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1小型氣動機械手的設計學 生：鐘陽 指導老師：陳文凱(湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128)摘 要：本文主要進行了氣動機械手的總體結構設計和氣動設計。機械手的機械結構由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預定軌跡運動，實現對工件的抓取、搬運和卸載。氣動部分的設計主要是選擇合適的控制閥，設計合理的氣動控制回路，通過控制和調節(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。氣動機械手作為機械手的一種, 它具有結構簡單、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。關鍵詞：氣動機械手；氣缸；控制閥；回路；設計 Design of Small Pneumatic Manipulator Student:zhong yang Tutor:chen wenkai(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 21 前言 機 械 工 業(yè) 是 國 民 的 裝 備 部 ， 是 為 國 民 經 濟 提 供 裝 備 和 為 人 民 生 活 提 供 耐 用 消費 品 的 產 業(yè) 。 不 論 是 傳 統 產 業(yè) ， 還 是 新 興 產 業(yè) ， 都 離 不 開 各 種 各 樣 的 機 械 裝 備 ， 機械 工 業(yè) 所 提 供 裝 備 的 性 能 、 質 量 和 成 本 ， 對 國 民 經 濟 各 部 門 技 術 進 步 和 經 濟 效 益 有很 大 的 和 直 接 的 影 響 。 機 械 工 業(yè) 的 規(guī) 模 和 技 術 水 平 是 衡 量 國 家 經 濟 實 力 和 科 學 技 術水 平 的 重 要 標 志 。 因 此 ， 世 界 各 國 都 把 發(fā) 展 機 械 工 業(yè) 作 為 發(fā) 展 本 國 經 濟 的 戰(zhàn) 略 重 點之 一 。工 業(yè) 機 械 手 是 近 幾 十 年 發(fā) 展 起 來 的 一 種 高 科 技 自 動 化 生 產 設 備 。 工 業(yè) 機 械 手 的是 工 業(yè) 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 ，在 構 造 和 性 能 上 兼 有 人 和 機 器 各 自 的 優(yōu) 點 ， 尤 其 體 現 了 人 的 智 能 和 適 應 性 。 機 械 手作 業(yè) 的 準 確 性 和 各 種 環(huán) 境 中 完 成 作 業(yè) 的 能 力 ， 在 國 民 經 濟 各 領 域 有 著 廣 闊 的 發(fā) 展 前景 。機 械 手 是 在 機 械 化 ， 自 動 化 生 產 過 程 中 發(fā) 展 起 來 的 一 種 新 型 裝 置 。 在 現 代 生 產過 程 中 ， 機 械 手 被 廣 泛 的 運 用 于 自 動 生 產 線 中 ， 機 械 人 的 研 制 和 生 產 已 成 為 高 技 術鄰 域 內 ， 迅 速 發(fā) 展 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 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 。機 械 手 技 術 涉 及 到 力 學 、 機 械 學 、 電 氣 液 壓 技 術 、 自 動 控 制 技 術 、 傳 感 器 技 術和 計 算 機 技 術 等 科 學 領 域 ， 是 一 門 跨 學 科 綜 合 技 術 。 機 械 手 是 一 種 能 自 動 化 定 位 控制 并 可 重 新 編 程 序 以 變 動 的 多 功 能 機 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 來 搬 運 物 體 以 完 成 在各 個 不 同 環(huán) 境 中 工 作 。氣 動 機 械 手 作 為 機 械 手 的 一 種 , 它 具 有 結 構 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 。氣 動 機 械 手 強 調 模 塊 化 的 形 式 , 現 代 傳 輸 技 術 的 氣 動 機 械 手 在 控 制 方 面 采 用了 先 進 的 閥 島 技 術 (可 重 復 編 程 等 ), 氣 動 伺 服 系 統 (可 實 現 任 意 位 置 上 的 精 確 定位 ), 在 執(zhí) 行 機 構 上 全 部 采 用 模 塊 化 的 拼 裝 結 構 。90 年 代 初 , 由 布 魯 塞 爾 皇 家 軍 事 學 院 Y. Bando 教 授 領 導 的 綜 合 技 術 部 開 發(fā)研 制 的 電 子 氣 動 機 器 人 ——“阿 基 里 斯 ” 六 腳 勘 探 員 , 是 氣 動 技 術 、 PLC 控 制技 術 和 傳 感 技 術 完 美 結 合 產 生 的 “六 足 動 物 ”。 6 個 腳 中 的 每 一 個 腳 都 有 3 個 自3由 度 , 一 個 直 線 氣 缸 把 腳 提 起 、 放 下 , 一 個 擺 動 馬 達 控 制 腳 伸 展 /退 回 運 動 , 另一 個 擺 動 馬 達 則 負 責 圍 繞 腳 的 軸 心 做 旋 轉 之 用 。由 漢 諾 威 大 學 材 料 科 學 研 究 院 設 計 的 氣 動 攀 墻 機 器 人 , 它 集 遙 感 技 術 和 真 空技 術 于 一 體 , 成 功 地 解 決 了 垂 直 攀 緣 等 視 為 危 險 工 作 的 操 作 問 題 。T ron-X 電 子 氣 動 機 器 人 , 能 與 人 親 切 地 握 手 ,它 的 頭 部 、 腰 部 、 手 能 與 人 類一 樣 彎 曲 運 動 , 并 且 有 良 好 的 柔 韌 性 。 在 幕 后 操 縱 人 員 的 操 作 下 (或 通 過 自 身 的編 程 控 制 ) 能 與 人 進 行 對 話 , 或 作 自 我 介 紹 等 。 T ron-X 電 子 氣 動 機 器 人 集 電 子技 術 、 氣 動 技 術 和 人 工 智 能 為 一 體 , 它 告 訴 我 們 , 氣 動 技 術 能 夠 實 現 機 器 人 中 最難 解 決 的 靈 活 的 自 由 度 , 具 有 在 足 夠 工 作 空 間 的 適 應 性 、 高 精 度 和 快 速 靈 敏 的 反應 能 力 。現 代 汽 車 制 造 工 廠 的 生 產 線 ， 尤 其 是 主 要 工 藝 是 焊 接 的 生 產 線 ， 大 多 采 用 了 氣動 機 械 手 。 車 身 在 每 個 工 序 的 移 動 ； 車 身 外 殼 被 真 空 吸 盤 吸 起 和 放 下 ， 在 指 定 工 位的 夾 緊 和 定 位 ； 點 焊 機 焊 頭 的 快 速 接 近 、 減 速 軟 著 陸 后 的 變 壓 控 制 點 焊 ， 都 采 用 了各 種 特 殊 功 能 的 氣 動 機 械 手 。 高 頻 率 的 點 焊 、 力 控 的 準 確 性 及 完 成 整 個 工 序 過 程 的高 度 自 動 化 ， 堪 稱 是 最 有 代 表 性 的 氣 動 機 械 手 應 用 之 一 。 在 彩 電 、 冰 箱 等 家 用 電 器 產 品 的 裝 配 生 產 線 上 ， 在 半 導 體 芯 片 、 印 刷 電 路 等 各種 電 子 產 品 的 裝 配 流 水 線 上 ， 不 僅 可 以 看 到 各 種 大 小 不 一 、 形 狀 不 同 的 氣 缸 、 氣 爪 ，還 可 以 看 到 許 多 靈 巧 的 真 空 吸 盤 將 一 般 氣 爪 很 難 抓 起 的 顯 像 管 、 紙 箱 等 物 品 輕 輕 地吸 住 ， 運 送 到 指 定 目 標 位 置 。 對 加 速 度 限 制 十 分 嚴 格 的 芯 片 搬 運 系 統 ， 采 用 了 平 穩(wěn)加 速 的 SIN 氣 缸 。 氣 動 機 械 手 用 于 對 食 品 行 業(yè) 的 粉 狀 、 粒 狀 、 塊 狀 物 料 的 自 動 計 量 包 裝 ； 用 于 煙草 工 業(yè) 的 自 動 卷 煙 和 自 動 包 裝 等 許 多 工 序 。 如 酒 、 油 漆 灌 裝 氣 動 機 械 手 ； 自 動 加 蓋 、安 裝 和 擰 緊 氣 動 機 械 手 ， 牛 奶 盒 裝 箱 氣 動 機 械 手 等 。 2 氣動機械手的總體設計方案2.1 機械手的基本結構機 械 手 主 要 由 執(zhí) 行 機 構 、 驅 動 系 統 、 控 制 系 統 以 及 位 置 檢 測 裝 置 等 所 組 成 。 執(zhí)行 機 構 主 要 是 機 械 手 賴 以 完 成 工 作 任 務 的 實 體 ， 通 常 由 桿 件 和 關 節(jié) 組 成 。 從 功 能 的角 度 ， 執(zhí) 行 機 構 可 分 為 ： 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 腰 部 和 基 座 等 。2.1.1 手部手 部 又 稱 末 端 執(zhí) 行 器 ， 是 工 業(yè) 機 械 手 直 接 進 行 工 作 的 部 分 ， 可 以 是 各 種 夾 持 器 。有 時 人 們 也 把 諸 如 電 焊 槍 、 油 漆 噴 頭 等 劃 作 機 器 手 的 手 部 。 氣 動 手 指 是 模 擬 人 的 手4指 抓 緊 工 件 ， 以 實 現 機 械 手 的 動 作 的 氣 缸 。 按 結 構 特 點 可 分 為 旋 轉 驅 動 型 、 平 行 開閉 型 、 支 點 開 閉 型 和 三 爪 開 閉 型 。2.1.2 腕部腕 部 與 手 部 相 連 ， 主 要 功 能 是 帶 動 手 部 完 成 預 定 姿 態(tài) ， 是 操 作 機 的 中 結 構 最 為復 雜 的 部 分 。 手 腕 有 獨 立 的 自 由 度 。 有 回 轉 運 動 、 上 下 擺 動 、 左 右 擺 動 。 一 般 腕 部設 有 回 轉 運 動 再 增 加 一 個 上 下 擺 動 即 可 滿 足 工 作 要 求 ， 有 些 動 作 較 為 簡 單 的 專 用 機械 手 ， 為 了 簡 化 結 構 ， 可 以 不 設 腕 部 ， 而 直 接 用 臂 部 運 動 驅 動 手 部 搬 運 工 件 。目 前 ， 應 用 最 為 廣 泛 的 手 腕 回 轉 運 動 機 構 為 回 轉 氣 壓 缸 ， 它 的 結 構 緊 湊 ， 靈 巧但 回 轉 角 度 小 ， 一 般 小 于 270 度 ,并 且 要 求 嚴 格 密 封 ， 否 則 就 難 保 證 穩(wěn) 定 的 輸 出扭 距 。 因 此 在 要 求 較 大 回 轉 角 的 情 況 下 ， 采 用 齒 條 傳 動 或 鏈 輪 以 及 輪 系 結 構 。2.1.3 臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具） ，并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。2.2 機械手的基本形式選擇常見的工業(yè)機械手根據手臂的動作形態(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)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。2.3 機械手的主要部件及運動參數設計在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本設計的機械手具有 4 個自由度：手臂伸縮；手臂回轉；機身回轉；機身升降。5本設計的機械手主要由 3 個大部件和 4 個氣缸組成：手部，采用一個氣爪，通過機構運動實現手爪的張合。臂部，采用直線缸來實現手臂的伸縮。機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂升降和回轉。驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。氣動機械手因為結構簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應用在生產自動化的各個行業(yè)。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動 [1]。設計技術參數:（1）抓重:2Kg (夾持式手部)（2）自由度數:4個自由度（3）座標型式:圓柱座標（4）最大工作半徑:600mm（5）手臂最大中心高:400mm（6）手臂運動參數伸縮行程：350mm伸縮速度： 200mm/s?升降行程：250mm升降速度： 100mm/s回轉范圍：0~360°回轉速度： 60mm/s?3 手部的設計3.1 手部的基本要求為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是圓柱形式時，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構。本次設計采用的是夾持式手部結構。3.1.1 夾持式手部結構夾持式手部結構由手指和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜鍥杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。3.1.2 對手部的基本要求6（1）具有足夠的夾緊力；在確定手指的夾緊力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。（2）手指間應具有一定的開閉角；兩手指張開和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，夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮，一般 來 說 ， 如 工 作 環(huán) 境 許 可 ， 開 閉 范 圍 大 一 些 較 好 。（3）保證工件準確定位；在設計的過程中總會出現些許偏差，所以在選用配合的時候都采用 IT8 級，能滿足工件的定位。（4）具有足夠的強度和剛度；手部的材料通常采用強度和剛度都要同時能滿足抓取物件的大小，但同時也考慮到是氣壓傳動，力比較小，所以不會采用鋼材類等。（5）考慮被抓工件的形狀要求。3.2 手 部 的 結 構 設 計根據本機械手的使用范圍，本機械手采用手指式機械手部。根據工件的形狀，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，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便如圖 1。圖 1 齒輪齒條式手部Fig 1 The hand of gear wheel 之所以不選用平行開閉手指是因為其所夾緊的工件直徑較大，開閉行程比較難滿足。3.3 手部的計算73.3.1 手指夾緊力的計算手 指 夾 在 工 件 上 的 夾 緊 力 時 設 計 手 部 的 主 要 依 據 ， 一 般 來 說 手 指 對 工 件 的 夾 緊力 可 按 下 式 計 算 ：GKFN321?（ 1）式 中 ：——安 全 系 數 ， 有 機 械 手 的 工 藝 及 設 計 要 求 確 定 ， 通 常 在 1.2~2.0， 故 取1K1.5；——工 件 情 況 系 數 ， 主 要 考 慮 慣 性 力 的 影 響 ， 計 算 最 大 加 速 度 ， 得 出 工 件2情 況 系 數 ， =1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=1.02， 故 取 1；2——方 位 系 數 ， 根 據 手 指 與 工 件 形 狀 以 及 工 件 位 置 不 同 進 行 選 定 ，3K， 摩 擦 系 數 ,故 取 3。f/sin5.0??06,.??f——被 抓 取 的 工 件 的 重 量 KgG所 以。NFN92315.??3.3.2 驅動力計算根 據 手 部 結 構 的 傳 動 示 意 圖 ， 其 驅 動 力 為 ：NFRbp?（ 2）由圖 3-2 可知，b=120mm ,R=24mm,故=90NFRbp2?實 際 驅 動 力 ：?/21KP?實 際（ 3）因 為 8 級 精 度 的 齒 輪 傳 動 的 效 率 ， ， 。97.0??5.12?所 以 N.39??實 際P所 以 夾 持 工 件 時 所 需 夾 緊 氣 缸 的 驅 動 力 為 139.2N。3.3.3 氣壓缸直徑計算本 氣 缸 屬 于 單 向 作 用 氣 缸 。 根 據 力 平 衡 原 理 ， 單 向 作 用 氣 缸 活 塞 桿 上 的 輸 出8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 ： （ 4）ztFPDF-4/=21?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 ， Pa。P彈 簧 反 作 用 力 計 算 如 下 ： )(slGFft??nDdf314/2t?式 中 ：——彈 簧 剛 度 ， N/mfG——彈 簧 預 壓 縮 量 ， ml——活 塞 行 程 ， ms——彈 簧 鋼 絲 直 徑 ， m1d——彈 簧 平 均 直 徑 ， mtD——彈 簧 外 徑 ， m2——彈 簧 有 效 圈 數 ，n——彈 簧 材 料 剪 切 模 量 ， 一 般 取GPaG9104.7??在 設 計 中 ， 必 須 考 慮 負 載 率 的 影 響 ， 故 ：?tFDF-/=21??（ 5）由以上分析得單向作用氣缸的直徑:??pt+(4=1（6）代入有關數據，可得： nDGdCf314?9= 15×)03(×8).14.79349=3677.46(/m)slGFft??=3677.46 60?31?=220.6(N) 所 以 可 得 到 ??pFDt1?= 216].0)5.()6.20.39(4[ ?????=39.08(mm)查 《 機 械 設 計 手 冊 （ 氣 壓 傳 動 ） 》 表 22-1-20， 得 D=40mm由 [2]d/D=0.3~0.5， 可 得 活 塞 桿 直 徑 ：d=(0.3~0.5)D=12~20mm故 取 活 塞 桿 直 徑 d=18mm 校 核 ， 按 公 式 ： ][)4/(21???F化 簡 得 5.0d?其 中 ， NMPa.39,120][1??則 ： 5.0)12/.394(?=1.22 18?所 以 滿 足 活 塞 桿 設 計 要 求 。3.3.4 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。一般氣壓缸筒壁厚與內徑之比小于或等于 1/10，由于 D/ ,故其壁厚可按厚壁筒公式 [1]計算: 10??2/)13.][40(???yPD??（ 7）式中 —— 缸筒壁厚 mm?D——氣缸內徑 mm P ——實驗壓力，取 P =1.5P ，Pay yn10缸 筒 應 采 用 不 銹 鋼 、 鋁 合 金 或 黃 銅 等 材 質本 設 計 采 用 材 料 ： ZL303 MPanb6.285/143/][???n 為 安 全 系 數 ， 一 般 取 5。 /]10×)75.31-6.28(+[04≥6?=0.456（ mm）故 取 ， 則 缸 筒 外 徑 為 40+2.5 2=45mm。m5.2???4 腕部的設計4.1 腕部的基本要求考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必須設有回轉運動才可能滿足工作的要求。換句話說，為了使手部出于空間任意方向，要求腕部能分別對空間三個坐標軸 X、Y、Z 實現轉動。手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉氣缸。設計時主要要注意以下幾點：（1）結構盡量緊湊以減輕重量；（2）轉動的靈活性及密封性；（3）考慮通向手部油路的配置。4.2 腕部的結構設計手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具備有獨立的自由度，使得機械手適應復雜的動作要求。由于本機械手抓取的工件是水平放置；同時考慮到通用性，因此給手腕設計一繞 X 軸轉動回轉運動才可以滿足工作的要求，目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉氣缸，它的結構緊湊，但回轉角度小于 360 度，并且要求嚴格的密封。11圖 2 手腕回轉時受力狀態(tài)1-工件 2-手部 3-手腕Fig2The stress state of wrist rotation 1- the 2- hand 3- wrist 驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩已經由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。如圖 2。4.3 腕部的計算4.3.1 驅動力計算手腕轉動時所需的驅動力矩可按 [1]下式計算：(8)封摩偏慣驅 M??M式中： ——驅動手腕轉動的驅動力矩(N cm)驅M?——慣性力矩(N cm)慣 ?——偏重力矩(N cm)偏——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(N封cm)。?根據圖 4-2 所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算：（1）若手腕起動過程按等加速運動，手腕角速度為 ，起動過程所用的時間為 ，?t?則：(N cm) (9)tJM?）（慣 1+=?式中：——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量（N ）J 2scm?——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量（ N ）1 2sc?12——手腕轉動時的角速度（弧度 /S）?——起動過程所需的時間（ s）t?若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 為：1J(10)2egGc??式中：——工件對過重心軸線的轉動慣量（N ）cJ 2scm?——工件的重量(N)1G——工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)e（2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩 偏M(N cm) (11)31GeM??偏 ?式中：——手腕轉動件的重量（N）3G——手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距（cm）e當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 。01?e（3）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 摩M(N cm))(21dRfBA?摩 ?式中：——轉動軸的軸頸直徑（ cm）21,d——摩擦系數，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承f 01.?f 1.0?f——處的支承反力（N） ，可按手腕轉動軸的受力分析求解，BAR,根據 ，得：0)(??FM123lGlRB?l31??同理，根據 ，得：0)(?FB(12)lllGRA )()()(321??式中：——手部的重量(N)2G——長度尺寸（cm） 。31,l134.3.2 氣壓缸壓力驗算在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉液壓缸，它的原理如圖3 所示。圖 3 回轉氣缸Fig3 Rotary cylinder 定片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與回轉軸 5 固連。動片封圈 4 把氣腔分隔成兩個.當液體從孔 a 進入時，推動輸出軸作逆時 4 回轉，則低壓腔的液體從 b 孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。葉片 J 氣缸的壓力 p 和驅動力矩 M 的關系為:或 (13)??2MPbRr??2)(rRb??式中：M——回轉氣缸的驅動力矩(N﹒cm)P——回轉氣缸的工作壓力(N﹒cm)R——缸體內壁半徑(cm)r——輸出軸半徑(cm)b——動片寬度 (cm)。氣缸長度設計為 b=100mm，氣缸內徑為 ，半徑 R=48mm，軸徑 mm,半mD961?26?D徑 R=13mm,氣缸運行角速度 ，加速度時間 ，壓強 p=0.4MPa,則力矩：s/90st.0?2)(rRpbM?= )26.-48.1×4.6=32.6(N﹒m)（1）測定參與手腕轉動的部件的質量 ，質量密度等效分布在一個半徑kgm01?的圓盤上，那么轉動慣量：mr50?14(14) 21rmJ?= 205.1?=0.0125(kg )2?工件的質量為 2kg,質量分布于長 玻璃杯上，那么轉動慣量：ml20?(15)12lJc= 2.0?=0.0066（kg ）2m?假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長 的玻璃杯來說，最大偏心距l(xiāng)0?，其轉動慣量為：me501?(16)21eJc?=0.0066+2 05.?=0.0117（kg ）2m?(17)tJM????)1（慣=(0.0125+0.0117) 1.09=21.8(N )m?(2)手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為 ，考慮手腕動作重偏M心與轉動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線 =50mm，則有：01?e 3e(18)31GeM??偏=2 05.?=1(N )m?(3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，對于滾動軸承 ，滑動軸承摩 01.?f， 為手腕轉動軸的軸頸直徑， ， 為軸頸處的1.0?f2,d d2,301?BAR,支承反力，粗略估計 。NRBA5,30?(19) )(21RfMBA?摩15= 2)03.15.03(1.??=0.15（N ）m?(4)回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 ，與選用的密封M封裝置的類型有關，應根據具體情況具體分析。此處粗略估計 為 的 3 倍，則封 摩有：=3 (20)封M?摩=3 05.=0.15（N ）m?故 封摩偏慣驅 ??=21.8+1+0.05+0.15=23（N ）?因為 M?驅所以滿足設計要求。5 臂部的設計5.1 臂部的基本要求臂部是支撐手部和腕部的，主要用來改變工件位置的部件。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。臂部的運動與結構形式對機械手的工作性能有著重大的影響。其基本要求有：(1) 剛度要好手臂的截面形式要選擇合理，常用鋼管作手臂和導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。(2) 偏重力矩要小 所謂偏重力矩是指臂部的重量對其支承回轉軸所產生的力矩。 (3) 重量要輕，慣性要小由于機械手在高速的情況下經常啟停和換向，為了減少沖擊，必須設有緩沖裝置。(4) 導向性要好為了防止手臂在直線移動中沿運動軸線發(fā)生相對運動，保證手部的正確方向，必須設有一導向裝置。其結構應根據手臂的安裝形式、抓取重量和運動行程等因素來確定。165.2 臂部的具體設計方案常見的手臂伸縮機構有以下幾種：(1)雙導桿手臂伸縮機構；(2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構；(3)雙活塞桿液壓缸結構；(4)活塞桿和齒輪齒條機構。在本次設計手臂伸縮氣缸采用標準氣缸，參考各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本次設計的要求，氣缸采用 CTA 系列的伸縮氣缸。初選內徑 80/50，故mm，R=25mm, 設計所使用的壓強 P=0.4MPa。502?D5.3 手臂伸縮的計算手臂伸縮時需要克服摩擦力和慣性力，其驅動力可按下式[1]計算：(21)qmgPF+kf?式中： ——摩擦阻力包括導軌支承間的摩擦阻力；活塞與氣缸及密封處的摩擦阻力mF——起動過程的慣性力；其大小按下式[1]估算g(22)gtGF??式中：G——手臂移動部件的總質量 kgfg——重力加速度 2m/s——手臂運動速度 ?t——起動時所需的時間 s 一般 t=0.01s~0.5sgmkF?K——摩擦系數，一般 k=0.2，故：gtGFPmgq?2.1=+= .053?=180（N）17液壓缸實際驅動力= =785（N）2RPF???2605.143.0?因為 F 故滿足設計要求。qP5.4 手臂升降的計算5.4.1 尺寸設計氣缸運行長度設計為 ，氣缸內徑為 ，半徑 R=31.5mm，氣缸ml250?mD631?運行速度，加速度時間 ，設計壓強 P=0.4MPa，則驅動力為：st1.?2RpF??= 26035.4.0?=1246.3（N）5.4.2 尺寸校核升降運動時，活塞氣缸的驅動力可按下式 [1]計算(23)QMGPFW???式中：——各個支撐處的摩擦力 kgfMF——啟動時慣性力 kgfGW——運動部件（包括手部、腕部、工件等的總重量） kgf——上升時為正，下降時為負?取 0.5 ，代人數據可得：MFGQMGPFW???= gt?5.1= 50±.×=27?因為 FPQ故所設計尺寸符合實際使用要求。5.5 手臂回轉氣缸的計算5.5.1 尺寸設計氣缸長度設計為 b=120mm,氣缸內徑為 ，半徑 R=105mm，軸徑mD210?，半徑 R=20mm，氣缸運行角速度 ，加速度時間 ，壓強mD402? s/9?st5.0??18P=0.4MPa。則力矩：2)(rRPbM??= )02.15.(04.6?= （N ）25m?5.5.2 尺寸校核腕部回轉時驅動力矩可按下式計算：封摩偏慣驅 M??M式中： ——驅動手腕轉動的驅動力矩(N cm)驅M?——慣性力矩(N cm)慣 ?——偏重力矩(N cm)偏——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(N封cm)。?（1）測定參與手腕轉動的部件的質量 ，質量密度等效分布在一個半徑kgm10?的圓盤上，那么轉動慣量：mr0?21rJ= .0?=0.5(kg )2m?tM??/J?慣=90（N ）?（2）手腕轉動件和工件的偏重轉動軸線所產生的偏重力矩 ，考慮動件重心與轉偏M動軸線重合，故 ，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線 ，故：01?e me503?=100 =50（N ）3GM偏 5.?m?（3）轉動氣缸轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 ，考慮軸承，油封之間的摩擦力，摩設定摩擦系數 k=0.2,故：=0.2 （N ）慣摩 Mk??1890???（N ）543摩封 m則有：19封摩偏慣驅 M??M=90+50+18+54=212（N ）m?因為 ?驅M故回轉氣缸滿足設計要求。6 氣動系統設計6.1 氣動系統的設計要求及選擇本次設計的工業(yè)機械手屬坐標式機械手。具有手臂伸縮，回轉，升降，手腕回轉四個自由度。因此，相應地有手腕回轉機構、手臂伸縮機構，手臂回轉機構，手臂升降機構等構成。設計要求：(1)滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統發(fā)訊號控制相應的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現；(2)機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協調；(3)控制系統設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，氣壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求。本次設計采用氣壓傳動的控制方式,相比其他傳動控制方式,氣壓傳動有以下優(yōu)點:(1)工作介質是空氣，它來源方便，取之不盡用之不竭，使用后直接排入大氣而無污染，不需要專門的回收裝置；(2)空氣粘度很小，所以流動時壓力損失較小，節(jié)能，高效，適用于集中供氣和遠距離輸送；(3)動作迅速，反應快，調節(jié)方便，維護簡單；(4)工作環(huán)境適應性好；(5)成本低，具有過載保護功能。6.2 氣壓回路的選擇6.2.1 各氣壓缸的換向回路為便于機械手的自動控制，采用可編程控制器進行控制，前分析可得系統的壓力和流量都不高，選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經濟效益。氣壓機械手采用單泵供氣，手臂伸縮，手腕回轉，夾持動作采用并聯供氣，這樣可有效降低系統的供氣壓力，此時為了保證多缸運動的系統互不干擾，實現同步或非同步運動，換向閥采用中位“O”型換向閥。206.2.2 調速方案整個氣壓系統只用單泵工作，各氣壓缸所需的流量相差較大，各氣壓缸都用氣壓泵的全流量是無法滿足設計要求的。盡管有的氣壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證氣壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進氣路或回氣路節(jié)流調速，選用節(jié)流閥調速。單泵供氣系統以所有氣壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。系統較為簡單，所需元件較少，經濟性好，考慮到系統功率較小，其溢流損失也較小。6.2.3 緩沖回路伸縮臂處設置緩沖回路，使用節(jié)流減速緩沖。6.2.4 系統安全可靠性手臂升降缸在系統失壓的情況下會自由下落或超速下行，所以在回路中設置平衡回路。6.3 氣壓傳動系統工作原理圖6.3.1 工作原理圖圖 4 所示為該機械手的氣壓傳動系統工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機（1Mpa）通過快換接頭進入出氣罐，經分水過濾器、油霧器、進入各并聯氣路上的電池閥，以控制氣缸和手部動作。具體工作原理如下：當工件 A 進入機械手范圍內時，電磁閥 1AY 開啟，手臂伸長，夾緊缸左邊閥 9AY 開啟經排氣口排空，將工件夾好；另一路 7AY 通電，手臂回轉，1AY斷電，2AY 通電，手臂縮回；機身下降 3AY 通電，之后旋轉到達目的機身回轉 5AY 通電，10AY 通電，夾緊缸伸出工件掉落?；芈窌r，5AY 斷電，6AY 通電，回轉到一定角度后，3AY 斷電，4AY 通電，機身上升；當達到高度時，重復。21圖 4 氣壓系統原理圖Schematic diagram of 4 pressure system7 結論本次畢業(yè)設計，花費了較多的心思設計的氣動機械手能很好的完成搬運和裝卸運動。通過機身的收縮實現上下運動，通過臂架的收縮實現左右運動，通過回轉氣缸實現旋轉運動。能方便的完成輕型工業(yè)化的自動生產，對提高工作效率有較好的幫助。同時也降低了成本，減少人為的出錯率等。在做畢業(yè)設計的同時也讓我對以前所學的專業(yè)知識更加的熟悉，使的我先前所學的理論知識得以在實踐中得到應用，讓我更好的了解了本專業(yè)的特色對即將進入工作崗位有了更多的信心和自信。參考文獻 [1] 劉延俊主編.液壓與氣壓傳動（第二版）[M].機械工業(yè)出版社.2006.201~253[2] 丁樹模主編.液壓傳動[M].北京.機械工業(yè)出版社.2003.25~50[3] 濮良貴,紀名剛主編.機械設計（第七版）[M].北京.高等教育出版社.2001.78~353[4] 孫恒,陳作模主編.機械原理[M].高等教育出版社.2000.50~10222[5] 索羅門采夫. 工業(yè)機器人圖冊[M].北京機械工業(yè)出版社.1993.35~100[6] 張建民.工業(yè)機械人[M].北京.北京理工大學出版社.1992.90~110[7] 楊春杰,胡海波.新型多關節(jié)式機械手臂的機構設計[J],黃石高等專科學校學報,2001(1)[8] 工業(yè)機械手圖冊編寫組.工業(yè)機械手圖冊[M].機械工業(yè)出版社.1987.78~90[9] 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Dynamic System Identification,Experiment Design and Data Analysis[R]. USA:Academis Press,1997[20] Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation Research[R]. USA:Prentice Hall Inc.,1977致 謝本設計是在陳文凱老師的悉心指導和熱情關懷下完成的?；厥走@幾個月來的設計過程，可以說是付出了不少心力，但更多的是收獲和更好的提升自己的能力。它檢驗了我大學四年對各學科知識掌握程度，通過老師們和同學們的幫助今天我的設計終于做完了。雖然在畢業(yè)設計中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領會了各項知識。面對問題仔細分析，查閱各方文件資料，也得到老師和同學的幫助。在這里我要特別感謝陳文凱老師，在這次設計中陳老師不厭其煩地指出我設計中需要改正的地方，指引我完善好方案，在百忙之際給了我們最大的關懷和耐心的指導，使得設計工作得以順利完成。同時也要感謝和我一起進行畢業(yè)設計的同學，是你們的鼓勵23和支持，使設計中的困難得以解決。