小型气动机械手的设计

1小型气动机械手的设计学 生：钟阳 指导老师：陈文凯(湖南农业大学工学院，长沙 410128)摘 要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计 Design of Small Pneumatic Manipulator Student:zhong yang Tutor:chen wenkai(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 21 前言 机 械 工 业 是 国 民 的 装 备 部 ， 是 为 国 民 经 济 提 供 装 备 和 为 人 民 生 活 提 供 耐 用 消费 品 的 产 业 。 不 论 是 传 统 产 业 ， 还 是 新 兴 产 业 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 机 械 装 备 ， 机械 工 业 所 提 供 装 备 的 性 能 、 质 量 和 成 本 ， 对 国 民 经 济 各 部 门 技 术 进 步 和 经 济 效 益 有很 大 的 和 直 接 的 影 响 。 机 械 工 业 的 规 模 和 技 术 水 平 是 衡 量 国 家 经 济 实 力 和 科 学 技 术水 平 的 重 要 标 志 。 因 此 ， 世 界 各 国 都 把 发 展 机 械 工 业 作 为 发 展 本 国 经 济 的 战 略 重 点之 一 。工 业 机 械 手 是 近 几 十 年 发 展 起 来 的 一 种 高 科 技 自 动 化 生 产 设 备 。 工 业 机 械 手 的是 工 业 机 器 人 的 一 个 重 要 分 支 。 它 的 特 点 是 可 通 过 编 程 来 完 成 各 种 预 期 的 作 业 任 务 ，在 构 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 机 器 各 自 的 优 点 ， 尤 其 体 现 了 人 的 智 能 和 适 应 性 。 机 械 手作 业 的 准 确 性 和 各 种 环 境 中 完 成 作 业 的 能 力 ， 在 国 民 经 济 各 领 域 有 着 广 阔 的 发 展 前景 。机 械 手 是 在 机 械 化 ， 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 起 来 的 一 种 新 型 装 置 。 在 现 代 生 产过 程 中 ， 机 械 手 被 广 泛 的 运 用 于 自 动 生 产 线 中 ， 机 械 人 的 研 制 和 生 产 已 成 为 高 技 术邻 域 内 ， 迅 速 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 技 术 ， 它 更 加 促 进 了 机 械 手 的 发 展 ， 使 得 机械 手 能 更 好 地 实 现 与 机 械 化 和 自 动 化 的 有 机 结 合 。 机 械 手 虽 然 目 前 还 不 如 人 手 那 样灵 活 ， 但 它 具 有 能 不 断 重 复 工 作 和 劳 动 ， 不 知 疲 劳 ， 不 怕 危 险 ， 抓 举 重 物 的 力 量 比人 手 力 大 的 特 点 ， 因 此 ， 机 械 手 已 受 到 许 多 部 门 的 重 视 ， 并 越 来 越 广 泛 地 得 到 了 应用 。机 械 手 技 术 涉 及 到 力 学 、 机 械 学 、 电 气 液 压 技 术 、 自 动 控 制 技 术 、 传 感 器 技 术和 计 算 机 技 术 等 科 学 领 域 ， 是 一 门 跨 学 科 综 合 技 术 。 机 械 手 是 一 种 能 自 动 化 定 位 控制 并 可 重 新 编 程 序 以 变 动 的 多 功 能 机 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 来 搬 运 物 体 以 完 成 在各 个 不 同 环 境 中 工 作 。气 动 机 械 手 作 为 机 械 手 的 一 种 , 它 具 有 结 构 简 单 、 重 量 轻 、 动 作 迅 速 、 平 稳 、可 靠 、 节 能 和 不 污 染 环 境 等 优 点 而 被 广 泛 应 用 。气 动 机 械 手 强 调 模 块 化 的 形 式 , 现 代 传 输 技 术 的 气 动 机 械 手 在 控 制 方 面 采 用了 先 进 的 阀 岛 技 术 (可 重 复 编 程 等 ), 气 动 伺 服 系 统 (可 实 现 任 意 位 置 上 的 精 确 定位 ), 在 执 行 机 构 上 全 部 采 用 模 块 化 的 拼 装 结 构 。90 年 代 初 , 由 布 鲁 塞 尔 皇 家 军 事 学 院 Y. Bando 教 授 领 导 的 综 合 技 术 部 开 发研 制 的 电 子 气 动 机 器 人 “阿 基 里 斯 ” 六 脚 勘 探 员 , 是 气 动 技 术 、 PLC 控 制技 术 和 传 感 技 术 完 美 结 合 产 生 的 “六 足 动 物 ”。 6 个 脚 中 的 每 一 个 脚 都 有 3 个 自3由 度 , 一 个 直 线 气 缸 把 脚 提 起 、 放 下 , 一 个 摆 动 马 达 控 制 脚 伸 展 /退 回 运 动 , 另一 个 摆 动 马 达 则 负 责 围 绕 脚 的 轴 心 做 旋 转 之 用 。由 汉 诺 威 大 学 材 料 科 学 研 究 院 设 计 的 气 动 攀 墙 机 器 人 , 它 集 遥 感 技 术 和 真 空技 术 于 一 体 , 成 功 地 解 决 了 垂 直 攀 缘 等 视 为 危 险 工 作 的 操 作 问 题 。T ron-X 电 子 气 动 机 器 人 , 能 与 人 亲 切 地 握 手 ,它 的 头 部 、 腰 部 、 手 能 与 人 类一 样 弯 曲 运 动 , 并 且 有 良 好 的 柔 韧 性 。 在 幕 后 操 纵 人 员 的 操 作 下 (或 通 过 自 身 的编 程 控 制 ) 能 与 人 进 行 对 话 , 或 作 自 我 介 绍 等 。 T ron-X 电 子 气 动 机 器 人 集 电 子技 术 、 气 动 技 术 和 人 工 智 能 为 一 体 , 它 告 诉 我 们 , 气 动 技 术 能 够 实 现 机 器 人 中 最难 解 决 的 灵 活 的 自 由 度 , 具 有 在 足 够 工 作 空 间 的 适 应 性 、 高 精 度 和 快 速 灵 敏 的 反应 能 力 。现 代 汽 车 制 造 工 厂 的 生 产 线 ， 尤 其 是 主 要 工 艺 是 焊 接 的 生 产 线 ， 大 多 采 用 了 气动 机 械 手 。 车 身 在 每 个 工 序 的 移 动 ； 车 身 外 壳 被 真 空 吸 盘 吸 起 和 放 下 ， 在 指 定 工 位的 夹 紧 和 定 位 ； 点 焊 机 焊 头 的 快 速 接 近 、 减 速 软 着 陆 后 的 变 压 控 制 点 焊 ， 都 采 用 了各 种 特 殊 功 能 的 气 动 机 械 手 。 高 频 率 的 点 焊 、 力 控 的 准 确 性 及 完 成 整 个 工 序 过 程 的高 度 自 动 化 ， 堪 称 是 最 有 代 表 性 的 气 动 机 械 手 应 用 之 一 。 在 彩 电 、 冰 箱 等 家 用 电 器 产 品 的 装 配 生 产 线 上 ， 在 半 导 体 芯 片 、 印 刷 电 路 等 各种 电 子 产 品 的 装 配 流 水 线 上 ， 不 仅 可 以 看 到 各 种 大 小 不 一 、 形 状 不 同 的 气 缸 、 气 爪 ，还 可 以 看 到 许 多 灵 巧 的 真 空 吸 盘 将 一 般 气 爪 很 难 抓 起 的 显 像 管 、 纸 箱 等 物 品 轻 轻 地吸 住 ， 运 送 到 指 定 目 标 位 置 。 对 加 速 度 限 制 十 分 严 格 的 芯 片 搬 运 系 统 ， 采 用 了 平 稳加 速 的 SIN 气 缸 。 气 动 机 械 手 用 于 对 食 品 行 业 的 粉 状 、 粒 状 、 块 状 物 料 的 自 动 计 量 包 装 ； 用 于 烟草 工 业 的 自 动 卷 烟 和 自 动 包 装 等 许 多 工 序 。 如 酒 、 油 漆 灌 装 气 动 机 械 手 ； 自 动 加 盖 、安 装 和 拧 紧 气 动 机 械 手 ， 牛 奶 盒 装 箱 气 动 机 械 手 等 。 2 气动机械手的总体设计方案2.1 机械手的基本结构机 械 手 主 要 由 执 行 机 构 、 驱 动 系 统 、 控 制 系 统 以 及 位 置 检 测 装 置 等 所 组 成 。 执行 机 构 主 要 是 机 械 手 赖 以 完 成 工 作 任 务 的 实 体 ， 通 常 由 杆 件 和 关 节 组 成 。 从 功 能 的角 度 ， 执 行 机 构 可 分 为 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 和 基 座 等 。2.1.1 手部手 部 又 称 末 端 执 行 器 ， 是 工 业 机 械 手 直 接 进 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 种 夹 持 器 。有 时 人 们 也 把 诸 如 电 焊 枪 、 油 漆 喷 头 等 划 作 机 器 手 的 手 部 。 气 动 手 指 是 模 拟 人 的 手4指 抓 紧 工 件 ， 以 实 现 机 械 手 的 动 作 的 气 缸 。 按 结 构 特 点 可 分 为 旋 转 驱 动 型 、 平 行 开闭 型 、 支 点 开 闭 型 和 三 爪 开 闭 型 。2.1.2 腕部腕 部 与 手 部 相 连 ， 主 要 功 能 是 带 动 手 部 完 成 预 定 姿 态 ， 是 操 作 机 的 中 结 构 最 为复 杂 的 部 分 。 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 气 压 缸 ， 它 的 结 构 紧 凑 ， 灵 巧但 回 转 角 度 小 ， 一 般 小 于 270 度 ,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 。2.1.3 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，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。2.2 机械手的基本形式选择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:(1)直角坐标型机械手；(2)圆柱坐标型机械手； (3)球坐标(极坐标)型机械手；(4)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，因此本设计采用圆柱坐标型。2.3 机械手的主要部件及运动参数设计在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有 4 个自由度：手臂伸缩；手臂回转；机身回转；机身升降。5本设计的机械手主要由 3 个大部件和 4 个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。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。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动 1。设计技术参数:（1）抓重:2Kg (夹持式手部)（2）自由度数:4个自由度（3）座标型式:圆柱座标（4）最大工作半径:600mm（5）手臂最大中心高:400mm（6）手臂运动参数伸缩行程：350mm伸缩速度： 200mm/s升降行程：250mm升降速度： 100mm/s回转范围：0360回转速度： 60mm/s3 手部的设计3.1 手部的基本要求为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次设计采用的是夹持式手部结构。3.1.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜锲杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。3.1.2 对手部的基本要求6（1）具有足够的夹紧力；在确定手指的夹紧力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。（2）手指间应具有一定的开闭角；两手指张开和闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，一般 来 说 ， 如 工 作 环 境 许 可 ， 开 闭 范 围 大 一 些 较 好 。（3）保证工件准确定位；在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用 IT8 级，能满足工件的定位。（4）具有足够的强度和刚度；手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。（5）考虑被抓工件的形状要求。3.2 手 部 的 结 构 设 计根据本机械手的使用范围，本机械手采用手指式机械手部。根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便如图 1。图 1 齿轮齿条式手部Fig 1 The hand of gear wheel 之所以不选用平行开闭手指是因为其所夹紧的工件直径较大，开闭行程比较难满足。3.3 手部的计算73.3.1 手指夹紧力的计算手 指 夹 在 工 件 上 的 夹 紧 力 时 设 计 手 部 的 主 要 依 据 ， 一 般 来 说 手 指 对 工 件 的 夹 紧力 可 按 下 式 计 算 ：GKFN321（ 1）式 中 ：安 全 系 数 ， 有 机 械 手 的 工 艺 及 设 计 要 求 确 定 ， 通 常 在 1.22.0， 故 取1K1.5；工 件 情 况 系 数 ， 主 要 考 虑 惯 性 力 的 影 响 ， 计 算 最 大 加 速 度 ， 得 出 工 件2情 况 系 数 ， =1+a/g=1+(200/100-0)/10/10=1.02， 故 取 1；2方 位 系 数 ， 根 据 手 指 与 工 件 形 状 以 及 工 件 位 置 不 同 进 行 选 定 ，3K， 摩 擦 系 数 ,故 取 3。f/sin5.006,.f被 抓 取 的 工 件 的 重 量 KgG所 以。NFN92315.3.3.2 驱动力计算根 据 手 部 结 构 的 传 动 示 意 图 ， 其 驱 动 力 为 ：NFRbp（ 2）由图 3-2 可知，b=120mm ,R=24mm,故=90NFRbp2实 际 驱 动 力 ：/21KP实 际（ 3）因 为 8 级 精 度 的 齿 轮 传 动 的 效 率 ， ， 。97.05.12所 以 N.39实 际P所 以 夹 持 工 件 时 所 需 夹 紧 气 缸 的 驱 动 力 为 139.2N。3.3.3 气压缸直径计算本 气 缸 属 于 单 向 作 用 气 缸 。 根 据 力 平 衡 原 理 ， 单 向 作 用 气 缸 活 塞 杆 上 的 输 出8推 力 必 须 克 服 弹 簧 的 反 作 用 力 和 活 塞 杆 工 作 时 的 总 阻 力 。 其 公 式 为 ： （ 4）ztFPDF-4/=21式 中 ：活 塞 杆 上 的 推 力 ， N1弹 簧 反 作 用 力 ， Nt气 缸 工 作 时 的 总 阻 力 ， NzF气 缸 工 作 压 力 ， Pa。P弹 簧 反 作 用 力 计 算 如 下 ： )(slGFftnDdf314/2t式 中 ：弹 簧 刚 度 ， N/mfG弹 簧 预 压 缩 量 ， ml活 塞 行 程 ， ms弹 簧 钢 丝 直 径 ， m1d弹 簧 平 均 直 径 ， mtD弹 簧 外 径 ， m2弹 簧 有 效 圈 数 ，n弹 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取GPaG9104.7在 设 计 中 ， 必 须 考 虑 负 载 率 的 影 响 ， 故 ：tFDF-/=21（ 5）由以上分析得单向作用气缸的直径:pt+(4=1（6）代入有关数据，可得： nDGdCf3149= 15)03(8).14.79349=3677.46(/m)slGFft=3677.46 6031=220.6(N) 所 以 可 得 到 pFDt1= 216.0)5.()6.20.39(4 =39.08(mm)查 机 械 设 计 手 册 （ 气 压 传 动 ） 表 22-1-20， 得 D=40mm由 2d/D=0.30.5， 可 得 活 塞 杆 直 径 ：d=(0.30.5)D=1220mm故 取 活 塞 杆 直 径 d=18mm 校 核 ， 按 公 式 ： )4/(21F化 简 得 5.0d其 中 ， NMPa.39,1201则 ： 5.0)12/.394(=1.22 18所 以 满 足 活 塞 杆 设 计 要 求 。3.3.4 缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，由于 D/ ,故其壁厚可按厚壁筒公式 1计算: 102/)13.40(yPD（ 7）式中 缸筒壁厚 mmD气缸内径 mm P 实验压力，取 P =1.5P ，Pay yn10缸 筒 应 采 用 不 锈 钢 、 铝 合 金 或 黄 铜 等 材 质本 设 计 采 用 材 料 ： ZL303 MPanb6.285/143/n 为 安 全 系 数 ， 一 般 取 5。 /10)75.31-6.28(+046=0.456（ mm）故 取 ， 则 缸 筒 外 径 为 40+2.5 2=45mm。m5.24 腕部的设计4.1 腕部的基本要求考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必须设有回转运动才可能满足工作的要求。换句话说，为了使手部出于空间任意方向，要求腕部能分别对空间三个坐标轴 X、Y、Z 实现转动。手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。设计时主要要注意以下几点：（1）结构尽量紧凑以减轻重量；（2）转动的灵活性及密封性；（3）考虑通向手部油路的配置。4.2 腕部的结构设计手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具备有独立的自由度，使得机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平放置；同时考虑到通用性，因此给手腕设计一绕 X 轴转动回转运动才可以满足工作的要求，目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，它的结构紧凑，但回转角度小于 360 度，并且要求严格的密封。11图 2 手腕回转时受力状态1-工件 2-手部 3-手腕Fig2The stress state of wrist rotation 1- the 2- hand 3- wrist 驱动手腕回转时的驱动力矩必须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，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩已经由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。如图 2。4.3 腕部的计算4.3.1 驱动力计算手腕转动时所需的驱动力矩可按 1下式计算：(8)封摩偏惯驱 MM式中： 驱动手腕转动的驱动力矩(N cm)驱M惯性力矩(N cm)惯 偏重力矩(N cm)偏手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N封cm)。根据图 4-2 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算：（1）若手腕起动过程按等加速运动，手腕角速度为 ，起动过程所用的时间为 ，t则：(N cm) (9)tJM）（惯 1+=式中：参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N ）J 2scm工件对手腕转动轴线的转动惯量（ N ）1 2sc12手腕转动时的角速度（弧度 /S）起动过程所需的时间（ s）t若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为：1J(10)2egGc式中：工件对过重心轴线的转动惯量（N ）cJ 2scm工件的重量(N)1G工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)e（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏M(N cm) (11)31GeM偏 式中：手腕转动件的重量（N）3G手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm）e当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 。01e（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 摩M(N cm)(21dRfBA摩 式中：转动轴的轴颈直径（ cm）21,d摩擦系数，对于滚动轴承 ，对于滑动轴承f 01.f 1.0f处的支承反力（N） ，可按手腕转动轴的受力分析求解，BAR,根据 ，得：0)(FM123lGlRBl31同理，根据 ，得：0)(FB(12)lllGRA )()()(321式中：手部的重量(N)2G长度尺寸（cm） 。31,l134.3.2 气压缸压力验算在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图3 所示。图 3 回转气缸Fig3 Rotary cylinder 定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与回转轴 5 固连。动片封圈 4 把气腔分隔成两个.当液体从孔 a 进入时，推动输出轴作逆时 4 回转，则低压腔的液体从 b 孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。叶片 J 气缸的压力 p 和驱动力矩 M 的关系为:或 (13)2MPbRr2)(rRb式中：M回转气缸的驱动力矩(Ncm)P回转气缸的工作压力(Ncm)R缸体内壁半径(cm)r输出轴半径(cm)b动片宽度 (cm)。气缸长度设计为 b=100mm，气缸内径为 ，半径 R=48mm，轴径 mm,半mD96126D径 R=13mm,气缸运行角速度 ，加速度时间 ，压强 p=0.4MPa,则力矩：s/90st.02)(rRpbM= )26.-48.14.6=32.6(Nm)（1）测定参与手腕转动的部件的质量 ，质量密度等效分布在一个半径kgm01的圆盘上，那么转动惯量：mr5014(14) 21rmJ= 205.1=0.0125(kg )2工件的质量为 2kg,质量分布于长 玻璃杯上，那么转动惯量：ml20(15)12lJc= 2.0=0.0066（kg ）2m假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 的玻璃杯来说，最大偏心距l0，其转动惯量为：me501(16)21eJc=0.0066+2 05.=0.0117（kg ）2m(17)tJM)1（惯=(0.0125+0.0117) 1.09=21.8(N )m(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 ，考虑手腕动作重偏M心与转动轴线重合， ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 =50mm，则有：01e 3e(18)31GeM偏=2 05.=1(N )m(3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ，对于滚动轴承 ，滑动轴承摩 01.f， 为手腕转动轴的轴颈直径， ， 为轴颈处的1.0f2,d d2,301BAR,支承反力，粗略估计 。NRBA5,30(19) )(21RfMBA摩15= 2)03.15.03(1.=0.15（N ）m(4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 ，与选用的密封M封装置的类型有关，应根据具体情况具体分析。此处粗略估计 为 的 3 倍，则封 摩有：=3 (20)封M摩=3 05.=0.15（N ）m故 封摩偏惯驱 =21.8+1+0.05+0.15=23（N ）因为 M驱所以满足设计要求。5 臂部的设计5.1 臂部的基本要求臂部是支撑手部和腕部的，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。臂部的运动与结构形式对机械手的工作性能有着重大的影响。其基本要求有：(1) 刚度要好手臂的截面形式要选择合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。(2) 偏重力矩要小 所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。 (3) 重量要轻，惯性要小由于机械手在高速的情况下经常启停和换向，为了减少冲击，必须设有缓冲装置。(4) 导向性要好为了防止手臂在直线移动中沿运动轴线发生相对运动，保证手部的正确方向，必须设有一导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。165.2 臂部的具体设计方案常见的手臂伸缩机构有以下几种：(1)双导杆手臂伸缩机构；(2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构；(3)双活塞杆液压缸结构；(4)活塞杆和齿轮齿条机构。在本次设计手臂伸缩气缸采用标准气缸，参考各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本次设计的要求，气缸采用 CTA 系列的伸缩气缸。初选内径 80/50，故mm，R=25mm, 设计所使用的压强 P=0.4MPa。502D5.3 手臂伸缩的计算手臂伸缩时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式1计算：(21)qmgPF+kf式中： 摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与气缸及密封处的摩擦阻力mF起动过程的惯性力；其大小按下式1估算g(22)gtGF式中：G手臂移动部件的总质量 kgfg重力加速度 2m/s手臂运动速度 t起动时所需的时间 s 一般 t=0.01s0.5sgmkFK摩擦系数，一般 k=0.2，故：gtGFPmgq2.1=+= .053=180（N）17液压缸实际驱动力= =785（N）2RPF2605.143.0因为 F 故满足设计要求。qP5.4 手臂升降的计算5.4.1 尺寸设计气缸运行长度设计为 ，气缸内径为 ，半径 R=31.5mm，气缸ml250mD631运行速度，加速度时间 ，设计压强 P=0.4MPa，则驱动力为：st1.2RpF= 26035.4.0=1246.3（N）5.4.2 尺寸校核升降运动时，活塞气缸的驱动力可按下式 1计算(23)QMGPFW式中：各个支撑处的摩擦力 kgfMF启动时惯性力 kgfGW运动部件（包括手部、腕部、工件等的总重量） kgf上升时为正，下降时为负取 0.5 ，代人数据可得：MFGQMGPFW= gt5.1= 50.=27因为 FPQ故所设计尺寸符合实际使用要求。5.5 手臂回转气缸的计算5.5.1 尺寸设计气缸长度设计为 b=120mm,气缸内径为 ，半径 R=105mm，轴径mD210，半径 R=20mm，气缸运行角速度 ，加速度时间 ，压强mD402 s/9st5.018P=0.4MPa。则力矩：2)(rRPbM= )02.15.(04.6= （N ）25m5.5.2 尺寸校核腕部回转时驱动力矩可按下式计算：封摩偏惯驱 MM式中： 驱动手腕转动的驱动力矩(N cm)驱M惯性力矩(N cm)惯 偏重力矩(N cm)偏手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩(N封cm)。（1）测定参与手腕转动的部件的质量 ，质量密度等效分布在一个半径kgm10的圆盘上，那么转动惯量：mr021rJ= .0=0.5(kg )2mtM/J惯=90（N ）（2）手腕转动件和工件的偏重转动轴线所产生的偏重力矩 ，考虑动件重心与转偏M动轴线重合，故 ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 ，故：01e me503=100 =50（N ）3GM偏 5.m（3）转动气缸转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ，考虑轴承，油封之间的摩擦力，摩设定摩擦系数 k=0.2,故：=0.2 （N ）惯摩 Mk1890（N ）543摩封 m则有：19封摩偏惯驱 MM=90+50+18+54=212（N ）m因为 驱M故回转气缸满足设计要求。6 气动系统设计6.1 气动系统的设计要求及选择本次设计的工业机械手属坐标式机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。设计要求：(1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现；(2)机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调；(3)控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。本次设计采用气压传动的控制方式,相比其他传动控制方式,气压传动有以下优点:(1)工作介质是空气，它来源方便，取之不尽用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要专门的回收装置；(2)空气粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能，高效，适用于集中供气和远距离输送；(3)动作迅速，反应快，调节方便，维护简单；(4)工作环境适应性好；(5)成本低，具有过载保护功能。6.2 气压回路的选择6.2.1 各气压缸的换向回路为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。气压机械手采用单泵供气，手臂伸缩，手腕回转，夹持动作采用并联供气，这样可有效降低系统的供气压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀采用中位“O”型换向阀。206.2.2 调速方案整个气压系统只用单泵工作，各气压缸所需的流量相差较大，各气压缸都用气压泵的全流量是无法满足设计要求的。尽管有的气压缸是单一速度工作，但也需要进行节流调速，用以保证气压缸的平稳运行。各缸可选择进气路或回气路节流调速，选用节流阀调速。单泵供气系统以所有气压缸中需流量最大的来选择泵的流量。系统较为简单，所需元件较少，经济性好，考虑到系统功率较小，其溢流损失也较小。6.2.3 缓冲回路伸缩臂处设置缓冲回路，使用节流减速缓冲。6.2.4 系统安全可靠性手臂升降缸在系统失压的情况下会自由下落或超速下行，所以在回路中设置平衡回路。6.3 气压传动系统工作原理图6.3.1 工作原理图图 4 所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机（1Mpa）通过快换接头进入出气罐，经分水过滤器、油雾器、进入各并联气路上的电池阀，以控制气缸和手部动作。具体工作原理如下：当工件 A 进入机械手范围内时，电磁阀 1AY 开启，手臂伸长，夹紧缸左边阀 9AY 开启经排气口排空，将工件夹好；另一路 7AY 通电，手臂回转，1AY断电，2AY 通电，手臂缩回；机身下降 3AY 通电，之后旋转到达目的机身回转 5AY 通电，10AY 通电，夹紧缸伸出工件掉落。回路时，5AY 断电，6AY 通电，回转到一定角度后，3AY 断电，4AY 通电，机身上升；当达到高度时，重复。21图 4 气压系统原理图Schematic diagram of 4 pressure system7 结论本次毕业设计，花费了较多的心思设计的气动机械手能很好的完成搬运和装卸运动。通过机身的收缩实现上下运动，通过臂架的收缩实现左右运动，通过回转气缸实现旋转运动。能方便的完成轻型工业化的自动生产，对提高工作效率有较好的帮助。同时也降低了成本，减少人为的出错率等。在做毕业设计的同时也让我对以前所学的专业知识更加的熟悉，使的我先前所学的理论知识得以在实践中得到应用，让我更好的了解了本专业的特色对即将进入工作岗位有了更多的信心和自信。参考文献 1 刘延俊主编.液压与气压传动（第二版）M.机械工业出版社.2006.2012532 丁树模主编.液压传动M.北京.机械工业出版社.2003.25503 濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第七版）M.北京.高等教育出版社.2001.783534 孙恒,陈作模主编.机械原理M.高等教育出版社.2000.50102225 索罗门采夫. 工业机器人图册M.北京机械工业出版社.1993.351006 张建民.工业机械人M.北京.北京理工大学出版社.1992.901107 杨春杰,胡海波.新型多关节式机械手臂的机构设计J,黄石高等专科学校学报,2001(1)8 工业机械手图册编写组.工业机械手图册M.机械工业出版社.1987.78909 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Dynamic System Identification,Experiment Design and Data AnalysisR. USA:Academis Press,199720 Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation ResearchR. USA:Prentice Hall Inc.,1977致 谢本设计是在陈文凯老师的悉心指导和热情关怀下完成的。回首这几个月来的设计过程，可以说是付出了不少心力，但更多的是收获和更好的提升自己的能力。它检验了我大学四年对各学科知识掌握程度，通过老师们和同学们的帮助今天我的设计终于做完了。虽然在毕业设计中遇到很多困难，但在做的过程中我真正掌握和领会了各项知识。面对问题仔细分析，查阅各方文件资料，也得到老师和同学的帮助。在这里我要特别感谢陈文凯老师，在这次设计中陈老师不厌其烦地指出我设计中需要改正的地方，指引我完善好方案，在百忙之际给了我们最大的关怀和耐心的指导，使得设计工作得以顺利完成。同时也要感谢和我一起进行毕业设计的同学，是你们的鼓励23和支持，使设计中的困难得以解决。