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分類號 密級 U D C 中國地質(zhì)大學江城學院畢業(yè)論文（設(shè)計）氣動機械手姓 名： 郭 少 龍 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 25000901 學 號： 2500090112 指導教師： 梁 秋 榮 老 師 題目：氣動機械手的設(shè)計專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化學生： （簽名）郭 少 龍 指導教師： （簽名）__________摘 要:機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常用到的一種能夠自動抓取、操作的裝置，多用于自動生產(chǎn)線、自動機的上下料、數(shù)控設(shè)備的自動換刀裝置中。氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用。本文主要進行了氣動機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。機械手的機械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預定軌跡運動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運動方向，并按規(guī)定的程序工作。關(guān)鍵詞：氣動機 械 手 ； 氣 缸 ； 氣 動 回 路 。Subject: The design of pneumatic manipulatorAbstract：翻譯你還是自己來吧，這個需要專業(yè)的術(shù)語和語感，這個真干不了。Key word: pneumatic manipulator cylinder pneumatic loop目錄1 緒論…………………………………………………11.1 機械手發(fā)展史……………………………………11.2 機 械 手 的 分 類 …………………………………21.3 機 械 手 的 組 成 …………………………………41.4 應用機械手的意義………………………………62 機 械 手 總 體 設(shè) 計 方 案 和 氣 動 回 路 設(shè) 計 …………72.1 機械手的運動規(guī)劃………………………………72.2 機械手基本形式的選擇…………………………82.3 機械手的主要部件及運動………………………92.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇…………………………………92.5 機械手的控制方案設(shè)計…………………………102.6 機械手的技術(shù)參數(shù)列表…………………………102.7 氣動回路的設(shè)計………………………………112.7.1 前法蘭式氣缸的簡介………………………112.7.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖…………………113 氣動機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………133.1 機械手末端執(zhí)行的設(shè)計…………………………133.1.2 手指的形狀和分類………………………133.1.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)…………………………133.1.3 設(shè)計時考慮的幾個問題……………………143.1.4 手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計圖………………………143.1.5 氣缸尺寸的確定于校核……………………153.2 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核………………173.2.1 尺寸設(shè)計和校核…………………………173.2.2 平衡裝置設(shè)計……………………………183.2.3 導向裝置…………………………………183.2.4 平衡裝置…………………………………183.3 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核………………193.3.1 尺寸設(shè)計…………………………………193.3.2 尺寸校核…………………………………193.4 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核………………203.4.1 尺寸設(shè)計…………………………………203.4.2 尺寸校核…………………………………204、總結(jié)與感悟………………………………………214-1 總結(jié)……………………………………………214-2 感 悟 …………………………………………211 緒論1.1 機械手發(fā)展史機 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 。 它 是機 器 人 的 一 個 重 要 分 支 。 它 的 特 點 是 可 通 過 編 程 來 完 成 各 種 預 期 的 作 業(yè) 任 務(wù) ，在 構(gòu) 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 機 器 各 自 的 優(yōu) 點 ， 尤 其 體 現(xiàn) 了 人 的 智 能 和 適 應 性 。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 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 。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(jié) 構(gòu) 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(gòu) ， 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(chǔ) 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 液 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(chǔ)上 發(fā) 展 起 來 的 。 同 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 液 壓 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 也 是 示教 再 現(xiàn) 型 。 這 兩 種 出 現(xiàn) 在 六 十 年 代 初 的 機 械 手 ， 是 后 來 國 外 工 業(yè) 機 械 手 發(fā) 展的 基 礎(chǔ) 。 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 KnKa 公 司 還 生 產(chǎn) 一 種 點 焊 機械 手 ， 采 用 關(guān) 節(jié) 式 結(jié) 構(gòu) 和 程 序 控 制 。目 前 ， 機 械 手 大 部 分 還 屬 于 第 一 代 ， 主 要 依 靠 人 工 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(shè) 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 ， 使 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(wù) 。 它 與 電 子 計 算 機 和 電 視 設(shè) 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) 節(jié) 。1.2 機 械 手 的 分 類目 前 對 機 械 手 還 沒 有 統(tǒng) 一 的 分 類 標 準 。 按 照 不 同 的 分 類 方 式 可 以 把 機 械手 分 成 多 種 類 型 。 工 業(yè) 機 械 手 的 種 類 很 多 ， 關(guān) 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 。（1）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(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價低等特點，適用于大批量的自動化生產(chǎn)的自動換刀機械手，如自動機床、自動線的上、下料機械手和加工中心。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。在性能范圍內(nèi)，其動作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(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(guān)”式控制定位，只能是點位控制，伺服型可以是點位的，也可以實現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機械手屬于數(shù)控類型。(2)按驅(qū)動方式分1）液壓傳動機械手是以液壓的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)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(jié)構(gòu)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。若機械手采用電液伺服驅(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，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，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(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)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液壓機械手的結(jié)構(gòu)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(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構(gòu)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。它的主要特點是運動準確可靠，用于工作主機的上、下料。動作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序不可變。4）電力傳動機械手即有特殊結(jié)構(gòu)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(gòu)運動的械手，因為不需要中間的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，故機械結(jié)構(gòu)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。(3)按控制方式分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(shè)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）按其他方法還可以分為1） 家 務(wù) 型 機 械 手 ： 能 幫 助 人 們 打 理 生 活 ， 做 簡 單 的 家 務(wù) 活 。2） 操 作 型 機 械 手 ： 能 自 動 控 制 ， 可 重 復 編 程 ， 多 功 能 ， 有 幾 個 自 由 度 ， 可固 定 或 運 動 ， 用 于 相 關(guān) 自 動 化 系 統(tǒng) 中 。3） 程 控 型 機 械 手 ： 按 預 先 要 求 的 順 序 及 條 件 ， 依 次 控 制 機 械 手 的 機 械 動 作 。4） 示 教 再 現(xiàn) 型 機 械 手 ： 通 過 引 導 或 其 它 方 式 ， 先 教 會 機 械 手 動 作 ， 輸 入 工作 程 序 ， 機 械 手 則 自 動 重 復 進 行 作 業(yè) 。5） 數(shù) 控 型 機 械 手 ： 不 必 使 機 械 手 動 作 ， 通 過 數(shù) 值 、 語 言 等 對 機 器 人 進 行 示教 ， 機 械 手 根 據(jù) 示 教 后 的 信 息 進 行 作 業(yè) 。6） 感 覺 控 制 型 機 械 手 ： 利 用 傳 感 器 獲 取 的 信 息 控 制 機 械 手 的 動 作 。7） 適 應 控 制 型 機 械 手 ： 能 適 應 環(huán) 境 的 變 化 ， 控 制 其 自 身 的 行 動 。8） 學 習 控 制 型 機 械 手 ： 能 “體 會 ”工 作 的 經(jīng) 驗 ， 具 有 一 定 的 學 習 功 能 ， 并將 所 “學 ”的 經(jīng) 驗 用 于 工 作 中 。9） 智 能 機 械 手 ： 以 人 工 智 能 決 定 其 行 動 的 機 械 手 。1.3 機 械 手 的 組 成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。圖1-1 機械手組成方框圖(一)執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。1、手部:即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕:是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢)3、手臂:手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。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，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、行走機構(gòu):當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機構(gòu)，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運動則應另外增設(shè)機械傳動裝置。6、機座:機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。(三)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。1.4 應用機械手的意義隨 著 科 學 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 機 械 手 也 越 來 越 多 的 地 被 應 用 。 在 機 械 工 業(yè) 中 ，鑄 、 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 理 。 其 他 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 。在 機 械 工 業(yè) 中 ， 應 用 機 械 手 的 意 義 可 以 概 括 如 下 ：一 、 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 。二 、 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 。三 、 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 。2 機 械 手 總 體 設(shè) 計 方 案 和 氣 動 回 路 設(shè) 計對氣動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(shè)計氣動機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)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.2.1 機械手的運動規(guī)劃工作空間的定義：機器人的工作空間是其正常運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍。工作空間是機器人的一項重要指標，是機器人研究的一項基本內(nèi)容之一。當給定機器手結(jié)構(gòu)尺寸時，要確定如何確定其工作空間，而當給定工作空間時，則要研究機械手具有什么樣的結(jié)構(gòu)。工作空間的確定一般來說有兩種方法，幾何法和包容正方形法。由于本次設(shè)計機構(gòu)比較簡單，所以沒有必要計算出精確的工作空間?，F(xiàn)在給出機械手的運動圖。圖 2-1 機械手的運動圖總體設(shè)計要求機械手的尺度規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計和關(guān)鍵尺寸的優(yōu)化設(shè)計。尺度優(yōu)化設(shè)計要求當給定一組工作點時，需要使工作空間能夠包絡(luò)所有工作點，且尺寸最?。换蛘呓o定一組工作點，優(yōu)化設(shè)計使工作空間能包含所有的工作點，且體積最大?？傮w設(shè)計還需要注意一些原則：（1）最小運動慣量原則。由于機械手運動部件的多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和震動，所以需要采用最小慣量原則來設(shè)計機械手，盡量減少這些對機械手不利的因素。 （2）尺度優(yōu)化原則。在機械手滿足一定工作空間的前提下，通過尺度優(yōu)化，設(shè)計出最小的機械手的結(jié)構(gòu)，提高機械手的剛度，進一步減小運動慣量。 （3）剛度設(shè)計原則。機械的設(shè)計中要合理的選擇桿件剖面形狀和尺寸，合理安排作用在機械手臂上的力矩，盡量減小機械手的變形。2.2 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為以下 4 種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標型。下圖是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶 A 上的物品搬運到傳送帶 B。圖 2-2 機械手搬運物品示意圖2.3 機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有 5 個自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降 5 個主要運動。本設(shè)計機械手主要由 4 個大部件和 5 個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。 （2）腕部，采用一個回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn) 180°。 （3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動 1.2m。 （4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 2.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇機械手有四種驅(qū)動方式，而當中的液壓與氣壓跟機械和電力相比，具有以下優(yōu)點：1. 空間布局安裝不受嚴格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復雜驅(qū)動系統(tǒng)。2．液壓與氣壓驅(qū)動傳遞的運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。3. 操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠距離控制、過載保護。與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。4. 液壓與氣壓元件屬機械工業(yè)基礎(chǔ)件，標準化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計、制造和降低制造成本。基于以上幾點，液壓與氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中應用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見驅(qū)動方式，其發(fā)展也對機械手的應用具有一定的促進作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點是單位質(zhì)量輸出功率大，因為液壓傳動的動力元件可以采用很高的壓力（一般可達 32MPa,個別場合更高） ，因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點。而氣壓傳動的突出優(yōu)點是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)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，而且起源壓力較低，因此，氣壓機械手抓重一般在 30 公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。故此機械手用氣壓驅(qū)動。2.5 機械手的控制方案設(shè)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。2.6 機械手的技術(shù)參數(shù)列表1 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為5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(shè)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素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手最大移動速度設(shè)計為0.1m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為 。平均移動速度為0.08m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為 。s/90? s/60?其詳細技術(shù)參數(shù)如下：1、抓重:5千克 2、自由度數(shù):4個自由度3、坐標型式:圓柱坐標4、手臂運動參數(shù):伸縮行程100mm伸縮速度40mm/s升降行程150mm升降速度100mm/s回轉(zhuǎn)范圍 ??180?回轉(zhuǎn)速度 s/9?5、手腕運動參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍 ??回轉(zhuǎn)速度 s/0?6、手指夾持范圍:棒料: ?10-?40 9、定位方式:行程開關(guān)10、定位精度: m1?11、驅(qū)動方式:氣壓傳動12、控制方式:點位程序控制(采用PLC)2.7 氣動回路的設(shè)計2.7.1 前法蘭式氣缸的簡介圖 2-3 氣動回路氣缸結(jié)構(gòu)圖氣缸是使機械裝置進行直線往復運動的氣動執(zhí)行元件。氣缸的類型有很多種，根據(jù)使用的需要進行選擇。前法蘭式氣缸的特點：它是用螺釘緊固，易于安裝，它的缺點是螺釘所承受的軸向力較大！2.7.2 氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖圖2-3為該機械手的氣壓傳動系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（排氣壓力大于0.4-0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經(jīng)分水過濾器、調(diào)壓閥、油霧器，進入各并聯(lián)氣路上的電磁閥，以控制氣缸和手部動作。圖2-4 機械手氣壓傳動原理圖各執(zhí)行機構(gòu)調(diào)速。凡是能采用排氣口節(jié)流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘進行調(diào)速，這種方法的特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果尚好。如手臂伸縮氣缸在接近氣缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調(diào)節(jié)全程上的速度。升降氣缸采用進氣節(jié)流的單向節(jié)流閥以調(diào)節(jié)手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調(diào)節(jié)仍采用在電磁閥排氣口安裝節(jié)流阻尼螺釘來完成。氣液傳送器氣缸側(cè)的排氣節(jié)流，可用來調(diào)整回轉(zhuǎn)液壓緩沖器的背壓大小。為簡化氣路，減少電磁閥的數(shù)量，各工作氣缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調(diào)節(jié)閥或行程節(jié)流閥的氣路阻尼元件。電磁閥的通徑，是根據(jù)各工作氣缸的尺寸、行程、速度計算出所需壓縮空氣流量，與所選用電磁閥在壓力狀態(tài)下的公稱使用流量相適應來確定的。3 氣動機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 機械手末端執(zhí)行的設(shè)計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部:如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)。3.1.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)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。 3.1.2 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(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)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。3.1.3 設(shè)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(jié)構(gòu)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。(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(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。3.1.4 手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計圖由 于 本 設(shè) 計 所 采 用 標 準 氣 爪 ， 不 需 要 進 行 設(shè) 計 ， 直 接 選 型 即 可 。本 設(shè) 計 要 求 機 械 手 手 爪 的 最 大 持 重 m=5Kg， 根 據(jù) 具 體 的 工 作 要 求 ， 選 擇標 準 型 氣 爪 ， 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 3-1 所 示 。3-1 氣抓結(jié)構(gòu)圖3.1.5 氣缸尺寸的確定于校核1、手部驅(qū)動力計算本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，其工件重量G=5公斤。V形手指的角度 ， ,摩擦系數(shù)為?120??mRb24??10.?f(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: bpN(2)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式: )(5.0????tg)(2426'N??所以 Rbp2?N)(45(3)實際驅(qū)動力:?21Kp?實 際因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取 ，并取 。若被抓取工件的94.0?5.1?最大加速度取 時，則: ga3?412??gaK所以 )(56394.0125Np??實 際所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為 。12、氣缸的直徑本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣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，其公式為: ztFPDF??421?式中: - 活塞桿上的推力，N1- 彈簧反作用力，Nt- 氣缸工作時的總阻力，NzF- 氣缸工作壓力，PaP彈簧反作用按下式計算: )1(sGFft??nDdf314= f3148式中: - 彈簧剛度，N/mfG- 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，.D- 彈簧有效圈數(shù).n- 彈簧材料剪切模量，一般取GPaG9104.7??在設(shè)計中，必須考慮負載率 的影響，則:?tFpD??421??由以上分析得單向作用氣缸的直徑: ??pt)(1?代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?fGnDd31484395)0(7??)/6.mN(sFft?)(6.2014373???所以: ?DpnFt?)1(4?6159?)(23.65m查有關(guān)手冊圓整，得 6?由 ,可得活塞桿直徑:.0/??Dd mDd5.193).02(???圓整后，取活塞桿直徑 。d18至此確定手部驅(qū)動氣缸的尺寸大小。3.2 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計與校核3.2.1 尺寸設(shè)計和校核根據(jù)實驗設(shè)計要求，手臂伸縮氣缸采用煙臺氣動元件廠生產(chǎn)的標準氣缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為 63/63。?（1）在校核尺寸時，只需校核氣缸內(nèi)徑 =63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸1D滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強 ,MPa4.0?則驅(qū)動力：2RPF???)(146031502N?（2）測定手腕質(zhì)量和重物的質(zhì)量之和為7kg,設(shè)計加速度 ，則慣性)/(sma?力 maF?1=10×7=70（3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.0?k1.km?=70×0.2=14總受力 mF??10=70+14=84?0所以標準CTA氣缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求3.2.2 平衡裝置設(shè)計在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。3.2.3 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(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設(shè)計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。3.2.4 平衡裝置在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。3.3 手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計與校核3.3.1 尺寸設(shè)計氣缸運行長度設(shè)計為 =118mm,氣缸內(nèi)徑為 =110mm,半徑R=55mm,氣缸運行l(wèi) 1D速度，加速度時間 =0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力t?`20.RpG??2605.143.?)(79N3.3.2 尺寸校核1．測定手腕質(zhì)量為10kg,則重力 mgG?)(10N?2.設(shè)計加速度 ，則慣性力)/(5sa?maG?1)(50N?a）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù) ，1.0?k1.Gkm?)(501.N??總受力 mqG?1)(50N?0q?所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。3.4 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計與校核3.4.1 尺寸設(shè)計氣缸長度設(shè)計為 ,氣缸內(nèi)徑為 ,半徑R=105mm,軸徑mb120?mD210?半徑 ,氣缸運行角速度 = ，加速度時間 0.5s,mD402?R?s/9? t??壓強 ,MPa.則力矩： 2)(rRpb??).(5)02.15.(04.6mN???3.4.2 尺寸校核1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量 ,分析部件的質(zhì)量分布情況，kg15?質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：r201mJ?20.5?（ ）7?2.mkgtJM??.慣).(513097mN??考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù) ,2.?k慣摩 Mk.）（625130mN??總驅(qū)動力矩摩慣驅(qū) ?）.（16253mN?M〈驅(qū)設(shè)計尺寸滿足使用要求。4、總結(jié)與感悟4-1 總結(jié)本 文 所 設(shè) 計 的 氣 動 機 械 手 結(jié) 構(gòu) 比 較 簡 單 ， 功 能 比 較 簡 單 ， 設(shè) 計 比 較 合 理 ，能 夠 滿 足 部 分 不 同 形 狀 的 工 件 的 轉(zhuǎn) 移 、 夾 取 、 安 裝 等 功 能 ， 方 便 快 捷 。 其 設(shè)計 主 要 考 慮 以 下 幾 個 方 面 ：（ 1） 機 械 手 氣 動 回 路 設(shè) 計選 用 合 適 的 氣 動 元 件 ， 通 過 控 制 和 調(diào) 節(jié) 各 個 氣 缸 壓 縮 空 氣 的 壓 力 、 流 量和 方 向 來 使 氣 動 執(zhí) 行 機 構(gòu) 獲 得 必 要 的 力 、 動 作 速 度 和 改 變 運 動 方 向 ， 并 按 規(guī)定 的 程 序 工 作 。（ 2） 末 端 執(zhí) 行 器 的 設(shè) 計末 端 執(zhí) 行 器 采 用 平 行 開 閉 型 氣 爪 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 直 接 采 用 成 品 材 料 。 針 對實 際 的 要 求 ， 可 以 換 用 其 他 各 種 末 端 執(zhí) 行 器 ， 對 不 同 種 類 的 工 件 實 現(xiàn) 夾 取 、轉(zhuǎn) 移 、 安 裝 。（ 3） 機 械 手 手 臂 的 設(shè) 計將 旋 轉(zhuǎn) 氣 缸 安 裝 在 底 板 上 ， 實 現(xiàn) 機 械 手 的 回 轉(zhuǎn) 運 動 ， 使 機 械 手 向 左 或 向右 擺 動 。 機 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 的 水 平 伸 縮 運 動 和 豎 直 升 降 運 動 各 由 一 個 氣 缸 控制 ， 即 以 最 簡 單 的 形 式 ， 在 兩 個 位 置 （ 完 全 伸 出 和 回 縮 位 置 ） 之 間 進 行 切 換 。4-2 感 悟現(xiàn) 在 回 想 起 這 一 個 多 月 ,近 兩 個 月 的 畢 業(yè) 設(shè) 計 ,一 路 走 來 ,感 受 頗 多 .不斷 的 穿 梭 于 大 師 們 的 思 想 縫 隙 之 間 ， 尋 求 靈 感 的 火 花 。 在 不 段 的 反 復 中 走過 來 ,有 過 失 落 ,有 過 成 功 , 有 過 沮 喪 .有 過 喜 悅 ,這 已 不 重 要 了 ,重 要 的 是 我一 路 走 來 ,歷 煉 了 我 的 心 志 ,考 驗 了 我 的 能 力 ,也 證 明 了 自 己 ,也 發(fā) 現(xiàn) 了 自 己的 不 足 。最 后 ， 由 于 個 人 知 識 及 能 力 水 平 有 限 ， 論 文 中 難 免 會 有 一 些 紕 漏 或 錯 誤之 處 ， 懇 請 各 位 老 師 批 評 指 正 ， 不 勝 感 謝 ！