- 1 -蘭州工業(yè)學院蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）畢業(yè)設計（論文）題目題目 工業(yè)機械手設計工業(yè)機械手設計 系系 別別 機械工程系機械工程系 專專 業(yè)業(yè) 機械設計與制造機械設計與制造 班班 級級 機設機設 10-2 姓姓 名名 袁小鵬袁小鵬 學學 號號 201001101241 指導教師（職稱）指導教師（職稱） 安美玲（教授）安美玲（教授） 日日 期期 2013 年年 1 月月 4 日日 - 2 - 摘摘 要要 機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。本文將設計一臺 3 自由度的機械手，用于給自動生產(chǎn)線上運送飲料瓶。首先，本文將設計手臂，夾持器，氣缸，驅(qū)動方式。通過氣壓系統(tǒng)，用 PLC 來控制整個操作。主要以機械部分設計為主。關鍵詞：關鍵詞：機械手；夾持器；氣缸 ；驅(qū)動方式 ；機械部- 3 -ABSTRACTMachinery is in the hands of mechanization, automation production process to develop a new device. In modern production process, robot is widely used in the automatic production line, robot development and production has become a high-tech neighborhood house, rapidly as a rising technology, it has promoted the development of mechanical hand, the manipulator can be better achieved with mechanization and automation of organic in combination with. Mechanical hand although is inferior to manpower as flexible, but it has to be repeated work and labor, not tired, not afraid of danger, snatch heavy forces than human hand is large, therefore, manipulator has been popular in many fields, and more and more widely applied.In this paper, the design of 3 DOF Manipulator, used for automatic production line transporting beverage bottle. First of all, this paper will design arm, holder, cylinder, driving mode. The pneumatic system., using PLC to control the whole operation. Mainly by mechanical part design. Key words: robot; gripper; cylinder; driving; mode of mechanical part; - 4 -目目 錄錄摘摘 要要 .- - 2 2 - -ABSTRACTABSTRACT .- - 3 3 - -1.1.緒論緒論 .- - 5 5 - -1.1 氣壓傳動的缺點 .- 5 -1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .- 6 -1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .- 6 -1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .- 9 -1.2.3 機械手的分類 .- 12 -1.2.4 機械手的組成 .- 13 -1.3 本論文的主要內(nèi)容 .- 16 -1.3.1 緒論撰寫要求 .- 16 -1.3.2 緒論的內(nèi)容 .- 16 -2.1 機械手的座標型式與自由度 .- 18 -2.2 機械手的手部結構方案設計 .- 18 -2.3 機械手的手腕結構方案設計 .- 18 -2.4 機械手的手臂結構方案設計 .- 18 -2.5 機械手的驅(qū)動方案設計 .- 19 -2.6 機械手的控制方案設計 .- 19 -2.7 機械手的主要技術參數(shù) .- 19 -3 3 手部結構設計手部結構設計 .- - 2121 - -3.1 夾持式手部結構 .- 21 -3.1.1 手指的形狀和分類 .- 21 -3.1.2 設計時考慮的幾個問題 .- 22 -3.1.3 回轉(zhuǎn)氣壓缸的設計 .- 23 -3.1.4 升降氣壓缸的設計 .- 26 -3.1.5 伸縮氣壓缸的設計 .- 29 -3.1.6 加緊氣壓缸的設計.- 31 -4 4 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣壓缸的尺寸設計與校核手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣壓缸的尺寸設計與校核 .- - 3535 - -4.1 手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計與校核 .- 35 -4.1.1 手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計 .- 35 -4.1.2 尺寸校核 .- 35 -4.1.3 導向裝置 .- 36 -4.1.4 平衡裝置 .- 36 -4.2 手臂升降氣壓缸的尺寸設計與校核 .- 36 -4.2.1 尺寸設計 .- 36 -4.2.2 尺寸校核 .- 37 - 5 -4.3 手臂回轉(zhuǎn)氣壓缸的尺寸設計與校核 .- 37 -5 5 機械手的氣壓系統(tǒng)設計機械手的氣壓系統(tǒng)設計 .- - 3939 - -6 6 機械手的機械手的 PLCPLC 控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計 .- - 4141 - -6.1 可編程序控制器的選擇及工作過程 .- 41 -6.1.1 可編程序控制器的選擇 .- 41 -6.1.2 可編程序控制器的工作過程 .- 41 -6.2 可編程序控制器的使用步驟 .- 42 -6.3 機械手可編程序控制器控制方案 .- 43 -6.3.1 控制系統(tǒng)的工作原理及控制要求 .- 43 -6.3.2 氣壓機械手的工作流程 .- 44 -7 7 軸承選擇及校核軸承選擇及校核 .- - 4646 - -8 8 齒輪齒條計算及校核齒輪齒條計算及校核 .- - 4949 - -9 9 結論結論 .- - 5353 - -致謝致謝 .- - 5454 - -參考文獻參考文獻 .- - 5555 - - 6 -1.緒論緒論隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。1.1 氣壓傳動的缺點氣壓傳動的缺點現(xiàn)在的機械手大多采用氣壓傳動，氣壓傳動存在以下幾個缺點:(1)氣壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):氣壓傳動易泄漏，不僅污染工作場地，限制其應用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運動平穩(wěn)性及正確性。(2)工作時受溫度變化影響較大。油溫變化時，氣體粘度變化，引起運動特性變化。(3)因氣壓脈動和氣體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。(4)為了減少泄漏，氣壓元件的制造工藝水平要求較高，故價格較高;且使用維護需要較高技術水平。鑒于以上這些缺陷，本機械手擬采用氣壓傳動，氣動技術有以下優(yōu)點:(1)介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設置回收管道和容器：介質(zhì)清潔，管道不易堵塞不存在介質(zhì)變質(zhì)及補充的問題。(2)阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過程中，阻力損失較小(一般僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應和遠距離輸送。外泄漏不會像氣壓傳動那樣，造成壓力明顯降低和嚴重污染。(3)動作迅速，反應靈敏。氣動系統(tǒng)一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的壓力和速度。氣動系統(tǒng)也能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。(4)能源可儲存。壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時，機器及其工藝流程不致突然中斷。(5)工作環(huán)境適應性好。在易燃、易爆、多塵埃、強磁、強輻射、振動等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動與控制系統(tǒng)比機械、電器及氣壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會因溫度變化影響傳動及控制性能。- 7 -(6)成本低廉。由于氣動系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點認為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動技術作為機器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復雜的機械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動機器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進展過去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動化領域里，對氣動機械手、氣動機器人的實用性和前景存在不少疑慮6。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.11.2.1 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。(1)簡史機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動） 。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用氣壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962 年美國機械制造公司也實驗成功一種叫 Vewrsatran 機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用氣壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1 毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進兩種- 8 -機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至 1977 年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)。(2) 應用簡況現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。(3) 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用- 9 -機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀(1)總量規(guī)模在我國，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機械手主要的使用領域。但我國在工業(yè)機械手生產(chǎn)企業(yè)中，年產(chǎn)銷量在 100 臺以上、產(chǎn)值過 5000 萬元的規(guī)模企業(yè)非常少，國外大型公司年產(chǎn)量都達 5000 到 10000 臺，銷售額為數(shù)十億美元。工業(yè)機械手應用前景極為廣闊。目前國內(nèi)機械手的保有量在 4000 臺左右，并將以每年 8001000 臺左右的速度快速增長。2005 年底，我國工業(yè)機械手實際安裝量為 11557 臺，比 2004年底安裝量的 7096 臺，增長了 63%。增長慢于 2004 年。2006 年底，我國工業(yè)- 10 -機械手實際安裝量為 17327 臺，增長 47%。2007 年底，實際安裝量為 23900 臺，增長 31%，平均增長 45%以上。(2)增長速度 2004-2007 年中國機械手行業(yè)銷售收入增長情況單位：千元22484823389174419891851274101000000200000030000004000000500000060000002004200520062007銷售收入數(shù)據(jù)來源：中國市場調(diào)查研究中心(3).機械手區(qū)域市場分析雖然目前國內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機械手的企業(yè)并不多，很多產(chǎn)品的生產(chǎn)技術還主要依靠進口，高科技的技術主要還掌握在國際龍頭廠商手里。我國本土企業(yè)生產(chǎn)的機械手產(chǎn)品還主要流通在中低端市場，因此決定了很多本土生產(chǎn)企業(yè)在爭奪市場時主要還是采取價格戰(zhàn)。隨著技術的進步，日臻成熟，會有更多的廠商加入此行業(yè)。我國目前比較大的生產(chǎn)企業(yè)有上海 ABB 工程有限公司、沈陽新松機器人自動化股份有限公司、柯馬（上海）汽車設備有限公司、青島歐地希機電有限公司等。我國目前國內(nèi)機械手生產(chǎn)企業(yè)分布情況如下：各區(qū)域市場份額分布情況華北10.0%東北15.8%華東56.0%中南12.0%西南6.2%數(shù)據(jù)來源：中國市場調(diào)查研究中心機械手行業(yè)大規(guī)模的企業(yè)大部分分布在上海、遼寧等地，占市場份額比較大，- 11 -其中上海市的企業(yè)數(shù)量最大，大約 7 家左右；華東整個地區(qū)占全國的 56%，其次是東北地區(qū)占 15.8%。(4)產(chǎn)品市場結構 據(jù)了解，目前機械手主要分為兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機械手，像焊接、裝配、噴涂、搬運等機械手和用于非制造環(huán)境下的特種機械手，像水下機械手、農(nóng)業(yè)機械手、微操作機械手、醫(yī)療機械手、軍用機械手、娛樂機械手等。而中國目前對工業(yè)機械手的需求決定了機械手市場的火熱。目前在我國應用的機械手主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奧地利的 IGM 公司。國產(chǎn)機械手主要是沈陽新松機械手公司產(chǎn)品。近幾年我國機械手的需求量大幅增加，很多企業(yè)最近四年在華的銷售量超過了前十幾年銷售量的幾倍。如德國 CLOOS 公司 2000 年以前在華銷售焊接機械手 47 臺，2000 年以后的在華銷售已經(jīng)突破 121 臺，銷售量翻了近三倍。以前美國是日本機械手最大的進口國，現(xiàn)在中國已成為日本機械手最大的進口國。首鋼莫托曼公司到目前為止已為國內(nèi)用戶提供了約一千臺機械手。我國焊接機械手的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機械手的最大用戶，也是最早用戶。由于我國基礎設施建設的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機械手的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術，焊接機械手逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機械手的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。2001 年，全國共有各類焊接機械手 1040 臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機械手占全部焊接機械手的 76%。在汽車行業(yè)中點焊機械手與弧焊機械手的比例為 3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機械手為主，主要分布在工程機械（10%） 、摩托車（6%） 、鐵路車輛（4%） 、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機械手也主要分布在全國幾大汽車制造廠，我國焊接機械手的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。進入 21 世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機械手安裝臺數(shù)迅速增加，2002、2003、2004 年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機械手的安裝臺數(shù)在 4000 臺左右。汽車行業(yè)焊接機械手所占的比例會進一步提高。(5)產(chǎn)品供給 我國國家“863”機械手技術主題自成立以來一直重視機械手技術在產(chǎn)業(yè)中的推廣和應用，長期以來推進機械手技術以提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，利用機械手技術發(fā)展高新產(chǎn)業(yè)。- 12 -目前，政府正在使用各種辦法加大中國裝備制造業(yè)在市場中占據(jù)的份額，并提供優(yōu)惠措施鼓勵更多企業(yè)使用機械手及技術以提升技術水平。國內(nèi)越來越多的企業(yè)在生產(chǎn)中采用了工業(yè)機械手，各種機械手生產(chǎn)廠家的銷售量都有大幅度的提高。工業(yè)機械手 2008 年、2009 年及 2010 年預計安裝量單位：臺6,8907,3507,9006,2006,4006,6006,8007,0007,2007,4007,6007,8008,000200820092010年安裝量數(shù)據(jù)來源：中國市場調(diào)查研究中心工業(yè)機械手 2008 年、2009 年及 2010 年預計累計擁有量單位：臺30,90038,50047,00005,00010,00015,00020,00025,00030,00035,00040,00045,00050,000200820092010累計安裝量數(shù)據(jù)來源：中國市場調(diào)查研究中心1.2.3 機械手的分類機械手的分類工業(yè)機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)等進行分類。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用機械手兩種:1、專用機械手- 13 -它是附屬于主機的、具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少、工作對象單一、結構簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大附屬，如自動機床、自動線的上、下料機械手和“加工中心”批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手。2、通用機械手它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動作靈活多樣的機械手。通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和各性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨立的。通用機械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。通用機械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關”式控制定位，只能是點位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點位控制，也可以實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動方式分1、氣壓傳動機械手是以氣壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:抓重可達幾百公斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電氣伺服閥的制造精度高，油氣過濾要求嚴格，成本高。2、氣壓傳動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比氣壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。3、機械傳動機械手即由機械傳動機構(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等)驅(qū)動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它主要特點是運動準確可靠，動作頻率大，但結構較大，動作程序不可變。它常被用于工作主機的上、下料。4、電力傳動機械手即有特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分- 14 -1、點位控制它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運動軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現(xiàn)平穩(wěn)和準確的運動，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復雜。這類工業(yè)機械手一般采用小型計算機進行控制4。1.2.4 機械手的組成機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關系如下圖：1、執(zhí)行機構( 如圖 1.2-1 所示 )（1） 手部手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有伸縮軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。這里的機械手需開閉手指。機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。這里的機械手采用二指形狀。（2） 手臂手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分- 15 -這里的機械手的手臂采用無關節(jié)臂手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。這里的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架。2、 驅(qū)動機構驅(qū)動機構主要有四種：氣壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以氣壓氣動用的最多，占 90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。汽壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用 4-6 個大氣壓，個別的達到 8-10 個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。電氣驅(qū)動采用的不多?，F(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。但是，此次設計的機械手是配合腳踏壓蓋機，設計具有 3 個自由度運送飲料瓶的機械手，涉及到了飲品行業(yè)，考慮到安全問題。因此，這里的機械手采用氣壓缸，齒輪齒條實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松方面。3、 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。4、在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：（1） 、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度- 16 -應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。（2） 、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3） 、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.3 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容1.3.1 緒論撰寫要求緒論撰寫要求目的是向讀者交代本研究的來龍去脈，作用在于使讀者對論文先有一個總體的了解。緒論要概括地寫出作者意圖，說明選題的目的和意義, 并指出論文撰寫的主要內(nèi)容。緒論的引言要短小精悍、緊扣主題。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀介紹要與論文研究方向一致或相近，其中的介紹的研究成果要為本論文的研究或設計提供依據(jù)或參考。1.3.2 緒論的內(nèi)容緒論的內(nèi)容（1）設計的目的、范圍和背景。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，為了進一步增加生產(chǎn)力，減輕工人的負擔，人們開始研究機械手，以此來進一步提高生產(chǎn)力，減輕勞動力。為了提高工作效率，提高飲料瓶的裝夾效率，本設計以裝夾轉(zhuǎn)運飲料為目的，設計轉(zhuǎn)運飲料瓶的機械手以代替人工勞動。（2）理論依據(jù)、實驗基礎和研究方法。（3）預期的結果及其地位、作用和意義。以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。- 17 -以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故?？梢詼p輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。- 18 -2 機械手的整體設計方案機械手的整體設計方案對氣壓機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計氣壓機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設計的機械手是通用氣壓抓取機械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。2.1 機械手的座標型式與自由度機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。- 19 -2.2 機械手的手部結構方案設計機械手的手部結構方案設計為了使機械手夾持時不能對飲料瓶有損害，則把機械手的手部處安裝塑料或是軟墊，這樣一來，就不會對抓取的東西造成破損。2.3 機械手的手腕結構方案設計機械手的手腕結構方案設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須與伸縮缸應該做成一體，防止當伸縮桿動作時，對其瓶子的抓取精度造成誤差，從而不能造成準確抓取。2.4 機械手的手臂結構方案設計機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，手臂的各種運動由氣壓缸來實現(xiàn)。2.5 機械手的驅(qū)動方案設計機械手的驅(qū)動方案設計由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失，并且是抓取飲品，考慮到食品安全，因此本機械手采用氣壓傳動方式。2.6 機械手的控制方案設計機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機械手的主要技術參數(shù)機械手的主要技術參數(shù)(一)機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣壓方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數(shù)，結合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設計設計抓取的工件質(zhì)量為5公斤。(二)基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因- 20 -素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大回轉(zhuǎn)sm/0 . 1速度設計為。平均移動速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機械手s/90sm/8 . 0s/60動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是mm1400mm120基本參數(shù)之一。該機械手的定位精度為。mm1(三) 用途:用于自動輸送線的抓取飲料瓶。(四)設計技術參數(shù):1、抓重 kg5 2、自由度數(shù) 3個自由度3、座標型式 圓柱座標4、最大工作半徑 800mm 5、手臂最大中心高 529mm 6、手臂運動參數(shù) 伸縮行程300mm 伸縮速度smm/400 升降行程350mm 升降速度smm/250 回轉(zhuǎn)范圍0128mm 回轉(zhuǎn)速度 s/90手指夾持范圍6575mm9、定位方式 行程開關或可調(diào)機械擋塊等10.定位精度 - 21 - mm1 11、驅(qū)動方式 氣壓傳動12、控制方式 點位程序控制(采用PLC)- 22 -3 手部結構設計手部結構設計3.1 夾持式手部結構夾持式手部結構夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.1 手指的形狀和分類手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。3.1.2 設計時考慮的幾個問題設計時考慮的幾個問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。- 23 -(五)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于所夾持的是飲料瓶，飲料瓶外部為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。機械手手部示意圖手部夾持器夾持飲料瓶的部分有連接墊塊，墊塊用橡膠制成，與手部處通過硫化交聯(lián)劑 SQS633，該性狀：白色粉狀，有微酸性。類似 SR633。用途：本品是橡膠助硫化劑,橡膠和金屬的粘合劑，膠水，鞋材、傳送帶、人造大理石交聯(lián)劑和耐熱填加劑。具有耐酸、堿、耐油、耐腐蝕、耐高溫的性能，與橡膠體結合可獲得鹽性交聯(lián)鍵，提高硫化膠的強度，改善高低溫性能。試驗證明 SQS633 對于提高硫化膠硬度、提高拉伸性能和金屬表面的粘結性最為有效。在增加橡膠硬度和拉伸性能的同時，仍能保持很好的伸長率。此外，還能提高彈性，增加硬度，提高抗撕拉性能，降低白碳黑，補強膠料的壓縮永變性。3.1.3 回轉(zhuǎn)氣壓缸的設計回轉(zhuǎn)氣壓缸的設計1.其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為802mmRmmb357010. 0f(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: Rbp2N- 24 -(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:)(5 . 0tgN)(75. 1)42540(55 . 0Ntg所以Rbp2N)(7 N(3)實際驅(qū)動力:實際驅(qū)動力公式如下： 21KKpp實際1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓94. 05 . 11K取工件的最大加速度取時，則:ga3412gaK所以 )(68.4494. 045 . 17Np實際所以夾持工件時所需夾緊氣壓缸的驅(qū)動力為。N68.442、活塞桿輸出力和缸徑計算本氣壓缸屬于單向作用氣壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其理論公式為:ztFFPDF421式中: - 活塞桿上的推力，N1F - 彈簧反作用力，NtF- 氣壓缸工作時的總阻力，NzF- 氣壓缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:)(SLCFtC = nDGd31418- 25 -式中:C- 彈簧剛度，N/m L- 彈簧預壓縮量，m- 26 - 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑，.1D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在設計中，必須考慮負載率的影響，則:tFpDF421由以上分析得單向作用氣壓缸的直徑:pFtFD)(41代入有關數(shù)據(jù)，可得CnDGd314184333920)1032(8)105 . 3(104 .79 )/(60.2272mN)(SLCFt)(95.132105 .5860.22723N所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有關手冊圓整，得mmD62活塞桿的長徑比不同，需考慮的問題不同，在長徑比較小時（Ld)1.4 其中，MPa120NF7501則:5 . 0)120/4904(d取d=30mm（2）按縱向彎曲極限力計算氣缸承受縱向推力負載達到極限力f以后，活塞桿軸線會產(chǎn)生彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與氣缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關。式中：L活塞桿計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑J活塞桿截面轉(zhuǎn)動慣量D空心活塞桿內(nèi)孔直徑A活塞桿橫截面積N因數(shù)E材料彈性模量F材料強度實驗值S- 安全因素若縱向推力負載超過極限力，就應該采取相應措施。在行程及安裝方式不變的前提下，只有加大活塞桿直徑d缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣壓缸內(nèi)徑，mmD- 實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:鑄鐵 =3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2/pDP- 28 -)(5 . 6)1032/(1066565mm查表取mm83.1.4 升降氣壓缸的設計升降氣壓缸的設計1、活塞桿輸出力和缸徑計算本氣壓缸屬于單向作用氣壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其理論公式為:ztFFPDF421式中: - 活塞桿上的推力，N1F - 彈簧反作用力，NtF- 氣壓缸工作時的總阻力，NzF- 氣壓缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 彈簧剛度，N/m L- 彈簧預壓縮量，m- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑，m1D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在設計中，必須考慮負載率的影響，則:tFpDF421- 29 -由以上分析得單向作用氣壓缸的直徑:pFtFD)(41代入有關數(shù)據(jù)，可得CnDGd3141843339100)1034(8)105 . 3(104 .79 )/(94.378mN)(SLCFt)(52.1701045094.3783N所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有關手冊圓整，得mmD82活塞桿的長徑比不同，需考慮的問題不同，在長徑比較小時（Ld)1.4其中，MPa120NF7501則:5 . 0)120/4904(d取d=28mm（2）按縱向彎曲極限力計算氣缸承受縱向推力負載達到極限力f以后，活塞桿軸線會產(chǎn)生彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與氣缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關。- 30 -式中L活塞桿計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑J活塞桿截面轉(zhuǎn)動慣量D空心活塞桿內(nèi)孔直徑A活塞桿橫截面積N因數(shù)E材料彈性模量F材料強度實驗值A因數(shù)若縱向推力負載超過極限力，就應該采取相應措施。在行程及安裝方式不變的前提下，只有加大活塞桿直徑d2、缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣壓缸內(nèi)徑，mmD- 實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm83.1.5 伸縮氣壓缸的設計伸縮氣壓缸的設計1、活塞桿輸出力和缸徑計算本氣壓缸屬于單向作用氣壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其理論公式為:ztFFPDF421- 31 -式中: - 活塞桿上的推力，N1F - 彈簧反作用力，NtF- 氣壓缸工作時的總阻力，NzF- 氣壓缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m1- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑，.1D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在設計中，必須考慮負載率的影響，則:tFpDF421由以上分析得單向作用氣壓缸的直徑:pFtFD)(41代入有關數(shù)據(jù)，可得CnDGd314184333980)1032(8)105 . 3(104 .79 )/(15.568mN)(SLCFt)(89.2151038015.5683N- 32 -所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有關手冊圓整，得mmD52活塞桿的長徑比不同，需考慮的問題不同，在長徑比較小時（Ld)1.4其中，MPa120NF7501則:5 . 0)120/4904(d取d=28mm（2）按縱向彎曲極限力計算氣缸承受縱向推力負載達到極限力f以后，活塞桿軸線會產(chǎn)生彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與氣缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關。式中L活塞桿計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑J活塞桿截面轉(zhuǎn)動慣量D空心活塞桿內(nèi)孔直徑A活塞桿橫截面積N因數(shù)E材料彈性模量F材料強度實驗值A因數(shù)若縱向推力負載超過極限力，就應該采取相應措施。在行程及安裝方式不變的前提下，只有加大活塞桿直徑d2、缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:- 33 - 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣壓缸內(nèi)徑，mmD- 實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:ZL3,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm83.1.6 加緊氣壓缸的設計加緊氣壓缸的設計 1.其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為802mmRmmb357010. 0f(1)根據(jù)手部結構的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: Rbp2N(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式:)(5 . 0tgN)(75. 1)42540(55 . 0Ntg所以Rbp2N)(7 N(3)實際驅(qū)動力: 21KKpp實際2、活塞桿輸出力和缸徑計算本氣壓缸屬于單向作用氣壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其理論公式為:- 34 -ztFFPDF421式中: - 活塞桿上的推力，N1F - 彈簧反作用力，NtF- 氣壓缸工作時的總阻力，NzF- 氣壓缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算:)(SLCFtC = nDGd31418式中:C- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預壓縮量，m1- 活塞行程，ms- 彈簧鋼絲直徑，m1d- 彈簧平均直徑，.1D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104 .79在設計中，必須考慮負載率的影響，則:tFpDF421由以上分析得單向作用氣壓缸的直徑:pFtFD)(41代入有關數(shù)據(jù)，可得CnDGd314184333920)1025(8)105 . 3(104 .79 )/(4788mN)(SLCFt)(16.335107047883N- 35 -所以:DpnFtF)1(420105 . 0)95.132490(46-查有關手冊圓整，得mmD46活塞桿的長徑比不同，需考慮的問題不同，在長徑比較小時（Ld)1.4其中，MPa120NF7501則:5 . 0)120/4904(d取d=20mm（2）按縱向彎曲極限力計算氣缸承受縱向推力負載達到極限力f以后，活塞桿軸線會產(chǎn)生彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與氣缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關。式中L活塞桿計算長度K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑J活塞桿截面轉(zhuǎn)動慣量D空心活塞桿內(nèi)孔直徑A活塞桿橫截面積N因數(shù)E材料彈性模量F材料強度實驗值A因數(shù)若縱向推力負載超過極限力，就應該采取相應措施。在行程及安裝方式不變的前提下，只有加大活塞桿直徑d3、缸筒壁厚的設計- 36 -缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2/pDP式中:6- 缸筒壁厚，mm- 氣壓缸內(nèi)徑，mmD- 實驗壓力，取, PapPPPp5 . 1材料為:鑄鐵,=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 2/pDP)(5 . 6)1032/(1066565mm取mm7- 37 -4 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣壓缸的尺寸設計與校核手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)氣壓缸的尺寸設計與校核4.1 手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計與校核手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計與校核4.1.1 手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計手臂伸縮氣壓缸的尺寸設計手臂伸縮氣壓缸采用煙臺氣壓元件廠生產(chǎn)的標準氣壓缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結構特點，尺寸參數(shù)，結合本設計的實際要求，氣壓缸用普通型氣壓缸，關于此氣壓缸的資料詳情請參看氣壓氣動設計手冊4.1.2 尺寸校核尺寸校核1. 在校核尺寸時，只需校核氣壓缸內(nèi)徑=52mm,半徑R=26mm的氣壓缸的尺1D寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,MPaP4 . 0 則驅(qū)動力： 2RPF )(056.849026. 014. 3104 . 026N2測定手腕質(zhì)量為50kg,設計加速度，則慣性力：)/(10sma maF 1 )(5001050N3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數(shù),2 . 0k1.FkFm )(1005002 . 0N 總受力mFFF10 )(600100500N FF 0- 38 - 所以標準普通氣壓缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。4.1.3 導向裝置導向裝置氣壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回