气动机械手设计

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气动机械手设计

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学士学位论文原创性申明

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摘要

随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备自动控制成分也显得越来越重要，根据工作的需要，人们经常受到高温、高压、低温、低压、有毒、易燃、易爆、强磁、强辐射、多尘埃、潮湿、振动、粉尘、放射性等因素的危害，工人的劳动强度增加，甚至危及到生命。因此机械手就这样诞生了，机械手也就成为近代自动控制领域中的一项新型技术，它能代替人工去操作；能够按照生产的要求去传送和装卸；能够进行装配。不但改善工人的劳动条件，还大幅度提高了生产效率。

本文设计的机械手为气动机械手，由PLC程序控制。本文对气动机械手的总体方案设计，气动机械手的工作原理，确定了气动机械手的技术参数，夹持式手部的设计，计算出手部夹紧力，手部夹持气缸，纵向升降气缸和横向伸缩气缸的设计计算确定。利用可编程系控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，对机械手的工作流程制订了相应的可编程系控制方案，画出了机械手在工作时的梯形图，并编制出可编程系控制器的控制程序。

关键词：气动；机械手；可编控制器；PLC

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ABSTRACT

With the applications of mechanical and electrical integration in various fields, the component of automatic control in mechanical equipment has become increasingly important. According to the needs, it is often get harm in high temperature, high pressure, low temperature, low pressure, toxic, flammable, explosive, magnetic, strong radiation, and more dust, moisture, vibration, dust, radiation hazards and other factors. This is why mechanical hand was born because of labor intensity increases, and even life-threatening.Mechanical hand has become to a new technology in the field of modern automatic control which can replace the manual operate; able to transmission or load and unload according with the requirements of production and can be assembled. Not only improve the working conditions of workers, but also greatly improves production efficiency.

This dissertation has designed a pneumatic mechanical hand which controlled by the PLC program. It is about the design of whole project and working principles of pneumatic mechanical hand, determine the technical parameters of pneumatic mechanical, the design of Clip-on hand, calculating clamping force form hand, the hand holding the cylinder, longitudinal and transverse telescopic cylinder and the cylinder design and calculation of the set. Using the programmable controller to control of manipulator, the selection of the appropriate type of PLC, for the working process of the manipulator make corresponding programmable department control scheme, draw the manipulator on the job ladder diagram, and develop the programmable controller is the control program.

Key Words: Pneumatic; Manipulator; Programmable controller; PLC

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目 录

第1章 引言 ································································································ 1

1.1 机械手概述········································································································ 1

1.2 机械手组成及分类···························································································· 1

1.2.1 机械手组成······························································································· 1

1.2.2 机械手分类······························································································· 3

1.3 国内外机械手发展状况···················································································· 5

1.4 气动机械手简介································································································ 6

1.4.1 气动技术··································································································· 6

1.4.2 气动机械手······························································································· 7

1.4.3 气动机械手的发展趋势··········································································· 8

1.4.4 课题的提出······························································································· 8

第2章 气动机械手的设计 ······································································ 10

2.1 气动机械手的结构·························································································· 10

2.2 气动机械手的工作原理·················································································· 11

2.3 气动机械手的程序总体结构·········································································· 12

2.4 机械手的驱动方案设计·················································································· 13

2.5 机械手的控制方案设计·················································································· 14

2.6 机械手的主要参数·························································································· 14

第3章 气动机械手传动系统的设计 ······················································ 15

3.1 手部气缸的设计······························································································ 15

3.1.1 手指夹紧力的计算················································································· 15

3.1.2 手部气缸内径的确定············································································· 16

3.1.3 手部气缸活塞杆直径的确定································································· 17

3.1.4 手部气缸缸筒长度的确定····································································· 18

3.1.5 手部气缸筒壁厚的确定········································································· 18

3.1.6 手部气缸耗气量计算············································································· 19

3.1.7 手部气缸的进、排口大小计算····························································· 20

3.2 纵向气缸的设计······························································································ 20

3.2.1 纵向气缸的内径计算············································································· 21

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3.2.2 纵向气缸活塞杆直径计算····································································· 21

3.2.3 纵向气缸缸筒长度的确定····································································· 21

3.2.4 纵向气缸筒的壁厚确定········································································· 21

3.2.5 纵向气缸耗气量的计算········································································· 21

3.2.6 纵向气缸的进、排气口计算································································· 22

3.3 横向气缸的设计······························································································ 22

3.3.1 横向气缸的内径计算············································································· 23

3.3.2 横向气缸活塞杆直径计算····································································· 23

3.3.3 横向气缸缸筒长度的确定····································································· 23

3.3.4 横向气缸筒的壁厚确定········································································· 23

3.3.5 横向气缸耗气量的计算········································································· 23

3.3.6 横向气缸的进、排气口计算································································· 24

第4章 机械手PLC的控制 ···································································· 25

4.1 PLC的简介及发展 ·························································································· 25

4.2 PLC的结构、种类和分类 ·············································································· 25

4.3 I/O接口简介 ···································································································· 27

4.4 气动机械手程序的设计·················································································· 27

4.4.1 公用程序································································································· 27

4.4.2 手动程序································································································· 28

4.4.3 自动程序································································································· 29

4.4.4 回原点程序····························································································· 31

第5章 结论与展望 ·················································································· 33 参考文献 ···································································································· 34 致谢 ············································································································· 35

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第1章 引言

1.1 机械手概述

机械手是根据人手有关动作，按相应程序设定、运动路线和相关目的对物体实现自动抓取、搬动运输或自动操作的机械装置。机械手在生产中改善了生产的劳动生产效率及自动化水平：对于劳动力的强度可以减小、实现安全生产、也能保证产品的质量；而且在温度较高、压力较大、较低温度、较低压力、有毒的、易燃、易爆、强磁、强辐射、多尘埃、潮湿、振动、粉尘、放射性等恶劣的环境中，机械手还可以替代人工作。因此，在有关机械加工、锻造、冲压、铸件、热处理、焊接、喷漆、电镀及相关轻工业、交通方面的运输等等方面的引用都非常广泛。

机械手在开始结构都相对简单，而专用性方面又很强，一般用于机床的上下料方面，在相对机床上附属于专用机械手。随着技术在工业上的发展，研制出单独的程序控制机器重复性操作，具有比较广泛的应用“程序控制通用机械手”，简称为通用机械手。根据通用机械手能够对工作程序较快改变，较强的应用性能，由此它在中小批量生产中对产品不断变换，使得应用比较广泛。[2]

1.2 机械手组成及分类

1.2.1 机械手组成

机械手包括控制系统、驱动系统、执行机构、构成的位置检测装置。如图1.1 机械手的组成方框图所示：

图1.1 机械手的组成方框图

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(一)执行机构

执行机构主要部件由手部、手腕、手臂以及立柱等组成，根据不同情况还有加入了相应的行走机构。

1、手部

也就是接触物件的部分。由于不同形式的接触，因此分为钳式与相吸附式的机械手部。手指结构是根据抓取物件形状不同、所抓取位置(是外面的轮廓还是里面的孔)和对象的大小尺寸及重量。一般的手指为平面、V形面以及曲面。而且手指也有内撑和外夹式。

2、手腕

手腕就是手臂与连接手部的相关部件，可以对物件的姿势进行相应的调整。

3、手臂

支撑着所要抓取的对象是手臂，在手和手腕的组成部分中非常重要。工业一般采用的手臂大部分是由如气缸、油缸、连杆机构等驱动部件和驱动源相互配合组成，从而实现手臂的各种运动及动作。

手臂可能实现的运动如下：

直线运动:如伸缩、升降、横移运动

基本运动

回转运动:如水平回转、左右摆动运动

手臂运动

直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)

复合运动 两直线运动的组合(即平面运动)

两回转运动的组合(即空间曲面运动)。

为了保证手指是按正确方向运动与需要安装相关的导向装置，从而达到手臂在进行升降或伸缩运动并防止绕其轴线转动。另外为了使运动部件的受力状态简单，那么装置的单导性就要能够承担手臂所要承受的惯性力矩。

单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等为导向装置结构经常应用的形式。

4、立柱

手臂的支承部件为立柱，，立柱与手臂在升降运动和回转运动的关联都比较密切，以致于立柱也被说为手臂的一个部分。立柱部件在机械手中是固定的，

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也会作横向移动，根据工作不同情况的需要。

5、行走机构

为了扩大范围使用或是完成操作比较远的距离，所应用的工业机械手为行走机构。这种情况还可以对机座安装相应的轨道或滚轮，从而达到整机运动的工业机械手。滚轮式行走机构有两种形式是无轨和有轨。

6、机座

基础的部件在机械手中称为机座，一般在机座上安装机械手驱动系统和各个部件的执行机构，连接与支撑也就是机座的作用。

(二)驱动系统

驱动系统是机械手的动力装置、辅助装置、控制调节装置与动力源来组成驱动系统。驱动系统通常应用的四种形式为：电力的传动、机械的传动、液压的传动等等。

(三)控制系统

机械手按着相关要求及规定运动的系统称为控制系统。按相应的程序规定去运动的机械手起到支配作用和对机械手给予的记忆指令信息(如运动的轨迹、动作的顺序、运动的时间及运动的速度)的系统还有喷流控制和电气控制。

(四)位置检测装置

为了把执行机构相应的位置和精度达到已经设定的要求，就要对相应控制系统的调整和设定的位置进行比较，控制系统得到执行机构实际位置的反馈。

[3]

1.2.2 机械手分类

机械手分类按控制系统、驱动的方式和使用的范围。

(一)按用途分

1、专用机械手

专用机械手拥有附属于主机、固定程序、控制系统无独立的机械装置。拥有较少的动作、简单的结构、比较单一的工作对象、可靠的使用而且较低的造价等是专用机械手特点，适用于机械自动化大批量的生产。

2、通用机械手

拥有程序可以变化、多样灵活的动作、控制系统独立的机械装置称为通用机械手。如若调整可以使用在不同的场合，在合格性能的驱动系统范围内，它

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具有可变的动作程序，而且拥有独立的控制系统。伺服型和简易型是根据通用机械手不同方式的控制定位分类。拥有定位控制系统的伺服系统， 不但能实现连续轨迹控制，而且还可以点位控制是伺服型。应用点位上的控制，而且控制定位进行只能“开一关”式的是简易型。同时还可划分一般与伺服型的机械手，归属于数控类型的通用机械手是一般型，拥有定位控制系统和伺服系统的属于伺服型。

(二)按驱动方式分

1、气压传动机械手

以空气压缩的压力来执行机械手运动称为气压传动机械手。其主要特点是：来源迅速的气动动作，简单的结构，极为方便的介质，较小的输出力，较低的成本。由于空气的压缩特性、稳定性较差影响工作速度和比较大的冲击力影响，在相同条件下抓取相同重物，气压机械手结构大于液压机械手。

2、液压传动机械手

驱动执行机构是靠液体的压力完成运动的机械手称为液压传动机械手。其主要特点是：抓重可超过几百公斤或更大、平稳地传动、紧凑的结构、快速的动作。但要求比较严格对于密封装置，否则泄漏油会很大影响机械手的工作性能，而且在高温下不适合、进行工作只能在低温下。

3、电力传动机械手

电力传动机械手是特殊电动机感应结构、执行机构直接驱动的直线电机或电机功率步进运动的机械手，机械结构简单，中间的转换机构也就不需要。其中直线电机机械手使用和维护方便，快速度运动和远程行动。

4、机械传动机械手

齿条、齿轮、连杆和凸轮等等机械传动机构来驱动的机械手称为机械传动机械手。这种专用机械手工作必须连接到主机机器人上，根据工作不同由机械传递动力。

(三)按控制方式分

1、点位控制

在移动空间中是点对点之间地运动，可以控制位置不同的几个点的运动过程，但对本身的运动轨迹无法控制。如果把电气控制系统增加复杂的设置就能同时对更多的点控制。

2、连续轨迹控制

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其在空间中是任意曲线的连续运动轨迹，控制点是无限设置的其特点，控制整个移动过程实现准确和平稳的运动，并且使用范围广，但电气系统控制复杂。

1.3 国内外机械手发展状况

气动技术是实现工业自动化的重要手段，在工业控制中用得越来越普遍，也极大地提高了制造业的生产效率和产品的质量。埃及人利用风箱来压缩空气进行助燃，这是最早气压传动的应用。作为气压传动技术应用，在1776年英国John Wilkinson发明了能产生一个大气压左右的空气压缩机。而到1829年气压传动创作了条件的发展是出现了多级空气压缩机。1868年气动制动装置是美国人G.威斯汀豪斯发明。1880年气压制动装置被美国研制出用于火车上。1930年气动低压调节器出现了。20实际30年代初，各种机械的相关辅助动作及自动门开闭成功地把气压传动技术充分应用。20实际50年代，高压气动伺服机构成功研制用于导弹尾翼控制。而进入20实际60年代，尤其是70年代后期，气压传动技术开始用于自动装配、包装、检测等轻巧的作业领域，从而减轻繁重的体力劳动。20实际80年代以来，随着与电子控制技术和现代控制理论的紧密结合，也使得各种生产线自动化程度更高，操作起来更方便。由于计算机的广泛普及和应用，也就使得气压传动技术应用领域得到不断拓展，气压传动技术也成为实现现代化传动与控制的关键技术之一。

根据各种设备自动化的工作需要，机械手可以按照预定的控制程序动作，而机械手能快速、准确地搬运重物、具有高精度、快速反应、承载一定的能力、工作空间充分、自由度灵活以及在自动定位任意位置。机械手在自动化领域中，特别是在有毒的、易燃、易爆、强磁、强辐射、多尘埃、潮湿、振动等恶劣环境下，得到了广泛的应用。与其他类型的机械手相比较，气动机械手具有结构简单、易于控制、造价较低、维护方便、动作迅速、质量小、平稳、可靠和节能等特点。采用PLC为核心的控制器的气动机械手，它定位精度高，同时还兼顾了低成本和高通用性的特点，具有一定的代表性。[5-8]

国外机械人的发展趋势:

(1)速度高、可靠性高、精度高、维修和易于操作使得机器人的性能不断提高，以致于价格继续不断下降，平均单机价格从91年到97年间，从10.3万到

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65万美元。[5]

(2)机械结构发展可重构和模块化。就像关节模块中的减速机、伺服电机、检测系统三位一体：关节模块、链接模块与重组构建一个机器人的机器，在国内外已经提出了城市的模块化组装机器人。[6]

(3)基于PC的工业机器人控制系统的开放式控制器方向，为了促进标准化和网络组件来提高集成，使得更为紧凑的控制箱达到模式化结构，从而大大提高系统的可靠性、操作简单和可维护性。[7]

(4)传感器的作用对机器人越来越重要，除了应用原始传感器如速度、位置、加速度传感器、力觉等等，还应用其他多传感器和远程控制机器人、声觉、触觉、力觉等等融合技术决策控制。[8]

(5)操纵机器人可采用虚拟现实技术，仿真机器人、预演发展并且用于控制过程。[7]

(6)当代发展的人机交互控制如遥控机器人，即遥控监控操作系统构成遥控完整的加局部自主系统，智能机器人远程控制成为现实。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人是最著名的关于这种系统成功应用的实例。[5-8]

开始兴起机器人化机械。自1994年以来，“虚拟轴机床”由美国开发出，这种研究新型装置已在世界上成为热点，探索开拓领域。总体来讲，中国工程应用的水平和机器人技术比国外还较落后。例如：国外产品可靠性较高，较晚起步机器人工程应用，应用范围狭窄，系统技术在生产线上落后国外，在规模应用上，中国大约安装200台左右的工业机器人，安装台数在全球约占到万分之四。中国开发出一种直接遥控机器人，机器人具有控制和协调的手臂，对弧面机器人和管道机器人的模型：在机器人力觉、触觉、视觉等等基础在研发和应用上地技术工作进行大量努力，对于基地发展也扩大了。然而，在多传感器信息融合控制技术、远程控制和远程控制机器人的地方自治制度、智能装配机器人、机器人机械的发展和应用方面才刚刚起步，要我们好好开阔。[5-8]

1.4 气动机械手简介

1.4.1 气动技术

介质为压缩空气控制和一门传动机械的专业较强的技术为气动技术（Pneumatics）。而希腊的“Pneuma”这个词转化为“Pneumatics”，“呼吸”

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为它的原始意思，后来慢慢被演变成为“气动技术”的意思。控制技术与工业自动化传动的“肌肉”被称为气动技术，越来越大的在制造加工业的领域被人们高度重视，而且应用也越来越广泛。在最近几年，随着自动化控制技术、通信技术和微电子相关技术的飞速发展，不断的致使气动技术发展创新，而且工程实际应用发展得到进步。

由于气动技术拥有节能、效率高、防火、防爆炸、无污染、成本较小、抗辐射、抗干扰、结构简单、安全可靠等等优点，使得气动技术广泛的应用于电子、食品、汽车制造、工业机械等工业产业中。正在微电子、医疗机械、IC/LCD、生物制药等一些高技术领域扮演重要角色。

随着这几年生产自动化的提升，相应着气动技术也得到广泛运用，气动产品也在增加，品种质量和性能也不断提高，在市场上的销售产值也得到稳步增长。

1.4.2 气动机械手

气动机械手比其他控制方式的机械手的优势在于：拥有节能、高效、防火、防爆、无污染、低成本、抗辐射、抗干扰、结构简单、安全可靠等特点。

表1.2 各种控制方式的比较

从上表可知：气动机械手的智能阀岛是采集感知信号和控制信号，气缸、摆动马达完成执行动作，气动伺服定位系统完成伺服系统，为了达到气动机械手产品的标准化与系列化的目的，主机就要部分运用标准型材辅模块化装配的

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方法。

由此，气动机械手可代替功能不理想的一些机械手地位，在当前的工业自动化生产线上可以得到大量使用。

1.4.3 气动机械手的发展趋势

目前世界工业化经济不是很理想，造成气动机械手不被广泛运用。但是气动机械手作为新兴科技产物却快速推广。

气动机械手的前景在目前情况为：结构模式化、系统应用集成化、控制智能化、可靠性越来越高、感觉功能越来越强、操作越来越容易灵活和逐渐向微型化的方向发展。

1.4.4 课题的提出

自从进入21世纪以来，随着工业自动化程度的提高，我国人口老龄化的提前到来，好多工厂企业出现大量缺工的现象，这也使得我们为了降低工人的劳动强度，同时还要提高劳动的生产效率，提高工业自动化水平，以至于把机械手用于工业自动化生产线上，把工业产品从一条线搬运到另外一条生产线上，从而实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性的劳动，同时又把劳动生产效率提高了。为此，我们把机械手作为我们研究的课题。

而机械手一般为液压传动，液压传动存在以下的几方面不足之处：

（1）液压传动在工作中会有很多的能量消耗（泄漏、摩擦等）液压传动的泄漏会对工作场地造成污染，防止相应的应用，会造成很大的影响。

（2）液压传动在工作的时候随温度改变而改变。油温度的改变，使液体粘度变化，同时会引起运动的特性变化。

（3）为了减少液压传动中的泄漏，对液压元件的制造工艺水平就要更高的要求，也就造成价格比较高，而且使用的时候维护所需要的技术水平也就很高，不划算。

（4）由于液压脉动和液体中会混有空气，也容易产生噪声，形成噪声污染。 根据以上的缺陷和不足，本机械手就采用气压传动技术，而气动技术具有以下优点：

（1）气动装置容易、压力等级低、安装维护方便。

（2）气压传动泄漏和阻力损失较小，在压缩空气输送的过程中，减小阻力

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损失（通常只有油路的千分之一），空气还易于远距离输送和集中供应，而外泄漏也不会像液压传动那样，明显减少压力和严重的污染。

（3） 调节速度快。动作迅速，反应灵敏。

（4）适用于标准化、系列化、通用化，能源可储存。压缩空气可存储在气罐中，以备急需，当发生突然断电的情况时，机器及工艺流程不断中断。

（5）能可靠地工作，比电子、机械、电气控制和液压控制具有优越性。

（6）由于空气的粘性很小，流动的能量损失远小于液压传动，排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行没有过热现象。

（7）气压传动装置成本低廉。

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第2章 气动机械手的设计

2.1 气动机械手的结构

气动机械手基本要求是能准确、快速地对物体进行搬运和拾放，具有反应快速、比较高的精度、工作空间充足、承载能力较强等等特性。本次设计的是通用气动上下料机械手，如图2.1所示，需要把工件从A点搬运到B点，气动机械手由两个双线圈驱动和两位电磁阀对气缸左右移动和升降，其中YV2和YV1对应下降和上升，YV3和YV4电磁阀线圈对应左行和右行。

图2.1 气动机械手动作示意图

两位电磁阀线圈气动驱动是控制气动机械手的松开和夹紧，工件夹住时YV5线圈断电，而YV5线圈通电时，工件就会松开，注意在停电时不会有工件跌落。而且设有相应的左、右限位与上、下限位在气动机械手的相应工作臂上，SQ1、SQ2与SQ3、SQ4为相应的对应位置开关。然而不带限位开关的是

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夹持装置，通过相应的延时来表示它的夹持动作。机械手的原位状态是除了松开的YV5电磁线圈通电外气动机械手在最上面、最左边且，此时其它剩余的线圈状态为全部断开。

2.2 气动机械手的工作原理

气动机械手设有五种工作方式：手动、回原位、单步、单周期和连续（如图2.2），利用SA开关来进行选择。

图2.2 气动机械手控制面板示意图

工作方式为手动时，运用相关各按钮SB5、SB6、SB7、SB8、SB9、SB10、SB11来实现相应的点工作的需求；在工作方式为单步下，每次按SB3起动按钮，就向前执行一步动作；在工作方式为单周期下，此时气动机械手处于原位，按SB3起动按钮，一个工作周期的工作就会自动执行，最后归到起始点；在工作方式为连续下，此时气动机械手处于原位停止，按SB3起动，就会进行连续重复地工作（假如按了SB4，那么此时气动机械手就工作到起始点时结束）；而返回起始点时，按下SB11按钮，气动机械手就会自动回到起始的现状。

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2.3 气动机械手的程序总体结构

（1）如图2.3所示为气动机械手系统总体结构，把程序分成四个部分：自动、公用、手动和回原位。

图2.3 气动机械手系统总体结构

假如选择方式为“手动程序”，此时X0为ON而X1为OFF，这时候PLC公用程序执行完成后，自动程序就会跳过到达P0处，而X0常闭触点为断开，那么“手动程序”执行时，在P1处闭合X1，回原位程序跳过到达P2处；假如选择“回原位”方式，则X0为OFF而X1为ON，这时候公用程序执行完成PLC，自动程序就会跳过与手动程序去执行回原位程序；假如选择的是“单步”、“单周期”或者“连续”方式，那么X0和X1全为OFF，此时自动程序执行完PLC后就跳过手动程序和回原位程序。

（2）公用程序指令表

LD X0 P2

OR X1 END

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CJ P0

自动程序指令表

P0

LDI X0

CJ P1

手动程序指令表

P1

LDI X1

CJ P2

回原位程序指令表

P2

END

（3）a、X0为开，X1为闭

公用程序完成PLC执行，将由自动程序跳过到P0处，X0此时为开，故将“手动程序”执行，P1处执行，而X1此时为闭合，则又跳到P2处，结束程序。

b、X0为闭，X1为开

公用程序完成PLC执行，将由自动程序跳到到P0处，此时X0为闭合，又会跳到P1处，而X1为开，则将执行“回原位程序”，然后到P2处再结束。

c、X0为开，X1为开

PLC执行完公用程序后，由于X0、X1都为开，故依次执行“自动的程序”、“手动的程序”、“回原位的程序”，最后程序结束。

d、X0为闭，X1为闭

PLC在执行完公用程序，P0自动程序将被跳过，X0此时为闭合，则“手动程序”跳过到P1处，而闭合X1，以致于“回原位程序”又跳过直接就到达P2处，最后结束。

2.4 机械手的驱动方案设计

根据气压传动系统的反应灵敏、动作迅速、成本低廉、泄漏和阻力损失较小，所以本机械手应用气压传动方式。

13

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2.5 机械手的控制方案设计

由于机械手点位控制和灵活，而且具有通用性，所以机械手控制应用可编程序控制器 (PLC)。如果机械手要改变动作流程，只要改变机械手PLC程序就可以实现机械手动作流程的改变，非常方便快捷。[10]

2.6 机械手的主要参数

1、机械手主参数定为5kg。

2、机械手气缸横向工作行程为400mm。

3、机械手运动负载质量为5kg。

4、机械手移动速度控制为0.2m/s。

5、机械手纵向工作行程为300mm。

6、机械手的定位精度为0.5mm。

7、机械手气缸中气流速度为15m/s。

14

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第3章 气动机械手传动系统的设计

3.1 手部气缸的设计

图3.1 手部气缸结构图

3.1.1 手指夹紧力的计算 手指对工件的夹紧力计算式为：

FNK1K2K3G

式中：安全系数一般取1.2-2.0

15

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工作情况的系数，考虑到惯性力的影响，估算式为：

K21

ag

其中：a为运载工件时重力方向的最大升加速度

g为重力加速度

g9.8r

根据手指和工件形状以及工件位置与手指的不同进行选定，方位系数为：

K30.5

f为摩擦系数

G选取工件所受的重力（N） 根据分析可设

tan(1ftan)

K1=1.5， 0.a1.04K211

K0.74g9.8则，3

把以上条件代入可得：

FNK1K2K3G1.51.040.744956.6(N)

3.1.2 手部气缸内径的确定

根据手指的几何关系分析可知：

2bF(cos)2FN

a 其中：b=20mm，a=18mm，=30°

则

F

2b220

(cos)2FN(cos30)256.694.3(N)a18

根据分析可知，气缸在未加载时实际所能输出的力，受到气缸活塞和缸筒间的相互摩擦、前气缸和活塞杆间的摩擦力等影响。在研究到气缸性能与确定气缸的缸径时，通常用到负载率：

16

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

根据表3.2：取β=0.45

气缸的实际负载F

100%

气缸的理论负载F0

表3.2 气缸的运动状态与负载率

根据气缸的结构得：

其中：D为活塞的直径，m；d为活塞杆的直径，m；P为使用的压力，Pa；Ft为弹簧的反作用力，N；估算可取d=0.3D，Ft=40N，P=0.5MPa。

代入上式得：D13.69mm

按照下表（表3.3）GB/T2348-1993标准进行圆整，取D=40mm

表3.3 气缸内径尺寸系列（摘自GB/T 2348-1993）/mm

F



4

(D2d2)PFt

注：括号内的公称压力值为非优先采用直 3.1.3 手部气缸活塞杆直径的确定

17

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根据d=0.3D，有下表（表3.4）估取活塞杆直径 d=12 mm

表3.4 气缸活塞杆外径尺寸系列（摘自GB/T 2348-1993）/mm

3.1.4 手部气缸缸筒长度的确定 气缸筒长度为S=L+B+20

式中：L为活塞行程，L=200mm； B为活塞厚度，

B=(0.20~0.25)D= 0.2040=8mm 则：S=L+B+20=200+8+20=228mm

3.1.5 手部气缸筒壁厚的确定

根据《机械设计常用公式速查手册》可知：一般气缸筒壁厚和内径的比为：

1

D

10 其壁厚通常按薄壁筒的公式计算：



式中：D为气缸内径，m；

DPt2

Pt为实验压力，一般取Pt=1.5Pmax，Pa；

为材料的许用应力，b，Pa；

n

18

Pmax为气缸最高工作压力，Pa；

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b为材料的抗拉强度，Pa； n是安全系数，一般取n=6~8 。

通常计算出的壁厚往往很薄，考虑到机械加工的工艺性，往往会将缸筒壁厚适当的加厚，尽量选用标准的壁厚和内径的铝合金管或钢管。下表（表3.5）列出了铝合金管和无缝钢管生产厂供应的管壁厚和气缸采用的壁厚。

表3.5 铝合金管和无缝钢管生产厂供应的管壁厚和气缸采用的壁厚

假设所选的材料为20钢无缝钢管，则根据表知：2.5mm 3.1.6 手部气缸耗气量计算

气缸在往复运动所要消耗的压缩空气量称为气缸的耗气量。 气缸在每一个行程的压缩空气耗气量为Q，则

QQ1Q2

气缸在无杆腔工作时耗气量为Q1，

Q1



4

D2



4

0.042151.89102(m3)

气缸在有杆腔工作时耗气量为Q2，

Q2



4

(D2d2)



4

(0.0420.0122)151.72102(m3s)

气缸在每一个行程的压缩空气耗气量为Q，

QQ1Q21.891021.721023.61102(m3s)



气缸自由空气耗气量Q，

19

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P0.10130.50.1013

3.611020.22(m3s)

0.10130.1013

式中：D为气缸内径，m；d为活塞杆直径，m；υ为工作速度，m/s；P为

QQ

气缸工作压力，Mpa。

3.1.7 手部气缸的进、排口大小计算

通常气缸进排气口的直径大小与气缸的速度有关，气缸进排气口的直径为

d0，

4Q42.55103

d00.0147(m)14.7(mm)

15

式中：Q为工作压力下气缸的耗气量，m3s；为空气流进、排气口的速度，一般取10~15ms，这里取15ms，ms。

根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可选取d0=32mm。

表3.6 气缸供气口接管螺纹确定阀类元件、三联件、管道的通径表

根据上表（表3.6）可知，气缸的进排气口的螺纹规格为：M422 根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可知气缸进、排气口尺寸为：

M101(G)

3.2 纵向气缸的设计

根据设计方案知，纵向气缸不仅要承受负载5kg的重量，还要承受手部气缸及手指部分的重量，假设此重量为负载的十分之一，即0.5kg。则纵向气缸实际的负载F=53.9N。

那么理论负载力为：

F0F53.0.45119.8(N)

20

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3.2.1 纵向气缸的内径计算 根据气缸内径计算式：

D

4F0

d2

P

而d=0.3D,β=0.45，P=0.5Mpa，则

D

4F04119.8

27mm

0.91P0.910.50.45

按照表（表3.2）气缸内径尺寸系列（摘自GB/T 2348-1993）可取D=32mm。 3.2.2 纵向气缸活塞杆直径计算 由d=0.3D,D=32mm，则

d9.6mm

根据表（表3.2）估取活塞杆直径 d=10mm 3.2.3 纵向气缸缸筒长度的确定 气缸筒长度为S=L+B+20 式中 B为活塞厚度，

B(0.20~0.25)D7mm

由于气缸的行程L=300mm ,所以

SLB20300720327mm

3.2.4 纵向气缸筒的壁厚确定 由于选用20钢无缝钢管为材料， 根据表3.5查得：2.5mm 3.2.5 纵向气缸耗气量的计算

气缸在每一行程的压缩空气耗气量为Q，则

QQ1Q2

气缸在无杆腔工作时耗气量为Q1，

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44

气缸在有杆腔工作时耗气量为Q2， Q2

Q1



D2



0.0322151.21102(m3s)



44

气缸在每一行程的压缩空气耗气量为Q，

(D2d2)



(0.03220.012)151.09102(m3s)

QQ1Q21.211021.091022.30102(m3s)

气缸自由空气耗气量Q，

P0.10130.50.1013

QQ2.301020.14(m3s)

0.10130.1013

式中：D为气缸内径，m；d为活塞杆直径，m；υ为工作速度，m/s；P为气缸工作压力，MPa。

3.2.6 纵向气缸的进、排气口计算

通常气缸进排气口的直径大小与气缸的速度有关，气缸进排气口的直径为

d0，

4Q42.30102

d00.0442(m)44.2(mm)

15

式中：Q为工作压力下气缸的耗气量，m3；为空气流进、排气口的速度，一般取10~15ms，这里取15ms，ms

根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可选取d050mm 根据表3.5可知，气缸的进排气口的螺纹规格为：M602

根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可知气缸进、排气口尺寸为：

M141.5(G)

3.3 横向气缸的设计

根据设计方案知，横向气缸不仅要承受负载5kg的重量，还要承受纵向气缸、手部气缸及手指部分的重量，则横向气缸实际的负载F58.8N

那么理论负载力为：

F0F/58.8/0.45130.67N

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3.3.1 横向气缸的内径计算 根据气缸内径计算式为：

D

4F0

d2 P

而d=0.3D,0.45，P0.5MPa则

D

4F04130.67

29mm

0.91P0.910.50.45

按照表（表3. 2）气缸内径尺寸系列（摘自GB/T 2348-1993）可取D=32mm 3.3.2 横向气缸活塞杆直径计算 由d=0.3D，D=32mm，则d9.6mm 根据表（表3. 2）估取活塞杆直径 d=10mm 3.3.3 横向气缸缸筒长度的确定 气缸筒长度为S=L+B+20 式中 B为活塞厚度，

B(0.20~0.25)D7mm

由于气缸的行程L=400mm ,所以

SLB20400720427mm

3.3.4 横向气缸筒的壁厚确定 由于选用20钢为无缝钢管的材料， 根据表3.5查得：2.5mm 3.3.5 横向气缸耗气量的计算

气缸在每一个行程的压缩空气耗气量设为Q，则

QQ1Q2

气缸在无杆腔工作时的耗气量设为Q1，

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Q1



4

D2



4

0.0322151.21102(m3s)

气缸在有杆腔工作时耗气量为Q2，



Q2(D2d2)(0.03220.012)151.09102(m3s)

44气缸在每一个行程的压缩空气耗气量设为Q，

QQ1Q21.211021.091022.30102(m3s)

气缸自由空气耗气量Q，

P0.10130.50.1013

QQ2.301020.14(m3s)

0.10130.1013

式中：D为气缸内径，m；d为活塞杆直径，m；υ为工作速度，m/s；P为气缸工作压力，MPa。

3.3.6 横向气缸的进、排气口计算

通常气缸进和排气口的气缸的速度与直径大小有关，气缸的进排气口的直径设为d0，

4Q42.30102

d00.0442(m)44.2(mm)

15

根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可选取

d050mm

根据表3.5可知，气缸的进排气口的螺纹规格为：M602

根据《机械设计手册-气压传动》中表23-4-9可知气缸进、排气口尺寸为：

M141.5(G)

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第4章 机械手PLC的控制

4.1 PLC的简介及发展

可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，开始于二十世纪六十年代，传统继电器控制装置的代替是由于美国推出的可编程逻辑控制器实现的，由此快速发展了可编控制器PLC。同时，随着计算机相关方面的技术、网络和控制方面技术、信号处理方面的技术都在不断发展和完善，PLC的相关各个方面的功能也有所改善。[14]

在1968年美国的通用汽车公司（GM）第一次公开招标，对控制系统提出了具体要求为：（1）继电器控制系统设计周期短，改变容易，简单的布线及成本较低。[15]（2）它能把计算机功能与继电器控制系统相结合在一起。具有易学容易的编程和独特而方便的操作。[16]（3）系统的通用性强。而在1969年美国DEC公司根据相关要求，开发研制出了全世界第一台PLC，并在GM公司验成功，实现了生产自动化。[15]后来相关国家经过改进，主要应用于控制顺序和逻辑运算，由此被称为可编程序逻辑控制器，简称PLC。[14][15][16]

4.2 PLC的结构、种类和分类

专用工业计算机控制是PLC的本质，具有微型计算机的基本硬件结构，如图（图4.1）所示：

（一）存储器

PLC常用的存储器类型：

(1) RAM (Random Assess Memory)

这是一种随机读和写存储器，其具有存取的速度非常快，而且电池是由锂支持。

(2) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

这是一种可擦除的只读存储器。假如断电的情况，所存储在存储器内的所有相关内容是不会改变。

(3) EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)

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这种只读存储器是电可擦除的。可以使用编程器比较方便容易地对进行修改所存储的内容。

图4.1 PLC结构图

（二）中央处理单元(CPU)

控制PLC的中枢是中央处理单元(CPU)。功能是判断用户在程序中出现的语法错误。

（三）电源

PLC的电源作用十分重要对于整个系统。如果电力系统不稳定、可靠、良好，那么就会导致工作无法正常进行，因此PLC电源的设计和制造非常关键。

交流电压一般范围都是在+10%到+15%之间波动，以致于不能直接把交流电网和PLC相互连接。[14]

PLC的分类有： (1)大型PLC

在1024点以上的I/O点数为大型PLC。大型PLC具有自诊断功能极强，非常强大的软、硬件功能。联网通讯功能较强，还有多种通讯模块联网，还可以把通讯网形成三级，以达到生产管理的自动化。[14]

(2)中型PLC

在256到1024点之间的I/O点数，且结构为模块化的是中型PLC。采用直

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接I/O处理方式，扫描处理方式过程中扫描用户程序，直接就能读输入从而对输出刷新处理。它能对多种功能特殊模块联接，而且联网通讯功能更加强大，非常丰富的指令系统，扫描速度非常快，存储容量较大。[15]

(3)小型PLC

在128点以下的I/O点数是小型PLC，小体积、紧凑结构，而且整个一体化硬件，除了I/O开关量以外，还可以I/O模拟量连接以及其他各种模块特殊功能，这都是小型PLC的特点。它能够执行通讯联网、传输指令、逻辑运算、算术运算、数据处理、计时、计数以及各式样应用的指令。[14][15][16]

4.3 I/O接口简介

（1）外部设备与CPU、连接存储器和交换数据都需要通过设备接口来实现，外部设备与CPU被称为I/O接口，而存储器接口为后者，这就是I/O接口的概念。通常在同步控制CPU的工作下的是存储器，接口电路非常简单；而繁多品种的I/O设备，其不同接口的相应电路，因此，I/O接口被习惯说为接口。

（2）I/O接口的分类

把外围设备和I/O电路联系在一起是CPU通过系统负责总线实现I/O接口的功能，按照设备复杂程度和电路I/O接口的相应硬件主要分成：

1）I/O接口控制卡

按相应的逻辑组合成为对应一个部件的集成电路，或者在系统总线插槽上插一个插件，或是直接在CPU主板上插上插件。[16]

2）I/O接口芯片

通过不同的参数和命令由CPU输入，并控制操作相应相关的I/O电路和简单设备外围操作，这些都是电路芯片集成，如常见的并行接口、中断控制器、DMA控制器等等。[15]

（3）而串行接口、键盘接口、并行接口和磁盘等接口是根据接口相应的连接对象划分的。[14][15][16]

4.4 气动机械手程序的设计

4.4.1 公用程序

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（1）如图4.2所示为公用程序，用于相互处理程序之间切换的自动与手动程序被称为公用程序，当系统处于手动模式时，必须将M11-M18辅助继电器进行复位，但要除了第一个步骤以外的其他对应的每步，而且还要把M1连续工作状态复位，或当操作系统从自动的方式工作切换成为手动的方式工作，然后再次返回自动方式工作时，就可能会在同一时间出现，出现情况异常致使有两个活动步，从而导致行动错误。[15]

图4.2 公用程序

而当M0为ON时机械手就处在原点位置，此时M8002为ON用户程序开始执行、X0或X1为ON时系统处于手动状态或回到了原点位置状态，第一步M1O就会被置位，也就为作好准备进入单同期、单步和连续方式工作。如果M0为OFF状态，那么就将复位M1O，从而慢慢一步步达到静止，也就不能使系统在对应单周期、单一步和连续方式工作下工作。[15][16]

（2）公用程序指令表

LD X12 AND X10 AND Y4 OUT M0

LD M8002 OR X0 OR X1 LD M0

SET M10 LDI M0 RST M10 LD X0

ZRST M11 M18 RST M1 END

4.4.2 手动程序

(1)图4.3所示为手动程序如，应用对应的X14～X21控制的六个按钮在手

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工工作时，机械手上对应的是上升、下降、左行、右行、松开和夹紧。在保证安全运行系统的前提下，设置一些联锁过程对应手动程序中是必要，比如右行与左行之间、下降与上升之间的互锁；左行、右行、上升、下降的限位；X10上限位常开触点开关与控制右、左行的Y3和 Y2 的线圈相互串联，以致于机械手只有上升到最高位置的时候才能够向左右方向移动，以达到在较低位置运行时弥补机械手和另外物件相互之间碰撞的情况。[15][16]

图4.3 手动程序

(2)手动程序指令表

LD X20 SET Y4 LD X21 RST Y4 LD X14 ANI X10

ANI Y1 OUT Y0 LD X15 ANI X11 ANI Y0 OUT Y1

LD X16 AND X10 ANI X12 ANI Y3 OUT Y2 LD X17

AND X10 ANI X13 ANI Y2 OUT Y3 END

4.4.3 自动程序

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图4.4 自动程序

（1）如图4.4所示为自动程序，工作系统在连续、单周期工作方式时，X2接通常闭触点，使M2允许转换为ON，M2在各步电路中串联接通常开触点，转换是允许步与步之间。[15]

（2）自动程序指令表

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LD X5 AND X4 OR M1 ANI X6 OUT M1 LD X5 ORI X2 OUT M2 LD M18 ANI M1 AND X12 AND M2 OR M10 ANI M11 OUT M10 LD M18 AND M1 AND X12 LD M10 AND X5 ORB AND M2 OR M11 4.4.4 回原点程序

ANI M12 OUT M11 LD M11 AND X11 AND M2 OR M12 ANI M13 OUT M12 LD M12 AND T0 AND M2 OR M13 ANI M14 OUT M13 LD M13 AND X10 AND M2 OR M14 ANI M15 OUT M14 LD M14 AND X13 AND M2

OR M15 ANI M16 OUT M15 LD M15 AND X11 AND M2 OR M16 ANI M17 OUT M16 LD M16 AND T1 AND M2 OR M17 ANI M18 OUT M17 LD M17 AND X10 AND M2 OR M18 ANI M10 ANI M11 OUT M18 LD M13

K20 K20

OR M17 ANI X10 OUT Y0 LD M11 OR M15 ANI X11 OUT Y1 LD M18 ANI X12 OUT Y2 LD M14 ANI X13 OUT Y3 LD M12 OUT T0 RST Y4 LD M16 OUT T1 SET Y4 END

如图4.5所示为回原点程序，当X1为ON时工作在回原点上，此时需要按下回原点按钮X7起动，那么M3就变为ON，就会使机械手上升和松开，直到升到上限位，开关X10及时0N，机械手到左限位处的时候，其中的X12变为ON，就停止在左行的M3复位。当原点条M0为ON，其M0置位设置为初始步，就会进入到单周期、连续和单步工作方式，为其作好相关准备。

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图4.5 回原位程序

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第5章 结论与展望

本论文研究气动机械手的设计，采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，也能实现过载保护，还便于自动控制。而且工作环境适应性好，不会因为环境的变化影响到传动及控制性能，它的阻力损失和泄漏较小，不会污染环境，成本也低廉。同时采用PLC控制，可靠性较高，程序可灵活改变。研究的气动机械手只要完成伸缩、升降、夹紧、放松等功能，但对应的机构设计和计算，以及气路及其部件的选择和控制不是很完善，还有很多方面在以后的设计中将会进一步改善。

通过这次论文设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化所学过的专业理论知识，也发觉很多不足方面，需要改进和完善的方面也不少，虽然查阅资料，不断探索、不断学习和修改，，但是还有许多方面需要改进和提高，希望在专家评审老师的指教下，以后逐步完善。

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参考文献

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江西科技学院本科生毕业设计（论文）

致谢

在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了导师吴老师的精心指导和亲切关怀，使得本设计得以顺利完成，其中饱含着吴炜老师的汗水和心血。

吴老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在本设计的构思、框架和理论运用都给予了许多深入的指导，使得设计能够顺利完成。在此谨向尊敬的导师吴老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。

同时也感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。还要感谢几位同学，在毕业设计期间，他们给了我许多建议和意见，尤其是在PLC控制方面对我的精心指点，才使整个设计得以顺利完成，感谢老师和同学对我的关心和帮助。

再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

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2012年X月X日

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