论文完整版(8)

基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 32

Fk298395.2??49732?Fpu?F1?2669(N) nk6所以该活塞杆满足稳定性条件。 5．耗气量的计算：

气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量Q为：

4此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况

Q??sn(2D2?d2)(m3/min)

加以修正。

3.14?0.2?15?（2?0.12?0.0322）?0.045m3/min 46．气缸进排口的计算

Q?气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径d0用下式计算：

d0?2式中，

Q??(m)

Q-工作压力下气缸的耗气量，m3/s

?-空气流经进排气口的速度，一般取??10~15m/s

把计算出来的气缸进排气口当量直径进行圆整后，按照GB/T 14038—93<<气缸气口螺纹>>选择合适的气口螺纹。故，

d0?0.010m

7．上下移动气缸部分质量估算

活塞杆及导向套材料采用45钢； 缸体采用铝合金ZL106； 连接件采用HT250。

查相关手册， 45号钢密度为7.85?103kg/m3 ZL106的密度为 2.73?103kg/m3 HT250密度为 7.35?103kg/m3 经计算，质量约为：

基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 33

m?10.3401?4.0632?2.6621?17.0654kg

故，总质量：

m?2.3682?5.7841?17.0654?25.2176kg

6.2.2 气缸结构设计 1.缸筒和缸盖的连接

查阅机械手册，选择拉杆式螺栓连接。该结构简单，易于加工，易于装卸。 2．活塞杆与活塞的连接结构

活塞杆与活塞的常用连接形式分整体结构和组合结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。

该气缸选择螺纹连接，结构简单，装卸方便，应用较多。 3．密封

气缸密封的好坏，直接影响气缸的性能和使用寿命，正确设计、选择和使用密封装置，对保证气缸的正常工作非常重要。

查阅机械手册的表4-2 活塞的结构与密封型式

采用O型密封圈。工作可靠，静摩擦因素大，活塞的结构比较简单，目前使用的范围较广。

4．气缸的安装连接结构

根据安装位置和工作要求不同可有法兰式、脚架式、支座式、铰轴式。 由于结构需要，该气缸用法兰式安装连接。

6.3 导向装置

气压驱动的机械手臂在进行上下运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体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该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量[17]。

在本设计中才用双导向杆来增加腰部的刚性和导向性。

6.4 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，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，根据抓取物体的重量和气缸的运行参数配一重量10kg的铁块。这样，机械手臂的倾覆力矩就非常小，不会有翻到的状况发生[18]。

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6.5 基座结构设计

图6-2 轴承的基座

该设计采用了环形轴承的支承结构。它由电动机（自带减速机）直接驱动连接转动壳体的支撑架，接而转动壳体带动手臂转动。根据承受载荷及力方向，该支撑轴承选用双向推力球轴承；转动选用了双列圆锥滚子轴承。 6.3.1 电动机的选取

测定参与手臂转动的部件的有 零件、手抓及气缸、伸缩气缸、上下气缸及各部分连接件。

现在零件、手爪及气缸质量估算为m?3kg，伸缩气缸部分质量估算m?6kg，上下气缸部分质量估算为m?18kg。分析部件的质量分布情况，由转动惯量公式：

mr2 J? （6-1）

2得各部分转动惯量：

mr23?0.62J1???0.54kg?m2

22mr26?0.32J2???0.27kg?m2

22基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 35

mr218?0.22J3???0.36kg?m2

22转矩公式：

T?J?得：

??t （6-2）

T1?J1??0.54?4?0.8478N?m ?t0.5?0.27?4?0.4239N?m ?t0.5?0.36?4?0.5652N?m ?t0.5T?1.8369N?m

??T2?J2???T3?J3?则负载转矩为：

??考虑轴承、密封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k?0.2，

T摩?k?T惯?0.2?1.8369?0.36738N?m （6-3） 故，总的负载转矩为2.3N?m 计算功率 ： P?得P?0.36kW

根据机械设计手册第四版第五卷P22-98表22-1-64选择浙江齿轮减速电机有限公司生产的YCJ系列齿轮减速电机。YCJ系列 齿轮减速三相异步电动机是由同轴式减速器和全封闭自冷式电动机构成一个整体。其特点是输出转速低，转矩大，体积小，噪声小，运行可靠。适用于驱动低转速传动机械[19]。

选择型号为YCJ160配用电机Y801-4。

带减速机后的电动机输出转矩为314N?m?T驱。 故选取电动机满足使用要求。 6.3.2 轴承的选取及校核 （1）双向推力球轴承型号

由于只承受轴向载荷，而双向推力轴承能承受两个方向的轴向载荷，可以限制轴和外壳两个方向的轴向位移，故选用双向推力球轴承。

T?n （6-4） 9550基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 36

根据英科宇机械工程师电子手册滚动轴承中选择型号为52217， 它的有关参数如下表6-1所示。

表6-1 双向推离球轴承型号摘自GB/T301-1995

轴承代号 基本额定 动载荷Ca /KN 静载荷Coa 极限转速 r/min 脂润滑 油润滑 /KN 52217 （2）双列圆锥滚子轴承

圆锥滚子轴承只要适用于承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷，而大锥角圆锥滚子轴承可以用于承受以轴向载荷为主的径、轴向联合载荷。而双列圆锥滚子轴承在承受径向载荷的同时，可承受双向轴向载荷，可限制轴或外壳的双向轴向位移，改变隔套的厚度可以调整轴承的游隙。故选择该轴承。

根据英科宇机械工程师电子手册滚动轴承中选择型号为352938X2， 它的有关参数如下表6-2所示。

表6-2双列圆锥滚子轴承摘自GB/T299-1995

102 280 1300 1900 轴承代号 基本额定 动载荷Ca /KN 静载荷Coa 极限转速 r/min 脂润滑 油润滑 /KN 352938X2

522 1270 750 950

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