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畢業(yè)設計說明書（論文） 第 33 頁 共 33 頁
1 緒論
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。
1.1 機械手及其組成
1.1.1 什么是機械手
機械手是一種能模仿人手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手是工廠企業(yè)高度自動化的標志，它能完成許多高技術難度和繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機械手起到了不可取代的作用。
1.1.2 機械手的組成
機械手的組成及其相互之間的關系如圖所示。
驅動部分
傳送機構
控制部分
行程檢測裝置
手部
傳感裝置
被傳送物件
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。
（一） 執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、 手部 即與物件接觸的部件。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。
2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調整或改變工件方位的作用。
3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。
4、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。
5、行走機構 機械手為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可以增設滾輪行走機構。滾輪式行走機構可分為有軌的或是無軌的兩種。
6、機座 它是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。
7、其它部分 行程檢測裝置和傳感裝置等。
行程檢測裝置是檢測和控制機械手各運動行程（位置）的裝置。
傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物件的位置是否準確、手指對物件的握緊力是否與物件的重量相適應。
（二）、運動機構
使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
1.2 機械手的分類
㈠、按機械手的使用范圍分類：
⑴ 專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線，用以自動的傳送物件或操作某一工具。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
⑵ 通用機械手（也稱工業(yè)機器人）即指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機器，而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。
㈡、按機械手的驅動方式分類：
⑴ 液壓驅動機械手 以壓力油進行驅動。
⑵ 氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動。
⑶ 電力驅動機械手 直接用電機進行驅動。
⑷ 機械驅動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳給機械手的一種驅動方式。
㈢、按機械手臂力大小分類：
⑴ 微型機械手 臂力小于1公斤。
⑵ 小型機械手 臂力為1～10公斤。
⑶ 中型機械手 臂力為10～30公斤。
⑷ 大型機械手 臂力大于30公斤。
㈣ 按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
1.3 應用機械手的意義
隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。
機械工業(yè)中，應用機械手的主要目的：
一、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。
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程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、可以改善勞動條件、避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作時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，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)
應用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設機械手，以減少人力和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進行生產(chǎn)。
綜上所述，有效地應用機械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。
1.4 機械手的發(fā)展概況
1.4.1 對機械手的一般要求：
1、 降低機械手的成本 為了擴大機械手的使用范圍，必須降低機械手的成本。據(jù)統(tǒng)計，機械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。
2、 品種多樣化 為了適應不同工作的需要，應使的機械手的品種多樣化，用機械手代替更多的人的手工勞動，進而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。特別是那些工作比較單一、重復性很大而工作條件又較差和勞動量較大的工種，更應注意設計和使用各種類型的機械手。
3、 零件、部件系列化、通用化、標準化 為了加速擴大機械手的應用領域，應盡量縮短其設計和制造周期。這樣，就要求機械手的某種零件、部件(如手部、臂部等）系列化、通用化、標準化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件（或再相應地增加一些其它零件、部件）進行組合，組成需要的機械手。當然，這樣的機械手還應保證組合方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利的重新組合。
4、 產(chǎn)品性能應準確可靠 機械手的重要技術指標之一，就是其性能應穩(wěn)定可靠。為此，要求設計合理，元件穩(wěn)定，制造精確。
1.4.2 機械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢
機械手是機械、電子、計算機、液壓液力與氣壓傳動等多學科高新技術融合的成果，是當代技術進步的典型范例。機械手通常用作機床或其它機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手。
專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣壓傳動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外對發(fā)展這一新技術都很重視。
氣動技術作為機器人中的驅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)已被接受。由于氣動技術與電子技術的結合，以及周邊技術的成熟，在工業(yè)自動化領域里，氣動機械手、氣動機器人的實用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因為氣動伺服定位技術一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學術界的高度重視，同時為氣動機器人、氣動機械手大規(guī)模進入工業(yè)自動化領域開辟了十分寬廣的前景。
研制具有一定“感觸”和“智力”的智能機器人。這種機器人，具有各種傳感裝置，并配備有計算機。根據(jù)仿生學的理論，用計算機充當起“大腦”，使它能“思考”、能“分析”、能“記憶”。用電視攝像機、測距儀、纖維光學傳感器、導光管或其它光敏元件作為“眼睛”，在其“視野”的范圍內能“看”。用聽筒和聲敏元件等作“耳朵”能“聽”。用揚聲器等作“嘴”能“說話”進行“應答”。用熱電偶和電阻應變儀等作“觸覺”能“感觸”。用滾輪或雙足式的行走機構作為“腳”來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機器人，可以由人用特殊的語言對其下達命令，布置任務。受令后的智能機器人，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨立地“分析”和“判斷”并自編或自變程序的進行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為“無人化”系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。
2 機械手的設計
2.1 機械手設計的總體方案
由于本次設計的機器人需要通過氣缸來實現(xiàn)機械手臂的三個方向上的自由度如：手臂的上下的升降運動、手臂的前后伸縮運動、手臂的回轉運動以及用氣壓馬達來實現(xiàn)小車按軌道運動?？傮w設計方案如下面的框圖所示：
左右回轉氣缸
前后伸縮氣缸
上下升降氣缸
手指夾緊氣缸
機 械 手
手 臂
小 車
氣壓馬達
減
速
裝置
輪
子
空氣壓縮機
控制調節(jié)裝置（各類閥類）
控制系統(tǒng)壓力、運動方向、運動速度
氣 泵
設計示意圖如下所示
機械手的執(zhí)行機構由于采用積木式連接，結構非常簡單、實用。
2.2機器人的規(guī)格參數(shù)
該機械手屬于圓柱坐標式。
（一） 機器手的參數(shù)：
1、主參數(shù) 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，機械手最大抓重以10公斤左右的為最多。故該機械手主參數(shù)定為10公斤。
2、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，設計速度過低則限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。
該機械手最大移動速度設計為1200毫米/秒，最大回轉速度設計為1200/秒。平均移動速度為1000毫米/秒，平均回轉速度為900/秒。機械手動作時有起動、停止過程的加、減速度存在，用速度—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。則手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉平均速度為900/秒。
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使剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600毫米，最大工作半徑為1500毫米，手臂安裝前后可調200毫米。手臂回轉行程范圍定為2400，又由于該機械手設計成手臂安裝方位可調，從而擴大了它的適用范圍。手臂升降行程定為150毫米。
氣壓驅動工作壓力P為4～6公斤/厘米2。
機械手臂定位和緩沖采用機械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5~±1毫米。
2.3 氣動部件設計的簡要分析
1、 氣缸 氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉換為機械能的一種能量轉換裝置。它可以輸出力，驅動工作部分作直線運動或往復擺動。氣缸是由缸體、活塞、活塞桿、密封件及緊固件等組成。氣缸的種類很多，主要有單作用氣缸、雙作用氣缸、組合氣缸，擺動氣缸。單作用氣缸又可分為柱塞式氣缸、活塞式氣缸、薄膜式氣缸；雙作用氣缸又可分為普通氣缸、雙活塞桿氣缸、不可調緩沖氣缸、可調緩沖氣缸、活塞帶導向桿氣缸、串聯(lián)式氣缸；組合氣缸又可分為氣液阻尼缸和步進式氣缸；擺動氣缸又可分為單葉片擺動氣缸和雙葉片擺動氣缸。
本次機械手的設計中 ：
① 手臂的升降機構中采用了單作用氣缸中的柱塞式氣缸，壓縮空氣推動活塞單方向向上運動，借助自重下降。結構簡單又實用。
② 手臂的前后伸縮機構中采用了雙作用氣缸中的普通氣缸，壓縮空氣推動活塞雙向運動，應用很廣泛。
③ 手臂的回轉機構中采用了擺動氣缸中的單葉片擺動氣缸，將壓縮空氣的能量變?yōu)榛剞D運動的機械能，擺動角度小于3600。剛開始打算采用兩個直動氣缸帶動鏈條鏈輪或帶動齒條齒輪來獲得回轉運動，經(jīng)設計方案的比較得出采用回轉氣缸的結構要緊湊的多，所以還是采用了擺動氣缸。
④ 手指夾緊氣缸中我采用了單作用氣缸中的活塞式氣缸，壓縮空氣推動活塞但方向運動，借助彈簧力反向運動。結構簡單，壓縮空氣用量較柱塞式少。
2、 空氣控制閥 空氣控制閥是氣動控制元件，它的作用是控制和調節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動執(zhí)行機構按規(guī)定的程序正常地進行工作。空氣控制閥按其作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類。
n 壓力控制閥根據(jù)它的作用不同又可分為：調壓法、安全閥和順序閥。
n 流量控制閥是用來調節(jié)和控制壓縮空氣的流量、流速以及改變執(zhí)行機構的工作速度。它主要有截流閥、單向截流閥和排氣節(jié)流閥。
n 方向控制閥是用來控制氣流的方向、氣路的通斷，從而使執(zhí)行機構的動作發(fā)生變化的氣動元件。方向控制閥按閥內氣流的方向分：單向型方向控制閥，它只允許氣流沿一個方向流動。如單向閥、快速排氣閥等；換向型方向閥，它可以改變氣流流動的方向。按控制方式分：電磁、氣壓、機械和人力等控制方法實現(xiàn)。按動作方式可分為：直動式和先導式。按聯(lián)結方式分：管式連接、板式連接和法蘭連接式連接。
本次機械手的設計中：
經(jīng)過考慮和分析后，在不光滿足各氣路要求的條件下又考慮到控制閥的統(tǒng)一性和方便性，我統(tǒng)一選擇了型號為Q24D2H-15-S1的電磁方向控制閥。
各氣缸凡能采用排氣節(jié)流方式的，都通過電磁閥的排氣口節(jié)流阻尼螺釘（錐面式）調速。
手臂前后伸縮氣缸的氣路上，在最接近氣缸處，裝有兩個快速排氣閥，以加快啟動速度和調節(jié)全行程上的速度，同時通過調節(jié)閥又可使其加速度限制在允許的范圍內，以減少制動時的慣性沖擊，提高定位精度。
手臂的上下升降則采用進氣節(jié)流方式，用一個單向節(jié)流閥調整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有電磁閥排氣口節(jié)流調整。
3、氣動基本回路 氣動回路和液壓回路相比，有幾方面的不同；
一臺氣動機械手的氣動系統(tǒng)有時比較復雜，但經(jīng)過剖析卻不外乎一些基本回路所組成。掌握了氣動基本回路以后，對分析和設計氣動機械手的氣動系統(tǒng)都有較大的幫助。
第一， 空氣壓縮機輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后供給各個回路使用。畫氣動回路圖示空氣壓縮機常省略不畫，但設計氣動東回路時，不要忘記考慮氣源的能力。
第二， 氣動回路使用過的空氣是經(jīng)排氣口排入大氣的，因而不設回氣管道來回收空氣。
第三， 由于空氣的粘性很小，在管路中的壓力損失較小。因此，在盡量縮短氣動管路的情況下管路仍然很長，并不妨礙使用。
由于氣動執(zhí)行機構中，以氣缸應用最廣泛，故下面所論及的基本回路均以氣缸為其執(zhí)行機構。設計機械手的氣動系統(tǒng)時，最簡便的方法是把選定的完成不同任務的基本回路組合起來。
氣動基本回路的種類：氣動基本回路的種類很多，為了便于設計機械手的氣動回路，僅將氣動基本回路按方向控制回路和速度控制回路兩方面加以敘述。
① 方向控制回路
（一）單作用氣缸中間停止回路（圖2-1）
這種回路可使活塞停在氣缸中間的任意位置。當三位三通電磁閥的滑閥處在中間位置時，氣缸的通路封閉，活塞停止運動?；y處在位置I時，活塞下腔進氣，推動活塞桿伸出?；y處在位置II時，活塞下腔排氣，彈簧力推動活塞下行。
（二）雙作用氣缸換向回路（圖2-2）
采用二位五通單電控滑閥控制活塞雙向運動。圖示位置，活塞右腔進氣，左腔排氣，活塞向左運動。滑閥切換后，活塞左腔進氣，右腔排氣，實現(xiàn)了氣缸活塞的換向。這種回路時雙作用氣缸的最基本的換向回路。
2—1單作用氣缸中間停止回路
2—2雙作用氣缸換向回路
（三）雙作用氣缸的活塞可在任意位置停止的回路
圖2-3所示為單活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當滑閥處在中間位置時，各口互不相通，活塞可停留在氣缸的任意位置。這種回路不允許有漏損，這樣才能保證氣缸可靠地工作。在氣缸終端需要保持活塞固定的停止位置時，也使用這種回路。
圖2-4所示為雙活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當滑閥處在中間位置時，壓縮空氣同時與活塞左、右兩腔相通。因兩腔活塞的有效受壓面積相等，從而保證了活塞兩腔同時受壓時，活塞能停留在任意位置。但當外界加在活塞桿上的軸向力不平衡時，則活塞停止的位置不穩(wěn)定。為了克服這個缺點，可增設調壓閥進行壓力調解，控制活塞兩側壓力平衡，如圖2-5所示。這種回路可允許有少量漏損，比采用中封式閥較可靠。
（四）延時控制回路
圖2-6所示的延時控制回路，為控制信號A使二位四通單氣控滑閥1切換時，壓縮空氣經(jīng)閥1、單向節(jié)流閥3向氣容4充氣，經(jīng)過一定的時間，氣容壓力達到一定數(shù)值，控制二位三通氣控閥2切換。壓縮空氣經(jīng)閥2的B口輸往執(zhí)行機構。信號A取消后，閥1又彈簧復位，壓縮空氣控制閥2也復位而關閉，B口無輸出。氣容4中的空氣經(jīng)閥3的單向閥、閥1而排空。
延時控制回路用于不允許使用時間繼電器的場合，如易燃、易爆和大粉塵的場合。
2—4雙活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—3單活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—5帶調壓閥的雙活塞桿氣缸任意位置停止回路
2—6 延時控制回路
② 速度控制回路
（一）單作用氣缸的速度控制回路（圖2-7）
它由二位三通單電控滑閥1和兩個單向節(jié)流閥2和3所組成。閥1使氣缸換向，閥2 的節(jié)流閥控制氣缸活塞桿的伸出速度。閥3的節(jié)流閥控制活塞桿的退回速度。調節(jié)節(jié)流閥的開度，可以改變活塞雙向的運動速度。
2—7單作用氣缸的速度控制回路
（二）雙作用氣缸單向速度控制回路（圖2-8）
該回路是在氣缸的一個氣路上裝設單向節(jié)流閥1。圖示位置為壓縮空氣經(jīng)二位五通單電控滑閥2和閥1的單向閥進入氣缸活塞的右腔，推動活塞左移。當閥2切換后，活塞右腔的排氣速度受閥1可調節(jié)流閥的限制，從而控制了活塞桿的伸出速度。由于背壓的存在，也增加了氣缸工作行程的穩(wěn)定性。除此之外。活塞返回行程的急回運動，也可用來提高機器的生產(chǎn)率。
2—8 雙作用氣缸單向速度控制回路
（三）雙作用氣缸雙向速度控制回路
圖2-9所示是將兩個單向節(jié)流閥裝在氣缸的兩條氣路上，分別控制活塞兩個方向運動時的排氣速度。調節(jié)節(jié)流閥，即可得到活塞不同的運動速度。
2—9 雙作用氣缸雙向速度控制回路
圖2-10所示是帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路。它是將節(jié)流閥安裝在二位五通單電控滑閥的排氣口上。調節(jié)節(jié)流閥，即可控制氣缸的排氣速度，從而使活塞得到不同的運動速度。這種回路的特點是結構較簡單。
2—10帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路
圖2-11所示使活塞可得到快速運動的速度控制回路。它是在單向節(jié)流閥1和2的后面氣路上并聯(lián)了二位二通閥3和4。這樣，不僅可以由閥1和閥2來調節(jié)（排氣節(jié)流）活塞兩個方向的運動速度，而且當閥3打開時，則活塞可快速左行。二位五通單電控滑閥5切換后，若閥4打開，則活塞可快速右行。因此，可根據(jù)需要得到活塞雙向的快速運動。
2—11活塞做快速運動的速度控制回路
（四）雙作用氣缸速回運動控制回路
該回路當活塞桿右行時，壓縮空氣經(jīng)由二位五通單電控滑閥3和快速排氣閥2進入氣缸活塞的左腔，推動活塞右行。此時，氣缸右腔的空氣經(jīng)單向節(jié)流閥1節(jié)流控制后排空。閥3切換（圖示位置）后，壓縮空氣經(jīng)閥1的單向閥進入氣缸的右腔。此時，氣缸左腔的空氣從閥2快速排入大氣，獲得急回運動。這種回路要求氣缸附加緩沖裝置。
2—12雙作用氣缸速回運動控制回路
（一） 雙缸同步動作的速度控制回路
該回路時采用一個二位四通單電控滑閥來控制兩個氣缸，并在每個氣缸的氣路中裝設單向節(jié)流閥，以調整和控制活塞的速度，使之達到同步運動的目的。如用雙缸或多缸操縱一個重型框架起落時，同步舉升或降落極為重要，否則框架被扭斜將產(chǎn)生很大的附加阻力，甚至不能運動。這種回路應以阻力最大的那個氣缸為準，調整其它缸的運動速度以達到同步的目的。
（二） 氣液操作缸同步回路
圖2-14所示的同步回路是由于連接兩個氣液操作缸被封入油液，所以兩活塞的運動速度可完全同步。設計時，應考慮到缸5有桿腔和缸4無桿腔有效面積的關系，當有效面積相等時，兩缸獲同步運動。也可以設計成兩缸按一定比例的速度運動。
2—13雙缸同步動作的速度控制回路
2—14氣液操作缸同步回路
（三） 緩沖回路
對可調行程位置的氣缸（如某些機械手的氣缸）緩沖問題，可采用緩沖回路來解決。
圖2-15所示的緩沖回路，是在氣缸的兩條氣路上并聯(lián)兩個二位二通閥1和2。在閥1和閥2的排氣口裝設節(jié)流螺釘。并在回路中的二位五通雙電控滑閥3的兩個排氣口上也裝設節(jié)流螺釘。調節(jié)閥1和閥2的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞快速行程時的速度。調節(jié)閥3的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞的減速。從而達到減速緩沖的目的。
2—15裝設節(jié)流螺釘?shù)木彌_回路
圖2-16所示的緩沖回路，是在單向節(jié)流閥3和4的氣路上并聯(lián)二位二通閥1和閥2。并在二位五通雙電控滑閥5的排氣口上裝設節(jié)流螺釘。活塞快速行程時，閥1（或閥2）切換，排氣腔的空氣經(jīng)閥1（或閥2）和閥5排出，調節(jié)閥5的節(jié)流螺釘，可控制快速行程時的速度。減速運動時，閥1（或閥2）復位關閉，調節(jié)閥3和閥4的節(jié)流閥以控制減速運動，達到減速緩沖的目的。
圖2-17所示為操作氣缸采用油液阻尼的緩沖回路。操作缸1兩條氣路上的快速排氣閥2和3為快速行程時排氣所用。缸1活塞右行時，快速運動到固結在缸1活塞桿上的撞塊與擋塊II碰撞后，帶動油缸5活塞桿開始減速右行直到停止，在此減速過程中，缸5活塞右腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥6節(jié)流阻尼后，經(jīng)單向節(jié)流閥7的單向閥進入缸5的左腔。缸1活塞左行時，撞塊碰撞擋塊I后，油缸5活塞桿開始減速左行，直到停止。補油裝置8用作向缸5補油。
2—16裝設單向節(jié)流閥的緩沖 回路
2—17采用油液阻尼的緩沖回路
在本次設計機械手中我主要用到了其中的氣動基本回路為雙作用氣缸換向回路、單作用氣缸的進氣調速回路、雙作用氣缸單向速度控制回路、帶有排氣截流閥的速度控制回路。
3 機械手的計算
3.1 設計手臂結構應注意的問題
手臂的結構形式是根據(jù)機械手的抓取重量、自由度數(shù)、運動速度、工作范圍、定位精度以及機械手的整體布局等因素決定的。手臂結構是否設計的合理，對機械手的工作性能有著很大的影響，在設計手臂結構是，除了考慮上述諸因素外，還應注意以下幾點：
Ⅰ、應使手臂剛度大、重量輕
由于機械手的手臂一般懸伸長度比較長，若手臂的剛度不夠時，會發(fā)生手臂彎曲變形過大，就會引起手臂的定位不準，而且也直接影響活塞桿（即手臂）運動的靈活性。另外，手臂在起動或制動過程中受到慣性力或慣性力矩的作用，手臂將發(fā)生顫動，由于手臂的顫動，也會影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應對手臂結構有一定的剛度要求，才能保證手臂的準確的工作和一定的定位精度。
Ⅱ、應使手臂運動速度快、慣性小
為了減小慣性沖擊，一般采取的措施有：
⑴ 手臂架選用鋁合金等輕質材料來制造，以減輕手臂運動件的質量。
⑵ 盡量縮短手臂懸伸部分的長度，使手臂未伸出時的總重量的重心偏于伸縮方向的反側，以減小回轉半徑。
⑶ 減小手臂運動件的輪廓尺寸，使其結構緊湊。
⑷ 在驅動系統(tǒng)中增設緩沖裝置，使運動件減速緩沖。
Ⅲ、手臂動作應靈活
為使手臂運行輕快、靈活，除手臂本身結構緊湊輕巧外，應減少手臂運動件之間的摩擦阻力，用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸伸式的機械手，手臂上零部件（如傳動件、導向件、定位件等）的布置應合理，使手臂運動過程中盡量保持平衡，以減少對升降支承軸線的偏重力矩，使手臂運動靈活，防止發(fā)生“卡死”（即自鎖）現(xiàn)象。
Ⅳ、應使手臂傳動準確、導向性好
為了能準確的傳遞工件和保證傳動的平穩(wěn)，應設有導向支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強手臂的剛性。另外裝在手臂上的零部件要求便于裝拆和調整。
Ⅴ、輸氣管道的布置應合理
機械手上的各工作氣缸彼此在空間作相對的直線運動或回轉運動，要求結構緊湊、外形整齊、動作靈活，因此對各個工作氣缸的輸氣管道布置應給予足夠的重視，尤其是接近工作對象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向氣缸輸入壓縮空氣，雖然軟管安裝維修較方便，但是他會影響機械手的運動，并易損傷，而且手臂外形不整齊。
Ⅵ、其他要求
對于在粉塵場合工作的機械手，應設有防塵裝置等。
3.1.1 手臂的計算
氣缸的計算：
氣缸的設計應根據(jù)作用在活塞桿上的外力（推力或拉力）的大小、活塞的行程和運動速度以及安裝形式等方面提出的要求來進行。
氣缸的容積要選擇的適宜，過大的容積不僅及使缸體的尺寸重量增加，同時使壓縮空氣的需要量增加，造成了浪費和增加了成本。
活塞的行程是決定氣缸長度的主要參數(shù)，形成過長隊壓桿的穩(wěn)定性當然不好，對缸筒的加工業(yè)會帶來困難。另一方面活塞的運動速度決定與氣缸進氣管道內徑的大小，活塞的運動速度越高，則要求進氣管道的直徑越大。目前氣缸的運動速度由于各方面條件的限制，一般速度的最大值不超過1.2米/秒。
氣缸的選擇參考下表：
氣缸的有關尺寸參數(shù)：
氣缸
直徑
(mm)
活塞
桿直
徑
供氣孔直徑
（英制管螺
紋）
氣缸端
蓋螺栓
d*個數(shù)
工作壓力（共斤/厘米2）
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
活塞推力（公斤）不計效率
活塞推力（公斤）不計效率
50
16
G1/4”
M6*4
39
59
78
98
118
35
53
70
88
103
75
20
G1/4”
M8*4
88
133
177
211
265
82
123
164
205
247
100
25
G1/4”-3/8”
M10*4
157
235
314
392
471
147
221
294
368
442
125
30
G1/4”-3/8”
M10*4
245
368
491
613
736
231
347
462
578
694
150
30
G3/8”-1/2”
M10*6
353
530
707
883
1060
339
509
678
848
1018
200
40
G3/8”-1/2”
M12*6
628
943
1257
1571
1885
603
905
1206
1508
1810
250
50
G1/2”-3/4”
M16*6
982
1473
1964
2454
2945
943
141411885
1885
2356
2828
300
55
G1/2”-3/4”
M16*6
1414
2121
2828
3534
4241
1366
2049
2732
3415
4099
2、氣缸壁厚的計算：氣缸的內景D確定后，有強度條件計算所需的最小的氣缸壁厚d，，再根據(jù)具體的結構來確定適當?shù)臄?shù)值。依據(jù)材料力學的薄壁筒公式，氣缸的壁厚d可在下表查出：
材 料
氣 缸 內 徑 D (毫米)
50
75
100
120
150
200
250
300
氣 缸 壁 厚 d（毫米）
鑄鐵HT15-33
7
8
10
10
12
12
16
16
鋼A3,鋼A5
5
5
6
6
8
8
10
10
鋁合金ZL3
8~10
8~10
10~12
10~12
12~14
12~14
14~17
14~17
升降氣缸的壁厚d：缸徑?125毫米，氣缸材料選鋼A3，則d為6毫米。
前后伸縮氣缸的壁厚d：缸徑為?100毫米，氣缸材料選鋼A3，則d為6毫米。
手指夾緊氣缸的壁厚d: 缸徑?50毫米，氣缸材料選鋼A3，則 d為5毫米。
I、升降氣缸的參數(shù)及計算：
升降氣缸由氣動上升，靠自重下降，行程150毫米，缸徑?125毫米，活塞桿直徑為30毫米，升降速度為500毫米/秒，若按氣壓p=4公斤/厘米2和汽缸效率h=0.8計算。
則其上升時的驅動推力P推為
P推=
則輸入空氣流量 Q=(Q1+Q2)n 米3/分
式中 n—活塞每分鐘往復行程的次數(shù)，次/分；
Q1—無桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米3。Q1= [式中S—氣缸的行程，厘米； D—活塞直徑，厘米]；
Q2—有桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米3。Q2= [式中氣 d—活塞桿直徑，厘米]；
由于升降氣缸靠自重下降，所以
Q==0.07(米3/分)
Ⅱ、前后伸縮氣缸的參數(shù)及計算：
前后伸縮氣缸的行程為600毫米，缸徑為?100毫米，活塞桿直徑為25毫米，若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.8計算。
則其上升時的驅動推力P推為
P推=
P拉= =235公斤
則輸入空氣流量Q為
Q=（ + ）n
= 0.65(米3/分)
Ⅲ、 回轉氣缸的參數(shù)及計算：
經(jīng)過設計方案的比較得出的結論是：采用回轉氣缸比用兩個直動氣缸帶動齒條齒輪所獲得回轉運動的結果要緊湊?；剞D氣缸的結構尺寸設計為B=120毫米，缸徑2R=180毫米，軸徑2r=50毫米，若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.9計算。
回轉氣缸的扭矩是由動片受壓面積及其中心到回轉軸線的半徑?jīng)Q定的。當計及氣缸效率后輸出的扭矩M的計算公式為
M=Bph(R2-r2)/2
=12′4′0.9′（92-2.52）/2=1620公斤.厘米=16.2公斤.米
則輸入空氣流量為：Q3=3b(D2-d2)ω/400=3′ 12′ (182-52)′0.5/400=13.455升/分
=0.0135 米3/分
Ⅳ、手指夾緊氣缸的參數(shù)及計算：
手指夾緊氣缸的設計參數(shù)為：缸徑?50毫米，活塞直徑為16毫米，v=2.5厘米/秒，工件重量G=10公斤，“v”形手指的角度2θ=1200，b=50mm,h=36mm, =300,摩擦系數(shù)f=0.1。若按氣壓p=4公斤/厘米2和氣缸效率h=0.8計算，其手
張開時的驅動力為：
根據(jù)銷軸的力平衡條件，即∑Fx=0,P1=P2；∑Fy=0
P=2P1cos， P1=P/（2cos）
銷軸對于手指的作用力為P1’,且P1’=-P1。夾緊力為N。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得：P1’h=Nb
夾緊氣缸的驅動力: P=(2b/h)×N
又因握力: N=0.5Gtg(θ-ψ); ψ=tg-1f
=0.510tg(600-5042’)≈7kg
所以 P=(2b/h)×N=(2×50/36)×7=19.4kg
P實際≥
式中η-手部的機械效率，取0.85；
K1-安全系數(shù)，取1.5；
K2-工作情況系數(shù)，可近似按下式估計，K2=1+a/g,其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度（g=9.8m/s2）。
P實際=≈62kg
則輸入空氣流量為：
Q4=(pD2v)/4=(3.14×52×2.5)/4=0.050米3/分
則總的空氣流量為：
Q=Q1+Q2+Q3+Q4=0.7835米3/分
3.1.2 空氣壓縮機的選擇
空氣壓縮機是將動力供給的機械能轉換成氣體壓力能的一種能量轉換裝置。
空氣壓縮機的種類有很多如：風冷微型空氣壓縮機、移動式風冷V型空氣壓縮機、固定式水冷L型空氣壓縮機，活塞式無油潤滑空氣壓縮機。
根據(jù)上面的計算出的總的空氣流量選擇空氣壓縮機，具體參數(shù)見下表：
最后決定選擇：雙級壓縮型的，型號為3W-0.8/10，就能滿足要求。
3.2 小車的設計及計算
在本設計中，小車作為機械手的行走裝置，它是采用氣壓馬達提供動力并帶動輪子沿軌道運動，由于氣馬達輸出的轉速比小車運動快，所以需要配一個減速裝置，減速裝置可用一個減速箱加上鏈傳動。由于機械手運動時可能翻轉，所以設計時配重塊要和手臂一起做回轉運動。
小車的尺寸設計為：長為800毫米，寬為500毫米，高為300毫米，材料為鋁合金（鋁合金密度為2.7噸/立方米）。
3.2.1氣壓馬達的選擇
小車的速度為：V=3厘米/秒
氣壓馬達的選用：
選用的氣壓馬達的功率能克服摩擦力產(chǎn)生的功率就可以。摩擦力產(chǎn)生的最大功率為：=0.9馬力
經(jīng)考慮我選擇了HS-50A型號的活塞式氣馬達，額定功率為3馬力，工作氣壓為 p=5-7公斤/厘米2，額定轉速為1050r/min，額定空氣消耗量為3米3/分。
參考書：《機械設計手冊》P816 表12-91 73.12073 4438.2V3
3.2.2軸的計算與校核
（1）軸直徑的計算
小車輪子的轉速n=30r/min,則軸的轉速n1=n=30r/min,氣壓馬達的功率P0=5KW,則
P1= P0′η0=5′0.9=4.5 Kw
T1=9550′ P1/ n1=9550′4.5/30=1432.5N.m
d1≥
P1——軸所傳遞的功率，KW；
η0——傳動效率；
T1——軸所傳遞的扭矩，N.M；
d1——軸的截面直徑，mm；
軸的材料選用45號鋼，查表得A=110代入式中得
d1≥58.44mm 則取d1=60mm
計算公式參考：《機械設計基礎》 P454
（2）軸的強度校核
由于傳動軸主要是受轉矩，所以軸的強度條件為：
τ= T1/WT≈[9.55′106′（P1/ n1 ）]/0.2=34.8MPa≤[τ],
[τ]=40 MPa
τ——周的扭轉剪應力，MPa；
WT——軸的抗扭截面模量，mm3，查表得
對于實心圓軸，WT=p /16≈0.2;
[τ]——許用扭轉剪應力，MPa；
所以經(jīng)校核軸滿足強度要求。
計算公式參考：《機械設計基礎》 P454
3.2.3 軸承的選擇
由上步計算得軸的最小直徑為60mm，則查表得軸承的型號為6000。其參數(shù)為：
軸承內徑：d=60mm
外徑：D=95mm
軸承寬：B=11mm
參考書：《現(xiàn)代綜合機械設計手冊》 P1249 表4.10-18
3.2.4聯(lián)軸器的選擇
馬達和減速箱之間用聯(lián)軸器相連。
聯(lián)軸器的名義扭矩
T=9550 =1432.5N.m
聯(lián)軸器的計算轉矩
查表得 KA=1.3， 則
=1.3′1432.5=1862.25 N.m
參考書：《現(xiàn)代綜合機械設計手冊》P1092 表4.7-5 選用GB5843-86
3.2.5 減速裝置
由于氣壓馬達輸出的轉速比小車運動要求的速度要大，所以還需要一個減速裝置。有減速機的傳動比選擇RV系列蝸桿減速器——NMRV063。
4 機械手臂的工作原理
4.1 氣動原理圖
4.2 電磁鐵動作程序表
結合機械手氣壓系統(tǒng)圖說明其動作循環(huán)過程。
壓力繼電器發(fā)出電信號，使機械手開始按程序動作。首先，電磁鐵1DT通電，壓縮空氣從電磁閥的左邊通道經(jīng)單向節(jié)流閥進入手臂升降油缸的上腔，推動手臂上升。在手臂上升到一定位置，碰行程開關，使1DT斷電，并發(fā)出信號使3DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進入手臂前后伸縮氣缸的左側，推動手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關發(fā)出電信號，使 7DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進入手指夾緊氣缸的左側，使手指張開。在延時結束后，7DT斷電，使8DT通電，手指夾緊工件；并同時發(fā)出信號使4DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進入手臂前后伸縮氣缸的右側，使手臂縮回。當手臂上的碰鐵碰到行程開關使4DT斷電并發(fā)出電信號，使 5DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進入手臂回轉氣缸的一腔使手臂回轉950。當手臂的回轉碰鐵碰到行程開關使5DT斷電，并發(fā)出電信號使3DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進入手臂前后伸縮氣缸的左側，推動手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關發(fā)出電信號，使 7DT通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進入手指夾緊氣缸的左側，使手指張開，延時到7DT斷電，使8DT通電，手指閉合，并發(fā)出電信號使4DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進入手臂前后伸縮氣缸的右側，使手臂縮回。當手臂上的碰鐵碰到行程開關使4DT斷電并發(fā)出電信號，使 2DT通電進行排氣，手臂則靠自重下降。在手臂下降到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關發(fā)出電信號，使 6DT通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道進入手臂回轉氣缸的另一腔使手臂反轉950。機械手復位，機械手的循環(huán)結束。
4.3 機械手的緩沖和定位
1、手臂升降運動 上升緩沖定位是靠可調碰鐵觸動行程開關而發(fā)出信號，切斷氣路來實現(xiàn)的。下降運動是采用油缸端部可調節(jié)流緩沖，活塞與油缸端蓋相碰而定位。
2、手臂伸縮運動 手臂伸出有行程開關適時斷電而切斷油路，手臂滑行靠慣性緩沖，有死擋塊定位；手臂縮回沒有定位精度要求，又終點行程開關適時斷電，由活塞和油缸端蓋相碰而定位。
3、手臂水平回轉 在回轉油缸的兩腔安裝單向調速閥，控制手臂的回轉速度。
結 論
本次近距離自動移動式機械手臂——氣壓驅動的畢業(yè)在此告于段落。它靠氣泵驅動小車至指定地點，完成工件的搬運。由于本次設計的是氣動機械手，但平時看到和接觸的大都是液壓的和電氣驅動的機械手，雖然氣壓驅動和液壓驅動總體來說是大同小異的，但有些參數(shù)和計算還是不同的，所以還是遇到了些困難。在手臂的設計中由于沒有親眼看到過真正的機械手臂的內部結構，所以有些地方不可能考慮得很周全。但總的來說至少自己努力了，也察看了很多關于這方面的資料，詢問了老師終于基本上完成了本次設計，心里還是很高興的。剛開始做設計的時候有些無從下手，一時掌握不到要領，經(jīng)過一段時間的摸索終于有了些頭緒，但自己考慮得很簡單，經(jīng)過幾次與老師的討論后才發(fā)現(xiàn)還有很多沒考慮的地方和不足之處，感覺要搞一個設計還真不是件容易的事。
致 謝
這次設計能夠順利完成首先要感謝呂夏老師的不斷指導，由于自己對氣壓傳動這方面也不太熟悉，剛開始都不知何處下手，呂老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過程中又遇到了許多困難，但老師總是不厭其煩的講給我們聽，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。呂老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個階段。在這里再次感謝呂老師的幫助！
參 考 文 獻
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