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小型氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)
摘 要：本文主要進(jìn)行了氣動(dòng)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取、搬運(yùn)和卸載。氣動(dòng)部分的設(shè)計(jì)主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計(jì)合理的氣動(dòng)控制回路，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作。氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī)械手；氣缸；控制閥；回路；設(shè)計(jì)
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
1 前言
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。
機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來(lái)搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。
氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種, 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。
氣動(dòng)機(jī)械手強(qiáng)調(diào)模塊化的形式, 現(xiàn)代傳輸技術(shù)的氣動(dòng)機(jī)械手在控制方面采用了先進(jìn)的閥島技術(shù)(可重復(fù)編程等), 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)(可實(shí)現(xiàn)任意位置上的精確定位), 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上全部采用模塊化的拼裝結(jié)構(gòu)。
90年代初, 由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y. Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開(kāi)發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人——“阿基里斯” 六腳勘探員, 是氣動(dòng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物”。6個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有3個(gè)自由度, 一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下, 一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展/退回運(yùn)動(dòng), 另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之用。
由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人, 它集遙感技術(shù)和真空技術(shù)于一體, 成功地解決了垂直攀緣等視為危險(xiǎn)工作的操作問(wèn)題。
T ron-X電子氣動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng), 并且有良好的柔韌性。在幕后操縱人員的操作下(或通過(guò)自身的編程控制) 能與人進(jìn)行對(duì)話, 或作自我介紹等。T ron-X電子氣動(dòng)機(jī)器人集電子技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和人工智能為一體, 它告訴我們, 氣動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)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(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力。
現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；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(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過(guò)程的高度自動(dòng)化，堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。
在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)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(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對(duì)加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸。
氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。
2 氣動(dòng)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.1 機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是機(jī)械手賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，可以是各種夾持器。有時(shí)人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器手的手部。氣動(dòng)手指是模擬人的手指抓緊工件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作的氣缸。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)型、平行開(kāi)閉型、支點(diǎn)開(kāi)閉型和三爪開(kāi)閉型。
2.1.2 腕部
腕部與手部相連，主要功能是帶動(dòng)手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，一般小于 270度,并且要求嚴(yán)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(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
2.1.3 臂部
手臂部件是機(jī)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(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。
2.2 機(jī)械手的基本形式選擇
常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種:
(1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手；
(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；
(3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手；
(4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。
其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。
2.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有4個(gè)自由度：手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和4個(gè)氣缸組成：
手部，采用一個(gè)氣爪，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合。
臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。
機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。氣動(dòng)機(jī)械手因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇氣壓驅(qū)動(dòng)[1]。
設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
（1）抓重:2Kg (夾持式手部)
（2）自由度數(shù):4個(gè)自由度
（3）座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)
（4）最大工作半徑:600mm
（5）手臂最大中心高:400mm
（6）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
伸縮行程：350mm
伸縮速度： 200mm/s
升降行程：250mm
升降速度： 100mm/s
回轉(zhuǎn)范圍：0~360°
回轉(zhuǎn)速度： 60mm/s
3 手部的設(shè)計(jì)
3.1 手部的基本要求
為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是圓柱形式時(shí)，使用夾持式手部；如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)采用的是夾持式手部結(jié)構(gòu)。
3.1.1夾持式手部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)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(duì)手部的基本要求
（1）具有足夠的夾緊力；
在確定手指的夾緊力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
（2）手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角；
兩手指張開(kāi)和閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮，一般來(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開(kāi)閉范圍大一些較好。
（3）保證工件準(zhǔn)確定位；
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)些許偏差，所以在選用配合的時(shí)候都采用IT8級(jí)，能滿足工件的定位。
（4）具有足夠的強(qiáng)度和剛度；
手部的材料通常采用強(qiáng)度和剛度都要同時(shí)能滿足抓取物件的大小，但同時(shí)也考慮到是氣壓傳動(dòng)，力比較小，所以不會(huì)采用鋼材類等。
（5）考慮被抓工件的形狀要求。
3.2 手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)本機(jī)械手的使用范圍，本機(jī)械手采用手指式機(jī)械手部。根據(jù)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(kāi)時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(kāi)閉手指是因?yàn)槠渌鶌A緊的工件直徑較大，開(kāi)閉行程比較難滿足。
3.3 手部的計(jì)算
3.3.1手指夾緊力的計(jì)算
手指夾在工件上的夾緊力時(shí)設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，一般來(lái)說(shuō)手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算：
（1）
式中：
——安全系數(shù)，有機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定，通常在1.2~2.0，故取1.5；
——工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度，得出工件情況系數(shù)，=1+a/g=1+[(200/100-0)/10]/10=1.02，故取1；
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及工件位置不同進(jìn)行選定，，摩擦系數(shù),故取3。
——被抓取的工件的重量 Kg
所以
。
3.3.2 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為：
（2）
由圖3-2可知，b=120mm ,R=24mm,
故
=90N
實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：
（3）
因?yàn)?級(jí)精度的齒輪傳動(dòng)的效率，，。
所以 N
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為139.2N。
3.3.3 氣壓缸直徑計(jì)算
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(shí)的總阻力。其公式為： （4）
式中：
——活塞桿上的推力，N
——彈簧反作用力，N
——?dú)飧坠ぷ鲿r(shí)的總阻力，N
——?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a。
彈簧反作用力計(jì)算如下：
式中：
——彈簧剛度，N/m
——彈簧預(yù)壓縮量，m
——活塞行程，m
——彈簧鋼絲直徑，m
——彈簧平均直徑，m
——彈簧外徑，m
——彈簧有效圈數(shù)，
——彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，故：
（5）
由以上分析得單向作用氣缸的直徑:
（6）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：
=
=3677.46(/m)
=3677.4660
=220.6(N) 所以可得到
=
=39.08(mm)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（氣壓傳動(dòng)）》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：
化簡(jiǎn)得
其中，
則：
=1.2218
所以滿足活塞桿設(shè)計(jì)要求。
3.3.4 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
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(nèi)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(jì)算:
（7）
式中
—— 缸筒壁厚 mm
D——?dú)飧變?nèi)徑 mm
P——實(shí)驗(yàn)壓力，取P=1.5P，Pa
缸筒應(yīng)采用不銹鋼、鋁合金或黃銅等材質(zhì)
本設(shè)計(jì)采用材料：ZL303
n為安全系數(shù)，一般取5。
=0.456（mm）
故取，則缸筒外徑為40+2.52=45mm。
4 腕部的設(shè)計(jì)
4.1 腕部的基本要求
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可能滿足工作的要求。換句話說(shuō)，為了使手部出于空間任意方向，要求腕部能分別對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。
設(shè)計(jì)時(shí)主要要注意以下幾點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)盡量緊湊以減輕重量；
（2）轉(zhuǎn)動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具備有獨(dú)立的自由度，使得機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置；同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)計(jì)一繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可以滿足工作的要求，目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)氣缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于360度，并且要求嚴(yán)格的密封。
圖2 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)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(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩已經(jīng)由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。如圖2。
4.3 腕部的計(jì)算
4.3.1 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按[1]下式計(jì)算：
(8)
式中：——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(Ncm)
——慣性力矩(Ncm)
——偏重力矩(Ncm)
——手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Ncm)。
根據(jù)圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算：
（1）若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則：
(Ncm) (9)
式中：
——參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N）
——工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N）
——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度（弧度/S）
——起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間（s）
若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
(10)
式中：
——工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N）
——工件的重量(N)
——工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm)
（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩
(Ncm) (11)
式中：
——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量（N）
——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距（cm）
當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則。
（3） 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩
(Ncm)
式中：
——轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑（cm）
——摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承
——處的支承反力（N），可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，
根據(jù)，得：
同理，根據(jù)，得：
(12)
式中：
——手部的重量(N)
——長(zhǎng)度尺寸（cm）。
4.3.2 氣壓缸壓力驗(yàn)算
在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)液壓缸，它的原理如圖3所示。
圖3回轉(zhuǎn)氣缸
Fig3 Rotary cylinder
定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)液體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的液體從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。葉片J氣缸的壓力p和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為:
或 (13)
式中：
M——回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩(N﹒cm)
P——回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力(N﹒cm)
R——缸體內(nèi)壁半徑(cm)
r——輸出軸半徑(cm)
b——?jiǎng)悠瑢挾?(cm)。
氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b=100mm，氣缸內(nèi)徑為，半徑R=48mm，軸徑mm,半徑R=13mm,氣缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，壓強(qiáng)p=0.4MPa,則力矩：
=
=32.6(N﹒m)
（1） 測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
(14) =
=0.0125(kg)
工件的質(zhì)量為2kg,質(zhì)量分布于長(zhǎng)玻璃杯上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
(15)
=
=0.0066（kg）
假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的玻璃杯來(lái)說(shuō)，最大偏心距，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
(16)
=0.0066+2
=0.0117（kg）
(17)
=(0.0125+0.0117)
=21.8(N)
(2) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為，考慮手腕動(dòng)作重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線=50mm，則有：
(18)
=2
=1(N)
(3)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對(duì)于滾動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，，為軸頸處的支承反力，粗略估計(jì)。
(19) =
=0.15（N）
(4)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，與選用的密封裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。此處粗略估計(jì)為的3倍，則有：
=3 (20)
=3
=0.15（N）
故
=21.8+1+0.05+0.15
=23（N）
因?yàn)?
所以滿足設(shè)計(jì)要求。
5 臂部的設(shè)計(jì)
5.1 臂部的基本要求
臂部是支撐手部和腕部的，主要用來(lái)改變工件位置的部件。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。
臂部的運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)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(dǎo)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(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕，慣性要小
由于機(jī)械手在高速的情況下經(jīng)常啟停和換向，為了減少?zèng)_擊，必須設(shè)有緩沖裝置。
(4) 導(dǎo)向性要好
為了防止手臂在直線移動(dòng)中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證手部的正確方向，必須設(shè)有一導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式、抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來(lái)確定。
5.2 臂部的具體設(shè)計(jì)方案
常見(jiàn)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：
(1)雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；
(2)手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；
(3)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；
(4)活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。
在本次設(shè)計(jì)手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參考各種型號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的要求，氣缸采用CTA系列的伸縮氣缸。初選內(nèi)徑80/50，故mm，R=25mm,設(shè)計(jì)所使用的壓強(qiáng)P=0.4MPa。
5.3 手臂伸縮的計(jì)算
手臂伸縮時(shí)需要克服摩擦力和慣性力，其驅(qū)動(dòng)力可按下式[1]計(jì)算：
(21)
式中：
——摩擦阻力包括導(dǎo)軌支承間的摩擦阻力；活塞與氣缸及密封處的摩擦阻力
——起動(dòng)過(guò)程的慣性力；其大小按下式[1]估算
(22)
式中：
G——手臂移動(dòng)部件的總質(zhì)量 kgf
g——重力加速度
——手臂運(yùn)動(dòng)速度
t——起動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 s 一般t=0.01s~0.5s
K——摩擦系數(shù)，一般k=0.2，
故：
=
=180（N）
液壓缸實(shí)際驅(qū)動(dòng)力
==785（N）
因?yàn)镕>故滿足設(shè)計(jì)要求。
5.4 手臂升降的計(jì)算
5.4.1尺寸設(shè)計(jì)
氣缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為，氣缸內(nèi)徑為，半徑R=31.5mm，氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間，設(shè)計(jì)壓強(qiáng)P=0.4MPa，則驅(qū)動(dòng)力為：
=
=1246.3（N）
5.4.2 尺寸校核
升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞氣缸的驅(qū)動(dòng)力可按下式[1]計(jì)算
(23)
式中：
——各個(gè)支撐處的摩擦力 kgf
——啟動(dòng)時(shí)慣性力 kgf
W——運(yùn)動(dòng)部件（包括手部、腕部、工件等的總重量） kgf
——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)
取0.5，代人數(shù)據(jù)可得：
=
=
=
因?yàn)?
故所設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。
5.5 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的計(jì)算
5.5.1 尺寸設(shè)計(jì)
氣缸長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為b=120mm,氣缸內(nèi)徑為，半徑R=105mm，軸徑，半徑R=20mm，氣缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，壓強(qiáng)P=0.4MPa。
則力矩：
=
=（N）
5.5.2 尺寸校核
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
式中：——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(Ncm)
——慣性力矩(Ncm)
——偏重力矩(Ncm)
——手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Ncm)。
（1）測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
=
=0.5(kg)
=90（N）
（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，考慮動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，故，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，故：
=100=50（N）
（3） 轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)k=0.2,故：
=0.2（N）
（N）
則有：
=90+50+18+54=212（N）
因?yàn)?
故回轉(zhuǎn)氣缸滿足設(shè)計(jì)要求。
6 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及選擇
本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手屬坐標(biāo)式機(jī)械手。具有手臂伸縮，回轉(zhuǎn)，升降，手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度。因此，相應(yīng)地有手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，手臂升降機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。
設(shè)計(jì)要求：
(1)滿足工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作順序要求。動(dòng)作順序的各個(gè)動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號(hào)控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)；
(2)機(jī)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(tǒng)的指令，完成工件的自動(dòng)換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動(dòng)作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)；
(3)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動(dòng)作邏輯要求，氣壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動(dòng)力要求和運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求。
本次設(shè)計(jì)采用氣壓傳動(dòng)的控制方式,相比其他傳動(dòng)控制方式,氣壓傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)工作介質(zhì)是空氣，它來(lái)源方便，取之不盡用之不竭，使用后直接排入大氣而無(wú)污染，不需要專門的回收裝置；
(2)空氣粘度很小，所以流動(dòng)時(shí)壓力損失較小，節(jié)能，高效，適用于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送；
(3)動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，調(diào)節(jié)方便，維護(hù)簡(jiǎn)單；
(4)工作環(huán)境適應(yīng)性好；
(5)成本低，具有過(guò)載保護(hù)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(jī)械手的自動(dòng)控制，采用可編程控制器進(jìn)行控制，前分析可得系統(tǒng)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(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。氣壓機(jī)械手采用單泵供氣，手臂伸縮，手腕回轉(zhuǎn)，夾持動(dòng)作采用并聯(lián)供氣，這樣可有效降低系統(tǒng)的供氣壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，換向閥采用中位“O”型換向閥。
6.2.2 調(diào)速方案
整個(gè)氣壓系統(tǒng)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(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的氣壓缸是單一速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證氣壓缸的平穩(wěn)運(yùn)行。各缸可選擇進(jìn)氣路或回氣路節(jié)流調(diào)速，選用節(jié)流閥調(diào)速。
單泵供氣系統(tǒng)以所有氣壓缸中需流量最大的來(lái)選擇泵的流量。系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，所需元件較少，經(jīng)濟(jì)性好，考慮到系統(tǒng)功率較小，其溢流損失也較小。
6.2.3 緩沖回路
伸縮臂處設(shè)置緩沖回路，使用節(jié)流減速緩沖。
6.2.4 系統(tǒng)安全可靠性
手臂升降缸在系統(tǒng)失壓的情況下會(huì)自由下落或超速下行，所以在回路中設(shè)置平衡回路。
6.3氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖
6.3.1工作原理圖
圖4所示為該機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖。它的氣源是由空氣壓縮機(jī)（1Mpa）通過(guò)快換接頭進(jìn)入出氣罐，經(jīng)分水過(guò)濾器、油霧器、進(jìn)入各并聯(lián)氣路上的電池閥，以控制氣缸和手部動(dòng)作。
具體工作原理如下：當(dāng)工件A進(jìn)入機(jī)械手范圍內(nèi)時(shí)，電磁閥1AY開(kāi)啟，手臂伸長(zhǎng)，夾緊缸左邊閥9AY開(kāi)啟經(jīng)排氣口排空，將工件夾好；另一路7AY通電，手臂回轉(zhuǎn)，1AY斷電，2AY通電，手臂縮回；機(jī)身下降3AY通電，之后旋轉(zhuǎn)到達(dá)目的機(jī)身回轉(zhuǎn)5AY通電，10AY通電，夾緊缸伸出工件掉落?；芈窌r(shí)，5AY斷電，6AY通電，回轉(zhuǎn)到一定角度后，3AY斷電，4AY通電，機(jī)身上升；當(dāng)達(dá)到高度時(shí)，重復(fù)。
圖4氣壓系統(tǒng)原理圖
Schematic diagram of 4 pressure system
7 結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，花費(fèi)了較多的心思設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手能很好的完成搬運(yùn)和裝卸運(yùn)動(dòng)。通過(guò)機(jī)身的收縮實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)臂架的收縮實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng)，通過(guò)回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。能方便的完成輕型工業(yè)化的自動(dòng)生產(chǎn)，對(duì)提高工作效率有較好的幫助。同時(shí)也降低了成本，減少人為的出錯(cuò)率等。
在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)也讓我對(duì)以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)更加的熟悉，使的我先前所學(xué)的理論知識(shí)得以在實(shí)踐中得到應(yīng)用，讓我更好的了解了本專業(yè)的特色對(duì)即將進(jìn)入工作崗位有了更多的信心和自信。
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致 謝
本設(shè)計(jì)是在陳文凱老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。
回首這幾個(gè)月來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，可以說(shuō)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(yàn)了我大學(xué)四年對(duì)各學(xué)科知識(shí)掌握程度，通過(guò)老師們和同學(xué)們的幫助今天我的設(shè)計(jì)終于做完了。雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到很多困難，但在做的過(guò)程中我真正掌握和領(lǐng)會(huì)了各項(xiàng)知識(shí)。面對(duì)問(wèn)題仔細(xì)分析，查閱各方文件資料，也得到老師和同學(xué)的幫助。
在這里我要特別感謝陳文凱老師，在這次設(shè)計(jì)中陳老師不厭其煩地指出我設(shè)計(jì)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(guān)懷和耐心的指導(dǎo)，使得設(shè)計(jì)工作得以順利完成。同時(shí)也要感謝和我一起進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)，是你們的鼓勵(lì)和支持，使設(shè)計(jì)中的困難得以解決。
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