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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號 1109511134
學(xué) 生 黃文宇
指 導(dǎo) 教 師 王杰
答 辯 日 期 2013年12月17日
哈工大華德學(xué)院
哈工大華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評語
姓名： 黃文宇 學(xué)號： 1109511134 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
工作起止日期： 2013 年 9 月 20 日起 2013 年 12 月 7 日止
指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）進行情況，完成質(zhì)量及評分意見：
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
指導(dǎo)教師簽字： 指導(dǎo)教師職稱：
評閱人評閱意見：
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
___________________________
評閱教師簽字：_______________ 評閱教師職稱：_______________
答辯委員會評語：
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會作出如下評定：
學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定為：
對畢業(yè)設(shè)計（論文）的特殊評語：
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
答辯委員會主任（簽字）： 職稱：________________
答辯委員會副主任（簽字）：
答辯委員會委員（簽字）：___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________
年 月 日
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名
黃文宇
系部
機電工程系
專業(yè)、班級
1095111
指導(dǎo)教師姓名
王杰
職稱
高工
從事
專業(yè)
機械
外聘
是
題目名稱
氣動四自由度機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
一、設(shè)計（論文）目的、意義
機械手能夠降低工人的勞動強度、提高生產(chǎn)率、實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，通過本次設(shè)計鍛煉學(xué)生的綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計能力。
二、設(shè)計（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
1、自擬一個套類零件圖,完成對該零件實現(xiàn)夾持能力的氣動四自由度機械手，
設(shè)定夾持位置的高度、夾持力的大小、夾持范圍、臂展長度及俯仰角度。
2、設(shè)計氣路工作原理圖。
三、設(shè)計（論文）完成后應(yīng)提交的成果
完整的設(shè)計圖紙一套，畢業(yè)設(shè)計論文一本。
(1)計算說明部分：設(shè)計說明書一份
(2)圖紙部分：完成A0圖紙2張，零件圖若干
四、設(shè)計（論文）進度安排
1、2013.9.10 ----2013.930 收集資料；
2、2013.10.1----2013.10.15 初步設(shè)計階段；
3、2013.10.16---2013.11.10 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
4、2013.11.11---- 2013.12.9 機構(gòu)設(shè)計；
5、2013.12.10------- 撰寫論文、檢查圖紙，準(zhǔn)備答辯。
五、主要參考資料
[1] 陳奎生. 液壓與氣壓傳動[M]. 武漢理工大學(xué)出版社，2001.8：3.
[2] 張樹森. 機械制造工程學(xué)[M]. 東北大學(xué)出版社，2001.3：228-258.
[3] 付亞軍. 花鍵軸自動線上下料機械手的設(shè)計[J]. 十堰大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.1997，（1）：36-39.
[4] 梁梅超. 一種數(shù)控車床氣動自動夾緊送料裝置[J]. 機械制造. 2005.8，43（492）：67-68.
[5] 朱光力. 三坐標(biāo)氣動機械手氣動控制回路設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造. 2003.4，（2）：61-62.
[6] 高微，楊中平，趙榮飛等. 機械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造. 2006.1，（1）：13-15.
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
2013年9月10日
教研室主任簽字：
年 月 日
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
針對數(shù)控車床設(shè)計的一種套類零件自動上下料機構(gòu)，實現(xiàn)了坯料的抓取、自動定位、夾緊以及工件的回放。該機構(gòu)主要由自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手，動力及控制系統(tǒng)組成。零件的自動定位、夾緊由彈簧漲胎心軸實現(xiàn)，漲胎心軸是以工件的內(nèi)孔表面定位，由氣缸驅(qū)動彈性筒夾向外擴漲，實現(xiàn)工件的定位和夾緊的。坯料、工件的拾取、回放是由單臂形式的機械手通過伸縮、旋轉(zhuǎn)以及俯仰等運動實現(xiàn)的，這些運動均由氣缸驅(qū)動獲得。
本設(shè)計中，為實現(xiàn)工件的自動上下料，單臂機械手的運動與漲胎心軸的張合需進行緊密配合。考慮到所夾持工件的實際尺寸、質(zhì)量等因素，本機構(gòu)采用氣動夾具、電氣控制實現(xiàn)了坯料和工件的拾取、安裝、回放過程的自動完成。
本文對氣動機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的坐標(biāo)形式和自由度。同時，設(shè)計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 自動上下料；氣動機械手；氣動夾具；套類零件
Abstract
This paper is aimed at designing a sleeve parts automatic baiting agencies for a CNC lathe.Its function is processing the crawls, automatic positioning and clamping of the workpiece.The automatic baiting agencies mainly consist of the automatic fixture, the manipulator for picking up the workpiece and billets and the drive and control system.Among them,the automatic positioning and clamping of the sets parts is achieved by the axis fetal heart rate rising to the workpiece centering hole.When clamping the workpiece,flexible tube folder can center and clamp the cylindrical hole through the expansion and inflation;blank grasping of the workpiece and the intervals are achieved by the manipulator arm by stretching and rotating.In the issue,it is necessary for the movements of the manipulator arm and the automatical fixture Zhang to require the coordination.Taking into account that the actual workpiece size,the quality and the various features of the driven approach to the system,we decide to adopt the aerodynamic control,using compressed air to achieve the movements of the clamping fixture and manipulator.
Keywords:Automatic baiting;Pneumatic manipulator;Pneumatic fixture;sleeve parts
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的背景與目的 1
1.1.1 數(shù)控機床 1
1.2 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義 4
第2章 總體方案設(shè)計 5
2.1 方案設(shè)計概述 5
2.1.1 方案設(shè)計 5
2.1.1.1 明確設(shè)計要求 5
2.1.1.2 功能分析 5
2.1.1.3 功能原理設(shè)計 5
2.1.2 技術(shù)設(shè)計 5
2.1.2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 6
2.1.2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
2.2 驅(qū)動方式的確定 6
2.2.1 電動機驅(qū)動 7
2.2.2 氣壓驅(qū)動 7
2.3 本章小結(jié) 9
第3章 氣缸夾緊設(shè)計 10
3.1 夾緊力的確定 10
3.2 夾緊氣缸的設(shè)計計算 10
3.3 本章小結(jié) 12
第4章 機械手設(shè)計 14
4.1 運動分析 14
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
4.2.1 手部設(shè)計 16
4.2.1.1 概述 16
4.2.1.2 機械式手抓設(shè)計 16
4.2.1.3 夾緊氣缸的設(shè)計計算 17
4.2.2 臂部設(shè)計 19
4.2.2.1 臂部設(shè)計的基本要求 19
4.2.2.2 手臂直線運動機構(gòu) 20
4.2.2.3 手臂伸縮運動氣缸的設(shè)計計算 20
4.2.3 機身設(shè)計 22
4.2.3.1 概述 22
4.2.3.2 臂部俯仰運動氣缸的設(shè)計計算 23
4.2.3.3 回轉(zhuǎn)運動氣動裝置的設(shè)計計算 25
4.3 本章小結(jié) 27
結(jié) 論 28
致 謝 29
附錄1 32
附錄2 34
第1章 概述
1.1 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的背景與目的
1.1.1 數(shù)控機床
數(shù)控機床是一種以數(shù)字量作為指令信息、形式，通過電子計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C裝置控制的機床，是在機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活而高效的自動化機床，在機械行業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，因為它具有如下的特點：
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
針對數(shù)控車床設(shè)計的一種套類零件自動上下料機構(gòu)，實現(xiàn)了坯料的抓取、自動定位、夾緊以及工件的回放。該機構(gòu)主要由自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手，動力及控制系統(tǒng)組成。零件的自動定位、夾緊由彈簧漲胎心軸實現(xiàn)，漲胎心軸是以工件的內(nèi)孔表面定位，由氣缸驅(qū)動彈性筒夾向外擴漲，實現(xiàn)工件的定位和夾緊的。坯料、工件的拾取、回放是由單臂形式的機械手通過伸縮、旋轉(zhuǎn)以及俯仰等運動實現(xiàn)的，這些運動均由氣缸驅(qū)動獲得。
本設(shè)計中，為實現(xiàn)工件的自動上下料，單臂機械手的運動與漲胎心軸的張合需進行緊密配合?？紤]到所夾持工件的實際尺寸、質(zhì)量等因素，本機構(gòu)采用氣動夾具、電氣控制實現(xiàn)了坯料和工件的拾取、安裝、回放過程的自動完成。
本文對氣動機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的坐標(biāo)形式和自由度。同時，設(shè)計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 自動上下料；氣動機械手；氣動夾具；套類零件
Abstract
This paper is aimed at designing a sleeve parts automatic baiting agencies for a CNC lathe.Its function is processing the crawls, automatic positioning and clamping of the workpiece.The automatic baiting agencies mainly consist of the automatic fixture, the manipulator for picking up the workpiece and billets and the drive and control system.Among them,the automatic positioning and clamping of the sets parts is achieved by the axis fetal heart rate rising to the workpiece centering hole.When clamping the workpiece,flexible tube folder can center and clamp the cylindrical hole through the expansion and inflation;blank grasping of the workpiece and the intervals are achieved by the manipulator arm by stretching and rotating.In the issue,it is necessary for the movements of the manipulator arm and the automatical fixture Zhang to require the coordination.Taking into account that the actual workpiece size,the quality and the various features of the driven approach to the system,we decide to adopt the aerodynamic control,using compressed air to achieve the movements of the clamping fixture and manipulator.
Keywords:Automatic baiting;Pneumatic manipulator;Pneumatic fixture;sleeve parts
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的背景與目的 1
1.1.1 數(shù)控機床 1
1.2 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義 4
第2章 總體方案設(shè)計 5
2.1 方案設(shè)計概述 5
2.1.1 方案設(shè)計 5
2.1.1.1 明確設(shè)計要求 5
2.1.1.2 功能分析 5
2.1.1.3 功能原理設(shè)計 5
2.1.2 技術(shù)設(shè)計 5
2.1.2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 6
2.1.2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
2.2 驅(qū)動方式的確定 6
2.2.1 電動機驅(qū)動 7
2.2.2 氣壓驅(qū)動 7
2.3 本章小結(jié) 9
第3章 氣缸夾緊設(shè)計 10
3.1 夾緊力的確定 10
3.2 夾緊氣缸的設(shè)計計算 10
3.3 本章小結(jié) 12
第4章 機械手設(shè)計 14
4.1 運動分析 14
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
4.2.1 手部設(shè)計 16
4.2.1.1 概述 16
4.2.1.2 機械式手抓設(shè)計 16
4.2.1.3 夾緊氣缸的設(shè)計計算 17
4.2.2 臂部設(shè)計 19
4.2.2.1 臂部設(shè)計的基本要求 19
4.2.2.2 手臂直線運動機構(gòu) 20
4.2.2.3 手臂伸縮運動氣缸的設(shè)計計算 20
4.2.3 機身設(shè)計 22
4.2.3.1 概述 22
4.2.3.2 臂部俯仰運動氣缸的設(shè)計計算 23
4.2.3.3 回轉(zhuǎn)運動氣動裝置的設(shè)計計算 25
4.3 本章小結(jié) 27
結(jié) 論 28
致 謝 29
附錄1 32
附錄2 34
第1章 概述
1.1 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的背景與目的
1.1.1 數(shù)控機床
數(shù)控機床是一種以數(shù)字量作為指令信息、形式，通過電子計算機或?qū)Ｓ糜嬎銠C裝置控制的機床，是在機電一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活而高效的自動化機床，在機械行業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，因為它具有如下的特點：
（1） 適應(yīng)性強
適應(yīng)性即所謂的柔性，是指數(shù)控機床隨生產(chǎn)對象變化而變化的適應(yīng)能力。在數(shù)控機床上進行產(chǎn)品加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時，僅僅需要改變數(shù)控設(shè)備的輸入程序（即工作程序，又稱用戶軟件）就能適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，而不需改變機械部分和控制部分的硬件，而且生產(chǎn)過程是自動完成的。這一點不僅滿足了當(dāng)前產(chǎn)品更新、更快的市場競爭需要，而且較好的解決了單件、小批量、多變產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)問題。適應(yīng)性強是數(shù)控機床最突出的優(yōu)點，也是數(shù)控機床得以生產(chǎn)和迅速發(fā)展的主要原因。
（2）能實現(xiàn)復(fù)雜的運動
普通機床難以實現(xiàn)或根本無法實現(xiàn)軌跡為三次以上的曲線或曲面的運動，如螺旋槳、汽輪機葉片之類的空間曲面; 而數(shù)控機床則可以實現(xiàn)幾乎是任意軌跡運動和任何形狀的空間曲面，適用于復(fù)雜異型零件的加工。
（3）加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定
數(shù)控機床是按照預(yù)定程序自動工作的，一般情況下工作過程不需要人工干預(yù)，這就消除了操作者認為生產(chǎn)的誤差。在設(shè)計制造設(shè)備主機時，通常采取了許多措施，使數(shù)控設(shè)備的機械部分達到較高的精度。數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量可達0.01—0.00002mm, 同時，可以通過實現(xiàn)檢測反饋修正誤差或補償來獲得更高的精度。因此，數(shù)控機床可以獲得比機床本身精度更高的加工精度。尤其提高了同批零件生產(chǎn)的一致性 ，使產(chǎn)品質(zhì)量獲得穩(wěn)定的控制。
（4）生產(chǎn)效率高
數(shù)控機床比普通機床的生產(chǎn)效率能高出許多倍。尤其對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可提高十幾倍甚至幾十倍。其原因如下：
①數(shù)控機床具有較高的剛性，可采用較大的切削用量，有效地減少了加工中的切削時間。
②具有自動變速、自動換刀河其他輔助操作自動化等功能，而且無需工序間的檢驗和測量，使輔助時間大為縮短。
③工序集中、一機多用的數(shù)控加工中心，在一次裝夾工件后幾乎可以完成零件的全部加工，這樣不僅可減少裝夾誤差，還可減少半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率的提高更為明顯。
④減輕勞動強度，改善勞動條件
數(shù)控機床的工作是按預(yù)先編制好的加工程序自動連續(xù)完成的，操作者除輸入加工程序及相關(guān)的操作之外，不需進行繁重的重復(fù)手工操作，勞動條件和勞動強度大為改善。
⑤有利于科學(xué)的生產(chǎn)管理
采用數(shù)控機床能準(zhǔn)確地計算產(chǎn)品生產(chǎn)工時，并有效地建華檢驗、工夾具和半成品的管理工作。數(shù)控機床采用標(biāo)準(zhǔn)的信息代碼輸入，這樣有利于于計算機連接，構(gòu)成由計算機控制和管理的生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理的自動化。
數(shù)控機床與普通機床相比具有許多優(yōu)點，其應(yīng)用范圍正在不斷擴大，但目前它并不能完全替代普通機床，也還不能以最經(jīng)濟的方式解決機械加工中的所有問題。在實際選用時，一定要充分考慮其技術(shù)經(jīng)濟效益。數(shù)控機床最適合加工具有以下特點的零件：
（1）多品種小批量生產(chǎn)的零件。
（2）形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件。
（3）需要頻繁改型的零件。
（4）價格昂貴，不允許報廢的關(guān)鍵零件。
（5）需要最短周期制作的急需零件。
（6）批量較大精度要求很高的零件。
由于數(shù)控機床的自動化程度、生產(chǎn)效率都很高，可最大限度地減小操作工人。因此，大批量生產(chǎn)的零件采用數(shù)控機床加工，在經(jīng)濟上也是可行的。
車床主要是用于車削加工，在機床上一般可以加工各種回轉(zhuǎn)表面，如內(nèi)外圓柱面、圓錐面、成形回轉(zhuǎn)表面及螺紋表面等。在數(shù)控車床上還可以加工高精度的曲面與端面螺紋。用的刀具主要是車刀、各種孔加工工具（鉆頭、鉸刀、鏜刀等）及螺紋刀具。車床主要用于加工各種軸類、套筒類和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。數(shù)控車床加工零件的尺寸精度可達IT5~IT6，表面粗糙度可達1.6μm以下。
數(shù)控車床的種類很多，各種臥式車床都有數(shù)控化的。數(shù)控車床主要可分為數(shù)控臥式車床、數(shù)控立式車床和數(shù)控專用車床（數(shù)控凸輪車床、數(shù)控曲軸車床、數(shù)控絲杠車床等）；或分為普通數(shù)控車床和車削加工中心。
數(shù)控車床與臥式車床相比，有以下幾個特點：
?。?）高精度 數(shù)控車床控制系統(tǒng)的性能不斷提高，機械結(jié)構(gòu)不斷完善，機床精度日益提高。
（2）高效率 隨著新刀具材料的應(yīng)用和機床結(jié)構(gòu)的完善，數(shù)控車床的加工效率、主軸轉(zhuǎn)速、傳動功率不斷提高，使得新型數(shù)控車床的空轉(zhuǎn)動時間大為縮短。其加工效率比臥式車床高2~5倍。加工零件形狀越復(fù)雜，越體現(xiàn)出數(shù)控車床的高效率加工特點。
（3）高柔性 數(shù)控車床具有高柔性，適應(yīng)70%以上的多品種、小批量零件的自動加工。
（4）高可靠性 隨著數(shù)控系統(tǒng)的性能提高，數(shù)控車床的無故障工作時間迅速提高。
（5）工藝能力強 數(shù)控車床既能用于粗加工又能用于精加工，可以在一次裝夾中完成零件全部或大部分工序。
（6）模塊化設(shè)計 數(shù)控車床的設(shè)計多采用模塊化原則設(shè)計。
現(xiàn)在，數(shù)控車床技術(shù)還在不斷向前發(fā)展著。隨著數(shù)控系統(tǒng)，機床結(jié)構(gòu)和刀具材料的技術(shù)發(fā)展，數(shù)控車床將向高速化發(fā)展，進一步提高主軸轉(zhuǎn)速、刀具快速移動以及轉(zhuǎn)位換刀速度；工藝和工序?qū)⒏訌?fù)合化和集中化；數(shù)控車床向多主軸、多刀架加工方向發(fā)展；為實現(xiàn)長時間無人化全自動操作，數(shù)控車床向全自動化方向發(fā)展；機床的加工精度向更高方向發(fā)展。同時，數(shù)控車床也向簡易型發(fā)展。
隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多重體力勞動必將有機器代替，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。隨著機械制造業(yè)的日益發(fā)展和數(shù)控車床的普及使用，工件的裝夾往往成為制約提高加工效率的主要原因，而普通車床常用的夾緊送料方式是采用手工送料，利用裝在機床主軸法蘭上的三爪卡盤或四爪卡盤進行夾緊工件，裝夾時間較長，工人的勞動強度大。對于數(shù)控車床而言，人工裝夾時間往往比加工時間還長，為此，在數(shù)控車床上曾開發(fā)出液壓或電機夾緊送料裝置。液壓夾緊裝置雖然體積小，但必須每臺車床配備一套液壓站，所以其成本較高，且送料機構(gòu)采用重物提拉方法，結(jié)構(gòu)大，占用地方多，另外液壓站使用的介質(zhì)為液壓油，維護保養(yǎng)時易污染環(huán)境等。電機夾緊裝置的體積較液壓夾緊裝置稍微大些，較經(jīng)濟，但一般只有夾緊裝置而只有送料裝置，使數(shù)控車床無法實現(xiàn)自動連續(xù)工作，從而降低了數(shù)控車床的加工效率。
套類零件自動上下料機構(gòu)主要包括自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手，動力及控制系統(tǒng)。在數(shù)控車床加工過程中，該機構(gòu)用于實現(xiàn)坯料的抓取、自動定位夾緊以及工件的回放等功能，可以實現(xiàn)數(shù)控車床的自動連續(xù)工作，操作簡便，大幅度提高了工作效率和加工的自動化程度。
1.2 氣動四自由度機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義
該機械手利用壓縮空氣作為動力源，取之不盡，用之不竭，可以節(jié)約能源，氣體不易堵塞流動通道，用過后可隨時排入，不污染環(huán)境，成本較低，維護保養(yǎng)容易氣動動作迅速，反應(yīng)快，氣動機械手與氣動夾具相互配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車床的自動連續(xù)工作，從而提高了加工成本，降低了工人的勞動強度。
第2章 總體方案設(shè)計
2.1 方案設(shè)計概述
機械產(chǎn)品的設(shè)計過程由三個相互影響的步驟組成，稱為方案設(shè)計階段（或稱概念設(shè)計階段）、技術(shù)設(shè)計階段（或稱初步設(shè)計階段）和施工設(shè)計階段（或稱詳細設(shè)計階段）。
2.1.1 方案設(shè)計
方案設(shè)計階段的主要任務(wù)是根據(jù)計劃任務(wù)書，在經(jīng)調(diào)研進一步確定設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)造性思維和試驗研究，，克服技術(shù)難關(guān)，經(jīng)過分析、綜合與技術(shù)經(jīng)濟評價，使構(gòu)思和目標(biāo)完善化，從而確定出產(chǎn)品的工作原理與總體設(shè)計方案。2.1.1.1 明確設(shè)計要求
設(shè)計要求主要是功能要求、使用性能要求、工況適應(yīng)性要求、宜人性要求、外觀要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、工藝性要求、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)化要求、經(jīng)濟性要求等等。
2.1.1.2 功能分析
技術(shù)系統(tǒng)是由構(gòu)造體系和功能體系構(gòu)成的。建立構(gòu)造體系是為了實現(xiàn)功能要求。對技術(shù)系統(tǒng)從功能體系入手進行分析，有利于擺脫現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的束縛，形成新的更好的方案。功能分析的目標(biāo)是通過分析，建立對象系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，通過局部功能的聯(lián)系，實現(xiàn)系統(tǒng)的總功能。功能分析過程是設(shè)計人員初步醞釀功能原理設(shè)計方案的過程。這個過程往往不是一次能夠完成的，而是隨著設(shè)計工作的深入進行不斷修改、完善。
2.1.1.3 功能原理設(shè)計
此階段的落腳點是為不同的功能、不同的工作原理、不同的運動規(guī)律匹配不同的結(jié)構(gòu)，這就是通常所說的型、數(shù)綜合，而且通過上述的排列組合，會出現(xiàn)非常多的功能原理解，產(chǎn)生很多的運動方案，這就為優(yōu)選方案提供了基礎(chǔ)。
2.1.2 技術(shù)設(shè)計
技術(shù)設(shè)計的任務(wù)是在功能原理設(shè)計所取得的優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，使原理構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具有實用水平的具體結(jié)構(gòu)，其中包括確定基本技術(shù)參數(shù)，進行總體布局設(shè)計和結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計。對所設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)滿足如下要求：制造和維護經(jīng)濟、操縱方便安全、可靠性高、使用壽命合理。為了達到這些要求，零件應(yīng)滿足強度、剛度、抗振性、耐磨性、耐熱性和工藝性等原則。
2.1.2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)
（1）主要尺寸參數(shù) 工作尺寸標(biāo)志著機械的工作范圍和主要性能，一般包括工作尺寸、外形尺寸、工作裝置尺寸等。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品需滿足的工藝要求及尺寸范圍來確定。
（2）質(zhì)量參數(shù) 包括整機質(zhì)量、各主要部件質(zhì)量、質(zhì)心位置等。
（3）功率參數(shù)（包括運動參數(shù)、動力參數(shù)） 機械的運動參數(shù)有移動速度、加速度和調(diào)速范圍等，主要取決于機器要實現(xiàn)的工藝要求。機器的動力參數(shù)包括承載力、原動機功率。工作裝置是載荷直接作用的構(gòu)件，力參數(shù)是其設(shè)計計算的依據(jù)，也是機械性能的主要標(biāo)志。原動機功率反映了機械的動力級別，它與其他參數(shù)有函數(shù)關(guān)系，常是機械分級的標(biāo)志，也是機械中各零部件的尺寸設(shè)計計算的依據(jù)。
（4）技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 包括機械的生產(chǎn)率，機械的精度、效率、壽命、成本等。技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)是評價機械設(shè)備性能優(yōu)劣的主要依據(jù)，也是設(shè)計應(yīng)達到的基本要求。
2.1.2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上給出具體的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是明確（功能明確、工作原理明確、使用工況及應(yīng)力狀態(tài)明確）、簡單、安全（結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全、功能安全、運行安全、工作安全和環(huán)境安全）。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理提供了用具體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)定功能的策略和方法。
2.2 驅(qū)動方式的確定
驅(qū)動系統(tǒng)是帶動操作機各運動副的動力源，常用的驅(qū)動方式包括電動機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種。
2.2.1 電動機驅(qū)動
電動機驅(qū)動是利用各種類型的電動機經(jīng)過機械傳動（或直接）驅(qū)動操作機構(gòu)以獲得各種運動。其應(yīng)用類型大致可分為普通交、直流電動機驅(qū)動、直流伺服電動機驅(qū)動、交流伺服電動機驅(qū)動、步進電動機驅(qū)動等。
普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。
電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動機性能也逐漸提高。電力驅(qū)動因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、起動力矩大等優(yōu)點而被廣泛選用。
2.2.2 氣壓驅(qū)動
氣壓傳動是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞和信號傳遞的。氣壓傳遞的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)化為壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運動或回轉(zhuǎn)運動形式的機械能，從而完成各種動作，并對外做功。
氣動技術(shù)在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也被廣泛應(yīng)用于機械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。氣動機械手、組合機床、加工中心、生產(chǎn)自動線、自動檢測和實驗裝置等已大量涌現(xiàn)，它們在提高生產(chǎn)效率、自動化程度、產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性和實現(xiàn)特殊工藝等方面顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。這主要是因為氣壓傳動與機械、電氣、液壓傳動傳動相比有以下特點。
氣壓傳動的優(yōu)點：
（1）工作介質(zhì)是空氣，與液壓油相比可節(jié)約能源，而且取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，用過后可將其隨時排入大氣中，不污染環(huán)境；
（2）空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時，對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能；
（3）空氣的粘度很小（約為液壓油的萬分之一），所以流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠距離輸送；
（4）相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應(yīng)快，一般只需0.02～0.3s就可達到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為1～5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時甚至達到音速，排氣時還達到超音速；
（5）氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵繼續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變；
（6）氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行2000～4000萬次；
（7）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越；
（8）氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護方便，過載能自動保護。
氣壓傳動的不足之處：
（1）由于空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差，外載變化時，對工作速度的影響較大；
（2）由于工作壓力低，氣動裝置的輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。氣壓傳動裝置的輸出力不宜大于10～40kN；
（3）氣動裝置中的信號傳遞速度比光、電控制速度慢，所以不宜用于信號傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的遙控也比較困難，但對一般的機械設(shè)備，氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的；
（4）噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。
在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其中不少氣動系統(tǒng)應(yīng)用于機器人，多用于開關(guān)控制和順序控制的機器人。氣動執(zhí)行元件既有直線氣缸也有旋轉(zhuǎn)氣動馬達。
氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)是壓縮空氣，氣動控制閥簡單、便宜，而且工作壓力也低的多。多數(shù)氣動驅(qū)動用來完成擋塊間的運動。氣動系統(tǒng)的主要優(yōu)點之一就是操作簡便、易于編程，所以可以完成大量的點位搬運操作的任務(wù)。但是用氣壓伺服實現(xiàn)高精度很困難。不過在能滿足精度的場合，氣壓驅(qū)動在所有的機器人及機械手中是重量最輕的，成本也最低。安裝在多路接頭上的電磁閥控制通向各個氣動元件的氣流量。
綜上所述，并結(jié)合具體設(shè)計的上下料機構(gòu)抓取工件的尺寸、大小等，本設(shè)計最終采用氣壓驅(qū)動。
2.3 本章小結(jié)
隨著機械制造業(yè)的發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。為了更有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，改善工人的勞動條件，數(shù)控機床的使用越來越普遍，因而對自動上下料機構(gòu)的設(shè)計也就變得越來越重要。
本設(shè)計中的自動上下料機構(gòu)的工作對象是套類零件，主要由自動安裝夾具，坯料、工件拾取機械手和動力及控制系統(tǒng)組成。其中，自動安裝夾具為自動定心夾緊的漲胎心軸，機械手是單臂式的，動力及控制采用氣壓驅(qū)動和電氣控制。普通氣缸驅(qū)動的機械手可實現(xiàn)柔性自動上下料，送料精度較高，能節(jié)約人力、降低加工成本。氣動機械手與氣動夾具相輔相成實現(xiàn)自動上下料，不但省事，減少投資，節(jié)約時間，而且工作可靠。
第3章 夾緊氣缸的設(shè)計
3.1 夾緊力的確定
（1）計算工件在車削時所受的切削分力Pz
根據(jù)相關(guān)資料，車削外圓時，計算Fc的經(jīng)驗公式如下：
Fc=cFCapXfcfyFCKFC （3—1）
式中，cFC—與工件材料、刀具材料及切削條件等有關(guān)的系數(shù)；
ap —背吃刀量，mm；
f—進給量，mm/r；
xFC，yFC —指數(shù)；
KFC—切削條件不同時的修正系數(shù)。
根據(jù)經(jīng)驗公式從有關(guān)資料中查出，用γo=15°，Kr=75°的硬質(zhì)合金車刀車削結(jié)構(gòu)鋼件外圓時，
cFC=1609，xFC=1，yFC=0.84，ap=1mm，f=0.1mm/r
其中,指數(shù)xFC比yFC大，說明背吃刀量ap對Fc的影響比進給量f對Fc的影響大。
那么，F(xiàn)c=1609×1×（0.1）0.84×1=232.57N
則，Pz=Fc=232.57N
（2）工件與心軸在軸向方向與圓周方向的摩擦系數(shù)為：f1=f2=0.2
（3）安全系數(shù)K=2.5
（4）為防止工件在車削時，在切削分力Pz作用下打滑而轉(zhuǎn)動所需的軸向拉力為：
（3—2）
3.2 夾緊氣缸的設(shè)計計算
（1）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力—推力Q=3627.7N，得：
活塞式氣缸（雙作用氣缸）內(nèi)徑：
（3—3）
式中，p —氣缸工作壓力，Pa；
η—氣缸的機械效率；
d —活塞桿直徑,mm。
代入數(shù)值得：
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進行圓整，得D=100mm。
（2）活塞桿直徑的確定與驗算
取活塞桿直徑d=25mm，按下式進行驗算：
（3—4）
式中，p —活塞桿承受的軸向力，N；
[σ]—活塞桿材料的需用應(yīng)力，N。
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強度要求。
（3）氣缸筒壁厚的確定與驗算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=10mm,根據(jù)下式進行強度驗算：
（3—5）
式中，t —氣缸筒的壁厚，mm；
P —最高工作壓力，Pa；
D —氣缸筒內(nèi)徑，mm；
[σ]—氣缸筒材料的許用應(yīng)力，Pa。
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強度要求。
（4）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進排氣口螺孔的大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計算。根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑查取。
根據(jù)D=100 mm，查得，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M14×1.5。
（5）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。
（6）連接螺栓直徑的確定與驗算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=10mm，按下式進行驗算：
（3—6）
式中，A —氣缸的有效截面積，mm2；
P —氣缸的工作壓力，Pa；
σb—螺栓材料的抗拉強度，Pa；
x —需用應(yīng)力與抗拉強度之比，取；
n —螺栓數(shù)目。
代入數(shù)值，得：
，成立。
故螺栓直徑符合要求。
3.3 本章小結(jié)
車床夾具裝在機床主軸上并帶動工件旋轉(zhuǎn)，加工回轉(zhuǎn)面、端面等。以外圓定位的車床夾具，如卡盤、卡頭；以內(nèi)孔定位的車床夾具，如各類心軸；以中心孔定位的車床夾具，如各類頂尖、
撥盤等。本設(shè)計中夾具以內(nèi)孔定位，故采用心軸與彈性筒夾組合而成。
為保證加工表面的形狀、位置精度，夾具與主軸的聯(lián)結(jié)的定心精度要高，定心方式要與選用機床主軸端部結(jié)構(gòu)相符，鼎新后再加以壓緊或拉緊，保證可靠和安全。
車床夾具是在高速回轉(zhuǎn)，即受切削力又受慣性力作用，因此夾緊力必須考慮充分且大小足夠，必須有可靠的自鎖性。
第4章 機械手設(shè)計
4.1 運動分析
套類零件自動線大多數(shù)為一臺機床配備兩臺結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機械手，分別承擔(dān)工件的上下料運動。也有設(shè)計成在一臺機械手上采用了兩只機械臂的形式，這樣一臺雙臂機械手就能承擔(dān)兩臺單臂機械手的工作。在本設(shè)計中，為了減少機械手的數(shù)量同時由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺單臂機械手來承擔(dān)工件的上下料運動。
圖4-1 機械手機構(gòu)簡圖
如圖4-1所示，本設(shè)計所采取的結(jié)構(gòu)中，機械手工作時，首先機械手手臂伸長，手爪從料臺夾緊工件后，手臂上仰，然后機身逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入數(shù)控機床夾具上夾緊，手臂縮回后俯下到料臺高度完成上料過程，此時數(shù)控機床開始對工件進行加工。當(dāng)機床加工完工件后，機械手手臂開始上仰一定角度后，手臂伸出到機床主軸中心線的高度，然后手爪夾緊工件，機床夾具松開后，機械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下到料臺高度并將工件放在料臺上，手臂縮回，機械手回到原始位置，從而完成下料過程。上下料過程循環(huán)進行，實現(xiàn)工件的連續(xù)加工。
從上述運動過程可以看出，機械手需要三個自由度：機身回轉(zhuǎn)、手臂俯仰和伸縮。具體的分析過程如下：從上一章的數(shù)控機床有關(guān)參數(shù)以及確定的機械手和機床之間的位置關(guān)系可以知道，料臺高800mm而機床主軸中心線高為1100mm，因此機械手爪的升降高度應(yīng)為300mm（這一動作是由升降缸升降28 mm，帶動手臂俯仰一定角度實現(xiàn)的）。機械手位于數(shù)控機床和料臺的中間位置，而機床主軸與料臺之間間隔為1800mm，所以機械手手臂伸長之后應(yīng)為947mm，這樣才能在旋轉(zhuǎn)180°后準(zhǔn)確地將工件放入機床夾具內(nèi)或放在料臺上。
一臺單臂機械手同時承擔(dān)工件的上下料運動，比采用兩臺單臂機械手的優(yōu)點在于，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，定位精度高，維修方便。在本設(shè)計中，驅(qū)動系統(tǒng)為機床夾具和機械手提供運動的動力，是動力源。驅(qū)動系統(tǒng)按驅(qū)動介質(zhì)的不同，可以分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動、機械傳動，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動。
經(jīng)過分析比較，本設(shè)計采用氣壓驅(qū)動控制機床夾具和機械手。同其他驅(qū)動方式相比，氣壓驅(qū)動具有以下優(yōu)點：動力源為壓縮空氣，成本低，而且維護保養(yǎng)容易，無污染等。
電控線路輔助氣壓回路控制機械手自動完成工件的上下料。機械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機械手外，大多數(shù)要專門進行電控系統(tǒng)地設(shè)計。根據(jù)控制程序的不同，電控方式分為固定程序，包括繼電器線路，半導(dǎo)體邏輯線路；可編程序，包括順序控制器，示教再現(xiàn)式計算機。
在本設(shè)計中，因為是專用機械手，考慮到實際的生產(chǎn)情況，要求設(shè)備的使用壽命高，工作可靠，成本低，經(jīng)過分析比較，采用半導(dǎo)體邏輯線路控制機械手和機床夾具，在工作精度一定的前提下，半導(dǎo)體邏輯不僅能滿足生產(chǎn)的實際需要，而且價格較低，
并且在必要時可以改換成PC單片機控制。
綜上所述，啟動工作后，機械手臂伸長，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，逆時針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入夾具夾緊后，手爪松開，手臂縮回、落下后完成上料動作；機床加工完工件后，機械手臂再次上仰后伸長，手爪夾緊工件，夾具松開，機械手順時針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下相同角度后，將工件放在料臺上，手臂縮回到初始位置，從而完成下料動作。
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1 手部設(shè)計
4.2.1.1 概述
手爪應(yīng)具有一定的通用性，其主要功能是：抓住工件，握持工件和釋放工件。
手爪按夾持原理可以分為機械類，磁力類和真空類三種。機械類手爪有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類，前者是有指手爪，后者是無指手爪。產(chǎn)生夾緊力的驅(qū)動源可以有氣動、液動、電動和電磁四種。磁力類手爪主要是磁力吸盤，有電磁吸盤和永磁吸盤兩類。真空類手爪是真空式吸盤，根據(jù)形成真空的原理可以分為真空吸盤、氣流負壓吸盤、擠氣負壓吸盤三種。磁力手爪及真空手爪是無指手爪。機械手爪按手指數(shù)目分為二指手爪和多指手爪，按手指關(guān)節(jié)分為單關(guān)節(jié)手指手爪和多關(guān)節(jié)手指手爪。手爪按智能化分為普通式手爪（手爪不具備傳感器）和智能化手爪（手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺傳感器、滑覺傳感器等）。
手爪設(shè)計和選用最主要的是滿足功能上的要求，由于本課題中的套類零件尺寸很小，自身的重量很輕，設(shè)計中決定采用二指機械式手爪夾持工件的外圓柱表面。
4.2.1.2 機械式手爪設(shè)計
（1）驅(qū)動 機械式手爪通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。其中，氣動手爪有許多突出優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容易維修、而且開合迅速，重量輕。故氣動手爪目前應(yīng)用廣泛。設(shè)計中決定采用氣動手爪。
（2）傳動 驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力。傳動機構(gòu)有多種形式，如平行連桿式、齒輪齒條式、
撥桿杠桿式、滑槽式等等。本設(shè)計中的機械手爪采用雙支點連桿杠桿式的，驅(qū)動桿末端與連桿有鉸銷鉸接，當(dāng)驅(qū)動桿作直線往復(fù)運動時，則通過連桿推動兩桿手指各繞支點作回轉(zhuǎn)運動，從而使手指松開或閉合。
（3）爪鉗 爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點越多，所要求的夾緊力越小，對夾緊工件來說更顯得安全。所設(shè)計的手爪爪鉗具有V形表面，有四條折線與工件相接觸，形成力封閉形式的夾持狀態(tài)，安全可靠。
4.2.1.3 夾緊氣缸的設(shè)計計算
（1）工件質(zhì)量
（2）當(dāng)工件被豎直夾持時，手指握住工件時所需要的夾緊力最大，工件質(zhì)量為5kg，則夾緊力為 ：N=mg=5×9.8=49N
（3）手部的驅(qū)動力計算
圖4-２ 手爪受力分析簡圖
如圖4-2所示 ，Q為活塞桿推力，N為手指夾緊工件的夾緊力，則由力矩平衡，知
（4—1）
其中，b=5mm,c=75mm,α=80°，代入數(shù)值得
活塞桿推力
（4）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力—推力Q=259.2N得：
活塞式氣缸內(nèi)徑
（4—2）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進行圓整，得D=32mm。
（5）活塞桿直徑的確定與驗算
取活塞桿直徑d=10mm，按下式進行驗算：
（4—3）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強度要求。
（6）氣缸筒壁厚的確定與驗算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進行強度驗算：
（4—4）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強度要求。
（7）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進排氣口螺孔的大小與空氣消耗量（缸徑、活塞桿直徑、活塞的平均速度等）及供氣壓力均有關(guān)系，故難于準(zhǔn)確計算。根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑查取。
根據(jù)D=32mm，查得，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M6×1。
（8）活塞的厚度取決于密封圈的種類和排數(shù)。氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。
（9）連接螺栓直徑的確定與驗算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進行驗算：
（4—5）
代入數(shù)值，得：
，成立。
故螺栓直徑符合要求。
4.2.2 臂部設(shè)計
工業(yè)機器人的臂部一般具有2～3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大，受力一般較復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。
4.2.2.1 臂部設(shè)計的基本要求
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況，油（氣）缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計手臂時一般要注意下述要求：
（1）剛度要求高
為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大的多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支撐板。
（2）導(dǎo)向性要好
為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。
（3）重量要輕
為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
（4）運動要平穩(wěn)，定位精度要高
由于臂部運動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。
4.2.2.2 手臂的常用機構(gòu)
（1）手臂直線運動機構(gòu)
機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機構(gòu)等。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。
（2）手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)
實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、 鏈輪傳動機構(gòu)、活塞缸和連桿機構(gòu)等。
機械手手臂需完成的是伸縮運動，故采用活塞氣缸。
4.2.2.3 手臂伸縮運動氣缸的設(shè)計計算
計算臂部運動驅(qū)動力，要把臂部所受的全部載荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。
臂部作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括氣缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支撐滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算
Pq=Fm+Fg （4—6）
式中，F(xiàn)m—各支撐處的摩擦阻力，N；
Fg—啟動過程中的慣性力，N,其大小可按下式估算
Fg=Ma （4—7）
式中，M—手臂伸縮部件的總質(zhì)量，kg；
a—啟動過程中的平均加速度，m/s2。
而平均加速度a可按下式計算
（4—8）
式中，—速度增量，m/s；
—升降速過程所用時間，s，一般為0.01～0.5s。
（1）工件質(zhì)量m1=5kg
手爪部件質(zhì)量m2=0.58+0.41+0.09=1.08kg
手臂伸出的總質(zhì)量M1=5+1.08+0.79+0.15+0.98+0.05=8.05kg
取動摩擦系數(shù)f=0.18，則
Fm=fM1g=0.18×8.05×9.8=14.2N
由于手臂的運動速度很小，啟動過程中的慣性力可略去不計。那么，驅(qū)動力Pq=Fm=14.2N
（2）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力—推力Q=14.2N得：
活塞式氣缸內(nèi)徑
（4—9）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與長度的驗算
取活塞桿直徑d=20mm，L=400mm
L/d＞10且活塞桿受壓時，其長度按下式進行驗算：
（4—10）
式中，m—與氣缸安裝方式有關(guān)的安裝系數(shù)；
A—活塞桿的橫截面積，mm2；
p—活塞桿承受的軸向壓力，N；
n—安全系數(shù)，一般取n=2～4.
代入數(shù)值，得
，成
立。
故活塞桿長度滿足要求。
（4）氣缸筒壁厚的確定與驗算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進行強度驗算：
（4—11）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強度要求。
（5）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑D=32mm，查得，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M6×1。
（6）氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值。活塞的厚度取決于密封圈的排數(shù)。
（7）連接螺栓直徑的確定與驗算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進行驗算：
（4—12）
代入數(shù)值，得：
， 成立。
故螺栓直徑符合要求。
4.2.3 機身設(shè)計
4.2.3.1 概述
機身，又稱為立柱。機器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是工業(yè)機器人的機座，機座往往與機身做成一體。機身是支撐臂部的部件。一般實現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運動，常有1至3個自由度。
機身設(shè)計時要注意下列問題：
（1）要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；
（2）運動要靈活，升降運動的導(dǎo)套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置；
（3）結(jié)構(gòu)布置要合理。
通常機身具有回轉(zhuǎn)、升降、回轉(zhuǎn)與升降、回轉(zhuǎn)與升降以及俯仰共5種運動，采用哪一種自由度形式由工業(yè)機器人的總體設(shè)計來定。比如，圓柱坐標(biāo)式機器人把回轉(zhuǎn)與升降2個自由度歸屬于機身；球坐標(biāo)式機器人把回轉(zhuǎn)與俯仰2個自由度歸屬于機身；關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機器人把回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機身；直角坐標(biāo)式機器人有時把升降，有時把水平移動一個自由度歸屬于機身。
機械手機身需要完成回轉(zhuǎn)及俯仰運動?；剞D(zhuǎn)運動采用活塞氣缸與齒輪齒條組成的機構(gòu)驅(qū)動；手臂的俯仰運動采用活塞氣缸與連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。驅(qū)動手臂俯仰運動的活塞氣缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體通過采用尾部耳環(huán)方式與支撐立柱相連接。
4.2.3.2 臂部俯仰運動氣缸的設(shè)計計算
作垂直運動時，除克服摩擦力之外，還要克服自身運動部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等的總重力以及升降運動的全部部件慣性力，其驅(qū)動力可按下式計算
Pq=Fm+Fg+W （4—13）
式中，F(xiàn)m—各支撐處的摩擦力，N；
Fg—啟動時的總慣性力，N；
W—運動部件的總重力，N。
（1）氣缸舉升的總質(zhì)量為M2=8.05+0.68+0.5+2.7+0.29+0.05=12.27kg
W=M2g=12.27×9.8=120N
Fm=fW=0.18×120=21.6N
那么，驅(qū)動力Pq=21.6+120=141.6N
（2）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出
力—推力Q=259.2N得：
活塞式氣缸內(nèi)徑
（4—14）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與驗算
取活塞桿直徑d=20mm，按下式進行驗算：
（4—15）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強度要求。
（4）氣缸筒壁厚的確定與驗算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進行強度驗算：
（4—16）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強度要求。
（5）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑D=32mm，查得，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M6×1。
（6）氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值?；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。
（7）連接螺栓直徑的確定與驗算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進行驗
算：
（4—17）
代入數(shù)值，得：
，成立。
故螺栓直徑符合要求。
4.2.3.3 回轉(zhuǎn)運動氣動裝置的設(shè)計計算
回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩只包括兩項：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩；機身自身運動部件和其攜帶的手臂、手腕、手部、工件等總慣性力矩，故驅(qū)動力矩可按下式計算
Mq=Mm+Mg （4—18）
式中，Mm—總摩擦阻力矩，N·m；
Mg—各回轉(zhuǎn)運動部件總慣性力矩，N·m。
而， （4—19）
式中，—在升速或制動過程中角速度增量，1/s；
—回轉(zhuǎn)運動升速或制動過程的時間，s；
—全部回轉(zhuǎn)零部件對機身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量,kg·㎡。如果零件外廓尺寸不大，重心到回轉(zhuǎn)軸線距離又遠時，可按質(zhì)點計算它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
（1）回轉(zhuǎn)部件的總質(zhì)量M3=12.27＋1.88＋0.66＋1.3＋7.86=23.97kg
J0=M3r2=23.97×0.452=4.85kg·㎡
那么，
則驅(qū)動力矩Mq=2.26+4.85=7.11N·m
氣缸的驅(qū)動力Q=7.11/0.025=284.4N
（2）根據(jù)機械設(shè)計手冊，由預(yù)算確定的所需氣缸軸向輸出力—推力Q=284.4N得：
活塞式氣缸內(nèi)徑
（4—20）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化氣缸系列的數(shù)值進行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與驗算
取活塞桿直徑d=28mm，按下式進行驗算：
（4—21）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強度要求。
（4）氣缸筒壁厚的確定與驗算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機械設(shè)計手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進行強度驗算：
（4—22）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強度要求。
（5）氣缸進排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機械設(shè)計手冊，按缸徑D=32mm，查得，進排氣口螺孔直徑規(guī)格為d=M6×1。
（6）氣缸筒與活塞、活塞桿與活塞、氣缸筒與氣缸蓋、活塞桿與氣缸蓋之間均選用0形橡膠密封圈，其溝槽尺寸皆為標(biāo)準(zhǔn)值?；钊暮穸热Q于密封圈的排數(shù)。
（7）連接螺栓直徑的確定與驗算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進行驗算：
（4—23）
代入數(shù)值，得：
，成立。
故螺栓直徑符合要求。
（8）齒輪軸
取模數(shù)m=2.5，齒數(shù)Z=20，則分度圓直徑d=mZ=2.5×20=50mm
齒頂高ha=ha*m=1×2.5=2.5mm
齒根高hf=(ha*+c*)m=1.25×2.5=3.125mm
由于氣缸的工作壓力足以旋轉(zhuǎn)齒輪軸，且轉(zhuǎn)速小，質(zhì)量輕，尺寸小，故不必校核軸的強度。
4.3 本章小結(jié)
在生產(chǎn)周期中，工件有85%的時間處于等待狀態(tài)，另外5%的時間用于運輸和檢測，只有10%的時間用于加工和調(diào)整；在一般情況下，通過改進加工過程最多再縮短生產(chǎn)周期的3%～5%。由此可見，提高機床的自動化程度，提高機床的加工效率，對縮短生產(chǎn)周期是有限的。因此，采用合理的自動化上下料裝置，縮短機床的輔助時間，才能更有效的提高勞動生產(chǎn)率。
結(jié) 論
套類零件自動上下料機構(gòu)主要由單臂機械手、彈簧漲胎心軸夾具組成，二者均由氣動驅(qū)動并輔以電氣控制。其中，單臂機械手由伸縮氣缸、升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸等通過法蘭、螺栓聯(lián)結(jié)而成，能夠旋轉(zhuǎn)180°進行機床的上下料。彈簧漲胎心軸作為車床夾具，通過夾具體與主軸相連并帶動工件回轉(zhuǎn)，它主要由彈性筒夾和心軸組成，通過均勻彈性變形實現(xiàn)定心夾緊。
本上下料機構(gòu)采用氣動驅(qū)動機械手，實現(xiàn)了內(nèi)徑φ30～40mm、外徑φ60～80mm、長度150mm套類工件、坯料的拾取、回放等功能；采用彈簧漲胎心軸實現(xiàn)了工件的自動定位、夾緊；通過氣動、電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)了拾取——送料、定位——夾緊、拾取——回放等過程的自動完成。對相關(guān)自動輸送料系統(tǒng)的設(shè)計有一定的參考價值。
本自動上下料機構(gòu)基本滿足了所有功能要求，實現(xiàn)了自動化過程，但在其細節(jié)處仍存在一些問題：
（1）上料過程中，機械手將工件送入夾具時，夾具對工件進行精確定位夾緊；
（2）在不損傷工件的前提下，手爪夾緊工件時，夾緊力的精確控制。
上述問題在設(shè)計過程中未得到圓滿解決，仍需日后繼續(xù)解決。
致 謝
大學(xué)四年的生活使我受益匪淺，不管對學(xué)習(xí)還是生活都有了新的認識。在這段旅途中有太多的人值得我用心去感謝。首先，要感謝我的指導(dǎo)老師王杰老師，在這段時間里，王老師為了能讓我順利的完成畢業(yè)設(shè)計傾注了大量的心血，我的畢業(yè)設(shè)計從選題、結(jié)構(gòu)設(shè)計到繪圖、修改都得到了王老師的悉心指導(dǎo)，整個設(shè)計過程傾注了老師不少的心血和勞動。王老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、諄諄教導(dǎo)的學(xué)者風(fēng)范，都使