气动装配机械手结构设计

毕业设计（论文）题 目 气动装配机械手机构设计 姓 名学 号专业班级指导教师系 别完成日期摘要机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。本文就气动机械手的应用现状和发展前景作了简单概述。扩展我们的知识面和专业面，可以加强对自己的思维训练和能力培养，还可以填补空白，提高生产效率，很大的现实意义。关键词：气动机械手；研究方向；发展趋势目录第一章绪 论11.1 机械手国内外发展现状11.2 气动机械手的应用现状21.3 气动技术有以下优点31.4 气动机械手研究的目的、意义41.5 发展前景及方向41.6 设计时要解决的几个问题61.6.1 具有足够的握力(夹紧力)61.6.2 手指间应具有一定的开闭角61.6.3 保证工件准确定位61.6.4 具有足够的强度和刚度61.6.5 考虑被抓取对象的要求71.7 气动机械手的设计要求71.8 机械手的系统工作原理及组成71.8.1 机械手的系统工作原理框图71.8.2 执行机构81.8.3 驱动系统91.8.4 控制系统91.8.5 位置检测装置9第二章 机械手的整体设计方案102.1 机械手的坐标型式与自由度112.2 机械手的手部结构方案设计122.3 机械手的手腕结构方案设计122.4 机械手的手臂结构方案设计12第三章 手部结构设计以及气缸设计、校核133.1 手部夹紧气缸的设计133.2 确定气缸直径143.3 气缸作用力的计算及校核143.4 缸筒壁厚的设计153.5 气缸的基本组成部分及工作原理163.6 计算手部与工件总重量16第四章 手臂伸缩气缸的尺寸设计与验算174.1 手臂部惯性力的计算174.2 手臂部摩擦力的计算174.3 手臂部驱动力184.4 确定气缸直径194.5 手臂伸缩气缸的结构和工作原理194.6 气缸作用力的验算（应取有杆腔的活塞面积进行计算）204.7 导杆弯曲应力验算20第五章 配重的选取215.1 各部件重量计算215.2 计算偏重力臂225.3 偏重力矩M缩偏、M伸偏235.4 配重的计算23第六章 摆动气缸的计算246.1 手臂伸出状态时，偏重力矩246.2手臂的转动惯量J246.3 手臂摆动回转力矩的计算24第七章 升降部分的计算267.1 升降气缸的选择267.2 升降导杆的重量267.3 升降导杆的校核27第八章 机械手气动控制系统的设计288.1 机械手的控制要求288.2 气压驱动系统设计28结 论30参考文献31附录32致 谢33IV第一章 绪 论1.1 机械手国内外发展现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；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。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.arm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。联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业：联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。1.2 气动机械手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而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、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，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。气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: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。1.3 气动技术有以下优点(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵，不存在介质变质及补充的问题.(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.4 气动机械手研究的目的、意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（1）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。（2）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。（3）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。1.5 发展前景及方向1.5.1 重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。1.5.2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向。 智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。1.5.3 无给油化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。1.5.4 机电气一体化 由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。 而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手。1.6 设计时要解决的几个问题1.6.1 具有足够的握力(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。1.6.2 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。1.6.3 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。1.6.4 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。1.6.5 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。1.7 气动机械手的设计要求 (1)机械手为通用气动机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。(2)选取机械手的坐标型式和自由度。(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。并进行计算、校核和画CAD图1.8 机械手的系统工作原理及组成1.8.1 机械手的系统工作原理框图 被抓取物品 位置检测装置手部驱动系统（气压传动）控制系统（PLC）手臂执行机构立柱图1-1 机械手的系统工作原理框图 机械手的工作原理：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。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。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。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.8.2 执行机构包括手部、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设计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。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。3、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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。4、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。1.8.3 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、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。1.8.4 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。该机械手采用的是PLC程序控制系统，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。1.8.5 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.第二章 机械手的整体设计方案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.本次设计的机械手是通用气动装配机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。图2-1 机械手的整体机械结构2.1 机械手的坐标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标型式可分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱坐标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。（如图2-2所示） 图2-2 机械手的运动示意图2.2 机械手的手部结构方案设计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2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，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。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。第三章 手部结构设计以及气缸设计、校核3.1 手部夹紧气缸的设计夹紧气缸的夹紧、驱动力的确定（图3-1），工件重5kg。(g=9.8N/kg)图3-1 手部结构1 夹紧力： F夹= （其中 =45，G=49N，f =0.1）F夹=174（N）2 驱动力F驱 = （其中 b=50，c=30 ，=23） 故F驱=250（N）F实际其中 K1：安全系数，一般取1.22 取K1=1.5K2：工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+式中a为被抓取工件运动时的最大加速度， a=v：升降速度0.2m/s，t：机械手达到最高速度的响应时间为0.1sg为重力加速度 g=9.8m/s2。那么：K2=1+=1.204：手部机械效率，一般取0.850.95 取=0.85（滚动摩擦）F实际=531（N）3.2 确定气缸直径取空气压力为P空气 = 0.5 MPa = 5105Pa，D= =0.0368(m)=36.8(mm)圆整气缸直径D=40mm 3.3 气缸作用力的计算及校核F气缸=628(N)因为 F气缸F实际 ， 所以 满足设计要求。由d/D=O.20.3， 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=812 mm圆整后，取活塞杆直径d=12 mm校核，按公式其中 =120MPa, F实际=531N则:d (4531/120) 1/2=2.37mm 12mm满足设计要求。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。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: =DPP/2式中: 缸筒壁厚 mmD 气缸内径 ，40mmPP实验压力，取PP=1.2P=6105Pa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: =DPP/2 =406105/23106 =4 mm取=4 mm，则缸筒外径为:D=40+42 =48 mm。于是选择SC-4050型的夹紧气缸(图3-2)。图3-2 夹紧气缸3.5 气缸的基本组成部分及工作原理气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。它可以用来抓取物品，实现机械手各种运动。在自动化系统中，气动手爪常应用中搬运、传送工件机构中抓取、拾放物品。气动手爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿条等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。3.6 计算手部与工件总重量这里手部结构自行设计，我设计的手部大概质量m手=1.5kg，夹紧气缸的钢体m钢体=1.5kg查有关资料，得SC-4050型夹紧气缸重量为1kg。所以M总质量=m手+m气缸+m钢体+m工件=1.5+1+1.5+5=9kg,G手部=M总质量9.8kg/N=88.2N第四章 手臂伸缩气缸的尺寸设计与验算4.1 手臂部惯性力的计算(1)手部总重量：G手部=88.2(N)(2)伸缩导杆重量：选取外径20mm，内径10mm，长度500mm的无缝钢管作伸缩导杆，共2根。2G导杆=L7.81039.82=18(N)(3)导杆后连接板重量:G导杆后连接板=（0.20.070.01-0.080.050.01）7.81039.8=7.6(N)所以总重量为：G手臂惯=G手部+2G导杆+G导杆后连接板=113.8(N)那么：m手臂惯=11.6kg(6)手臂伸缩时产生的惯性力为:F惯=m手臂式中：t起动或制动时间差(s)，取0.1s； v起动或制动的速度差(m/s)，取0.25m/s那么： F惯=m手臂=11.6=29(N)4.2 手臂部摩擦力的计算由于手臂伸出时，伸缩导杆所受作用力最大，根据其受力简图（图4-1）计算。 图4-1 受力简图图中：G1工件自重49(N)，G2手指部分及夹紧气缸的重量39.2(N)，2G3导杆重量18(N)，G4导杆后连接板重量7.6(N)列方程：MB=0 ： 2N10.15+0.2G4-0.22G3-0.5G2-0.5G1=0N1=158（N）Y=0：2N2-2N1-G1-G2-2G3-G4 =0N2=215（N）伸缩运动时，摩擦系数f，当被联接件为钢或铸铁件，且为干燥的加工表面时，取f =0.10得：F摩A=0.12N1=0.12158=31.6(N) F摩B=0.12N2=0.12215=43(N)4.3 手臂部驱动力根据伸缩气缸运动时所需克服的摩擦力及惯性力等几方面的阻力，来确定伸缩气缸的所需的驱动力。考虑到除导杆与导杆座之间的摩擦外，还有气缸杆与密封环间的摩擦，故增加安全系数K，取K=1.1。F驱=K(F惯+F摩A+F摩B)=1.1(29+31.6+43)=114（N）F实际其中 K1：安全系数，一般取1.22 取K1=1.5：机械效率，一般取0.850.95 取=0.85（滚动摩擦）F实际=201.2（N）4.4 确定气缸直径D=23（mm）选择标准型气缸（缸径为32mm）型号：QGBII32-300。由d/D=O.20.3， 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=6.49.6 mm 取d=8mm4.5 手臂伸缩气缸的结构和工作原理这个气缸为单活塞杆双作用气缸，它由钢筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分为两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出;当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。4.6 气缸作用力的验算（应取有杆腔的活塞面积进行计算）F气缸=377(N) 因为 F气缸F驱，所以，选择MDBB32-300气缸合适。4.7 导杆弯曲应力验算max=36.1(Mpa)式中：F 工件自重、手指部分、夹紧气缸及导杆重量；折合为106.2(N)，由于手臂共有2根伸缩导杆作导向，所以作用在每根导杆的合力为53.1(N)L 导杆的长度查简明机械设计手册可知35#钢的=68.198(Mpa), max 故安全第五章 配重的选取因为要求手臂升降动作灵活轻快，而不致出现“卡死”现象。为此要求手臂偏重力矩不能过大，否则对手臂的升降运动极为不利，也易引起手臂的跳动和传动不平稳。特别在手臂伸出时则偏重力矩最大，因此，在设计时应尽量减少手臂偏重力矩，以使手臂前伸部分与固定部分保持平衡。所以，在手臂托板下方安装配重，以减少偏重力矩的影响。手臂的受力情况如图5-1所示。 图5-1 手臂受力情况5.1 各部件重量计算(1) 导杆座由于导杆共有2个导杆座进行固定。那么，2G导杆座=20.120.1500.0107.81039.8=27.5(N)(2) 伸缩气缸查烟台凯威气动液压有限公司资料，知道伸缩气缸QGBII32-400的质量计算公式为1.16+0.0042S，则气缸质量：m伸缩气缸=1.16+0.0042400=2.84(kg)G伸缩气缸= m伸缩气缸g=2.849.8=27.8(N)(3) 气缸托板气缸托板长600mm，宽200mm，厚10mmG气缸托板=0.6000.2000.0107.81039.8=92(N)结合图5-1手臂的受力情况，列出手臂上各部件情况如表(5.1)所示。表5.1 手臂缩回与伸出状态的重心位置到回转轴的距离手臂缩回状态时，部件重心位置到手臂回转轴的距离X(m)手臂伸出状态时，部件重心位置到手臂回转轴的距离X(m)部件名称部件重量(N)X1=0.25X1=0.6工件：G1G1=49X2=0.25X2=0.6手指部分及夹紧气缸：G2G239.2X3=0.075X3=0.425导杆：G3=0.3G导杆G35.4X4=0.075X4=0.0751/4气缸托板:G4G423X5=-0.1X5=-0.1伸缩气缸：G5G5=27.8X6=-0.175X6=0.175导杆：G6=0.7G导杆G6=12.6X7=-0.225X7=-0.2253/4气缸托板:G7G769X8=-0.35X8=0导杆后连接板：G8G87.6X9=-0.4X9=-0.4配重:G9G9=？5.2 计算偏重力臂=(1) 回时偏重力臂缩=0.0043(m)(2) 出时偏重力臂伸=0.175(m)5.3 偏重力矩M缩偏、M伸偏M缩偏=G总缩=233.60.0043=1(Nm)M伸偏= G总伸=233.60.175=40.88(Nm)5.4 配重的计算为了减少偏重力矩对回转轴的作用，故在伸缩气缸尾部的托板下方安装配重，达到一定的力平衡，取配重的重心至回转轴的距离为0.4(m)则配重，G配=2.5(N) m= G配/g=0.255(kg)配重的体积：V=0.3310-4 (m3) 配重的尺寸：（长宽高）403030(mm) 第六章 摆动气缸的计算6.1 手臂伸出状态时，偏重力矩G手臂总= G手臂+G配=233.6+2.5=236.1(N)=0.17（m）6.2手臂的转动惯量J查资料可知，按长方体进行验算。J=(l2+a2)=(0.92+0.22)=(0.92+0.22)=1.7（kgm2）J手臂=J+m2=1.7+0.172=2.4（kgm2）6.3 手臂摆动回转力矩的计算 克服启动惯性所需的力矩M惯：M惯=J手臂=2.4=21（Nm） 臂摆动回转所属的总力矩M总：由于手臂部与立柱联接使用导承连接，所生的摩擦力矩M摩不大，为了简化计算可以将M惯适当放大，而省略掉、M摩，这时M总=1.1M惯那么， M总=1.1M惯=1.121=23.1（Nm）查相关资料，选用（缸径为40mm）QGK631800型气缸。如图(6-1)在0.5MPa时，转矩为56Nm，大于M总 （安全）图6-1 摆动气缸查相关资料，此型号的气缸质量m=3(kg) 则：G摆动气缸=mg=29.4(N)第七章 升降部分的计算7.1 升降气缸的选择（1） 导杆惯性力的计算 G总=G手臂总+G摆动气缸=236.1+29.4=265.5(N)F惯=m总a=a=54.2（N）（2） 导杆驱动力的计算根据升降气缸惯性力及自重等几方面的阻力，来确定升降气缸的所需的驱动力。考虑到气缸杆与密封环间的摩擦，故增加安全系数K，取K=1.1。F驱=KF惯+G总=1.154.2+265.5=325.12（N）（3） 确定气缸直径D=29（mm)选择SC40-300SLB标准型气缸（缸径为40mm）型号。（4） 气缸作用力的验算F气缸=628（N）因为 F气缸F驱，所以，选择SC40-300SLB气缸合适，这个气缸的重量为2kg。7.2 升降导杆的重量升降导杆外径20mm，内径10mm，长400mmm导杆=0.47.8103=0.73(kg)G导杆=m导杆g=0.739.8=7.2（N）7.3 升降导杆的校核当手臂伸出到最大范围时，回转中心弯矩最大，由两条导杆同时承受，因M伸偏=40.88故=32.5（MPa）查简明机械设计手册可知45#钢正火，=353(MPa)max（安全）第八章 机械手气动控制系统的设计8.1 机械手的控制要求 为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。 该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。8.2 气压驱动系统设计气压驱动系统设计如图(8-1)所示： 图8-1 气压驱动系统安排图1：手动截止阀 2：储气缸 3：空气过滤器 4：减压阀 5： 油雾器 6：压力表 7、8、9、10：双电位五通电控阀 11、12、13、14、15、16：节流阀加单向阀 工作方式伸缩，上下，夹紧与旋转部分： 电磁线圈3Y得电，手臂伸出；电磁线圈4Y得电，手臂回缩；电磁线圈5Y得电，手臂上升；电磁线圈6Y得电，手臂下降；同理线圈2Y得电手爪夹紧，线圈1Y得电手爪松开；当电磁线圈7Y得电手臂回转气缸逆时针旋转，8Y得电手臂回转气缸顺时针转动。结 论 1、本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。参考文献 1.张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，19882.蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术，2001, 4 3.金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ，20014.王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用.液压气动与密封，1999, 55.机械设计师手册.北京:机械工业出版社，1986 6.成大先.机械设计图册.北京:化学工业出版社 7.郑洪生.气压传动及控制.北京:机械工业出版社，1987 8.吴振顺.气压传动与控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，19959.徐永生.气压传动.北京:机械工业出版社，1990, 10.邱士安主编 机电一体化技术 西安电子科技大学出版社 200511Blohoubek, P., Kolbal, Z.: The knowledge from the Research in the Field of Robotics at UT Brno, Czech Republic. In: Automazione/Automation 1993, BIAS, Milano, Italy, November 23-25, 1993, pp. 723-72612. Knofl ek, R.- Marek, J.: Obrbc centra a pr?myslov roboty s paraleln kinematickou strukturou. In: Strojrensk vyroba, ro nk 45, 1997, .1-2, ISBN 0039-24567, pp. 9-1113. Kolbal, Z.: The theory of basic kinematic chain structures and its effect on their application in the design of industrial robot positioning mechanisms. CERM Akademick nakladatelstv, s.r.o. Brno, 2001, ISBN 80-7204-196-7, p. 71附录附录1：机械手总装配图纸。附录2：机械手手部图纸。附录3：特殊轴图纸。致 谢本文是在我尊敬的卢月红老师悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度和精益求精的工作作风使我受益匪浅。在此，我首先向老师表示诚挚的感谢，并致以崇高的敬意!在课题的研究和开发阶段，得到了学校老师的大力支持和帮助，为我提供了许多有用的资料，在此一并向他们表示衷心的感谢。在日常生活和学习中，学校的各位老师，以及全体同学给与我大力支持和帮助，在此我向他们表示衷心的感谢。感谢父母 、家人，感谢所有关心我的朋友和老师，感谢我的母校。 卢月红 2015年11月21号33毕业设计论文I