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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(jì)（論文）
摘 要
針對(duì)數(shù)控車床設(shè)計(jì)的一種套類零件自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了坯料的抓取、自動(dòng)定位、夾緊以及工件的回放。該機(jī)構(gòu)主要由自動(dòng)安裝夾具，坯料、工件拾取機(jī)械手，動(dòng)力及控制系統(tǒng)組成。零件的自動(dòng)定位、夾緊由彈簧漲胎心軸實(shí)現(xiàn)，漲胎心軸是以工件的內(nèi)孔表面定位，由氣缸驅(qū)動(dòng)彈性筒夾向外擴(kuò)漲，實(shí)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(jī)械手通過伸縮、旋轉(zhuǎn)以及俯仰等運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，這些運(yùn)動(dòng)均由氣缸驅(qū)動(dòng)獲得。
本設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)上下料，單臂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與漲胎心軸的張合需進(jìn)行緊密配合?？紤]到所夾持工件的實(shí)際尺寸、質(zhì)量等因素，本機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)夾具、電氣控制實(shí)現(xiàn)了坯料和工件的拾取、安裝、回放過程的自動(dòng)完成。
本文對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 自動(dòng)上下料；氣動(dòng)機(jī)械手；氣動(dòng)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(dòng)四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景與目的 1
1.1.1 數(shù)控機(jī)床 1
1.2 氣動(dòng)四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義 4
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 方案設(shè)計(jì)概述 5
2.1.1 方案設(shè)計(jì) 5
2.1.1.1 明確設(shè)計(jì)要求 5
2.1.1.2 功能分析 5
2.1.1.3 功能原理設(shè)計(jì) 5
2.1.2 技術(shù)設(shè)計(jì) 5
2.1.2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 6
2.1.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定 6
2.2.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 7
2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng) 7
2.3 本章小結(jié) 9
第3章 氣缸夾緊設(shè)計(jì) 10
3.1 夾緊力的確定 10
3.2 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.3 本章小結(jié) 12
第4章 機(jī)械手設(shè)計(jì) 14
4.1 運(yùn)動(dòng)分析 14
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
4.2.1 手部設(shè)計(jì) 16
4.2.1.1 概述 16
4.2.1.2 機(jī)械式手抓設(shè)計(jì) 16
4.2.1.3 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
4.2.2 臂部設(shè)計(jì) 19
4.2.2.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 19
4.2.2.2 手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 20
4.2.2.3 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.2.3 機(jī)身設(shè)計(jì) 22
4.2.3.1 概述 22
4.2.3.2 臂部俯仰運(yùn)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
4.2.3.3 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景與目的
1.1.1 數(shù)控機(jī)床
數(shù)控機(jī)床是一種以數(shù)字量作為指令信息、形式，通過電子計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)裝置控制的機(jī)床，是在機(jī)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(dòng)化機(jī)床，在機(jī)械行業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗哂腥缦碌奶攸c(diǎn)：
（1） 適應(yīng)性強(qiáng)
適應(yīng)性即所謂的柔性，是指數(shù)控機(jī)床隨生產(chǎn)對(duì)象變化而變化的適應(yīng)能力。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行產(chǎn)品加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時(shí)，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(jī)械部分和控制部分的硬件，而且生產(chǎn)過程是自動(dòng)完成的。這一點(diǎn)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(dòng)化生產(chǎn)問題。適應(yīng)性強(qiáng)是數(shù)控機(jī)床最突出的優(yōu)點(diǎn)，也是數(shù)控機(jī)床得以生產(chǎn)和迅速發(fā)展的主要原因。
（2）能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)
普通機(jī)床難以實(shí)現(xiàn)或根本無法實(shí)現(xiàn)軌跡為三次以上的曲線或曲面的運(yùn)動(dòng)，如螺旋槳、汽輪機(jī)葉片之類的空間曲面; 而數(shù)控機(jī)床則可以實(shí)現(xiàn)幾乎是任意軌跡運(yùn)動(dòng)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(jī)床是按照預(yù)定程序自動(dòng)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(rèn)為生產(chǎn)的誤差。在設(shè)計(jì)制造設(shè)備主機(jī)時(shí)，通常采取了許多措施，使數(shù)控設(shè)備的機(jī)械部分達(dá)到較高的精度。數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量可達(dá)0.01—0.00002mm, 同時(shí)，可以通過實(shí)現(xiàn)檢測反饋修正誤差或補(bǔ)償來獲得更高的精度。因此，數(shù)控機(jī)床可以獲得比機(jī)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(jī)床比普通機(jī)床的生產(chǎn)效率能高出許多倍。尤其對(duì)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(jī)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(shí)間。
②具有自動(dòng)變速、自動(dòng)換刀河其他輔助操作自動(dòng)化等功能，而且無需工序間的檢驗(yàn)和測量，使輔助時(shí)間大為縮短。
③工序集中、一機(jī)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(shí)間，生產(chǎn)效率的提高更為明顯。
④減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件
數(shù)控機(jī)床的工作是按預(yù)先編制好的加工程序自動(dòng)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(jìn)行繁重的重復(fù)手工操作，勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度大為改善。
⑤有利于科學(xué)的生產(chǎn)管理
采用數(shù)控機(jī)床能準(zhǔn)確地計(jì)算產(chǎn)品生產(chǎn)工時(shí)，并有效地建華檢驗(yàn)、工夾具和半成品的管理工作。數(shù)控機(jī)床采用標(biāo)準(zhǔn)的信息代碼輸入，這樣有利于于計(jì)算機(jī)連接，構(gòu)成由計(jì)算機(jī)控制和管理的生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制造和生產(chǎn)管理的自動(dòng)化。
數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，但目前它并不能完全替代普通機(jī)床，也還不能以最經(jīng)濟(jì)的方式解決機(jī)械加工中的所有問題。在實(shí)際選用時(shí)，一定要充分考慮其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控機(jī)床最適合加工具有以下特點(diǎn)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(jià)格昂貴，不允許報(bào)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(jī)床的自動(dòng)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(jī)床加工，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。
車床主要是用于車削加工，在機(jī)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(dá)IT5~IT6，表面粗糙度可達(dá)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(gè)特點(diǎn)：
?。?）高精度 數(shù)控車床控制系統(tǒng)的性能不斷提高，機(jī)械結(jié)構(gòu)不斷完善，機(jī)床精度日益提高。
（2）高效率 隨著新刀具材料的應(yīng)用和機(jī)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(dòng)功率不斷提高，使得新型數(shù)控車床的空轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(diǎn)。
（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(dòng)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(shí)間迅速提高。
（5）工藝能力強(qiáng) 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(jì) 數(shù)控車床的設(shè)計(jì)多采用模塊化原則設(shè)計(jì)。
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(jī)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(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速、刀具快速移動(dòng)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(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人化全自動(dòng)操作，數(shù)控車床向全自動(dòng)化方向發(fā)展；機(jī)床的加工精度向更高方向發(fā)展。同時(shí)，數(shù)控車床也向簡易型發(fā)展。
隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多重體力勞動(dòng)必將有機(jī)器代替，這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。隨著機(jī)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(jī)床主軸法蘭上的三爪卡盤或四爪卡盤進(jìn)行夾緊工件，裝夾時(shí)間較長，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。對(duì)于數(shù)控車床而言，人工裝夾時(shí)間往往比加工時(shí)間還長，為此，在數(shù)控車床上曾開發(fā)出液壓或電機(jī)夾緊送料裝置。液壓夾緊裝置雖然體積小，但必須每臺(tái)車床配備一套液壓站，所以其成本較高，且送料機(jī)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(hù)保養(yǎng)時(shí)易污染環(huán)境等。電機(jī)夾緊裝置的體積較液壓夾緊裝置稍微大些，較經(jīng)濟(jì)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)上下料機(jī)構(gòu)主要包括自動(dòng)安裝夾具，坯料、工件拾取機(jī)械手，動(dòng)力及控制系統(tǒng)。在數(shù)控車床加工過程中，該機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)坯料的抓取、自動(dòng)定位夾緊以及工件的回放等功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的自動(dòng)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(dòng)化程度。
1.2 氣動(dòng)四自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義
該機(jī)械手利用壓縮空氣作為動(dòng)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(dòng)通道，用過后可隨時(shí)排入，不污染環(huán)境，成本較低，維護(hù)保養(yǎng)容易氣動(dòng)動(dòng)作迅速，反應(yīng)快，氣動(dòng)機(jī)械手與氣動(dòng)夾具相互配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控車床的自動(dòng)連續(xù)工作，從而提高了加工成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 方案設(shè)計(jì)概述
機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程由三個(gè)相互影響的步驟組成，稱為方案設(shè)計(jì)階段（或稱概念設(shè)計(jì)階段）、技術(shù)設(shè)計(jì)階段（或稱初步設(shè)計(jì)階段）和施工設(shè)計(jì)階段（或稱詳細(xì)設(shè)計(jì)階段）。
2.1.1 方案設(shè)計(jì)
方案設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是根據(jù)計(jì)劃任務(wù)書，在經(jīng)調(diào)研進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)造性思維和試驗(yàn)研究，，克服技術(shù)難關(guān)，經(jīng)過分析、綜合與技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，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(jì)方案。2.1.1.1 明確設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)功能要求。對(duì)技術(shù)系統(tǒng)從功能體系入手進(jìn)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(duì)象系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，通過局部功能的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總功能。功能分析過程是設(shè)計(jì)人員初步醞釀功能原理設(shè)計(jì)方案的過程。這個(gè)過程往往不是一次能夠完成的，而是隨著設(shè)計(jì)工作的深入進(jìn)行不斷修改、完善。
2.1.1.3 功能原理設(shè)計(jì)
此階段的落腳點(diǎn)是為不同的功能、不同的工作原理、不同的運(yùn)動(dòng)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(huì)出現(xiàn)非常多的功能原理解，產(chǎn)生很多的運(yùn)動(dòng)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(jì)
技術(shù)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在功能原理設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì)。對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)滿足如下要求：制造和維護(hù)經(jīng)濟(jì)、操縱方便安全、可靠性高、使用壽命合理。為了達(dá)到這些要求，零件應(yīng)滿足強(qiáng)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(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)） 機(jī)械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有移動(dòng)速度、加速度和調(diào)速范圍等，主要取決于機(jī)器要實(shí)現(xiàn)的工藝要求。機(jī)器的動(dòng)力參數(shù)包括承載力、原動(dòng)機(jī)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(jì)計(jì)算的依據(jù)，也是機(jī)械性能的主要標(biāo)志。原動(dòng)機(jī)功率反映了機(jī)械的動(dòng)力級(jí)別，它與其他參數(shù)有函數(shù)關(guān)系，常是機(jī)械分級(jí)的標(biāo)志，也是機(jī)械中各零部件的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。
（4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 包括機(jī)械的生產(chǎn)率，機(jī)械的精度、效率、壽命、成本等。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是評(píng)價(jià)機(jī)械設(shè)備性能優(yōu)劣的主要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的基本要求。
2.1.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是依據(jù)所確定的原理方案，在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出具體的結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)行安全、工作安全和環(huán)境安全）。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理提供了用具體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的策略和方法。
2.2 驅(qū)動(dòng)方式的確定
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力源，常用的驅(qū)動(dòng)方式包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)三種。
2.2.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用各種類型的電動(dòng)機(jī)經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)（或直接）驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)以獲得各種運(yùn)動(dòng)。其應(yīng)用類型大致可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。
普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也逐漸提高。電力驅(qū)動(dòng)因有不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、起動(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛選用。
2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)
氣壓傳動(dòng)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的。氣壓傳遞的工作原理是利用空壓機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)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(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，從而完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功。
氣動(dòng)技術(shù)在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門。氣動(dòng)機(jī)械手、組合機(jī)床、加工中心、生產(chǎn)自動(dòng)線、自動(dòng)檢測和實(shí)驗(yàn)裝置等已大量涌現(xiàn)，它們在提高生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度、產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性和實(shí)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?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)與機(jī)械、電氣、液壓傳動(dòng)傳動(dòng)相比有以下特點(diǎn)。
氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
（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(dòng)通道，用過后可將其隨時(shí)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(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。且溫度變化時(shí)，對(duì)空氣的粘度影響極小，故不會(huì)影響傳動(dòng)性能；
（3）空氣的粘度很小（約為液壓油的萬分之一），所以流動(dòng)阻力小，在管道中流動(dòng)的壓力損失較小，所以便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送；
（4）相對(duì)液壓傳動(dòng)而言，氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，一般只需0.02～0.3s就可達(dá)到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動(dòng)速度一般為1～5m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時(shí)甚至達(dá)到音速，排氣時(shí)還達(dá)到超音速；
（5）氣體壓力具有較強(qiáng)的自保持能力，即使壓縮機(jī)停機(jī)，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個(gè)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(dòng)元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運(yùn)行百萬次，而氣動(dòng)元件可運(yùn)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(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動(dòng)和控制優(yōu)越；
（8）氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)方便，過載能自動(dòng)保護(hù)。
氣壓傳動(dòng)的不足之處：
（1）由于空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性較差，外載變化時(shí)，對(duì)工作速度的影響較大；
（2）由于工作壓力低，氣動(dòng)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(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置輸出的力要小得多。氣壓傳動(dòng)裝置的輸出力不宜大于10～40kN；
（3）氣動(dòng)裝置中的信號(hào)傳遞速度比光、電控制速度慢，所以不宜用于信號(hào)傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的遙控也比較困難，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備，氣動(dòng)信號(hào)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(shí)要加消聲器。
在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡單的，在工業(yè)上應(yīng)用很廣。其中不少氣動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人，多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人。氣動(dòng)執(zhí)行元件既有直線氣缸也有旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá)。
氣動(dòng)系統(tǒng)的工作介質(zhì)是壓縮空氣，氣動(dòng)控制閥簡單、便宜，而且工作壓力也低的多。多數(shù)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)用來完成擋塊間的運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一就是操作簡便、易于編程，所以可以完成大量的點(diǎn)位搬運(yùn)操作的任務(wù)。但是用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度很困難。不過在能滿足精度的場合，氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的機(jī)器人及機(jī)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(gè)氣動(dòng)元件的氣流量。
綜上所述，并結(jié)合具體設(shè)計(jì)的上下料機(jī)構(gòu)抓取工件的尺寸、大小等，本設(shè)計(jì)最終采用氣壓驅(qū)動(dòng)。
2.3 本章小結(jié)
隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)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(dòng)條件，數(shù)控機(jī)床的使用越來越普遍，因而對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也就變得越來越重要。
本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的工作對(duì)象是套類零件，主要由自動(dòng)安裝夾具，坯料、工件拾取機(jī)械手和動(dòng)力及控制系統(tǒng)組成。其中，自動(dòng)安裝夾具為自動(dòng)定心夾緊的漲胎心軸，機(jī)械手是單臂式的，動(dòng)力及控制采用氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣控制。普通氣缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)上下料，送料精度較高，能節(jié)約人力、降低加工成本。氣動(dòng)機(jī)械手與氣動(dòng)夾具相輔相成實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，不但省事，減少投資，節(jié)約時(shí)間，而且工作可靠。
第3章 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
3.1 夾緊力的確定
（1）計(jì)算工件在車削時(shí)所受的切削分力Pz
根據(jù)相關(guān)資料，車削外圓時(shí)，計(jì)算Fc的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)給量，mm/r；
xFC，yFC —指數(shù)；
KFC—切削條件不同時(shí)的修正系數(shù)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)，
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(duì)Fc的影響比進(jìn)給量f對(duì)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(shí)，在切削分力Pz作用下打滑而轉(zhuǎn)動(dòng)所需的軸向拉力為：
（3—2）
3.2 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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 —?dú)飧坠ぷ鲏毫Γ琍a；
η—?dú)飧椎臋C(jī)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(jìn)行圓整，得D=100mm。
（2）活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
取活塞桿直徑d=25mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)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(qiáng)度要求。
（3）氣缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其壁厚選取為t=10mm,根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
（3—5）
式中，t —?dú)飧淄驳谋诤?，mm；
P —最高工作壓力，Pa；
D —?dú)飧淄矁?nèi)徑，mm；
[σ]—?dú)飧淄膊牧系脑S用應(yīng)力，Pa。
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
（4）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進(jìn)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(jì)算。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑查取。
根據(jù)D=100 mm，查得，進(jìn)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(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=10mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
（3—6）
式中，A —?dú)飧椎挠行Ы孛娣e，mm2；
P —?dú)飧椎墓ぷ鲏毫?，Pa；
σb—螺栓材料的抗拉強(qiáng)度，Pa；
x —需用應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之比，?。?
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(jī)床主軸上并帶動(dòng)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(jì)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(jī)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(jī)械手設(shè)計(jì)
4.1 運(yùn)動(dòng)分析
套類零件自動(dòng)線大多數(shù)為一臺(tái)機(jī)床配備兩臺(tái)結(jié)構(gòu)完全相同的單臂機(jī)械手，分別承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動(dòng)。也有設(shè)計(jì)成在一臺(tái)機(jī)械手上采用了兩只機(jī)械臂的形式，這樣一臺(tái)雙臂機(jī)械手就能承擔(dān)兩臺(tái)單臂機(jī)械手的工作。在本設(shè)計(jì)中，為了減少機(jī)械手的數(shù)量同時(shí)由于要加工的零件尺寸和質(zhì)量不大，僅采用一臺(tái)單臂機(jī)械手來承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動(dòng)。
圖4-1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖
如圖4-1所示，本設(shè)計(jì)所采取的結(jié)構(gòu)中，機(jī)械手工作時(shí)，首先機(jī)械手手臂伸長，手爪從料臺(tái)夾緊工件后，手臂上仰，然后機(jī)身逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，將工件送入數(shù)控機(jī)床夾具上夾緊，手臂縮回后俯下到料臺(tái)高度完成上料過程，此時(shí)數(shù)控機(jī)床開始對(duì)工件進(jìn)行加工。當(dāng)機(jī)床加工完工件后，機(jī)械手手臂開始上仰一定角度后，手臂伸出到機(jī)床主軸中心線的高度，然后手爪夾緊工件，機(jī)床夾具松開后，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下到料臺(tái)高度并將工件放在料臺(tái)上，手臂縮回，機(jī)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(jìn)行，實(shí)現(xiàn)工件的連續(xù)加工。
從上述運(yùn)動(dòng)過程可以看出，機(jī)械手需要三個(gè)自由度：機(jī)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(jī)床有關(guān)參數(shù)以及確定的機(jī)械手和機(jī)床之間的位置關(guān)系可以知道，料臺(tái)高800mm而機(jī)床主軸中心線高為1100mm，因此機(jī)械手爪的升降高度應(yīng)為300mm（這一動(dòng)作是由升降缸升降28 mm，帶動(dòng)手臂俯仰一定角度實(shí)現(xiàn)的）。機(jī)械手位于數(shù)控機(jī)床和料臺(tái)的中間位置，而機(jī)床主軸與料臺(tái)之間間隔為1800mm，所以機(jī)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(jī)床夾具內(nèi)或放在料臺(tái)上。
一臺(tái)單臂機(jī)械手同時(shí)承擔(dān)工件的上下料運(yùn)動(dòng)，比采用兩臺(tái)單臂機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)在于，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，定位精度高，維修方便。在本設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)床夾具和機(jī)械手提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，是動(dòng)力源。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的不同，可以分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)，也可以采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。
經(jīng)過分析比較，本設(shè)計(jì)采用氣壓驅(qū)動(dòng)控制機(jī)床夾具和機(jī)械手。同其他驅(qū)動(dòng)方式相比，氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)力源為壓縮空氣，成本低，而且維護(hù)保養(yǎng)容易，無污染等。
電控線路輔助氣壓回路控制機(jī)械手自動(dòng)完成工件的上下料。機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)地設(shè)計(jì)。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(jì)算機(jī)。
在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭菍Ｓ脵C(jī)械手，考慮到實(shí)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(jī)械手和機(jī)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(shí)際需要，而且價(jià)格較低，
并且在必要時(shí)可以改換成PC單片機(jī)控制。
綜上所述，啟動(dòng)工作后，機(jī)械手臂伸長，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，逆時(shí)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(dòng)作；機(jī)床加工完工件后，機(jī)械手臂再次上仰后伸長，手爪夾緊工件，夾具松開，機(jī)械手順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后，手臂俯下相同角度后，將工件放在料臺(tái)上，手臂縮回到初始位置，從而完成下料動(dòng)作。
4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.2.1 手部設(shè)計(jì)
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(jī)械類，磁力類和真空類三種。機(jī)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(dòng)源可以有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)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(fù)壓吸盤、擠氣負(fù)壓吸盤三種。磁力手爪及真空手爪是無指手爪。機(jī)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(jì)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(jì)中決定采用二指機(jī)械式手爪夾持工件的外圓柱表面。
4.2.1.2 機(jī)械式手爪設(shè)計(jì)
（1）驅(qū)動(dòng) 機(jī)械式手爪通常采用氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁來驅(qū)動(dòng)手指的開合。其中，氣動(dòng)手爪有許多突出優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)手爪目前應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)中決定采用氣動(dòng)手爪。
（2）傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力。傳動(dòng)機(jī)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(jì)中的機(jī)械手爪采用雙支點(diǎn)連桿杠桿式的，驅(qū)動(dòng)桿末端與連桿有鉸銷鉸接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則通過連桿推動(dòng)兩桿手指各繞支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(duì)夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點(diǎn)越多，所要求的夾緊力越小，對(duì)夾緊工件來說更顯得安全。所設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算
（1）工件質(zhì)量
（2）當(dāng)工件被豎直夾持時(shí)，手指握住工件時(shí)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(dòng)力計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行圓整，得D=32mm。
（5）活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
取活塞桿直徑d=10mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
（4—3）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。
（6）氣缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
（4—4）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
（7）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
氣缸進(jìn)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(jì)算。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑查取。
根據(jù)D=32mm，查得，進(jìn)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(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)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(jì)
工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2～3個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動(dòng)載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jì)的基本要求
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)手臂時(shí)一般要注意下述要求：
（1）剛度要求高
為防止臂部在運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。
（3）重量要輕
為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高
由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。
4.2.2.2 手臂的常用機(jī)構(gòu)
（1）手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。
（2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)、 鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。
機(jī)械手手臂需完成的是伸縮運(yùn)動(dòng)，故采用活塞氣缸。
4.2.2.3 手臂伸縮運(yùn)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，要把臂部所受的全部載荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。
臂部作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)過程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算
Pq=Fm+Fg （4—6）
式中，F(xiàn)m—各支撐處的摩擦阻力，N；
Fg—啟動(dòng)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(dòng)過程中的平均加速度，m/s2。
而平均加速度a可按下式計(jì)算
（4—8）
式中，—速度增量，m/s；
—升降速過程所用時(shí)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(dòng)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(yùn)動(dòng)速度很小，啟動(dòng)過程中的慣性力可略去不計(jì)。那么，驅(qū)動(dòng)力Pq=Fm=14.2N
（2）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與長度的驗(yàn)算
取活塞桿直徑d=20mm，L=400mm
L/d＞10且活塞桿受壓時(shí)，其長度按下式進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
（4—11）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
（5）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑D=32mm，查得，進(jìn)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(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
（4—12）
代入數(shù)值，得：
， 成立。
故螺栓直徑符合要求。
4.2.3 機(jī)身設(shè)計(jì)
4.2.3.1 概述
機(jī)身，又稱為立柱。機(jī)器人必須有一個(gè)便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座，機(jī)座往往與機(jī)身做成一體。機(jī)身是支撐臂部的部件。一般實(shí)現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和俯仰等運(yùn)動(dòng)，常有1至3個(gè)自由度。
機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)要注意下列問題：
（1）要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；
（2）運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)，采用哪一種自由度形式由工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)來定。比如，圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人把回轉(zhuǎn)與升降2個(gè)自由度歸屬于機(jī)身；球坐標(biāo)式機(jī)器人把回轉(zhuǎn)與俯仰2個(gè)自由度歸屬于機(jī)身；關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人把回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機(jī)身；直角坐標(biāo)式機(jī)器人有時(shí)把升降，有時(shí)把水平移動(dòng)一個(gè)自由度歸屬于機(jī)身。
機(jī)械手機(jī)身需要完成回轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用活塞氣缸與齒輪齒條組成的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)采用活塞氣缸與連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦力之外，還要克服自身運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的全部部件慣性力，其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算
Pq=Fm+Fg+W （4—13）
式中，F(xiàn)m—各支撐處的摩擦力，N；
Fg—啟動(dòng)時(shí)的總慣性力，N；
W—運(yùn)動(dòng)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(dòng)力Pq=21.6+120=141.6N
（2）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
取活塞桿直徑d=20mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
（4—15）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。
（4）氣缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
（4—16）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
（5）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑D=32mm，查得，進(jìn)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(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)
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(yùn)動(dòng)氣動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩只包括兩項(xiàng)：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩；機(jī)身自身運(yùn)動(dòng)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(dòng)力矩可按下式計(jì)算
Mq=Mm+Mg （4—18）
式中，Mm—總摩擦阻力矩，N·m；
Mg—各回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件總慣性力矩，N·m。
而， （4—19）
式中，—在升速或制動(dòng)過程中角速度增量，1/s；
—回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)升速或制動(dòng)過程的時(shí)間，s；
—全部回轉(zhuǎn)零部件對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yuǎn)時(shí)，可按質(zhì)點(diǎn)計(jì)算它對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)力矩Mq=2.26+4.85=7.11N·m
氣缸的驅(qū)動(dòng)力Q=7.11/0.025=284.4N
（2）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)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(jìn)行圓整，得D=32mm。
（3）活塞桿直徑的確定與驗(yàn)算
取活塞桿直徑d=28mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：
（4—21）
代入數(shù)值，得
，成立。
故活塞桿直徑滿足強(qiáng)度要求。
（4）氣缸筒壁厚的確定與驗(yàn)算
氣缸內(nèi)徑確定后，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，其壁厚選取為t=5mm,根據(jù)下式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：
（4—22）
代入數(shù)值得
，成立。
故該缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
（5）氣缸進(jìn)排氣口螺孔直徑的確定
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，按缸徑D=32mm，查得，進(jìn)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(yàn)算
根據(jù)螺栓材料與載荷，初定螺栓直徑d=6mm，按下式進(jìn)行驗(yàn)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h(yuǎn)a=ha*m=1×2.5=2.5mm
齒根高h(yuǎn)f=(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(qiáng)度。
4.3 本章小結(jié)
在生產(chǎn)周期中，工件有85%的時(shí)間處于等待狀態(tài)，另外5%的時(shí)間用于運(yùn)輸和檢測，只有10%的時(shí)間用于加工和調(diào)整；在一般情況下，通過改進(jìn)加工過程最多再縮短生產(chǎn)周期的3%～5%。由此可見，提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，提高機(jī)床的加工效率，對(duì)縮短生產(chǎn)周期是有限的。因此，采用合理的自動(dòng)化上下料裝置，縮短機(jī)床的輔助時(shí)間，才能更有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
結(jié) 論
套類零件自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)主要由單臂機(jī)械手、彈簧漲胎心軸夾具組成，二者均由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)并輔以電氣控制。其中，單臂機(jī)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(jìn)行機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)定心夾緊。
本上下料機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，實(shí)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(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)定位、夾緊；通過氣動(dòng)、電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了拾取——送料、定位——夾緊、拾取——回放等過程的自動(dòng)完成。對(duì)相關(guān)自動(dòng)輸送料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。
本自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)基本滿足了所有功能要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化過程，但在其細(xì)節(jié)處仍存在一些問題：
（1）上料過程中，機(jī)械手將工件送入夾具時(shí)，夾具對(duì)工件進(jìn)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(shí)，夾緊力的精確控制。
上述問題在設(shè)計(jì)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(duì)學(xué)習(xí)還是生活都有了新的認(rèn)識(shí)。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(shí)間里，王老師為了能讓我順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)傾注了大量的心血，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)從選題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到繪圖、修改都得到了王老師的悉心指導(dǎo)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程傾注了老師不少的心血和勞動(dòng)。王老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、諄諄教導(dǎo)的學(xué)者風(fēng)范，都使