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1、基于PLC的全气动组合式机械手教学模型结题报告项目负责人：许万宝成员：袁延延周建宇王彬樊登高指导老师：梁艳2024年10月机械技术和以计算机为代表的微电子技术在相互渗透中获得快速发展，形成了机电一体化技术，本次设计是在以机电一体化思想为基础的前提下进行的，其中应用了一些现代机电一化的常用技术，充分体现本次设计的内涵。在本文中确定基于PLC的全气动组合式多功能机械手的主要技术参数，整体尺寸。设计基于PLC的全气动组合式多功能机械手的三种机械手爪，分别为机械夹持器、真空吸附手、充气膨胀手。在本文的撰写过程中，还给出了三种机械手的据图设计方案和详细零件的选择。基于PLC的全气动组合式多功能机械手在设
2、计的工程中还增加了了一个导向装置和平衡装置，这样使得机械手在运动的过程中更加的精确平稳。在当今的工业领域中，环保和科技处在科研的前端，利用先进的机械设备，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也可削减了企业在生产中出现的环境问题，更为优越的是削减了企业产品的制造成本，缩短了产品生产周期。此款工业设计不仅利用了环保的工作介质而且实现了多角度，多方位，多工作环境的设计理念。同样也把“平安生产”的目标放在首位，更是体现了我们国家“以人为本”“科教兴国”的战略方针。关键词：基于PLC的全气动组合式多功能机械手；机电一体化；自由度；可编程限制器(PLC)；10点；梯形图基于PLC的全气动组合式机械
3、手教学模型第一章绪论一、课题背景随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，人们对生产率也不断提出新要求，由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代限制理论的不断完善，使机械手技术得以快速发展，其中气动机械手系统由于其介质来源简便以及不会污染环境、组件价格低廉、修理便利和系统平安牢靠等特点，已经渗透到工业领域的各个部门中，在工业发展中占有特别重要的地位。现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等等，这些恶劣的生产环境不利于工人进行生产操作。气动机械手的问世，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受
4、体能的限制，特别便利。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动扮装置。目前，常用的机械手都是针对某一固定工件而设计的专用型机械手，没有通用性。为了扩大机械手的功能，实现“一手多用”的须要，我们对机械手实行了模块化设计，针对不同的抓取对象，如圆形棒料、圆锥形零件及薄板零件等等，选择设计了相应的手爪附件，如机械夹持器、真空吸附手和气袋膨胀手等等，以提高机械手的应用范围和设备的利用率。可编程限制器(PLC)由于其具有的高牢靠性、编程便利、易于运用和修改，易于扩展和维护，环境要求低、体积小巧，安装调试便利等优点，代替传统的继电器限制电路可以
5、大大提高整个限制系统的柔性。借助PLC强大的工业处理实力，很简洁实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手，在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工人的工作环境，减轻了工人的劳动强度，节约了成本，提高了生产效率，对现代工业的发展具有特别重要的意义。二、机械手的概念和分类（一）机械手的概念机械手，英文命mechanicalhand,是指能仿照人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以替代人进行繁重的劳动，以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以爱护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原
6、子能等部门。机械手主要是由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，依据被抓持物件的形态、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如加持型、托持型和吸附型等等。运动机构，使手部完成各种转动、摇摆、移动或复合运动来实现规定的动作，变更被抓持物件的位置和姿态、运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，被称为机械手的自由度。为了抓取空间中随意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的敏捷性越大，通用性越广，其结构也越困难。一般专用机械手有23个自由度。（二）机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按运
7、用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹限制方式可分为点位限制和连续轨迹限制机械手等等。三、基于PLC的全气动组合式多功能机械手探讨的主要内容和用途基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采纳气压驱动，并用PLC对气控回路进行限制以实现机械手的运动，将机械、气控回路与微电子有机地结合起来。目前，工业上运用的机械手大部分是采纳电机驱动或液压驱动的专用型机械手，而整个系统全部采纳气压驱动的组合式多功能机械手却还未见相关报道。气压驱动与电机驱动相比，更加适用于各种易燃、易爆、强磁等恶劣环境下工作。而与液压驱动相比则反应更加灵敏，动作更加快速，而且不存在工作介质变质的问题。将PLC代
8、替传统的继电器限制电路对机械手进行远距离限制，可以大大提高整个限制系统的柔性。当被控对象的运动状态或工作方式发生变更时，可以随时更改输入到PLC里的程序，从而很便利地就达到相关目的的实现。与传统的继电器限制电路相比，则提高了效率，降低了成本，减轻了操作人员的劳动强度。这是将机械和微电子有机地结合起来应用到整个系统中的典范。机械手采纳模块化设计，具有多种功能。受计算机模块化发展趋势和组合机床结构特点的启发，本次设计对机械手进了模块化设计。它由设计独特的末端执行器与机械手的基体组合而成，具有夹持多种工件的功能。本机械手依据夹持对象的不同，设计了三种不同的末端执行器，分别是机械夹持器、真空吸附手和充
9、气膨胀手。为了限制机械手的转位角度，我们设计了一种新型的气控回路，它将二位五通电磁换向阀配以平安阀并加上二位二通电磁阀组合在一起代替中封式阀，可以在满意相同功能并保证相当精度的条件下，显得更为经济，为气压驱动的过程化限制供应了一种新的限制方法。本机械手作为模型通过适当放大或缩小，可以广泛应用于冶金、化工、军工等环境恶劣、平安要求高的特定场合下，还可用于自动流水线中，也可专业综合试验系统。以用作高校机电一体化课程的试验工具，完成日常的教学任务。其次章基于PLC的全气动组合式多功能机械手的总体设计方案基于PLC的全气动组合式多功能机械手整个系统全部采纳气压驱动，并用PLC限制气控回路限制以实现机械
10、手的运动，将机械，气控回路与微电子有机的结合起来。气压驱动与电机驱动相比，更适用于更适用于在各种易燃、易爆，强磁等恶劣的环境下工作。并且在工作的过程中反应更加灵敏，动作更加快速而且不存在工作介质变质的问题，最主要的是工作介质来源广泛，并且价格低廉。并且采纳三个组合式机械手爪，可以完成不同规格零件的夹持和携带工件移动到合适的位置。一、机械手的工作原理基于PLC的全气动组合式多功能机械手是以空气压缩机产生具有肯定压力的气体作为气源，机械手的各个动作由气缸驱动，而气缸由相应的电磁阀限制。机械手的全部动作由PLC限制完成。二、三种机械手抓的结构原理(一)机械夹持器本机械手采纳了平行四边形传动机构，实现
11、两手指的平行开合运动。该四连杆机构采纳均衡受力的设计思路，全部受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力匀称，定心精确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采纳预缩型气缸驱动，能快速松开工件，可以实现远距离限制。如图2-1为机械夹持器的机构简图:图27机械加持器的机构简图1.手指2.连动杆3.气缸套4.杠杆5.支架一6.支架二7.联接螺钉8.气缸一9.回转气缸10.悬臂IL螺母12.推力轴承一13.长轴套14.机架14.轴承套16.推力轴承二17.转轴18.齿轮19.气缸二20.加强肋21.气缸三22.齿条23.导向槽手指1、连动杆2、杠杆4、第一支架5、其次支架6、通过销钉联接，构成平行四边形
12、结构，第一气缸8装在气缸套3中，并通过联接螺钉联接7,而气缸套3与回转气缸9通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂10与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套14与机架14间隙协作，其次推力轴承16与轴承套14过盈协作，第一推力轴承12与轴承套过盈协作，齿轮18通过螺钉与轴承套14联接，导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上，齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙协作，并与齿轮22啮合。其次气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮22上。(二)真空吸附手真空吸附手是将真空吸盘和真空发生器组成一个专用件应用到机械手中，并与基体构成一个完整的工作系统，在电磁换向阀的限制
13、下，对表面平整光滑的工件进行吸附和脱开。机械手的抓取机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。其中真空吸盘是工件抓取的主要原件，吸附机构有四个吸盘组成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，真空吸附手的的装配图如图2-2所示：图2-2真空吸附手的装配图1.顶盖2.套管3.真空发生器4.真空吸盘（三）充气膨胀手充气膨胀手是通过气袋充气膨胀，来夹持形态特殊的工件，如带锥度的零件等等。由于气袋膨胀后依旧有肯定的柔韧性，可以实现工件的无损夹持。考虑到被夹工件尺寸上的差异，我们配备了气压行程开关和锥形螺母，以便扩大膨胀手的应用范围。图2-3为充气膨胀手装配图：g图2-3充气膨胀手装配图1.套管2
14、.气动电磁阀3.锥形螺母4.导向杆5.顶盖6.气袋7.气袋保持架气袋保持架7与套管1螺纹联接，导向杆4通过螺纹联接在气袋保持架7上，气袋6装在气袋保持架7中，锥形螺母3通过螺纹联接在导向杆4上，与行程开关接触，起限位作用。顶盖5通过螺纹联接在套管1上。该配件针对不同的工作要求，可与机械夹持器进行替换。三、机械手的整体参数设计机械手的整体尺寸：长*宽*高=23OnInI*28Omm*43Onml机械手转位半径：R=62137mm机械手的上下位移行程：70mm机械手臂的转位角度：0W90机械手爪的转位角度：。=360机械手爪取的最大重量：4kgo四、机械手的协助装置设计(一)导向装置在设计手臂结构
15、时，为了保证手指的正确方向防止手臂绕轴线转动，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性须要采纳导向装置。详细的安装形式应当依据本设计的详细结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应当尽量削减运动部件的重量和削减对回转中心的惯量。导向杆目前常采纳的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。(二)平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，削减手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂的后背增加了平衡装置，装置内加放祛码，祛码块的质量依据抓取物体的重量和气缸的运行参数视详细状况加以调整，务求使两端尽量接近平衡。第三章
16、基于PLC的全气动组合式多功能机械手的手腕的设计一、手腕的自由度手腕是把手臂和手部的重要部件，它的作用是调整或变更工件的方位，因而它必需具有独立的自由度，机械手才适应困难的动作要求。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很多因素有关。由于本机械手抓取的工件是不同方位的放置，同时考虑到可行性，因此给手腕设一绕Z轴转动回转运动才可满意工作的要求。目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油缸或气缸，因此我选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360,并且要求有很好的密封度。为了使机械手更加的便利敏捷，在手腕与手部的连接部分还增加一个小于90的转位和机械手的上
17、下运动，所以由此可见手腕的自由度有两个，即手腕部的小于90度的转位，手部的上下运动。二、手腕的驱动力矩的计算（一）手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下摇摆均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必需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，动片与其他零件连接处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动零件的中心与转动轴线中心不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算，M驱=M惯+f偏+M封(3-1)式中：M驱一手腕转动的驱动力矩(Ncm)M-一惯性力矩(Ncm)；M偏一参与转动的零件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸)对转动轴线所产生的偏重力矩(Ncm)；M
18、封一手腕回转缸的定片与动片、端盖、缸径等处密封装置的摩擦阻力矩(Ncm)；1 .手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯若机械手手腕在起动过程为等加速运动，机械手手腕转动的角速度为转动过程所消耗的时间为小,则：M惯=(J+4吟(Me?%)(3-2)式中：J一参与机械手腕转动对转动中心轴线的转动惯量(Ncm-S2);，一零件对机械手腕转动中心轴线的转动惯量(NcmS?).若零件中心与转动中心轴线不重合，其转动惯量，为：71=Je+-ef(3-3)g式中：人一零件对过重心线的转动惯量(Ncm-S2);零件的重量(N)；弓一零件的重心到转动转动轴线的偏心距(Cm)；。一机械手手腕转动的角速度(md/s)；
19、。一机械手起动过程所需时间(s)；一机械手起动过程所转过的角度(rad)。2 .手腕转动件和零件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏M偏=Ge+G3e3(3-4)式中：G?机械手手腕转动的零件的重量(N)；/一机械手手腕转动件的重心到转动中心轴线的偏心距(cm)o当零件的重心与手腕转动中心轴线所重合时，则Gs=Oo3 .手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封M的=M(RAdz+Rlid)(3-5)式中：&、机械手转动轴的轴颈的直径(。7)，/一摩擦系数，此、时转动轴的轴颈处的支承反力(N)o可按手腕转动轴的受力分析求解依据ZMA(B=0,得：/?/+G3Z3=G22+G1(3-6)RB=Glll+
20、G2G33(3-7)同理，依据ZMs(F)=0,得：R=6(/+4)+62(/+/2)+63(/-13)(3-8)式中：G2一的重量(N)/、八4、4一为长度尺寸(Cm)O转缸的动片与缸径、定片、端盖处密封件的摩擦阻力矩M对，与选用的密封件的类型有关，应依据详细状况加以分析。(二)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纳的回转缸是单叶片回转气缸,它的原理如图3-2所示，定片和缸体固连，动片和回转轴相连。动片密封圈把气腔分隔成两个当压缩气体从孔A进入时，推动输出轴作逆时针回转，则低压腔的气体从B孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:(3-9)(3-
21、10)或=2MPb(K-r)图42回转气缸简图1、静片；2、回转轴；3、缸体；4、动片；5、 密封圈式中：M-回转气缸的驱动力矩（Ncm）；P-回转气缸的工作压力（C-）R一缸体内壁半径（cm）；R输出轴半径（cm）；b一动片宽度（Cln）O上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的状况下而言的。若低压腔有肯定的背压，则上式中的P应代以工作压力6和背压鸟之差。（三）手腕回转缸的尺寸及其校核1 .尺寸设计气缸长度设计为步J气缸内径为。尸96三,半径R=48mm,轴径3=26M半径R=13mw,气缸运行角速度/二90/s,加速度时间/=().1s,压强P=0.4MRz,则力矩为：M=Pb(R
22、2一产)(3-11)2_0.4106X0.1(0.0482-0.0262)2=32.6(Nm)2 .尺寸校核(1)测定参与手腕转动的部件的质量叫=4依，分析部件的质量分布状况，质量密度等效分布在一个半径一=50加九的圆盘上，那么转动惯量J=尤(3-12)24x0.0522=0.005(w2)(3-13)工件的质量为4依，质量分布于长/=10Omm的棒料上，那么转动惯量,ml21240,1212=0.0033(&g加2)假如工件中心与转动轴线不重合，对于长/=10Omm的棒料来说，最大偏心距=50mm,其转动惯量J=Jc+(3-14)=0.(X)33+40.052=0.0133G/)=(7+/,
23、)(3-15)90=(0.0125+0.0133)台=23.22(N加)2)机械手手腕转动件和工件的偏重对转动中心轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，6=0,夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线内=50mm,则，Mfft=G11+G3e3(3-16)=10100+510x0.05=2.5(Nni)3)机械手手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承来说/=0.01,对于滑动轴承来说/二01,4,4为手腕转动轴的轴颈处的直径，dx=30mm,d2=20mm,Ra.即为转动轴轴颈处的支承反力，粗略估计&=300N,R=150N,贝J,M摩=M(RAd2+Rli4)(
24、3-17)=等(300X0.02+1500.03)=0.05(Nm)4)机械手回转气缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩与选用的密封装置的类型有关系，应当依据详细状况加以判别。在此处估计M封为M摩的3倍，则，M封=3M摩(3-18)=30.05=0.15(Nm)M邺=愦M偏+MV：+M封=23.22+2.5+0.05+0.15=25.92(Nm)经比较可得：M驱M所以，设计尺寸符合运用要求，是平安的。(四)齿轮齿条的传动计算为了可以在工作中是机械手可以更加敏捷的回转，在设计的过程中除了在机械夹持器的上方增加了回转气缸，还在机械手手腕的部分，增加了齿轮齿条的传动。这样使得机械手更为
25、敏捷的完成所要完成的动作。1、齿轮与齿条传动特点齿轮在作回转运动同时，齿条也在作直线运动，齿条可以看作一个齿数无穷多的齿轮的一部分，这时齿轮的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变可为直线。齿条直线的速度V与齿轮分度圆直径d、转速n之间的关系为V=%(mm/s)(3-19)60其中：d齿轮分度圆直径，mmn一齿轮转速，r/min0其啮合线乂乂与齿轮的基圆相切NJ由于齿条的基圆为无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点TV2在无穷远处。齿轮与齿条啮合时，不论是否采纳标准安装，其啮合角等于齿轮分度圆压力角,也等于齿条齿形角；齿轮的节圆也与分度圆重合。只是采纳非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合。齿
26、轮与齿条正确啮合条件为：基圆齿距相等。齿条的基圆齿距是两相邻齿廓同侧直线的垂直距离，即Ph=PCOSa=TZVnCoSa。齿条与齿轮的实际啮合线是B1B2,即齿条顶线及齿轮齿顶圆与啮合线N、N2的交点及Bl之间的长度。齿轮与齿条标准安装：齿条的分度圆与齿轮的分度圆相切，载移动电源与车辆,2024年第12期。图4-2齿轮齿条的啮合表3T齿轮齿条传动的几何尺寸计算（一）齿轮齿条的主要参数计算项目名称计算公式及代号齿轮齿条齿数Z15626模数m2mtn2nun螺旋角Pou0压a2020力角基齿顶高系h：11数顶C*0.250.25隙系数变位系数00齿宽b2mm2nun2、齿轮齿条传动的几何尺寸计算4
27、=叫/cos96mm齿轮分度圆直径齿轮齿条参数（二）齿齿轮=(V+x)w2.836mm顶高齿条ha2=ham2mm齿齿轮z=(也；+c-x2)n1.664根高齿条2=(Vc*),w2.5mm齿齿轮h=hl+hf3mm高齿条齿轮中心到齿条中心距4.5mmH+齿距Pn=兀m6.238mm齿条齿数z1=+0.526Pn3、齿轮、齿条的主要特点：（1）由于齿条的齿廓为直线，所以齿廓上的各点都具有相同的压力角，且等于齿廓的倾斜角，这就是齿形角，标准值为20。（2）与齿顶线平行的任何一条直线上都具有相同的齿距和模数。（3）与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线，这就是计算齿条尺寸的基准线。4、齿条的
28、设计计算（1）齿条的强度计算在机械手的手腕结构中采纳齿轮齿条传动，选取在齿条的连接段施加的扭矩T=20Mn,齿轮传动都要加以润滑，啮合齿轮与齿条间的摩擦力一般都很小，故计算齿轮齿受力时，不予考虑。齿轮齿条的受力状况类似于斜齿轮，齿条的受力分析如图图3-3齿条的受力分析如图3-3,作用于齿条齿面上的法向力F-垂直于齿面，将工分解成沿齿条径向的分力（径向力）Fr9沿齿轮周向的分力（切向力）Flf沿齿轮轴向的分力（轴向力）Fxo各力的大小为：F1=TT/d（3-20）Fr=F1tanan（3-21）其中：%法面压力角（由表3-1查得）齿轮轴受到的切向力：F1=2Td=(220)/54=740.7N(
29、3-22)其中：T作用在输入轴上的扭矩，T取20MWOd一齿轮轴分度圆的直径，齿条齿面的法向力：F11=F1/cosaw=740.7/cos20=788.23N(3-23)齿条牙齿受到的切向力：Fx=Fncosa.=788.23X0.9396=740.7N(3-24)齿条杆部受到的力：F=F*=1407N(3-25)(2)齿条杆部受拉压的强度计算计算出齿条杆部的拉应力：=F/A=0.25N/m11r(3-26)其中：F一齿条受到的轴向力A一齿条根部截面积，A=72.25mm2由于强度的须要，齿条用35SiMn制造，其抗拉强度极限是二69N三112,(没有考虑热处理对强度的影响)。因此h所以，齿
30、条设计满意抗拉强度设计要求。(3)齿条牙齿的单齿弯曲应力：crf.=(6Flhy)/(bs2)(3-27)其中：F1一齿条齿面切向力b危急截面处沿齿长方向齿宽九一齿条计算齿高S危急截面齿厚从上面条件可以计算出齿条牙齿弯曲应力:跖二（6X740.7X3）/（2032）=74.07Nlmml上式计算中只按啮合的状况计算的，即全部外力都作用在一个齿上了，事实上齿轮齿条的总重合系数是2.63（理论计算值），在啮合过程中至少有2个齿同时参与啮合，因此每个齿的弯曲应力应分别降低一倍。品=,o2=37.035N/mm2（3-28）齿条的材料我选择是35SiMn制造，因此：抗拉强度hNImm2（没有考虑热处理
31、对强度的影响）。齿部弯曲平安系数S二CbGa=L8（3-29）因此，齿条设计满意弯曲疲惫强度设计要求。又满意了齿面接触强度,符合本次设计的详细要求。5、齿轮的强度计算（1）齿轮的计算载荷为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P（单位为Nmm）为尸二”（3-30）1.其中；工一作用在齿面接触线上的法向载荷L一沿齿面的接触线长，单位mm法向载荷储为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特殊是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。止匕外，在同时啮合的齿对间，受力载荷的并不是匀称安排的，即使在一对齿上，受力载荷也不行能沿接触线匀称
32、分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大受力载荷，即计算匕(单位Nz三2)进行计算。即P=KP=占(3-31)UlL其中：K一载荷系数载荷系数K包括：齿轮的运用系数K-齿轮的动载系数右、齿轮齿间载荷安排系数(、齿轮齿向载荷分布数即K=KAKvKaK(3-32)运用系数K/是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数，KA=Loo动载系数Ky：齿轮传动制造和装配误差是不行避开的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数，Ky=1.0齿间载荷系数端：齿轮的制造精度7级精度，Ka=I.2。齿向荷安排系数K：齿宽系数：J=Z?/J1=18.14/12.13=1.5Kzy
33、=LI2+0.18(1+0.62)+o.23xl(%=L5(3-33)所以载荷系数K二K八KVKaK尸=IXlXL2x1.5=1.8齿轮与齿条的传动比,趋近于无穷U所以w=30MPa直齿圆柱齿轮接触疲惫强度极限分皿=1200M&,应力循环次数=2105o所以KHN=Ll计算接触疲惫许用应力取失效概率为1%,平安系数s=l,可得fl=KHNHtm=LIXIoooMPa=IlooMPa(3-34)S其中：Khn一接触疲惫寿命系数由此可得l1wo所以，齿轮所选的参数满意齿轮设计的齿面接触疲惫强度要求。(2)齿轮齿跟弯曲疲惫强度计算齿轮承受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲惫强度最弱。所以
34、当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。依据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。所以，直齿圆柱齿轮的弯曲疲惫强度计算校核公式：(3-35)式中齿间载荷安排系数KFa=I.2,载荷系数K=KAKVKFa=IXlXL2=1.2,齿形系数FFQ=3.41,校正系数L=L4,螺旋角系数=0.75o所以，校核齿根弯曲强度T=YFaYSa(3-36)3.41 1.40.75 = 249M1.2x3297.618.141.751.65弯曲强度最小平安系数S*二L5o
35、计算弯曲疲惫许用应力“min(3-36)Kfw-弯曲疲惫寿命系数K砧=1.5可得：%=1.5乂10007.5=1000加外(3-37)所以：OF因此，本次设计及满意了小齿轮的齿面接触疲惫强度又满意了小齿轮的弯曲疲惫强度，符合设计要求。综上所述，齿轮齿条的设计满意设计的强度要求。第四章基于PLC的全气动组合式多功能机械手的三种机械手的设计一、机械夹持器的设计(一)机械夹持器的详细实施方案本机械手采纳了平行四边形传动机构，实现两手指的平行开合运动。该四连杆机构采纳均衡受力的设计思路，全部受力构件均为对称结构。夹持工件时，受力匀称，定心精确，对中性好，平衡效果佳。另外两手指的开合采纳预缩型气缸驱动，
36、能快速松开工件，可以实现远距离限制。1 .整体组成：手指、连动杆、气缸套、杠杆、支架、联接螺钉、气缸、回转气缸、悬臂、螺母、推力轴承、长轴套、机架、轴承套、转轴、齿轮、加强肋、齿条、导向槽。2 .详细连接方式如图4-1：手指1、连动杆2、杠杆4、第一支架5、其次支架6、通过销钉联接,构成平行四边形结构，第一气缸8装在气缸套3中，并通过联接螺钉联接7,而气缸套3与回转气缸9通过螺栓联接共同组成机械夹持器的执行机构。悬臂10与转轴17通过螺母11加弹簧垫片加以固定。轴承套M与机架14间隙协作，其次推力轴承16与轴承套14过盈协作，第一推力轴承12与轴承套过盈协作，齿轮18通过螺钉与轴承套14联接，
37、导向槽23和第三气缸21通过螺钉固定在机架上，齿条22与第三气缸21联接，并与导向槽23间隙协作，并与齿轮22啮合。其次气缸19通过四个内六方长螺钉固定在齿轮22上。（二）机械夹持器的设计计算1.手指夹持力的计算假如以妹g的工件为被夹物体来计算，夹持器通过手指和工件接触面间的摩擦力来夹持工件。机械手手爪抓取物体所须要的手指夹紧力P是依据被夹物体的重量G及被夹物体与手指接触面之间的动摩擦因数是f来确定的，夹紧力P在两1973图47机械夹持器的机构简图指接触面上所产生的摩擦力和要大于被夹物体的重力G,满意:4x9.82x0.5N = 39.2N(4-1)其中：P-手指夹紧力G-被夹物体的重量f-被
38、夹物体与手指接触面之间的动摩擦因数在上式中依据工作要求选取f=0.4。如图4-2所示零件3.5、3.8、3.6、3.2、3.9、3.3构成平行四边形机构，零件3.0、3.1构成机械夹持器的工作部件。机构从静止状态到起先工作时，所须要的驱动力最大，及如图4-2所的状态。(1)对构件3进行手里分析，得到如图4-3所示的受力分析图，列式可得：APZEr=O(4-2)NF=G=AON(4-3)fNFcos45=NF(4-4)NF=28.4N(4-5)（2）对构件2杠杆受力分析，得到如图4-4所示的受力分析图，列式可得：图4-4对构件2的受力分析(4-6)(4-7)nexeg=nfgfNEX=483N（
39、3）对构件1进行受力分析，得到如图所示的受力分析图，列式可(4-8)1727=NE(4-9)NE = 29N(4-10)这样NE和NB的反作用力的合力就是夹持4Kg工件所需的理论夹力FF = ZNb(4-11)Fc = NEy + NBy=2NEsina21= 2x29x- = 45N27(4-12)(4-13)（三）机械夹持器的手指夹持力校核在计算机械夹持器的手爪的驱动力工时.，除了要考虑被夹持物体的重力以外，还要考虑被夹物体在运动中所产生的惯性力振动及传动效率等因素的影响。因此在实际计算中手指的夹持力工为:FC=-LF7(4-14)其中：仁一为平安系数，取K=l4NEJcosa=NE女2为
40、工作条件系数，取&=1.2一为工作效率，取=094所以：F=f=l2l445/V=85.25N(4-15)c0.95所以满意要求。二、真空吸附手的设计(一)真空吸附手的详细实施方案在成品生产的的装配、包装、装箱、工作中，机械手抓取领域里对于对于大型板件的抓取总不能得有效地解决，因为其表面光滑，厚度很薄，所以机械夹持器不易抓取，为了实现对板件的抓取、放置、重复定位、提高搬运工件的平安性和牢靠性，我设计一种新型的真空吸附手抓，对板件的精确搬运和定位。机械手的工作机构主要有支架、真空吸盘、和真空发生器等零件组成。支架采纳刚性连接，末端可以与机械手腕部通过螺纹相连，其中真空吸盘是工件抓取的主要原件吸附
41、机构有四个吸盘组成成矩形布局，对板件工件形成均衡的吸附力，其中机械手设计的大致构型如图，机械结构的形式为四自由度机械手，分别有腕部，手臂，指部，腰部回转组成，利用真空泵技术制成的真空吸附式机械手是一种高效、绿色，定位精度高、经济牢靠的装配工具。图4-6所表示的真空吸附手的装配图。图4-6真空吸附手的装配图1-顶盖2-套管3-真空发生器4-真空吸盘1.吸盘顶盖2.套管3真空发生器4真空吸盘(二)真空吸附手的设计计算和校核1.吸盘的设计真空吸盘是真空吸附手的执行元件，它可以升降，输送，和夹持十几克至几十克重的板件，由于四周压力高于真空吸盘和物料表面，真空吸盘与真空发生器相连接，压力越小，真空吸盘的
42、压力越大。确定真空吸盘的尺寸时，所需吸附力为必要条件，采纳力学公式可得F=PA(4-16)其中:F一吸引力P压力A一吸盘面积可求得真空吸盘的规格尺寸。因通常被吸附物体的重量是已知的，故吸盘直径通过如下的公式计算(4-17)41WWO=J-Zl()()()V3.14PN其中一吸盘直径(mm)P真空度(KPa)W-吸附力（N）N吸盘数量t平安系数在日常的工作中，水平吊起工件的时候，平安系数应当是4,垂直吊起工件的时候，平安系数应当在8以上。吸盘数量的确定，为了使工件在被吊起的时候受力匀称，我采纳了4个成矩形布局的吸盘。吸附力的确定，假设机械手抓取的工件的重量4Kg所以由此可得：D =I 4 二Th
43、 x 0.7 10545 X-XlOOO4(4-18)15.6mm所以取真空吸盘的直径为16,而。2.真空发生器的选取真空发生器时用来产生真空的。其结构简洁，体积小，无可动机械部件，安装、运用便利。因此应用也特别的广泛，真空发生器的工作原理是：由负压腔、拉瓦尔喷管、接收管等组成。有供气口，排气口，和真空口，当供气口的供气压高于肯定值后，喷管射出的超声速的气流，由于气体有粘性，高速气流卷走了负压腔的气体，是该腔形成较低的真空度，在真空口出连接上真空吸盘，靠真空压力和吸盘吸取物体。吸附相应的时间T是指从供应阀工作以后到吸盘内的真空度达到吸附所必要的真空度所须要的时间称之为吸附相应时间。设PV表示最
44、终真空度，真空吸盘内的压力从大气压降至真空度达63%Pv的到达时间为Tl，降至真空度达94%Pv的到达时间为o吸附的响应的时间工和T2可有下面的计算公式求的:吸着响应时间:吸着响应时间:T V60i 一Q-Ql(4-19)=3(4-20)z 3.14 21V =DL41000(4-21)= 622-L 41000(4-22)= 0.06(1)其中：V一从真空发生器到吸盘的容积1.一从真空发生器到吸盘的连接管的长度。一是通过真空发生器的平均吸入流量。I和通过配管的平均吸入流量Q2的较小者Q,一工件吸着时的漏气量图4-7真空影响时间曲线因为P/=0.7由图4-7查的到达时间7=1.27；,依据抓取
45、工件的运动速度要求吸盘响应时间小于IS可得7；=0.833$,漏气量Q/衣据阅历确定Ql=4Lmin贝：Vx600.0660Q=+Q1=+5=9.32(L/min)Txl0.833v7(4-23)最大吸入量：QlaX=(23)Q=2X9.32=18.64(L/min)应当选择最大吸入量比还大的真空发生器。通过查阅相关资料可得，选择ZH10DS-06-06-08其喷嘴口径是1mm,而且接管方式为快换接头，供气口和真空口6mm,最大的吸入量是12ML该真空发生器的实际的反应时间为：T V601 =Q-Ql0.06 6012-5= 0.515(s)(4-24)所以可以满意要求。三、充气膨胀手的设计(一)充气膨胀手的详细实施方案OO图4-8充气膨胀手装配图为该系统配件：
