气动机械手的设计毕设

分类号 密级 U D C 中国地质大学江城学院毕业论文（设计）气动机械手姓 名： 郭 少 龙 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 25000901 学 号： 2500090112 指导教师： 梁 秋 荣 老 师 题目：气动机械手的设计专业：机械设计制造及其自动化学生： （签名）郭 少 龙 指导教师： （签名）_摘 要:机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。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。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。关键词：气动机 械 手 ； 气 缸 ； 气 动 回 路 。Subject: The design of pneumatic manipulatorAbstract：翻译你还是自己来吧，这个需要专业的术语和语感，这个真干不了。Key word: pneumatic manipulator cylinder pneumatic loop目录1 绪论11.1 机械手发展史11.2 机 械 手 的 分 类 21.3 机 械 手 的 组 成 41.4 应用机械手的意义62 机 械 手 总 体 设 计 方 案 和 气 动 回 路 设 计 72.1 机械手的运动规划72.2 机械手基本形式的选择82.3 机械手的主要部件及运动92.4 驱动机构的选择92.5 机械手的控制方案设计102.6 机械手的技术参数列表102.7 气动回路的设计112.7.1 前法兰式气缸的简介112.7.2 气压传动系统工作原理图113 气动机械手的机械结构设计133.1 机械手末端执行的设计133.1.2 手指的形状和分类133.1.1 夹持式手部结构133.1.3 设计时考虑的几个问题143.1.4 手持式结构设计图143.1.5 气缸尺寸的确定于校核153.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核173.2.1 尺寸设计和校核173.2.2 平衡装置设计183.2.3 导向装置183.2.4 平衡装置183.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核193.3.1 尺寸设计193.3.2 尺寸校核193.4 手臂回转气缸的尺寸设计与校核203.4.1 尺寸设计203.4.2 尺寸校核204、总结与感悟214-1 总结214-2 感 悟 211 绪论1.1 机械手发展史机 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 。 它 是机 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 。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 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 首 先 是 从 美 国 开 始 研 制 的 。 1958 年 美 国 联 合 控 制 公 司 研 制 出 第一 台 机 械 手 。 它 的 结 构 是 ： 机 体 上 安 装 一 个 回 转 长 臂 ， 顶 部 装 有 电 磁 块 的工 件 抓 放 机 构 ， 控 制 系 统 是 示 教 形 的 。 1962 年 ， 美 国 联 合 控 制 公 司 在 上 述方 案 的 基 础 上 又 试 制 成 一 台 数 控 示 教 再 现 型 机 械 手 。 商 名 为 Unimate（ 即万 能 自 动 ） 。 运 动 系 统 仿 照 坦 克 炮 塔 ， 臂 可 以 回 转 、 俯 仰 、 伸 缩 、 用 液 压 驱动 ； 控 制 系 统 用 磁 鼓 作 为 存 储 装 置 。 不 少 球 坐 标 通 用 机 械 手 就 是 在 这 个 基 础上 发 展 起 来 的 。 同 年 ， 美 国 机 械 制 造 公 司 也 实 验 成 功 一 种 叫 Vewrsatran机 械 手 。 该 机 械 手 的 中 央 立 柱 可 以 回 转 、 升 降 采 用 液 压 驱 动 控 制 系 统 也 是 示教 再 现 型 。 这 两 种 出 现 在 六 十 年 代 初 的 机 械 手 ， 是 后 来 国 外 工 业 机 械 手 发 展的 基 础 。 1978 年 美 国 Unimate 公 司 和 斯 坦 福 大 学 ， 麻 省 理 工 学 院 联 合 研 制一 种 Unimate-Vicarm 型 工 业 机 械 手 ， 装 有 小 型 电 子 计 算 机 进 行 控 制 ， 用 于装 配 作 业 ， 定 位 误 差 小 于 1 毫 米 。 联 邦 德 国 KnKa 公 司 还 生 产 一 种 点 焊 机械 手 ， 采 用 关 节 式 结 构 和 程 序 控 制 。目 前 ， 机 械 手 大 部 分 还 属 于 第 一 代 ， 主 要 依 靠 人 工 进 行 控 制 ； 改 进 的 方向 主 要 是 降 低 成 本 和 提 高 精 度 。 第 二 代 机 械 手 正 在 加 紧 研 制 。 它 设 有 微 型 电子 计 算 控 制 系 统 ， 具 有 视 觉 、 触 觉 能 力 ， 甚 至 听 、 想 的 能 力 。 研 究 安 装 各 种传 感 器 ， 把 感 觉 到 的 信 息 反 馈 ， 使 机 械 手 具 有 感 觉 机 能 。 第 三 代 机 械 手 则 能独 立 完 成 工 作 中 过 程 中 的 任 务 。 它 与 电 子 计 算 机 和 电 视 设 备 保 持 联 系 ， 并 逐步 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统 FMS 和 柔 性 制 造 单 元 FMC 中 的 重 要 一 环 节 。1.2 机 械 手 的 分 类目 前 对 机 械 手 还 没 有 统 一 的 分 类 标 准 。 按 照 不 同 的 分 类 方 式 可 以 把 机 械手 分 成 多 种 类 型 。 工 业 机 械 手 的 种 类 很 多 ， 关 于 分 类 的 问 题 ， 目 前 在 国 内 尚无 统 一 的 分 类 标 准 ， 在 此 暂 按 使 用 范 围 、 驱 动 方 式 和 控 制 系 统 等 进 行 分 类 。（1）按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1）专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和加工中心。2）通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(2)按驱动方式分1）液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2）气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3）机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4）电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(3)按控制方式分1）点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2）连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。(4）按其他方法还可以分为1） 家 务 型 机 械 手 ： 能 帮 助 人 们 打 理 生 活 ， 做 简 单 的 家 务 活 。2） 操 作 型 机 械 手 ： 能 自 动 控 制 ， 可 重 复 编 程 ， 多 功 能 ， 有 几 个 自 由 度 ， 可固 定 或 运 动 ， 用 于 相 关 自 动 化 系 统 中 。3） 程 控 型 机 械 手 ： 按 预 先 要 求 的 顺 序 及 条 件 ， 依 次 控 制 机 械 手 的 机 械 动 作 。4） 示 教 再 现 型 机 械 手 ： 通 过 引 导 或 其 它 方 式 ， 先 教 会 机 械 手 动 作 ， 输 入 工作 程 序 ， 机 械 手 则 自 动 重 复 进 行 作 业 。5） 数 控 型 机 械 手 ： 不 必 使 机 械 手 动 作 ， 通 过 数 值 、 语 言 等 对 机 器 人 进 行 示教 ， 机 械 手 根 据 示 教 后 的 信 息 进 行 作 业 。6） 感 觉 控 制 型 机 械 手 ： 利 用 传 感 器 获 取 的 信 息 控 制 机 械 手 的 动 作 。7） 适 应 控 制 型 机 械 手 ： 能 适 应 环 境 的 变 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 动 。8） 学 习 控 制 型 机 械 手 ： 能 “体 会 ”工 作 的 经 验 ， 具 有 一 定 的 学 习 功 能 ， 并将 所 “学 ”的 经 验 用 于 工 作 中 。9） 智 能 机 械 手 ： 以 人 工 智 能 决 定 其 行 动 的 机 械 手 。1.3 机 械 手 的 组 成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。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图1-1 机械手组成方框图(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部:即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。2、手腕:是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)3、手臂:手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。4、立柱:立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构:当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座:机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.4 应用机械手的意义随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 机 械 手 也 越 来 越 多 的 地 被 应 用 。 在 机 械 工 业 中 ，铸 、 焊 、 铆 、 冲 、 压 、 热 处 理 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 验 、 喷 漆 、 电 镀 等 工 种都 有 应 用 的 实 理 。 其 他 部 门 ， 如 轻 工 业 、 建 筑 业 、 国 防 工 业 等 工 作 中 也 均 有所 应 用 。在 机 械 工 业 中 ， 应 用 机 械 手 的 意 义 可 以 概 括 如 下 ：一 、 以 提 高 生 产 过 程 中 的 自 动 化 程 度应 用 机 械 手 有 利 于 实 现 材 料 的 传 送 、 工 件 的 装 卸 、 刀 具 的 更 换 以 及 机 器的 装 配 等 的 自 动 化 的 程 度 ， 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 和 降 低 生 产 成 本 。二 、 以 改 善 劳 动 条 件 ， 避 免 人 身 事 故在 高 温 、 高 压 、 低 温 、 低 压 、 有 灰 尘 、 噪 声 、 臭 味 、 有 放 射 性 或 有 其 他毒 性 污 染 以 及 工 作 空 间 狭 窄 的 场 合 中 ， 用 人 手 直 接 操 作 是 有 危 险 或 根 本 不 可能 的 ， 而 应 用 机 械 手 即 可 部 分 或 全 部 代 替 人 安 全 的 完 成 作 业 ， 使 劳 动 条 件 得以 改 善 。在 一 些 简 单 、 重 复 ， 特 别 是 较 笨 重 的 操 作 中 ， 以 机 械 手 代 替 人 进 行 工 作 ，可 以 避 免 由 于 操 作 疲 劳 或 疏 忽 而 造 成 的 人 身 事 故 。三 、 可 以 减 轻 人 力 ， 并 便 于 有 节 奏 的 生 产应 用 机 械 手 代 替 人 进 行 工 作 ， 这 是 直 接 减 少 人 力 的 一 个 侧 面 ， 同 时 由 于应 用 机 械 手 可 以 连 续 的 工 作 ， 这 是 减 少 人 力 的 另 一 个 侧 面 。 因 此 ， 在 自 动化 机 床 的 综 合 加 工 自 动 线 上 ， 目 前 几 乎 都 没 有 机 械 手 ， 以 减 少 人 力 和 更 准 确的 控 制 生 产 的 节 拍 ， 便 于 有 节 奏 的 进 行 工 作 生 产 。综 上 所 述 ， 有 效 的 应 用 机 械 手 ， 是 发 展 机 械 工 业 的 必 然 趋 势 。2 机 械 手 总 体 设 计 方 案 和 气 动 回 路 设 计对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.2.1 机械手的运动规划工作空间的定义：机器人的工作空间是其正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围。工作空间是机器人的一项重要指标，是机器人研究的一项基本内容之一。当给定机器手结构尺寸时，要确定如何确定其工作空间，而当给定工作空间时，则要研究机械手具有什么样的结构。工作空间的确定一般来说有两种方法，几何法和包容正方形法。由于本次设计机构比较简单，所以没有必要计算出精确的工作空间。现在给出机械手的运动图。图 2-1 机械手的运动图总体设计要求机械手的尺度规划的优化设计和关键尺寸的优化设计。尺度优化设计要求当给定一组工作点时，需要使工作空间能够包络所有工作点，且尺寸最小；或者给定一组工作点，优化设计使工作空间能包含所有的工作点，且体积最大。总体设计还需要注意一些原则：（1）最小运动惯量原则。由于机械手运动部件的多，运动状态经常改变，必然产生冲击和震动，所以需要采用最小惯量原则来设计机械手，尽量减少这些对机械手不利的因素。 （2）尺度优化原则。在机械手满足一定工作空间的前提下，通过尺度优化，设计出最小的机械手的结构，提高机械手的刚度，进一步减小运动惯量。 （3）刚度设计原则。机械的设计中要合理的选择杆件剖面形状和尺寸，合理安排作用在机械手臂上的力矩，尽量减小机械手的变形。2.2 机械手基本形式的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。下图是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带 A 上的物品搬运到传送带 B。图 2-2 机械手搬运物品示意图2.3 机械手的主要部件及运动在圆柱坐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，本设计关于机械手具有 5 个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降 5 个主要运动。本设计机械手主要由 4 个大部件和 5 个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （2）腕部，采用一个回转缸实现手部回转 180。 （3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动 1.2m。 （4）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。 2.4 驱动机构的选择机械手有四种驱动方式，而当中的液压与气压跟机械和电力相比，具有以下优点：1. 空间布局安装不受严格的空间限制，能构成其它方法难以组成的复杂驱动系统。2液压与气压驱动传递的运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3. 操作控制方便，省力，易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。4. 液压与气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短设计、制造和降低制造成本。基于以上几点，液压与气压驱动在生产中应用最为广泛。液压与气压作为机械手的两种常见驱动方式，其发展也对机械手的应用具有一定的促进作用。液压与气压都是以流体（液压油液或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的。液压的优点是单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可以采用很高的压力（一般可达 32MPa,个别场合更高） ，因此，在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。而气压传动的突出优点是：介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且起源压力较低，因此，气压机械手抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以一般适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。相比之下，液压一般用于低速，重载和低污染的环境下。故此机械手用气压驱动。2.5 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。2.6 机械手的技术参数列表1 机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤。2 基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为0.1m/s。最大回转速度设计为 。平均移动速度为0.08m/s。平均回转速度为 。s/90 s/60其详细技术参数如下：1、抓重:5千克 2、自由度数:4个自由度3、坐标型式:圆柱坐标4、手臂运动参数:伸缩行程100mm伸缩速度40mm/s升降行程150mm升降速度100mm/s回转范围 180回转速度 s/95、手腕运动参数:回转范围 回转速度 s/06、手指夹持范围:棒料: 10-40 9、定位方式:行程开关10、定位精度: m111、驱动方式:气压传动12、控制方式:点位程序控制(采用PLC)2.7 气动回路的设计2.7.1 前法兰式气缸的简介图 2-3 气动回路气缸结构图气缸是使机械装置进行直线往复运动的气动执行元件。气缸的类型有很多种，根据使用的需要进行选择。前法兰式气缸的特点：它是用螺钉紧固，易于安装，它的缺点是螺钉所承受的轴向力较大！2.7.2 气压传动系统工作原理图图2-3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（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。图2-4 机械手气压传动原理图各执行机构调速。凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。3 气动机械手的机械结构设计3.1 机械手末端执行的设计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，当工件是棒料时，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。3.1.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.2 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。3.1.3 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，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。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与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，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。3.1.4 手持式结构设计图由 于 本 设 计 所 采 用 标 准 气 爪 ， 不 需 要 进 行 设 计 ， 直 接 选 型 即 可 。本 设 计 要 求 机 械 手 手 爪 的 最 大 持 重 m=5Kg， 根 据 具 体 的 工 作 要 求 ， 选 择标 准 型 气 爪 ， 其 结 构 如 图 3-1 所 示 。3-1 气抓结构图3.1.5 气缸尺寸的确定于校核1、手部驱动力计算本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，其工件重量G=5公斤。V形手指的角度 ， ,摩擦系数为120mRb2410.f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: bpN(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式: )(5.0tg)(2426N所以 Rbp2N)(45(3)实际驱动力:21Kp实 际因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工件的94.05.1最大加速度取 时，则: ga3412gaK所以 )(56394.0125Np实 际所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 。12、气缸的直径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: ztFPDF421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，PaP弹簧反作用按下式计算: )1(sGFftnDdf314= f3148式中: - 弹簧刚度，N/mfG- 弹簧预压缩量，m1- 活塞行程，ms- 弹簧钢丝直径，m1d- 弹簧平均直径，.D- 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，则:tFpD421由以上分析得单向作用气缸的直径: pt)(1代入有关数据，可得 fGnDd31484395)0(7)/6.mN(sFft)(6.2014373所以: DpnFt)1(46159)(23.65m查有关手册圆整，得 6由 ,可得活塞杆直径:.0/Dd mDd5.193).02(圆整后，取活塞杆直径 。d18至此确定手部驱动气缸的尺寸大小。3.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核3.2.1 尺寸设计和校核根据实验设计要求，手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为 63/63。（1）在校核尺寸时，只需校核气缸内径 =63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸1D满足使用要求即可,设计使用压强 ,MPa4.0则驱动力：2RPF)(146031502N（2）测定手腕质量和重物的质量之和为7kg,设计加速度 ，则惯性)/(sma力 maF1=107=70（3）考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 ,2.0k1.km=700.2=14总受力 mF10=70+14=840所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求3.2.2 平衡装置设计在本设计中，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，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3.2.3 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，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，应该采用导向装置。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。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。3.2.4 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，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。3.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核3.3.1 尺寸设计气缸运行长度设计为 =118mm,气缸内径为 =110mm,半径R=55mm,气缸运行l 1D速度，加速度时间 =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力t20.RpG2605.143.)(79N3.3.2 尺寸校核1测定手腕质量为10kg,则重力 mgG)(10N2.设计加速度 ，则惯性力)/(5samaG1)(50Na）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 ，1.0k1.Gkm)(501.N总受力 mqG1)(50N0q所以设计尺寸符合实际使用要求。3.4 手臂回转气缸的尺寸设计与校核3.4.1 尺寸设计气缸长度设计为 ,气缸内径为 ,半径R=105mm,轴径mb120mD210半径 ,气缸运行角速度 = ，加速度时间 0.5s,mD402Rs/9 t压强 ,MPa.则力矩： 2)(rRpb).(5)02.15.(04.6mN3.4.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情况，kg15质量密度等效分布在一个半径 的圆盘上，那么转动惯量：r201mJ20.5（ ）72.mkgtJM.惯).(513097mN考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数 ,2.k惯摩 Mk.）（625130mN总驱动力矩摩惯驱 ）.（16253mNM驱设计尺寸满足使用要求。4、总结与感悟4-1 总结本 文 所 设 计 的 气 动 机 械 手 结 构 比 较 简 单 ， 功 能 比 较 简 单 ， 设 计 比 较 合 理 ，能 够 满 足 部 分 不 同 形 状 的 工 件 的 转 移 、 夹 取 、 安 装 等 功 能 ， 方 便 快 捷 。 其 设计 主 要 考 虑 以 下 几 个 方 面 ：（ 1） 机 械 手 气 动 回 路 设 计选 用 合 适 的 气 动 元 件 ， 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 。（ 2） 末 端 执 行 器 的 设 计末 端 执 行 器 采 用 平 行 开 闭 型 气 爪 ， 结 构 简 单 ， 直 接 采 用 成 品 材 料 。 针 对实 际 的 要 求 ， 可 以 换 用 其 他 各 种 末 端 执 行 器 ， 对 不 同 种 类 的 工 件 实 现 夹 取 、转 移 、 安 装 。（ 3） 机 械 手 手 臂 的 设 计将 旋 转 气 缸 安 装 在 底 板 上 ， 实 现 机 械 手 的 回 转 运 动 ， 使 机 械 手 向 左 或 向右 摆 动 。 机 械 手 末 端 执 行 器 的 水 平 伸 缩 运 动 和 竖 直 升 降 运 动 各 由 一 个 气 缸 控制 ， 即 以 最 简 单 的 形 式 ， 在 两 个 位 置 （ 完 全 伸 出 和 回 缩 位 置 ） 之 间 进 行 切 换 。4-2 感 悟现 在 回 想 起 这 一 个 多 月 ,近 两 个 月 的 毕 业 设 计 ,一 路 走 来 ,感 受 颇 多 .不断 的 穿 梭 于 大 师 们 的 思 想 缝 隙 之 间 ， 寻 求 灵 感 的 火 花 。 在 不 段 的 反 复 中 走过 来 ,有 过 失 落 ,有 过 成 功 , 有 过 沮 丧 .有 过 喜 悦 ,这 已 不 重 要 了 ,重 要 的 是 我一 路 走 来 ,历 炼 了 我 的 心 志 ,考 验 了 我 的 能 力 ,也 证 明 了 自 己 ,也 发 现 了 自 己的 不 足 。最 后 ， 由 于 个 人 知 识 及 能 力 水 平 有 限 ， 论 文 中 难 免 会 有 一 些 纰 漏 或 错 误之 处 ， 恳 请 各 位 老 师 批 评 指 正 ， 不 胜 感 谢 ！