(shù)據 負載重量：10kg 重復定位精度：0.1mm 自由度：4（x1的移動，y1軸的移動，x2軸的轉動，y2軸的移動） X1：氣臂的左右平移 Y1：氣臂的上下移動 X2：

10、凸輪臂左右平移 Y2：凸輪臂上下移動 各軸最大運動速度： 氣缸工作移動速度控制3m/min。 凸輪每半個周期0.5s 1.21.2 工作要求：工作要求： 機械手的工藝流程： 一區(qū)工作：機械手原點氣控部分使機械手下移機械手抓取并夾緊（裝貨）氣控 使機械手后移機械手松開（卸貨）氣控使機械手上移氣控使機械手前移回氣缸 原點（此時凸輪控制部分工作完成前半個周期運作，到達二區(qū)） 二區(qū)工作：氣缸在原點氣控部分使機械手下移機械手抓取并夾緊（裝貨）氣控 使機械手后移機械手松開（卸貨）氣控使機械手前移回氣缸原點（此時凸輪控制 部分工作完成后半個周期運作，到達一區(qū)，即機械手原點）。如下圖： 凸輪控制部分 氣動控制

11、 裝貨 卸貨 卸貨 裝貨 一區(qū) 二區(qū) 11 2 2 機構簡圖 1.31.3 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 本基械手系統(tǒng)由機體，傳送機構，動力源和控制裝置四部分組成。其中機體由凸輪 機構組成 （氣缸裝于凸輪手臂上）；傳送機構主要由伸縮臂及抓緊機構所組成；動力 源由氣壓驅動和機械驅動（電機驅動）；控裝置主要由自動控制（感控制驅動凸輪電 機的停止與運行）和動控制兩部分組成。 1.41.4 設計任務介紹及意義設計任務介紹及意義 通過課程設計培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個 重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設計是建立在專業(yè)基礎課和專業(yè)方向課的基礎的，是學生根據所 學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義

12、在于： 1培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產品） 的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領域。 2培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫 技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。 3培養(yǎng)學生掌握機電產品設計的一般程序方法，進行工程師基本素質的訓練。 4樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。 第二章機械手的氣動控制部分第二章機械手的氣動控制部分 2.12.1 氣控設計任務明細氣控設計任務明細 2.1.1該機械手的功能：將貨物自動放到坐標位置（300，300）處，并延時 1 分 鐘等待卸貨，然后返回原點位置，

13、延時 1 分鐘等待裝貨。 2.1.2任務要求： 執(zhí)行元件：氣動氣缸； 運動方式：直角坐標； 控制方式：PLC 控制； 控制要求：位置控制； 主要設計參數(shù)參數(shù)： 氣缸工作行程800 mm； 運動負載質量100 kg； 移動速度控制3m/min。 2.1.3具體步驟如下： （1）先根據參考資料，確定合適的設計方案。 （2）通過計算、分析設計執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內徑、壁厚，活塞桿的直徑， 耗氣量的計算，驗算設計結果，導向裝置的設計，驅動元件的選擇，管路設計， 底座的設計. （3）根據動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設計，完成機械系統(tǒng)的主要 部件圖。 （4）應用啟動原理圖，設計控制電路，編寫控制

14、程序，繪制電氣控制電路原理 圖。 1. 安裝于凸輪臂上(氣動部分機身) 2.水平臂 3.豎直臂 4.夾緊手 圖 1.氣動機械手示意圖 參閱各種氣壓設計書籍和論文，對照設計任務要求，并通過對以前學習過的課程進 行綜合考慮，設計出的氣動機械手的示意圖如圖1所示。機械手采用氣壓傳動，選用品 質精良的氣動元件組合而成，為直角坐標式機械手結構，實現(xiàn)2個自由度，由機身、水 平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動作， 可以方便的通過節(jié)流閥調節(jié)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面內點對點的移動。 機械臂用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸，其控制系統(tǒng)采用目前控制領 域應

15、用比較普遍、性能優(yōu)越的PLC 該系統(tǒng)要求該氣動機械手的動作邏輯順序為： 升降氣缸 3 下降抓取工件 氣缸 2 左移卸貨升降氣缸 3 上升氣缸 2 右移回氣缸原點，完成一次物料 的搬運。 2.2.機械傳動系統(tǒng)設計 本方案的機械設計中重在氣缸的設計，氣缸 1 的作用是實現(xiàn)物料的橫向移動，氣缸 2 的作用是實現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以 達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的 剛度以保證運動精度和定位精度 氣缸的設計流程圖如圖 3 所示 圖 3 氣缸設計流程圖 氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側

16、輸入高 壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側輸入壓力油，活塞的正 反向運動均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運動，有外力使活塞反向運動， 而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同， 所以該方案采用雙作用單活塞缸。 2.2.1 縱向氣缸的設計計算與校核: 由設計任務可以知道，要驅動的負載大小位 100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能 輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考 慮到機械爪的質量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率 ： 由液壓與氣壓傳動技術表 11-1： 運動速度 v=3m/m

17、in=50mm/s，取 =0.60，所以實際液壓缸的負載大小為： F=F0/=1633.3N 2.2.2 氣缸內徑的確定 D=1.27=1. =66.26mm .3 0.6 106 F氣缸的輸出拉力 N； P 氣缸的工作壓力 Pa 按照 GB/T2348-1993 標準進行圓整，取 D=80 mm 氣缸缸徑尺寸系列氣缸缸徑尺寸系列 8 1 0 12 1 6 20 2 5 32 4 0 5 0 6 3 8 0 （90 ） 1 0 0 （110 ） 1 2 5 （140 ） 1 6 0 （180 ） 2 0 0 （220 ） 2 5 0 3 2 0 4 0 0 5 0 0 630 2.2.3 活塞

18、桿直徑的確定 由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=25 mm 2.2.4 缸筒長度的確定 缸筒長度 S=L+B+30 L 為活塞行程；B 為活塞厚度 活塞厚度 B=(0.6 1.0)D= 0.780=56mm 由于氣缸的行程 L=800mm ,所以 S=L+B+30=886 mm 導向套滑動面長度 A: 一般導向套滑動面長度 A，在 D80mm 時, 可 取 A=(0.6 1.0)d。 所以 A=25mm 最小導向長度 H： 根據經驗，當氣缸的最大行程為 L，缸筒直徑為 D，最小導向長度為：H 代入數(shù)據 即最小導向長度H=80mm 活塞桿的長度 l=L+B+A+80=800+56+25+40

19、=961 mm 2.2.5 氣缸筒的壁厚的確定 由液壓氣動技術手冊可查氣缸筒的壁厚 可根據薄避筒計算公式進行計算： 式中 缸筒壁厚（m） ； D缸筒內徑（m） ； P缸筒承受的最大工作壓力（MPa） ； 缸筒材料的許用應力（MPa） ； 實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的 7 倍；重型氣缸約取計算 值的 20 倍，再圓整到標準管材尺碼。 參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核 ,我們的缸體的材料選擇 45 鋼，=600 MPa， =120 MPa = 600 5 n 為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa) P缸筒承受的最大工作壓力（MPa） 。當工作壓力 p1

20、6 MPa 時，P=1.5p；當工作 壓力 p16 MPa 時，P=1.25p 由此可知工作壓力 0.6 MPa 小于 16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa =0.3mm 0.9 80 2 120 參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm 2.2.6 氣缸耗氣量的計算 Q = = = 2 4 + =1.85/s 2.2.7 氣缸進排氣口直徑 d0 V-空氣流經進排氣口的速度，可取 v=10 15）選取 v=12m/s 由公式 d0 = 2 代入數(shù)據得 d0 = 14.014 mm 所以取氣缸排氣口直徑為 15 mm Q 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（） 3 V-空氣流經進

21、排氣口的速度，可取 v=10 25 2.32.3 橫向氣缸的設計計算與校核橫向氣缸的設計計算與校核: : 如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對活塞桿的強度要求很高，耗費 原材料，且壽命減短，極為不合理。故在縱向氣缸上端鉸接一工型導軌，以分擔橫向氣 缸的徑向力，使整個系統(tǒng)簡約合理。 這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。 估算 縱向氣缸的重量=7.9=12.30 Kg 103 活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 Kg 活塞及缸蓋重量=9 Kg m其它 所以 橫行氣缸的總載荷為:F總= (12.3+3.72+9+100)= 208.3 N 9.8

22、 F= = =347.17N 208.3 0.6 2.3.1 氣缸內徑的確定 D=1.27= 1.271.27 =30.55mm 208.3 0.6 0.6 106 F氣缸的輸出拉力 N； P 氣缸的工作壓力 Pa 按照 GB/T2348-1993 標準進行圓整，取 D=32 mm 氣缸缸徑尺寸系列 810121620253240506380 （90 ） 10 0 （110 ） 12 5 （140 ） 16 0 （180 ） 20 0 （220 ） 25 0 32 0 40 0 50 0 630 間的 2.3.22.3.2 活塞桿直徑的確定活塞桿直徑的確定 由 d=0.3D 估取活塞桿直徑 d

23、=10mm 減速裝置，使傳動簡化。 2.3.32.3.3 缸筒長度的確定缸筒長度的確定 缸筒長度 S=L+B+20 L 為活塞行程；B 為活塞厚度 活塞厚度 B=(0.6 1.0)D= 0.732=23mm 由于氣缸的行程 L=800mm ,所以 S=L+B+20=843mm 導向套滑動面長度 A: 一般導向套滑動面長度 A，在 D80mm 時, 可 取 A=(0.6 1.0)d。 所以 A=20mm 最小導向長度 H： 根據經驗，當氣缸的最大行程為 L，缸筒直徑為 D，最小導向長度為：H 代入數(shù)據 即最小導向長度 H + =56 mm 32 2 活塞桿的長度 l=L+B+A+40=800+2

24、3+20+60=903 mm 2.3.42.3.4 氣缸筒的壁厚的確定氣缸筒的壁厚的確定 由液壓氣動技術手冊可查氣缸筒的壁厚 可根據薄避筒計算公式進行計算： 式中 缸筒壁厚（m） ； D缸筒內徑（m） ； P缸筒承受的最大工作壓力（MPa） ； 缸筒材料的許用應力（MPa） ； 實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的 7 倍；重型氣缸約取計算 值的 20 倍，再圓整到標準管材尺碼。 參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核 ,我們的缸體的材料選擇 45 鋼，=600 MPa， =120 MPa = 600 5 n 為安全系數(shù) 一般取 n=5； 缸筒材料的抗拉強度(Pa) P缸筒承受的

25、最大工作壓力（MPa） 。當工作壓力 p16 MPa 時，P=1.5p；當工作 壓力 p16 MPa 時，P=1.25p 由此可知工作壓力 0.6 MPa 小于 16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa =0.12mm 0.9 32 2 120 參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 3mm 2.3.52.3.5 氣缸耗氣量的計算氣缸耗氣量的計算 Q = = = 2 4 + =0.30/s 2.3.62.3.6 氣缸進排氣口直徑氣缸進排氣口直徑 d d0 0 v空氣流經進排氣口的速度，可取 v=10 15） 選取 v = 12 m/s 由公式 d0 = 2 代入數(shù)據得 d0 = 5.

26、643 mm 所以取氣缸排氣口直徑為 8 mm R 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（） 3 V-空氣流經進排氣口的速度，可取 v=10 25） 2.42.4 連接與密封連接與密封 氣缸的連接與密封直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確的選用連接和密封裝置， 對保證氣缸正常工作有著十分重要的意義。 缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，本 氣缸四根采用拉桿式雙頭螺栓連接，由于工作壓力小于 1MPa，不需要強度校核。根據 許用靜載荷，查機械設計手冊單行本表 22-1-58，分別選用 M10、M6 的螺栓。 對于活塞與氣缸筒之間采用兩個 Y 型密封圈，其它摩擦副均使用 O 型

27、密封圈密封。 O 型密封圈密封可靠，結構簡單，摩擦阻力小。O 型密封圈安裝后，比被密封表面的內 徑大。Y 型密封圈密封可靠，使用壽命長，摩擦阻力較 O 型圈大。 第三章 機械手直動型弧面凸輪控制部分 3.1 方案的擬定與比較 3.1.1 設計要求 一主要參數(shù)，如表1所示 表1 主要參數(shù) 項目 相關參數(shù) 周期 1s 承載能力 300kg 凸輪與從動盤間的中心距 150mm 水平行程 500mm 豎直行程 70mm 二運動循環(huán)要求二運動循環(huán)要求 此機械手用于沖模送料中，其輸出軸的運動軌跡。此機械手用于沖模送料中，其輸出軸的運動軌跡。 1 2 34 5 6 停歇期 停歇期 圖圖1 1 運動循環(huán)圖運動

28、循環(huán)圖 1 1、3 3、4 4、5 5 是升降運動，其高度就是機械手的豎直行程。是升降運動，其高度就是機械手的豎直行程。3 3、6 6 為水平運動。機械為水平運動。機械 手在凸輪控制進行升降與水平運動完成機械手一區(qū)和二區(qū)的交換工作。首先控制部分手在凸輪控制進行升降與水平運動完成機械手一區(qū)和二區(qū)的交換工作。首先控制部分 在其原點，當氣動控制部分完成一次完整操作時凸輪就在傳感系統(tǒng)的控制下完成半個在其原點，當氣動控制部分完成一次完整操作時凸輪就在傳感系統(tǒng)的控制下完成半個 周期的動作（圖周期的動作（圖1:1.2.31:1.2.3到達二區(qū)工作實現(xiàn)其控制要求。當氣控部分完成一次完整操作到達二區(qū)工作實現(xiàn)其控

29、制要求。當氣控部分完成一次完整操作 時凸輪就在傳感系統(tǒng)的控制下完成下半個周期的動作時凸輪就在傳感系統(tǒng)的控制下完成下半個周期的動作( (即圖即圖1:4.5.6)1:4.5.6)到達機械手原點實到達機械手原點實 現(xiàn)循環(huán)現(xiàn)循環(huán) 凸輪機械手的實際運動軌跡是由水平和升降兩種直線運動組合而成的，分別靠相應凸輪機械手的實際運動軌跡是由水平和升降兩種直線運動組合而成的，分別靠相應 的凸輪來控制實現(xiàn)，要求兩個凸輪的運動有良好的配合。的凸輪來控制實現(xiàn)，要求兩個凸輪的運動有良好的配合。 3.23.2 方案擬定方案擬定 確定方案：確定方案： 采用兩個弧面凸輪，從動盤上有兩個軸線沿轉盤徑向分布的滾子，跨在凸輪圓環(huán)面采用

30、兩個弧面凸輪，從動盤上有兩個軸線沿轉盤徑向分布的滾子，跨在凸輪圓環(huán)面 的突脊上?？枯喞嫱苿訌膭颖P擺動，從而實現(xiàn)輸出手臂的水平豎直運動?？梢娪疫叺耐患股?。靠輪廓面推動從動盤擺動，從而實現(xiàn)輸出手臂的水平豎直運動?？梢娪疫?的示意圖：圖的示意圖：圖2 2所示。所示。 方案結構簡單，采用空間凸輪，設計、加工復雜，在數(shù)控機床上可加工出高精度的方案結構簡單，采用空間凸輪，設計、加工復雜，在數(shù)控機床上可加工出高精度的 空間凸輪?？臻g凸輪。 3.33.3 主要運動參數(shù)和幾何尺寸的確定主要運動參數(shù)和幾何尺寸的確定 3.3.13.3.1 凸輪升程角及停歇角分布凸輪升程角及停歇角分布 本設計根據要求機械手連續(xù)運作時每分鐘的工作循環(huán)本設計根據要求機械手連續(xù)運作時每分鐘的工作循環(huán) 6060次，工作循環(huán)時間即周期次，工作循環(huán)時間即周期 TpTp1s1s。 由于凸輪機械手運動曲線由兩組獨立的弧面凸輪經一定的機構變換組合而成。經分由于凸輪機械手運動曲線由兩組獨立的弧面凸輪經一定的機構變換組合而成。經分 解后，可知其有以下幾個時間段組成。如圖解后，可知其有以下幾個時間段組成。如圖3 3所示。所示。 3.3.2