基于PLC控制的三自由度氣動機械手設計
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基于PLC控制的三自由度氣動機械手設計 IV
摘 要
在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應用，大大地改善了工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。
本文通過對機械手的組成和分類，及國內(nèi)外的發(fā)展狀況的了解，對本課題任務進行了總體方案設計。確定了機械手用三自由度和圓柱坐標型式。設計了機械手的夾持式手部結構；以及設計了機械手的總體結構，以實現(xiàn)機械手伸縮，升降，回轉三個自由度及手爪的開合。驅(qū)動方式由氣缸來實現(xiàn)手臂伸縮和升降，異步電機來實現(xiàn)機械手的旋轉。
運用了FX 系列可編程序控制器（PLC）對上下料機械手進行控制, 論述了電氣控制系統(tǒng)的硬件設計, 控制軟件結構以及手動控制程序和自動控制程序的設計。
關鍵詞：機械手，氣缸，可編程序控制器
Abstract
In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly.
This article through to manipulator's composition and the classification, and the domestic and foreign development condition's understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulator's clamp type hand structure; As well as has designed manipulator's gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernail's opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulator's revolving.
The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program.
Key words: manipulator, air cylinder, Programmable controller（PLC）
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目 錄
1 緒言 1
1.1 機械手的概述 1
1.2 我國機械手的發(fā)展 1
1.3 氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 3
1.4 本課題設計要求 5
2 機械手的總體設計方案 7
2.1 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7
2.2 機械手基本形式的選擇 8
2.3 驅(qū)動機構的選擇 9
2.4 機械手的技術參數(shù)列表 9
3 機械手的機械系統(tǒng)設計 11
3.1 機械手的運動概述 11
3.2 機器人的運動過程分析 12
4 機械手手部結構設計及計算 13
4.1 手部結構 13
4.2 手部結構設計及計算 14
4.3 夾緊氣缸的設計 16
5 機械手手臂機構的設計 22
5.1 手臂的設計要求 22
5.2 伸縮氣壓缸的設計 22
5.3 導向裝置 27
6 機械手腰部和基座結構設計及計算 29
6.1 結構設計 29
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設計 29
6.3 導向裝置 33
6.4 平衡裝置 33
6.5 基座結構設計 34
7 氣動系統(tǒng)設計 37
7.1 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖 37
8 機械手的PLC控制系統(tǒng)設計 39
8.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 39
8.2 可編程序控制器的使用步驟 40
8.3 機械手可編程序控制器控制方案 40
9 結論 52
參考文獻 53
致謝 54
基于PLC控制的三自由度氣動機械手設計 55
1 緒言
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進行裝配。機械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
1.1 機械手的概述
機械手（又稱機器人，機械人，英文名稱：Robot），在人類科技發(fā)展史上其來有自。早在三國時代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國人的智能結晶。隨著近代的工業(yè)革命，機器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。由于科學幻想所系的“永動機”、太空探險以及夢想解決人的機能所無法達致境界的求新意念，推動科學家想研究創(chuàng)造出種種能夠代替人的機械。上世紀六、七十年代的自動化機器、無人操縱的飛行器等等，即是此產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條上的一個大膽的嘗試與突破。雖然，后來電腦、電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)達引開了人們關注的熱點，但關于機械手的研究與開發(fā)一直在持續(xù)進行著。而近二十年中，因為電腦技術、電子產(chǎn)品及生物遺傳工程等技術的大踏步發(fā)展，“機械手”的研發(fā)熱潮已從專業(yè)人士的實驗室中走了出來，成為一種綜合科研能力的開發(fā)活動，參與者也打破了各行各業(yè)的劃地為牢、各自為政的困局，開始了縱橫連合，爭奇斗妍，蔚成熱潮的研究與制作嘗試。
機械手的研究從一開始就是擬人化的，所以才有機械臂的開發(fā)與制作，也是為了以機械來代替人去做人力所無法完成的勞作或探險。但近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。大而言之，用之于太空開發(fā)，月球車，深海探測器，海洋石油開采，航天飛機機械臂等，小至微型手術機械，生命監(jiān)測儀等。軍事上的用途更是日新月異，從拆彈器、清除地雷器到無人駕駛飛機、戰(zhàn)車，有人甚至預測未來戰(zhàn)爭可能如星球大戰(zhàn)一樣，是機械手的戰(zhàn)爭。至于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、遺傳生物產(chǎn)業(yè)、醫(yī)學、文化產(chǎn)業(yè)、電訊業(yè)、能源開發(fā)，都將因機械手的大量登場而出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。英國電訊公司未來學部門研究員曾因準確預測手機短訊、垃圾電郵及網(wǎng)上搜尋引擎的出現(xiàn)而聞名，在最近公布的科技展望五十年的預測中，其中就有數(shù)條是關于機械手的[1]。
1.2 我國機械手的發(fā)展
第一臺機械手出現(xiàn)后20年，我國于1972年開始研制機械手，由上海起，接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個研究單位和院校分別開發(fā)了固定程序、結合式、液壓伺服型同用機械手，并開始了機構學（包括步行機構）、計算機控制和應用技術的研究，這些機械手大約有1/3用于生產(chǎn)。
在該技術的推動下，隨著改革開放方針的實施，我國機械手技術的發(fā)展得到政府的重視和支持，在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機械手的需求的行業(yè)的調(diào)研，結果表明，對第二代工業(yè)機械手的需求主要集中于汽車行業(yè)（占總需要的60%～70%）。在眾多的專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機電部主持，中央各部委，中科院及地方十幾所科研院所和大學參加，國家投入相當?shù)馁Y金，進行了工業(yè)機械手基礎技術，基礎元器件，幾類工業(yè)機械手整機及應用工程的開發(fā)研究，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機械手成套技術（包括機械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動傳動單元、測試系統(tǒng)的設計、制造、應用和小批量生產(chǎn)的工藝技術等）的開發(fā)，研制出噴涂、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機械手整機，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關鍵元部件如交、直流伺服馬達驅(qū)動單元機械手專用薄壁軸承、諧波傳動系統(tǒng)、焊接電源和變壓器等，并在生產(chǎn)中經(jīng)過實用考核，其主要性能指標達到80年代初國際同類產(chǎn)品的水平，且形成小批量生產(chǎn)能力。在應用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產(chǎn)機械手的生產(chǎn)線－東風系列駕駛室多品種混流機械手噴涂生產(chǎn)線，該線由7臺國產(chǎn)PJ系列噴涂機械手和PM系列噴涂機械手和周邊設備構成，已運行十年，完成噴涂20萬輛東風系列駕駛室的生產(chǎn)任務，成為國產(chǎn)機械手應用的一個窗口；此外，還建立了幾個弧焊和點焊機械手工作站。與此同時，還研制了幾種SCARA型裝配機械手樣機，并進行了試應用。在基礎技術研究方面，解剖了國外10余種先進的機型，并進行了機構學，控制編程，驅(qū)動傳動方式，檢測等基礎理論與技術的系統(tǒng)研究。開發(fā)出具有國際先進水平的測量系統(tǒng)，編制了我國工業(yè)機械手標準體系和12項國標，行標。
為了跟蹤國外高技術，80年代在國家高技術計劃中，安排了智能機械手的研究開發(fā)，包括水下無纜機械手，高功能裝配機械手（DD驅(qū)動）和各類特種機械手，進行了智能機械手體系結構，機構控制，人工智能機器視覺，高性能傳感器及新材料的應用研究已取得一批成果。這些技術的實用化將加速我國第二代機械手的發(fā)展[2]。
經(jīng)過80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多個單位從事機械手及其相關技術的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機械手技術地區(qū)和十幾家優(yōu)勢單位，培養(yǎng)了一支2000多人的工業(yè)機械手設計、研制、應用隊伍，造就了一批機械手專家，使我國的工業(yè)機械手技術發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。
90年代初期，我國主要開發(fā)下列機械手：
（1）噴涂機械手
（2）焊接機械手
（3）搬運機械手
（4）裝配機械手
在90年代中期，國家已選擇以焊接機械手的工程應用為重點進行開發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機械手應用工程成套開發(fā)技術、關鍵設備制造、工程配套、現(xiàn)場運行等技術，即以機械手焊接工藝為龍頭，開展焊裝線總體設計、線體總控及多機通訊，新型焊接機械手用焊接電源、送絲機構、焊縫跟蹤系統(tǒng)、機電精度、控制技術等開發(fā)及完善化，以及幾條焊裝生產(chǎn)線的全套應用及其可行性作為主攻目標。
雖然我國的機械手研發(fā)工作基本上屬于科學研究的項目，但據(jù)說，中國科學院目前已造出說話時嘴唇能夠活動、眼睛能轉動、具視覺功能的機械手，其水準可媲美日本同行，但這臺機械手體形甚大，卻未能以雙腳走路。在日本，機械手能否以二腳行走已成為一個熱門及熟練的技術競賽項目，譬如有“二足機械人競賽大會”（分等級）。其實，機械手的制作絕對并非只是液壓機械與電子產(chǎn)品的混成物，要將機械手造得越來越有人性化，就要兼及生命醫(yī)學、傳感、光學及創(chuàng)造性的文化產(chǎn)業(yè)等方面，比如機械手的關節(jié)就需要研究中醫(yī)的經(jīng)絡學、生物學上的神經(jīng)刺激反應以及文化產(chǎn)品的某種造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英國的科學家甚至預言，到2020年，隨著機械手愈來愈精密和使用有機零件制造，它們將會受到“機械手權”的保護。
1.3 氣動機械手的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
近20年來, 氣動技術的應用領域迅速拓寬, 尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合, 使整個系統(tǒng)自動化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠； 氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對氣動技術提出了更多更高的要求; 微電子技術的引入, 促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展, 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制, 控制精度不斷提高; 由于氣動脈寬調(diào)制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點, 國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。
從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看, 近30多年來, 氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代, 液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為9∶1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家, 該比例已達到6∶4, 甚至接近5∶5。我國的氣動行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始, 氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上, 高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用, 氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。
1.3.1 氣動技術及氣動機械手的發(fā)展過程
氣動技術是以空氣壓縮機為動力源, 以壓縮空氣為工作介質(zhì), 進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術,是實現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。
大約開始于1776年, Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機。1880年, 人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置, 將它成功地用到火車的制動上。20世紀30年代初, 氣動技術成功地應用于自動門的開閉及各種機械的輔助動作上。至50年代初, 大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過來, 體積很大。60年代，開始構成工業(yè)控制系統(tǒng), 自成體系, 不再與風動技術相提并論。在70年代, 由于氣動技術與電子技術的結合應用, 在自動化控制領域得到廣泛的推廣。80年代進入氣動集成化、微型化的時代。90年代至今, 氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū), 經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展, 人們克服了閥的物理尺寸局限, 真空技術日趨完美, 高精度模塊化氣動機械手問世, 智能氣動這一概念產(chǎn)生, 氣動伺服定位技術使氣缸高速下實現(xiàn)任意點自動定位, 智能閥島十分理想地解決了整個自動生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。
氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。
氣動機械手強調(diào)模塊化的形式, 現(xiàn)代傳輸技術的氣動機械手在控制方面采用了先進的閥島技術(可重復編程等) , 氣動伺服系統(tǒng)(可實現(xiàn)任意位置上的精確定位) , 在執(zhí)行機構上全部采用模塊化的拼裝結構。
90年代初, 由布魯塞爾皇家軍事學院Bando教授領導的綜合技術部開發(fā)研制的電子氣動機械手——“阿基里斯”六腳勘探員, 是氣動技術、PLC控制技術和傳感技術完美結合產(chǎn)生的“六足動物”6個腳中的每一個腳都有3個自由度, 一個直線氣缸把腳提起、放下, 一個擺動馬達控制腳伸展/退回運動, 另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心做旋轉之用。
由漢諾威大學材料科學研究院設計的氣動攀墻機械手, 它集遙感技術和真空技術于一體, 成功地解決了垂直攀緣等視為危險工作的操作問題。
Tron-X電子氣動機械手, 能與人親切地握手,它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運動, 并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下(或通過自身的編程控制) 能與人進行對話, 或作自我介紹等。Tron-X電子氣動機械手集電子技術、氣動技術和人工智能為一體, 它告訴我們, 氣動技術能夠?qū)崿F(xiàn)機械手中最難解決的靈活的自由度, 具有在足夠工作空間的適應性、高精度和快速靈敏的反應能力。
1.3.2 氣動機械手的應用現(xiàn)狀
由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結構簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等優(yōu)點。所以, 氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。
現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線, 尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線, 大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動； 車身外殼被真空吸盤吸起和放下, 在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊, 都采用了各種特殊功能的氣動機械手。高頻率的點焊、力控的準確性及完成整個工序過程的高度自動化, 堪稱是最有代表性的氣動機械手應用之一。
在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上,在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上, 不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪, 還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住, 運送到指定目標位置。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng), 采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝； 用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手, 牛奶盒裝箱氣動機械手等。
此外, 氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫(yī)療器械上。如: 氣動自動調(diào)節(jié)病床,機械手,外科手術機械手等[3]。
1.3.3 發(fā)展前景及方向
?。?）重復高精度
?。?）模塊化
?。?）無給油化
（4）機電氣一體化
氣動技術經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程, 隨著氣動伺服技術走出實驗室, 氣動技術及氣動機械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手三足鼎立的局面。我國對氣動技術和氣動機械手的研究與應用都比較晚, 但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大, 我國自主研制的許多氣動機械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應用, 為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質(zhì)技術基礎。由于氣動機械手有結構簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點, 可以預見, 在不久的將來, 氣動機械手將越來越廣泛地進入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領域。
1.4 本課題設計要求
本課題將要完成的主要任務如下:
（1）機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。
（2）選取機械手的座標型式和自由度。
（3）設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括:手部、手臂等部件的設計。
為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。
（4）氣壓傳動系統(tǒng)的設計
本課題將設計出機械手的氣壓傳動系統(tǒng)，包括氣動元器件的選取，氣動回路的設計，并繪出氣動原理圖。
（5）機械手的控制系統(tǒng)的設計
本機械手擬采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制，本課題將要選取PLC型號，根據(jù)機械手的工作流程編制出PLC程序，并畫出梯形圖
2 機械手的總體設計方案
2.1 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成
機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的要求達到設定位置[4]。
（一）執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
（1）手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
（2）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、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)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。
（3）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。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
（4）機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用[6]。
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、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、機械傳動[5]。
（三）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。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，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)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。
（四）位置檢測裝置
控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置.
2.2 機械手基本形式的選擇
常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下4種，如圖2-1所示: (1)直角坐標型機械手；(2)圓柱坐標型機械手； ( 3)球坐標(極坐標)型機械手；(4)多關節(jié)型機機械手。
圖2-1 工業(yè)機械手基本結構形式
其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型[6]。
2.3 驅(qū)動機構的選擇
驅(qū)動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 機械手的驅(qū)動方式共有三種方式:氣動方式,液壓方式,電驅(qū)動方式[7]。
（1）氣動方式: 成本低,出力小,噪聲大,控制簡單。但難以準確控制位置和速度。屬于簡單非伺服型。
（2）液壓方式: 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動力源,漏油和油性變化會影響系統(tǒng),各軸耦合較強,成本較高。可用于易爆的環(huán)境。
（3）電驅(qū)動方式:
A 步進驅(qū)動: 功率小,開環(huán)控制,控制簡單,可能失步。
B 直流驅(qū)動: 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護,不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。
C 交流驅(qū)動: 維護簡單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性差。
根據(jù)設計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用電機驅(qū)動和減速機傳動來實現(xiàn)機器人的旋轉運動；利用氣壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用氣壓缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用夾持式手部結構，用小型氣壓缸驅(qū)動夾緊。
2.4 機械手的技術參數(shù)列表
2.4.1 用途
搬運:用于車間搬運
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運送到另一個指定的位置進行裝配。機械手臂代替了人工的繁雜勞動，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2.4.2 設計技術參數(shù):
1. 機械手最大抓重: 1kg
2. 工件尺寸： 直徑約1.5～2cm
3. 自由度數(shù): 3個自由度
4. 坐標型式: 圓柱坐標
5. 手指開合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）
6. 支座旋轉角度: 90°（最大速度: 90度每秒）
7. 手臂運動參數(shù)
伸縮行程：100mm
伸縮速度：100mm/s
升降行程：200mm
升降速度：100mm/s
8. 機械手（重復）定位精度：
3 機械手的機械系統(tǒng)設計
3.1 機械手的運動概述
機械手的運動，可從該機械手的自由度，工作空間和機械結構類型等三方面來討論。
圖3-1 機械手的機構簡圖
（1）機械手的運動自由度
所謂機械手的運動自由度是指確定一個機械手操作位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它是表示機械手動作靈活程度的參數(shù)。
本設計的機械手具有轉動副和移動副兩種運動副，具有手臂伸降，旋轉，前后往復三自由度,如圖3-1所示。
（2）機械手的工作空間
工作空間是指機械手正常運行時，手部參考點能在空間活動的最大范圍，是機械手的主要技術參數(shù)，工作空間圖如圖3-2所示。
圖3-2 工作空間圖
（3）機械手的機械結構類型
圓柱坐標型為本設計所采用方案，這種運動形式是通過一個轉動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)（代號RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標型比較，在相同的工作條件下，機體占體積小，而運動范圍大。
3.2 機器人的運動過程分析
工業(yè)機器人的運動過程中各動作如表3-1所示。
表3-1工業(yè)機器人的運動過程中各動作
機械手開機，處于A位
工步一
旋轉至B位
工步二
手臂下降
工步三
手臂伸出
工步四
夾緊工件
工步五
手臂收縮
工步六
手臂上升
工步七
旋轉至A位
工步八
手臂下降
工步九
放松工件
工步十
手臂上升
工步十一
實現(xiàn)運動過程中的各工步是由機械手的控制系統(tǒng)和各種檢測原件來實現(xiàn)的，這里尤其要強調(diào)的是機械手對工件的定位夾緊的準確性[8]。
4 機械手手部結構設計及計算
4.1 手部結構
本課題中采用夾持式手部結構，由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機構。
4.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指；同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件[9]。
4.1.2 設計時考慮的幾個問題
（1）具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在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。
（2）手指間應具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
（3）保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
（4）具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
（5）考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型。
4.2 手部結構設計及計算
本課題氣動機械手的手部結構設計[10]如圖4-1所示：
圖4-1齒輪齒條式手部
手部驅(qū)動力的計算：
其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，，摩擦系數(shù)為。
（1）根據(jù)手爪類別,計算夾緊力。
圖4-2 手爪受力分析圖
如圖4-2所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：
（4-1）
式中，
-工件質(zhì)量，；
-重力加速度，；
-動態(tài)運動時產(chǎn)生的加速度，；
-安全系數(shù)；
-V型手爪張開的角度，；
-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手抓與工件材料都采用45鋼，查表得=0.25
所以
=
（2）根據(jù)手部結構的傳動示意圖4-1，其驅(qū)動力為:
(4-2)
所以
（3）實際驅(qū)動力:
(4-3)
因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的為勻速取時，則:
所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為。
4.3 夾緊氣缸的設計
4.3.1 主要尺寸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動與氣壓傳動》表4-1取氣缸工作壓力
表4-1 氣壓負載常用的工作壓力
負載F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
2.氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
本課題設計的氣缸屬于雙向作用氣缸。
單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側的有效面積不等?；钊笮袝r活塞桿產(chǎn)生推力，活塞右行時活塞桿產(chǎn)生拉力。
（4-4）
（4-5）
式中，
- 活塞桿上的推力，N
-活塞桿的拉力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
-活塞直徑，m
-活塞桿直徑，m
氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關，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的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計入載荷率后：
（4-6） （4-7）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。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，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。
由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:
（4-8）
代入有關數(shù)據(jù)，可得
查機械設計手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
3.缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
（4-9）
式中，
- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 氣缸試驗壓力，一般取（Pa）
-氣缸工作壓力 （Pa）
-缸筒材料許用應力（Pa）
本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4.手部活塞桿行程長L計算
活塞桿的位移量 （4-10）
氣缸（活塞）行程與其使用場合及工作機構的行程比有關。多數(shù)情況下不應使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機構。為保證夾緊效果，必須按計算行程多加的行程余量。
（4-11）
故查有關手冊圓整為
5.校核：
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗算：
當活塞桿的長度較小時，可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑有:
（4-12）
其中，[]，
則:
所以滿足實際設計要求。
（2）氣缸推力驗算：
=
=
由以上計算可知氣壓缸能產(chǎn)生的推力大于夾緊工件所需的推力。所以該氣缸滿足要求。
6.耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
(4-13)
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設計時要根據(jù)具體情況加以修正。
(4-14)
7.氣缸進排口的計算
氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑用下式計算：
(4-15)
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋[11]。故，
8.手抓部分總質(zhì)量估算
(4-16)
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
手抓部分總質(zhì)量約為
4.3.2 氣缸結構設計
1.缸筒和缸蓋的連接
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，參見表4-2。對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于時，一定要校核螺栓強度，必要時增加螺栓數(shù)量，例如6根[12]。
表4-2 缸筒和缸蓋的連接
查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺栓。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于，故無須校核螺栓強度。
2．活塞桿與活塞的連接結構
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結構和組合結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接[13]。
該氣缸選擇螺紋連接，結構簡單，裝卸方便，應用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
對密封元件的要求如下：
（1）密封性好，耐磨損，使用壽命長。
（2）穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。
（3）摩擦力小。
（4）密封件表面平整、光滑、無氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。
（5）結構簡單，成本低。
查閱機械手冊的表4-3 活塞的結構與密封形式
表4-3活塞的結構與密封型式
O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結構比較簡單，目前使用的范圍較廣。故采用O型密封圈。
4．氣缸的安裝連接結構
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結構需要，該氣缸用腳架式安裝連接[13]。
5 機械手手臂機構的設計
5.1 手臂的設計要求
（1）手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。
（2）根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。
（3）盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉軸的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運動的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。
（4）要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度[14]。
本設計中手臂由氣缸驅(qū)動實現(xiàn)上下運動，結構簡單，裝拆方便，還設計有兩根導柱導向，以防止手臂在活塞桿上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。它的結構如圖5-1所示。
1.橫梁 2.導向柱 3.活塞桿 4.螺母 5.墊片 6.氣壓缸 7.支撐架
圖5-1 手臂結構圖
選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結構，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉動。
5.2 伸縮氣壓缸的設計
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設計要求，結合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動與氣壓傳動》手冊表4-1氣壓負載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。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，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。
得 。
2．缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（4-9）計算:
設計的伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL106, []=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:。
3．手部活塞桿行程長確定
按設計要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關手冊圓整為。
4．活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當氣缸承受的軸向負載達到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5-1）
式中,
-氣缸承受的軸向負載，即氣缸的理論輸出推力，
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，
-氣缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關[15]。
當長細比時，
（5-2）
當長細比時，
（5-3）
式中，
活塞桿計算長度
活塞桿橫截面回轉半徑，
實心桿 （5-4）
空心桿 （5-5）
活塞桿斷面慣性矩
實心桿 （5-6）
空心桿 （5-7）
空心活塞桿內(nèi)孔直徑
活塞桿截面積
實心桿 （5-8）
空心桿 （5-9）
系數(shù)，查下表
材料彈性模量，對鋼取
材料強度實驗值，對鋼取
系數(shù)，對鋼取
查閱機械手冊氣缸設計章[16]由表得安裝方式為固定-自由式 取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實心桿
由于
用公式（5-3）：
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．驅(qū)動力校核
測定手爪與手爪氣缸質(zhì)量為，估算為，設計加速度，則慣性力：
（5-10）
考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),
總受力
所以該氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。
6．耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設計時要根據(jù)具體情況加以修正。
7．氣缸進排口的計算
氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑用下式計算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
8．前后運動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計算，質(zhì)量約為
5.2.2 氣缸結構設計
1．缸筒和缸蓋的連接
查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結構
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結構和組合結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結構簡單，裝卸方便，應用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設計、選擇和使用密封裝置，對保證氣缸的正常工作非常重要。
查閱機械手冊的表4-3 活塞的結構與密封型式
采用O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結構比較簡單，目前使用的范圍較廣。
4．氣缸的安裝連接結構
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。
由于結構需要，該氣缸用腳架式安裝連接。
5.3 導向裝置
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，在設計手臂結構時，采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。
導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用雙導向桿來增加手臂的剛性和導向性。
6 機械手腰部和基座結構設計及計算
6.1 結構設計
通過安裝在支座上的感應電動機5和減速機4直接驅(qū)動轉動殼體3轉動，從而實現(xiàn)機器人的旋轉運動，通過安裝在轉動機座上的氣缸1實現(xiàn)手臂的上下移動。采用了雙導柱2導向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉動，確保手臂隨機座一起轉動。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結構如圖6-1所示。
1-氣壓缸 2-導向柱 3-轉動殼體 4-減速機 5-感應電動機 6-機座
圖6-1腰部和基座結構圖
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設計
6.2.1 確定主要尺寸
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設計要求，結合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結構尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動與氣壓傳動》手冊表4-1氣壓負載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。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，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。得
2．缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
3．手部活塞桿行程長確定
按設計要求，腰部上下運行距離為20cm，即200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關手冊圓整為
4．活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當活塞桿的長度時，一般按壓桿穩(wěn)定性來計算活塞桿直徑。
當氣缸承受的軸向負載達到極限值后，極微小的干擾力都會使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件公式（5-1）：
當長細比時，
用公式（5-3）：
實心桿
實心桿
系數(shù)，由查表安裝方式為固定-固定式 得
材料強度實驗值，對鋼取
系數(shù)，對鋼取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實心桿
得
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．耗氣量的計算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計算值比實際值偏小，設計時要根據(jù)具體情況加以修正。
6．氣缸進排口的計算
氣缸的進排氣口當量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關，除特殊情況外，一般氣缸的進氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進排氣口當量直徑用下式計算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進排氣口的速度，一般取
把計算出來的氣缸進排氣口當量直徑進行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
7．上下移動氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關手冊， 45號鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計算，質(zhì)量約為：
故，總質(zhì)量：
6.2.2 氣缸結構設計
1.缸筒和缸蓋的連接
查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結構
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結構和組合結構。組合式結構又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結構簡單，裝卸方便，應用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設計、選擇和使用密封裝置，對
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