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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目： 三自由度圓柱坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)
院 （系）： 機(jī)電系
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
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職 稱(chēng)：
題目類(lèi)型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 ■工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開(kāi)發(fā) ¨應(yīng)用研究
年 5月 1日
摘 要
機(jī)械手是在在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。機(jī)械手能代替人類(lèi)、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等。本課題擬開(kāi)發(fā)的物料氣動(dòng)機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手, 氣動(dòng)機(jī)械手，抓取，提升
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Abstract
The manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, a grasping and moving the workpiece function automation device use. Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans,, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology and programmable control technology, detection technology. This paper intends to develop material pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, any changes to the relevant parameters according to the changing and the movement process requirements, it may replace human work in high risk area
Keywords: manipulator, pneumatic manipulator, grab, lifting
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2 機(jī)械手的定義 1
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手概念 1
1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的組成 2
1.5 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 2
1.6 課題研究的背景和意義 2
1.7 國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究 3
1.8 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 3
第2章 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 5
2.1 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 5
2.2 基本設(shè)計(jì)思路 5
2.2.1 系統(tǒng)分析 5
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 5
2.2.3 氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù) 6
2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.4 機(jī)械手材料的選擇 7
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 7
2.6 氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 8
2.7 動(dòng)作要求分析 8
2.8 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 9
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì) 10
3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 10
3.1.1夾持器種類(lèi) 10
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1.3夾持器校核 12
3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 12
3.2.2 升降氣缸計(jì)算 13
3.2.3 活塞桿的計(jì)算校核 15
3.2.4 氣缸工作行程的確定 16
3.2.5 活塞的設(shè)計(jì) 17
3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 17
3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 18
3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定 19
3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 19
3.2.9 氣缸的選型 19
3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.3.1 水平方向計(jì)算 21
3.3.2 氣缸的選型 21
3.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.4.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 23
3.4.2 馬達(dá)的選型 25
3.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 26
3.5.1 馬達(dá)的選擇 26
3.5.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核 27
3.5.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 28
3.6氣動(dòng)機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定 29
3.6.1常用的定位方式 29
3.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 29
3.6.3氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 30
第4章 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32
4.1手部抓取缸 32
4.2 腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路 33
4.3小臂伸縮缸氣動(dòng)回路 34
4.4總體系統(tǒng)圖 35
第5章 上位機(jī)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
5.1系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 38
5.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件部分 40
5.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件部分 41
總 結(jié) 42
參考文獻(xiàn) 43
致 謝 44
三自由度圓柱坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 課題背景及目的
畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在校學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)四年大學(xué)學(xué)習(xí)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，即有實(shí)踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)更能提高綜合訓(xùn)練能力，為即將走向工作崗位，提高實(shí)際工作能力起到十分重要的作用。以達(dá)到如下目的：
（1）綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和基本技能，提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
（2）接受工程師必須的綜合訓(xùn)練，提高實(shí)際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料并進(jìn)行分析的能力；制訂設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案的能力；設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫(xiě)論文的能力。
（3）檢驗(yàn)綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力。
1.2 機(jī)械手的定義
目前，工業(yè)機(jī)械手的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類(lèi)也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)械手協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)械手下的定義：工業(yè)機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手概念
氣動(dòng)機(jī)械手（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
氣動(dòng)機(jī)械手是近50年才迅速發(fā)展起來(lái)的一種有代表性的、機(jī)械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。它自動(dòng)化程度高，對(duì)改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以說(shuō)他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命。
1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機(jī)身機(jī)座等，其中最主要是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
氣動(dòng)機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。
手部是夾緊（或吸附、托持）與松開(kāi)工件或工具 的部件，由手指（或吸盤(pán)），驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件等組成。
時(shí)間、速度和加速度等參數(shù)。
氣動(dòng)機(jī)械手與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。
1.5 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用
按氣動(dòng)機(jī)械手布局形式分可分為：架空式氣動(dòng)機(jī)械手、附機(jī)式氣動(dòng)機(jī)械手、落地式氣動(dòng)機(jī)械手三種。此外，還有安裝在自動(dòng)線(xiàn)料道上或料道旁，實(shí)現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)向等用途的氣動(dòng)機(jī)械手，他們具有運(yùn)動(dòng)單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置靈活及精度一般要求較低的特點(diǎn)。
氣動(dòng)機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置[3]。
1.6 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無(wú)論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類(lèi)日常生活，氣動(dòng)機(jī)械手技術(shù)都得到廣泛的應(yīng)用。研究智能類(lèi)人氣動(dòng)機(jī)械手是近年科學(xué)家一致致力于的方向。類(lèi)人氣動(dòng)機(jī)械手是以人類(lèi)模型的，它能仿照人類(lèi)各種動(dòng)作和具有人類(lèi)的外部特征。未來(lái)氣動(dòng)機(jī)械手管家將不是夢(mèng)。
按氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的不同，氣動(dòng)機(jī)械手又可以分很多種。輪式移動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械手、履帶氣動(dòng)機(jī)械手、機(jī)器手、步行氣動(dòng)機(jī)械手等等。值得一提的是步行氣動(dòng)機(jī)械手，他是近年來(lái)類(lèi)人機(jī)器研究的重要成果。它的移動(dòng)方式跟大多數(shù)動(dòng)物一樣甚至可以跟人類(lèi)一下。這是一種很復(fù)雜的自動(dòng)化程度很高的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式和履帶氣動(dòng)機(jī)械手，他對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。 將來(lái)不久，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)得到非常廣泛應(yīng)用。
在氣動(dòng)機(jī)械手研究、制作中，運(yùn)用電腦對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行仿真是一項(xiàng)非常重要的過(guò)程。氣動(dòng)機(jī)械手仿真包含零件建模，零件裝配，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)員可以很直觀的觀察到各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，知道有沒(méi)有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個(gè)部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時(shí)間和成本。
1.7 國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究
工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。在七十年代時(shí)工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手首先得到應(yīng)用，然后經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，在八十年代的時(shí)候工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達(dá)到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時(shí)已達(dá)到了一萬(wàn)八千五百億日元?？梢?jiàn)工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。
在國(guó)際方面，各個(gè)國(guó)家已經(jīng)意識(shí)到工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的重要性。所以工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對(duì)于2002年增長(zhǎng)了百分之10。此后工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長(zhǎng)多達(dá)90000多臺(tái)。平均年增長(zhǎng)為7%。
國(guó)際氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展方向:
氣動(dòng)機(jī)械手涉及到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。包括：計(jì)算機(jī)、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)、控制、機(jī)械等等。氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展離不開(kāi)上述學(xué)科的發(fā)展。正是由于各個(gè)學(xué)科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動(dòng)化程度高的及其人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)機(jī)械手在應(yīng)用得范圍越來(lái)越廣泛；技術(shù)也越來(lái)越得到調(diào)高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在很對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的研究都往小型化發(fā)展。氣動(dòng)機(jī)械手將會(huì)更多的進(jìn)入到人們的日常生活中去?？傮w的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、更加智能化。
工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用，對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)的強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個(gè)十分重要的作用。工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的廣泛應(yīng)用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
1.8 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用
氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)是在計(jì)算機(jī)、繼汽車(chē)之后出現(xiàn)的又一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景發(fā)展很好。從二十世紀(jì)起，世界氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)業(yè)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)。到了二十世紀(jì)九十年代，氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長(zhǎng)，年增長(zhǎng)率平均在百分之十上下。2004年創(chuàng)記錄達(dá)到百分之二十。在亞洲氣動(dòng)機(jī)械手需求量更多，年增長(zhǎng)率高達(dá)百分之四十三。經(jīng)歷40多年的發(fā)展，工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用到很多領(lǐng)域中去了。氣動(dòng)機(jī)械手在制造業(yè)中應(yīng)用的最廣泛。如在焊接、熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工、裝配、檢測(cè)和倉(cāng)庫(kù)堆垛毛、坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)等等作業(yè)中，氣動(dòng)機(jī)械手替代了人工作業(yè)，并使得生產(chǎn)效益大大提高。
第2章 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案
2.1 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求
1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)整套圖紙；
2、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)伸縮手300mm和升降功能500mm；
3、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向90度和定位功能；
4、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓緊和松開(kāi)功能。
2.2 基本設(shè)計(jì)思路
2.2.1 系統(tǒng)分析
機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種有力工具。要在一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要對(duì)各種機(jī)械化、自動(dòng)化裝置進(jìn)行綜合的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，從而判斷機(jī)械手是否合適。所以要完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般要先做如下工作：
(1) 根據(jù)機(jī)械手的使用場(chǎng)合，明確機(jī)械手的目的和任務(wù)。
(2) 分析機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境。
(3) 認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)械手的基本功能和方案，如機(jī)械手的自由度數(shù)目、動(dòng)作速度、定位精度、抓取重量等。進(jìn)一步根據(jù)抓取、氣動(dòng)物體的質(zhì)量、形狀、尺寸及生產(chǎn)批量等情況，來(lái)確定機(jī)械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。
對(duì)此，我進(jìn)行如下分析：
(1) 本設(shè)計(jì)課題為物料氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)，是通過(guò)機(jī)械手進(jìn)行兩地物料運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械手。而機(jī)械手的使用場(chǎng)合，非常廣泛，要涉及到物料的狀態(tài)，運(yùn)作流水線(xiàn)的環(huán)境等等因素，相較于我所掌握的理論知識(shí)和能力，我選擇非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線(xiàn)上的物料氣動(dòng)機(jī)械手。
(2) 由于我所選擇的機(jī)械手是非批量生產(chǎn)的小型物體加工流水線(xiàn)上的物料氣動(dòng)機(jī)械手，所以，機(jī)械手所在的系統(tǒng)工作環(huán)境一定是工廠，要求精度高，容錯(cuò)率低，速度快。
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2 總體設(shè)計(jì)框圖
如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫(xiě)調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.2.3 氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù)
1. 機(jī)械手的最大氣動(dòng)物料的重量是它的主參數(shù)。本論文物料氣動(dòng)機(jī)械手所氣動(dòng)的物料質(zhì)量可設(shè)定為1噸。
2. 運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)械手的動(dòng)作快慢和機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也是是物料物料氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)主要的基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度過(guò)低的話(huà)，會(huì)無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)械手的動(dòng)作功能，限制機(jī)械手的使用范圍。設(shè)計(jì)的速度過(guò)高又會(huì)加重機(jī)械手的負(fù)載并影響機(jī)械手動(dòng)作的平穩(wěn)性。
3. 伸縮行程和工作半徑是決定機(jī)械手工作范圍及整機(jī)尺寸的關(guān)鍵，也是機(jī)械手設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。
3.定位精度也是機(jī)械手的主要基本參數(shù)之一。機(jī)械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味著成本的增加。綜合考慮，該物料氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度設(shè)定為士0.5到士1mm之間。物料氣動(dòng)機(jī)械手的各個(gè)部分的基本參數(shù)可以由上面已經(jīng)知道的物料氣動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分配來(lái)決定。
2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說(shuō)的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類(lèi)情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。
2.4 機(jī)械手材料的選擇
機(jī)械手手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)進(jìn)行選擇，并滿(mǎn)足機(jī)械手的設(shè)計(jì)和制作要求。從設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)械手手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。此外，機(jī)械手手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)械手手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)械手手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)械手手臂常用的材料：
(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼:這類(lèi)材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設(shè)計(jì)。然而，日本己試制了在小型高速機(jī)械手上使用的陶瓷機(jī)械手手臂的樣品;
從本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件。
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
常見(jiàn)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式有五種: SCARA型、直角坐標(biāo)型極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型。根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。位置具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、以及氣動(dòng)前后工件中心線(xiàn)方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
這類(lèi)機(jī)械手一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線(xiàn)正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線(xiàn)，考慮到機(jī)械手的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型機(jī)械手。如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類(lèi)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
圖3 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式
2.6 氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)四種基本形式。
但與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比，功率較小，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單速度不易控制，精度不高。
馬達(dá)傳動(dòng)能源簡(jiǎn)單，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，控制靈活。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，響應(yīng)快，精度較高。但是需要有氣動(dòng)源，而且容易發(fā)生氣體泄漏。
起初，我先選擇電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是考慮到機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想傳動(dòng)效果。而機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)如若使用氣動(dòng)或者氣動(dòng)傳動(dòng)，就必須帶有旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)氣缸，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。
故改良方案，將驅(qū)動(dòng)方式分成兩個(gè)部分。其中，機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)采用傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)齒輪鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)；而機(jī)械臂的伸縮、升降和機(jī)械手抓的抓取，都采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。
2.7 動(dòng)作要求分析
動(dòng)作一：送 料
動(dòng)作二：預(yù)夾緊
動(dòng)作三：手臂上升
動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng)
動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
手臂伸長(zhǎng)
手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)
圖2.2 氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作簡(jiǎn)易圖
2.8 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手為通用型的氣動(dòng)機(jī)械手，其中坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)用于機(jī)座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)用于手臂的伸縮和氣動(dòng)機(jī)械手的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì)
3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
3.1.1夾持器種類(lèi)
1.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷(xiāo)子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多
結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工 工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開(kāi)閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱(chēng)為開(kāi)閉范圍。夾持類(lèi)手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置?？捎瞄_(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊氣動(dòng)機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開(kāi)時(shí)，用單作用式氣缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
氣缸右腔停止進(jìn)時(shí)，氣缸右腔進(jìn)時(shí)松開(kāi)工件。
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算
手爪要能抓起工件必須滿(mǎn)足：
（3-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選??；
-----被抓持工件的重量 10；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；
-----為扇形齒輪分度圓半徑；
-----為手指夾緊力；
---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（3-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
而氣缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)壓提供的，故有
（3-9）
式中，---為柱塞缸工作壓；
----為柱塞截面積；選取缸內(nèi)徑為50mm
3.1.3夾持器校核
活塞桿直徑查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35 mm
==9616N》377N
計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿(mǎn)足要求。
經(jīng)計(jì)算，所需的壓約為： (后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹)
3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力
表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1]
負(fù)載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機(jī)械類(lèi)型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
氣動(dòng)鑿巖機(jī)
氣動(dòng)機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)床
龍門(mén)
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表2-1和表2-2可知，氣動(dòng)系統(tǒng)的最大負(fù)載約為15000N（零部件重量加上摩擦超載等因素），初選氣缸的設(shè)計(jì)壓力P1=1MPa
3.2.2 升降氣缸計(jì)算
為了滿(mǎn)足工作臺(tái)快速進(jìn)退速度相等，并減小氣動(dòng)泵的流量，則氣缸無(wú)桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿(mǎn)足A1=2A2（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)滿(mǎn)足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，氣缸需保持一定的回背壓，并取氣缸機(jī)械效率。則氣缸上的平衡方程
故氣缸無(wú)桿腔的有效面積：
氣缸直徑
表1 氣缸內(nèi)徑系列GB/T2348-1980mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
按GB/T2348-1980，取標(biāo)準(zhǔn)值D=63mm；本來(lái)可以取50的，考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素，故在這取的略微大一些。
查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。
因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標(biāo)準(zhǔn)直徑）
表2 活塞桿直徑系列
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
(4) 氣缸缸體厚度計(jì)算
缸體是氣缸中最重要的零件，當(dāng)氣缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。
式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)氣缸額定壓力Pn5.1 MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)度。
注：1.額定壓力Pn
額定壓力又稱(chēng)公稱(chēng)壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa
2.最高允許壓力Pmax
Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa
氣缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強(qiáng)度：σb=600MPa
安全系數(shù)n按《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。
則許用應(yīng)力[]==120MPa
=
=5.5mm
,滿(mǎn)足。所以氣缸厚度取10mm。
則氣缸缸體外徑為83mm。
3.缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。
3.2.3 活塞桿的計(jì)算校核
活塞桿是氣缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。其材料取Q235鋼。
1. 活塞桿直徑的計(jì)算[1]
查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。
因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計(jì)算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得：
取d=90（標(biāo)準(zhǔn)直徑）
表2 活塞桿直徑系列
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
按最低工進(jìn)速度驗(yàn)算氣缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進(jìn)速度
為最小速度，則由式
（4-3）
本例=122.65625>1.25，滿(mǎn)足最低速度的要求。
2.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算：
<90mm （4-4）
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）
3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)氣缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。
4.活塞桿的密封與防塵
活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時(shí)，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設(shè)計(jì)和維護(hù)，本方案選擇O型密封圈。
3.2.4 氣缸工作行程的確定
氣缸工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。氣缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。
表4-4（a）氣缸行程系列（GB 2349-80）[6]
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
表4-4（b） 氣缸行程系列（GB 2349-80）[6]
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
2200
2800
3600
表4-4（c） 氣缸形成系列（GB 2349-80）[6]
240
260
300
340
380
420
480
530
600
650
750
850
950
1050
1200
1300
1500
1700
1900
2100
2400
2600
3000
3400
3800
根據(jù)設(shè)計(jì)要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，根據(jù)表3-8，可選取氣缸的工作行程為1050mm。
3.2.5 活塞的設(shè)計(jì)
由于活塞在氣動(dòng)力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)緊，也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過(guò)大，會(huì)引起氣缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使氣缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能?？紤]選用O型密封圈。
3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定
當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]。影響氣缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證氣缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)氣缸最大行程為L(zhǎng),缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為:
（4-5）
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向套K(見(jiàn)圖4-1)來(lái)增加H值。隔套K的寬度。
圖4-1 氣缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]
因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=9cm；
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A=
活塞寬度B=
2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。
3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)算校核
在單活塞氣缸中，有活塞桿通過(guò)的端蓋叫端蓋，無(wú)活塞桿通過(guò)的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受氣動(dòng)力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。
1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算
端蓋厚h為：
式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm；
P——?dú)鈩?dòng)力，；
——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；
——材料的許用應(yīng)力，。
2.缸底的設(shè)計(jì)
缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。
3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定
氣缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般氣缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長(zhǎng)度：L=5*10cm=50cm。
3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì)
氣缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在氣動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入氣缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會(huì)嚴(yán)重影響氣缸和整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少氣缸活塞及活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。
當(dāng)氣缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動(dòng)速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床氣動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為4m/min,因此沒(méi)有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。
3.2.9 氣缸的選型
經(jīng)過(guò)比較，參考市場(chǎng)上的氣缸類(lèi)型，選擇一種可靠?jī)?yōu)質(zhì)的氣缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。
速易可氣動(dòng)（上海）有限公司成立于2004年，從事于空壓零組件和設(shè)備研 究、生產(chǎn)、銷(xiāo)售的自動(dòng)化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營(yíng)銷(xiāo)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，產(chǎn)品主要有空氣凈化組件、氣動(dòng)控制組件、氣動(dòng)執(zhí)行組件、輔助組件、空壓設(shè)備，產(chǎn) 品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)械手、食品包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體設(shè)備、軌道交通、煙草機(jī)械、機(jī)床自動(dòng)控制、真空搬運(yùn)、汽車(chē)制造、教學(xué)培訓(xùn)等行業(yè)。
速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿氣缸、滑臺(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.
3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 水平方向計(jì)算
當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l =100mm。如圖3.4所示。
工件
圖3.4 受力簡(jiǎn)圖
(1)計(jì)算扭矩[4]
(2)氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =10000N S =1m（最大行程時(shí)）
帶入公式2.9得
=10000×10×1 =100000（N·M）
由于水平方向的氣缸與升降方向的有些類(lèi)似，在此不在一一列舉
3.3.2 氣缸的選型
速易可目前主要產(chǎn)品有：無(wú)桿氣缸、滑臺(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.
3.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)360o
角速度=45o/s
3.4.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核
.若傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
負(fù)載額定功率： （3-24）
負(fù)載加速功率： （3-25）
負(fù)載力矩（折算到馬達(dá)軸）：
（3-26）
負(fù)載GD（折算到馬達(dá)軸）：
（3-27）
起動(dòng)時(shí)間：
（3-28）
制動(dòng)時(shí)間：
（3-29）
式中，-----為額定功率，KW；
-----為加速功率，KW；
-----為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；
-----為馬達(dá)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；
-----為負(fù)載的速度，m/min；
-----為減速機(jī)效率；
-----為摩擦系數(shù)；
-----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；
-----為馬達(dá)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，；
-----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到馬達(dá)軸上），；
-----為負(fù)載的，；
-----為負(fù)載（折算到馬達(dá)軸上），；
-----為馬達(dá)的，；
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)馬達(dá)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。
因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；
（3-30）
式中，-----為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005；
-----為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100；
-----為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.12；
同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)比定為1/120；
且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。
將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得：
啟動(dòng)時(shí)間 ；
制動(dòng)時(shí)間 ；
折算到馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。
3.4.2 馬達(dá)的選型
根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100
臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。
氣動(dòng)機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=1000mm
(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得：
=1000×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得：
（3.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動(dòng)部件總重， F =1000kg，=10000N。
(4)由初步計(jì)算選泵
所需氣動(dòng)最高壓力
P =10Mpa
所需氣動(dòng)最大流量
Q =1000ml/s
3.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核
臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了氣動(dòng)機(jī)械手的總體布局。本課題氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣氣動(dòng)機(jī)械手可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見(jiàn)于回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過(guò)程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。
3.5.1 馬達(dá)的選擇
機(jī)身部使用了兩個(gè)馬達(dá)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)安裝在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)安裝在混凝土地基上。
帶動(dòng)臂部升降的馬達(dá)：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉(zhuǎn)/分
3.5.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核
螺桿是氣動(dòng)機(jī)械手的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講并能滿(mǎn)足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18）
螺桿強(qiáng)度〖11〗 （3.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當(dāng)量應(yīng)力
(3.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力
所以代入公式（3.20）得：
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強(qiáng)度
（旋合圈數(shù)） （3.21）
（3.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強(qiáng)度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.5.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)
帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.9所示:
圖3.9 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖
3.6氣動(dòng)機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定
3.6.1常用的定位方式
機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)路而去掉工作壓力，這時(shí)氣動(dòng)機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)微小距離，因而定位精度變低[12]。
3.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
氣動(dòng)機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)際上是一個(gè)三維空間的定位問(wèn)題，是若干線(xiàn)量和角量定位的組合。在許多較簡(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)線(xiàn)量或角量定位誤差的因素如下：
(1)定位方式
不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。
(2)定位速度
定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。
(3)精度
氣動(dòng)機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。
(4)剛度
氣動(dòng)機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，因易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。
(5)運(yùn)動(dòng)件的重量
運(yùn)動(dòng)件的重量包括氣動(dòng)機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。
運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。
(6)驅(qū)動(dòng)源
氣動(dòng)的壓力波動(dòng)及電壓、溫的波動(dòng)都會(huì)影響氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)氣動(dòng)措施。
(7)控制系統(tǒng)
開(kāi)關(guān)控制、電氣比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無(wú)有關(guān)[13]。
本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。
3.6.3氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置
緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有氣缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機(jī)械元件和氣動(dòng)緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。但有時(shí)安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點(diǎn)是安置位置靈活，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為氣缸端部緩沖裝置。
當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到距氣缸端蓋某一距離時(shí)能在活塞與端蓋之間形成一個(gè)緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時(shí)背壓阻力，以使運(yùn)動(dòng)減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱(chēng)為氣缸端部緩沖裝置[12-15]。
在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱(chēng)為恒節(jié)流式氣缸端部緩沖裝置。
設(shè)計(jì)氣缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時(shí)，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個(gè)參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個(gè)參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個(gè)參數(shù)。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按氣動(dòng)機(jī)械手類(lèi)型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取，同時(shí)要考慮速度與載荷大小。對(duì)于重載低速氣動(dòng)機(jī)械手，- 取5m/s2以下，對(duì)于輕載高速氣動(dòng)機(jī)械手，-取5～10 m/s2
(2)計(jì)算沿運(yùn)動(dòng)方向作用在活塞上的外力F
水平運(yùn)動(dòng)時(shí)：
（3.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計(jì)算殘余速度Vr
（3.24）
m/s
第4章 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣動(dòng)控制室自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作室根據(jù)氣體的流量與壓力來(lái)確定，因而只要控制氣的流量和壓力，就可以控制自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，氣動(dòng)壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)氣動(dòng)執(zhí)行元件(馬達(dá)和氣缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過(guò)空氣帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行。
(3)氣動(dòng)元件有直線(xiàn)位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過(guò)閥和泵的調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)和反向，無(wú)后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強(qiáng)。
(5)氣動(dòng)元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。
缺點(diǎn):控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便[4-6]。
4.1手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸氣動(dòng)原理圖
(1)手部抓取缸氣動(dòng)原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供氣動(dòng)力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。
因此，需裝圖4.