毕业设计-真空吸盘式气动机械手的设计

1一绪论（一）气压传动技术的研究发展动向随着科学技术的不断进步，目前气压技术正向着高压、高速、大功率、高效、高度集成化的方向发展。虽然气压传动技术方便简洁，但是气压传动中存在着一些亟待解决的问题，如：气压系统工作时的稳定性、工作介质的泄漏、气压冲击对设备可靠性的影响等等，这些问题都是气压传动技术需要研究和解决的。任何技术的改革和创新，都必须以稳定、可靠的工作为前提，这样才具有它的实际意义。（二）气压传动技术的应用机械制造业，其中包括机械加工生产线上工件的装夹及搬送，铸造生产线上的造型、捣固、合箱等。在汽车制造中，汽车自动化生产线、车体部件自动搬运与固定、自动焊接等。电子IC及电器行业，如用于硅片的搬运，元器件的插装与锡焊，家用电器的组装等。石油、化工业用管道输送介质的自动化流程绝大多数采用气动控制，如石油提炼加工、气体加工、化肥生产等。轻工食品包装业，其中包括各种半自动或全自动包装生产线，例如：酒类、油类、煤气罐装，各种食品的包装等。机器人，例如装配机器人，喷漆机器人，搬运机器人以及爬墙、焊接机器人等。其它，如车辆刹车装置，车门开闭装置，颗粒物质的筛选，鱼雷导弹自动控制装置等。目前各种气动工具的广泛使用，也是气动技术应用的一个组成部分。（三）气压传动的特点气压传动的优点：以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道；因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境；与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题；工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电2气控制优越；成本低，过载能自动保护。气压传动的缺点：由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差，但采用气液联动装置会得到较满意的效果；因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN；噪声较大，在高速排气时要加消声器；气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。（四）机械手的组成工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1执行机构（1）手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，3从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同,工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便、可获得较大的输出功率、气体不可压缩，压力、流量易于控制，反应灵敏、控位精确等优秀特点。3控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。（五）本课题设计的主要内容本设计课题名称为真空吸盘式气动机械手的设计，设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。性能特点：机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。主要技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180º；定位方式为定位块；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压传动系统。（六）设计的基本思路、方案分析、理解设计任务书的要求→查阅相关资料→初步拟订设计方案→设计方案对比并确定最佳方案→参数的设计计算→装配图草图→零件设计→零件草图→绘制装配图→绘制零件图→编写设计说明书4（七）设计原则这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。5二真空吸盘式气动机械手的总体设计（一）真空吸盘式气动机械手设计的主要技术参数设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求，主要技术参数见表2.1：表2.1主要技术参数（二）真空吸盘式气动机械手工作原理分析真空吸盘式气动机械手功能原理如图2.1所示吸盘吸持力2kg运动形式圆柱坐标手臂伸缩行程范围0-300mm手臂升降行程范围0-200mm手臂回转行程范围0-180°定位方式定位块控制方式点位式、PLC控制驱动方式气压传动系统自由度数36图2.1功能原理图真空吸盘工作原理：真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独立的真空系统，而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此，特别在各种包装作业过程中，利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是：压缩空气通过收缩的喷嘴后，从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，从而在接受室形成负压，诱导二次真空。这样的真空系统，尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。用真空吸盘来抓取物体，可以根据物体的不同形状来实现任意角度的传递。以下将从两种特殊位置，即水平和垂直两个方向，对真空吸盘的受力进行动态分析。（三）真空吸盘式气动机械手工艺方案设计一套真空吸盘式气动机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，气压传动，PLC系统控制。功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。主要技术参数：吸持力2kg；自由度数为3；运动形式为圆柱坐标；手臂伸缩行程范围0-300mm，手臂升降行程范围0-200mm；手臂回转行程范围0-180º；定位方式为定位块；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为气压传动系统。机械手的动作循环（工件平放）：真空吸盘吸取工件-大臂上升-大臂回转-手臂延伸-真空吸盘放下工件-手臂收缩-大臂反转-大臂下降。（四）真空吸盘式气动机械手方案设计（1）对于真空吸盘式气动的机械手，其工件的运动只需较少的自由度就能完成。7气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂，故采取气压传动方式。（2）本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。（3）本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征，选择气吸式（真空吸盘式）手部结构。（4）常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种:直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标(极坐标)型机械手、多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且根据本机械手坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确定机械手采用气压传动方式，PLC控制，真空吸盘式手部结构，圆柱坐标形式。8三真空元件的设计及参数计算（一）真空吸盘吸持工件的动力学分析在产品包装、物体传输和机械装配等自动作业线上,使用真空吸盘来抓取物体的案例越来越多。柔而有弹性的吸盘可以很方便地实现诸如工件的吸持、脱开、传递等搬运功能,并确保不损坏其作用之对象。而吸持力靠真空系统维持,真空的产生可以是由电动机、真空泵以及各种真空器件所组成的真空系统来提供，也可以由压缩空气通过真空发生器所产生的二次真空来提供。前者需要配置独力的真空系统,而后者可以利用一般生产过程中已有的空气压缩系统。因此,特别在各种包装作业过程中,利用二次真空方法显得十分方便、经济。真空发生器的原理是压空气通过收缩的喷腾后,从喷嘴喷射出的高速气流卷吸周围的静止流体和它一起向前流动,从而在接受室形成负压,诱导二次真空。这样的真空系统,尤其对于不需要大流量真空的工况条件更显出它的优越性。真空发生器的结构及参数设计,可以根据需的真空度设计出所需的真空发生器。用真空吸盘来抓取物体,可以根据物体的不同形状实现任意角度的传递。在此次设计中，工件平放；故从水平方向对真空吸盘的受力分析进行动态分析。如图3.1所示为真空吸盘用于水平位置工作时的安装方位。在图3.1吸盘水平安装时,除了要吸持住工件负载外,还应该考虑吸盘移动时因工件的惯性力对吸力的影响。图3.1真空吸盘的安装位置9（二）真空吸盘的选取为了确保真空吸盘能完成给定的任务,需考虑一定的安全系数,根据理论和实践经验,真空吸盘的安全系数N一般取2.5，因此,许用提升重量=理论提升重量/N=垂直提升力/N表3.1吸盘直径、面积、垂直提升力参数表吸盘垂直提升力（N）吸盘直径D(mm)1013162025324050吸持面积（cm²）0.7851.332.013.144.918.0412.619.6吸盘垂直提升力（N）（-0.04MPa）3.145.328.0412.5619.6432.1650.478.4由上表可知，当工件重量为2kg时，许用提升重量为19.6N，欲使安全系数达到要求，只需满足2.5垂直提升力许用提升重量（3.1）即可，由表3.1选取吸盘直径为40mm即可满足考虑到吸附物的可吸附尺寸（面），所选的吸盘直径应设定为大于所需吸盘直径（D）因吸盘在吸附时会变形，吸盘的外径将增加10%左右。因为真空压力会使吸盘变形，所以吸附面积要比吸盘直径小。变形度根据吸盘的材质，形状，橡胶的硬度而有区别，因此，在计算得出吸盘直径时需留出余量。安全系数中包括变形部分。吸盘直