【通用】机械手-代.doc

第一章设计要求

1、设计题目

基于PLC的气动机械手设计，所实现的运动如下：

材料形状尺寸提升高度平移下降

尼龙圆柱体直径100*60mm 80mm 50mm 10mm

2、设计目的

机电专业综合课程设计是一个重要的实际性教学环节。要求学生综合运用所学的机械、电子、计算机和自动化控制等方面的知识，独立进行设计训练。主要目的：（1）、学习机电一体化系统总评方案的拟定、分析与比较的方法。

（2）、通过对机械、液压及气动的设计，掌握几种典型的传动元件与导向元件的原理、设计计算方法与选用原则。

（3）、通过对控制系统的设计，掌握运用驱动元件的工作原理、参数计算、型号选用和控制方式。

（4）、通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路。

（5）、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文、设计的能力。

3、设计内容

机械手实现的运动及所夹工件的参数如表1（单位：mm）。

4、设计任务

(1)基于PLC的气动机械手设计整体装配图、气动系统原理图、PLC控制原理图和机械手首部原理装配图。

（2）编写课程设计任务书。

第二章机械手手臂方案设计

由设计要求可知，此设计要实现的是对平面内两个固定位置的循环操作。能实现此要求的方案有：

1、气缸连杆式

图2-1 气缸连杆式机械手

该方案可通过对1、2、3、4气缸的控制实现对该平面内一定区域的任意操作。该方案由于构件较多，系统本身较重。适合运送较重的工件，且适合平面内多位置的连续操作。对于平面内简单的两位置固定循环操作和夹持搬运轻型工件此方案不够经济。

2、气缸式

全气缸式实现此设计要求有两大方案：一种是四气缸式，另一种是三气缸式。（1）、四气缸式

按安装方式的不同，又有两种形式（见图2-2）

图2-2 四气缸全缸式机械手

这两种方案中，每个气缸都只有一个固定的行程，由于气缸较多，故安装较复杂，但控制简单可靠。B方案与A方案相比，气缸3的缸筒和活塞杆的强度和刚度要求较高。

(2)、三气缸式

图2-3 三气缸全缸机械手

这两种方案中，气缸2有两个行程。安装较四气缸式的简单，但控制稍复杂，整体较四缸式简单经济。D方案与C方案相比，D方案中气缸2的缸壁和活塞杆的强度和刚度要求比C方案的高。

根据设计要求并结合以上各方案的特点，选用三气缸式C方案较实用、可靠和经

济。

三、机械手手部方案设计

1、机械手手部方案的选型

（1）、方案一

斜楔杠杆式

图3-1 斜楔杠杆式机械手

动作原理：如图所示，为单作用斜楔式回转型机械手的结构简图，斜楔向下运动时，客服弹簧拉力使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹住工件。当斜楔向上运动时，则在弹簧力的作用下使手指松开，从而放下工件。在手指与楔块之间装有滚子，从而减小摩擦力，提高机械效率。

（2）、方案二

滑槽杠杆式

图3-2 滑槽杠杆式机械手

动作原理：如图所示，为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部的简图。杠杆形手指4的一端装有V型指5，另一端则开有长槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时即可拨动两个手指各绕支点（绞销3）作相对回转运动。从而实现手指的夹紧与松开动作。

滑槽杠杆式传动机构的定心精度与滑槽的制造精度有关，因活动环节较多，配合间隙的影响不可忽视。此机构依靠驱动力锁紧，机构本身无自锁性能。

（3）、方案三

连杆杠杆式

图3-3 连杆杠杆式机械手

动作原理：如图所示，为双支点式回转型连杆杠杆式手部的简图。驱动杆2末端与连杆4由绞销3绞接，当驱动杆作直线往复运动时，则通过连杆推动两杠杆手指，使其各绕支点作回转运动，从而使手指夹紧或松开。

（4）、方案四

齿条齿轮杠杆式

图3-4 齿轮齿条杠杆式机械手

动作原理里：如图所示，为齿条齿轮杠杆式手部结构简图。由齿条直接传动给齿轮杠杆结构，驱动杆2末端制成双面齿条，与扇形齿轮4相啮合，而扇形齿轮4与手指5相固连在一起，可绕支点回转，驱动力推动齿条作直线往复运动，即可带动扇形齿轮回转，从而实现手指的加紧与松开。

比较上述四种方案，斜楔杠杆式的松开方式主要靠弹簧，由于楔块容易磨损和弹簧也容易失效，所以斜楔杠杆式并不够理想；滑槽杠杆式在工作过程中绞销与槽壁相对滑动，磨损较大，难以保证运动精度，因此对槽壁的强度、刚度和尺寸要求都较大，此方案也不够理想；对于方案四，由于结构复杂，且齿轮齿条的造价较高，故从经济上讲不够理想；方案三，结构简单，易于更换零部件，承载能力较大，且只有绞接处有磨损，其他地方几乎没有磨损，经综合考虑选用方案三，并作适当改进。

经改进后的方案如下图所示。

图3-5 修改后的机械手手部装配图

2、机械手手指夹持件的设计

手指夹持件是机械手上直接与工件相接触的部位，它的结构形式多种多样，但具体选用时要取决于所夹持工件的形状。最常见的有平面指形、尖指或薄、长指形和V 形指三种。平面指形一般用于夹持方形工件（具有两个平行平面）、板形或细小棒料等。尖指或薄、长指形一般用于夹持小型或柔性工件，薄指常用于夹持狭窄工作场合的细小工件，长指常用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构及电子元件的影响。V形指常用于夹持圆柱形工件。

图3-6 常用的机械手手指形状

由于本次设计是针对圆柱形工件（直径固定）所进行的，所以可选用V形指并加以改进，即可用圆弧形代替V形，夹持件圆弧面的半径小于工件的半径，与工件相接触的材料选用橡胶，这样既可增大接触面积和摩擦因数，有具有柔性（允许工件有误差），由于所夹持的工件的材料是尼龙，所以可选用较常使用铸铁和橡胶材料即可，此材料经济且易加工。改进后的手指夹持件如下图所示。