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IV
摘 要
在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。
本文通過(guò)對(duì)機(jī)械手的組成和分類，及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r的了解，對(duì)本課題任務(wù)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。確定了機(jī)械手用三自由度和圓柱坐標(biāo)型式。設(shè)計(jì)了機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)；以及設(shè)計(jì)了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸縮，升降，回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度及手爪的開(kāi)合。驅(qū)動(dòng)方式由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂伸縮和升降，異步電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。
運(yùn)用了FX 系列可編程序控制器（PLC）對(duì)上下料機(jī)械手進(jìn)行控制, 論述了電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì), 控制軟件結(jié)構(gòu)以及手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，氣缸，可編程序控制器
Abstract
In mechanical manufacturing industry, manipulator has been applied extensively so that the labor condition of worker has been greatly improved , labor productivity raised notably, the step of industrial production mechanization and automation realized rapidly.
This article through to manipulator's composition and the classification, and the domestic and foreign development condition's understanding, has carried on the overall concept design to this topic duty. Had determined the manipulator uses three degrees-of-freedom and the circular cylindrical coordinate pattern. Has designed manipulator's clamp type hand structure; As well as has designed manipulator's gross structure, realizes the manipulator to expand and contract, the fluctuation, rotates three degrees-of-freedom and hand fingernail's opening and closing. The drive type realizes the arm expansion and the fluctuation by the air cylinder, the asynchronous machine realizes manipulator's revolving.
The paper illustrates that the control of the upper and lower material by means of the PLC and also includes the hardware design of the electric control system, the control software structure and the design of the manual and automatic control program.
Key words: manipulator, air cylinder, Programmable controller（PLC）
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目 錄
1 緒言 1
1.1 機(jī)械手的概述 1
1.2 我國(guó)機(jī)械手的發(fā)展 1
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 3
1.4 本課題設(shè)計(jì)要求 5
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 7
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 7
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇 8
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 9
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 9
3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
3.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述 11
3.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 12
4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 13
4.1 手部結(jié)構(gòu) 13
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 14
4.3 夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 16
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22
5.1 手臂的設(shè)計(jì)要求 22
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計(jì) 22
5.3 導(dǎo)向裝置 27
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 29
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
6.2 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì) 29
6.3 導(dǎo)向裝置 33
6.4 平衡裝置 33
6.5 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34
7 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
7.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖 37
8 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39
8.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 39
8.2 可編程序控制器的使用步驟 40
8.3 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 40
9 結(jié)論 52
參考文獻(xiàn) 53
致謝 54
基于PLC控制的三自由度氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 54
1 緒言
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
1.1 機(jī)械手的概述
機(jī)械手（又稱機(jī)器人，機(jī)械人，英文名稱：Robot），在人類科技發(fā)展史上其來(lái)有自。早在三國(guó)時(shí)代，諸葛亮發(fā)明的木牛流馬即是古代中國(guó)人的智能結(jié)晶。隨著近代的工業(yè)革命，機(jī)器產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展成為近代工業(yè)的主要支柱。由于科學(xué)幻想所系的“永動(dòng)機(jī)”、太空探險(xiǎn)以及夢(mèng)想解決人的機(jī)能所無(wú)法達(dá)致境界的求新意念，推動(dòng)科學(xué)家想研究創(chuàng)造出種種能夠代替人的機(jī)械。上世紀(jì)六、七十年代的自動(dòng)化機(jī)器、無(wú)人操縱的飛行器等等，即是此產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條上的一個(gè)大膽的嘗試與突破。雖然，后來(lái)電腦、電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)引開(kāi)了人們關(guān)注的熱點(diǎn)，但關(guān)于機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā)一直在持續(xù)進(jìn)行著。而近二十年中，因?yàn)殡娔X技術(shù)、電子產(chǎn)品及生物遺傳工程等技術(shù)的大踏步發(fā)展，“機(jī)械手”的研發(fā)熱潮已從專業(yè)人士的實(shí)驗(yàn)室中走了出來(lái)，成為一種綜合科研能力的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，參與者也打破了各行各業(yè)的劃地為牢、各自為政的困局，開(kāi)始了縱橫連合，爭(zhēng)奇斗妍，蔚成熱潮的研究與制作嘗試。
機(jī)械手的研究從一開(kāi)始就是擬人化的，所以才有機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)與制作，也是為了以機(jī)械來(lái)代替人去做人力所無(wú)法完成的勞作或探險(xiǎn)。但近十幾年來(lái)，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。大而言之，用之于太空開(kāi)發(fā)，月球車，深海探測(cè)器，海洋石油開(kāi)采，航天飛機(jī)機(jī)械臂等，小至微型手術(shù)機(jī)械，生命監(jiān)測(cè)儀等。軍事上的用途更是日新月異，從拆彈器、清除地雷器到無(wú)人駕駛飛機(jī)、戰(zhàn)車，有人甚至預(yù)測(cè)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)可能如星球大戰(zhàn)一樣，是機(jī)械手的戰(zhàn)爭(zhēng)。至于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、遺傳生物產(chǎn)業(yè)、醫(yī)學(xué)、文化產(chǎn)業(yè)、電訊業(yè)、能源開(kāi)發(fā)，都將因機(jī)械手的大量登場(chǎng)而出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)革命。英國(guó)電訊公司未來(lái)學(xué)部門研究員曾因準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手機(jī)短訊、垃圾電郵及網(wǎng)上搜尋引擎的出現(xiàn)而聞名，在最近公布的科技展望五十年的預(yù)測(cè)中，其中就有數(shù)條是關(guān)于機(jī)械手的[1]。
1.2 我國(guó)機(jī)械手的發(fā)展
第一臺(tái)機(jī)械手出現(xiàn)后20年，我國(guó)于1972年開(kāi)始研制機(jī)械手，由上海起，接著天津，吉林，哈爾濱，廣州，昆明等十幾個(gè)研究單位和院校分別開(kāi)發(fā)了固定程序、結(jié)合式、液壓伺服型同用機(jī)械手，并開(kāi)始了機(jī)構(gòu)學(xué)（包括步行機(jī)構(gòu)）、計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究，這些機(jī)械手大約有1/3用于生產(chǎn)。
在該技術(shù)的推動(dòng)下，隨著改革開(kāi)放方針的實(shí)施，我國(guó)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，在80年代中期，國(guó)家組織了對(duì)工業(yè)機(jī)械手的需求的行業(yè)的調(diào)研，結(jié)果表明，對(duì)第二代工業(yè)機(jī)械手的需求主要集中于汽車行業(yè)（占總需要的60%～70%）。在眾多的專家的建議和規(guī)劃下，于“七五”期間，由機(jī)電部主持，中央各部委，中科院及地方十幾所科研院所和大學(xué)參加，國(guó)家投入相當(dāng)?shù)馁Y金，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)械手基礎(chǔ)技術(shù)，基礎(chǔ)元器件，幾類工業(yè)機(jī)械手整機(jī)及應(yīng)用工程的開(kāi)發(fā)研究，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)械手成套技術(shù)（包括機(jī)械手、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)單元、測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用和小批量生產(chǎn)的工藝技術(shù)等）的開(kāi)發(fā)，研制出噴涂、弧焊、點(diǎn)焊和搬運(yùn)等作業(yè)機(jī)械手整機(jī)，幾類專用和通用控制系統(tǒng)及幾類關(guān)鍵元部件如交、直流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單元機(jī)械手專用薄壁軸承、諧波傳動(dòng)系統(tǒng)、焊接電源和變壓器等，并在生產(chǎn)中經(jīng)過(guò)實(shí)用考核，其主要性能指標(biāo)達(dá)到80年代初國(guó)際同類產(chǎn)品的水平，且形成小批量生產(chǎn)能力。在應(yīng)用方面，在第二汽車廠建立的我國(guó)第一條采用國(guó)產(chǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)線－東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機(jī)械手噴涂生產(chǎn)線，該線由7臺(tái)國(guó)產(chǎn)PJ系列噴涂機(jī)械手和PM系列噴涂機(jī)械手和周邊設(shè)備構(gòu)成，已運(yùn)行十年，完成噴涂20萬(wàn)輛東風(fēng)系列駕駛室的生產(chǎn)任務(wù)，成為國(guó)產(chǎn)機(jī)械手應(yīng)用的一個(gè)窗口；此外，還建立了幾個(gè)弧焊和點(diǎn)焊機(jī)械手工作站。與此同時(shí)，還研制了幾種SCARA型裝配機(jī)械手樣機(jī)，并進(jìn)行了試應(yīng)用。在基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，解剖了國(guó)外10余種先進(jìn)的機(jī)型，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)，控制編程，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式，檢測(cè)等基礎(chǔ)理論與技術(shù)的系統(tǒng)研究。開(kāi)發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水平的測(cè)量系統(tǒng)，編制了我國(guó)工業(yè)機(jī)械手標(biāo)準(zhǔn)體系和12項(xiàng)國(guó)標(biāo)，行標(biāo)。
為了跟蹤國(guó)外高技術(shù)，80年代在國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃中，安排了智能機(jī)械手的研究開(kāi)發(fā)，包括水下無(wú)纜機(jī)械手，高功能裝配機(jī)械手（DD驅(qū)動(dòng)）和各類特種機(jī)械手，進(jìn)行了智能機(jī)械手體系結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)控制，人工智能機(jī)器視覺(jué)，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究已取得一批成果。這些技術(shù)的實(shí)用化將加速我國(guó)第二代機(jī)械手的發(fā)展[2]。
經(jīng)過(guò)80年代尤其是后50年的努力，吸引了160多個(gè)單位從事機(jī)械手及其相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機(jī)械手技術(shù)地區(qū)和十幾家優(yōu)勢(shì)單位，培養(yǎng)了一支2000多人的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)、研制、應(yīng)用隊(duì)伍，造就了一批機(jī)械手專家，使我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國(guó)內(nèi)。
90年代初期，我國(guó)主要開(kāi)發(fā)下列機(jī)械手：
（1）噴涂機(jī)械手
（2）焊接機(jī)械手
（3）搬運(yùn)機(jī)械手
（4）裝配機(jī)械手
在90年代中期，國(guó)家已選擇以焊接機(jī)械手的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，從而迅速掌握焊接機(jī)械手應(yīng)用工程成套開(kāi)發(fā)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備制造、工程配套、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等技術(shù)，即以機(jī)械手焊接工藝為龍頭，開(kāi)展焊裝線總體設(shè)計(jì)、線體總控及多機(jī)通訊，新型焊接機(jī)械手用焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、機(jī)電精度、控制技術(shù)等開(kāi)發(fā)及完善化，以及幾條焊裝生產(chǎn)線的全套應(yīng)用及其可行性作為主攻目標(biāo)。
雖然我國(guó)的機(jī)械手研發(fā)工作基本上屬于科學(xué)研究的項(xiàng)目，但據(jù)說(shuō)，中國(guó)科學(xué)院目前已造出說(shuō)話時(shí)嘴唇能夠活動(dòng)、眼睛能轉(zhuǎn)動(dòng)、具視覺(jué)功能的機(jī)械手，其水準(zhǔn)可媲美日本同行，但這臺(tái)機(jī)械手體形甚大，卻未能以雙腳走路。在日本，機(jī)械手能否以二腳行走已成為一個(gè)熱門及熟練的技術(shù)競(jìng)賽項(xiàng)目，譬如有“二足機(jī)械人競(jìng)賽大會(huì)”（分等級(jí)）。其實(shí)，機(jī)械手的制作絕對(duì)并非只是液壓機(jī)械與電子產(chǎn)品的混成物，要將機(jī)械手造得越來(lái)越有人性化，就要兼及生命醫(yī)學(xué)、傳感、光學(xué)及創(chuàng)造性的文化產(chǎn)業(yè)等方面，比如機(jī)械手的關(guān)節(jié)就需要研究中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)學(xué)、生物學(xué)上的神經(jīng)刺激反應(yīng)以及文化產(chǎn)品的某種造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。英國(guó)的科學(xué)家甚至預(yù)言，到2020年，隨著機(jī)械手愈來(lái)愈精密和使用有機(jī)零件制造，它們將會(huì)受到“機(jī)械手權(quán)”的保護(hù)。
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
近20年來(lái), 氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬, 尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合, 使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高, 控制方式更靈活, 性能更加可靠； 氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展, 對(duì)氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求; 微電子技術(shù)的引入, 促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展, 使氣動(dòng)技術(shù)從開(kāi)關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制, 控制精度不斷提高; 由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)研究。
從各國(guó)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看, 近30多年來(lái), 氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代, 液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9∶1, 而30多年后的今天, 在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本等國(guó)家, 該比例已達(dá)到6∶4, 甚至接近5∶5。我國(guó)的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚, 但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始, 氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20%以上, 高于中國(guó)機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.3.1 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過(guò)程
氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源, 以壓縮空氣為工作介質(zhì), 進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù),是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。
大約開(kāi)始于1776年, Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1880年, 人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置, 將它成功地用到火車的制動(dòng)上。20世紀(jì)30年代初, 氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開(kāi)閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。至50年代初, 大多數(shù)氣壓元件從液壓元件改造或演變過(guò)來(lái), 體積很大。60年代，開(kāi)始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng), 自成體系, 不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在70年代, 由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用, 在自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代進(jìn)入氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí)代。90年代至今, 氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū), 經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展, 人們克服了閥的物理尺寸局限, 真空技術(shù)日趨完美, 高精度模塊化氣動(dòng)機(jī)械手問(wèn)世, 智能氣動(dòng)這一概念產(chǎn)生, 氣動(dòng)伺服定位技術(shù)使氣缸高速下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位, 智能閥島十分理想地解決了整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的分散與集中控制問(wèn)題。
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)械手——“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)械手, 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。
Tron-X電子氣動(dòng)機(jī)械手, 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。Tron-X電子氣動(dòng)機(jī)械手集電子技術(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)械手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。
1.3.2 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀
由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠, 可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作。而氣動(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、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。所以, 氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工, 食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事上。
現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線, 尤其是主要工藝的焊接生產(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。
此外, 氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如: 氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床,機(jī)械手,外科手術(shù)機(jī)械手等[3]。
1.3.3 發(fā)展前景及方向
?。?）重復(fù)高精度
?。?）模塊化
?。?）無(wú)給油化
（4）機(jī)電氣一體化
氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程, 隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室, 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手迎來(lái)了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國(guó)和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國(guó)對(duì)氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚, 但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大, 我國(guó)自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國(guó)家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用, 為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 可以預(yù)見(jiàn), 在不久的將來(lái), 氣動(dòng)機(jī)械手將越來(lái)越廣泛地進(jìn)入工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、生活等領(lǐng)域。
1.4 本課題設(shè)計(jì)要求
本課題將要完成的主要任務(wù)如下:
（1）機(jī)械手為通用機(jī)械手，因此相對(duì)于專用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，它的適用面相對(duì)較廣。
（2）選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。
（3）設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括:手部、手臂等部件的設(shè)計(jì)。
為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來(lái)抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來(lái)吸取板料工件。
（4）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括氣動(dòng)元器件的選取，氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)，并繪出氣動(dòng)原理圖。
（5）機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出PLC程序，并畫(huà)出梯形圖
2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.1 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成
機(jī)械手的工作原理：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。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的要求達(dá)到設(shè)定位置[4]。
（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
（1）手部
即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。
（2）手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
（3）立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
（4）機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用[6]。
（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)[5]。
（三）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
（四）位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.
2.2 機(jī)械手基本形式的選擇
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，如圖2-1所示: (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。
圖2-1 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式
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[6]。
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
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, 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式共有三種方式:氣動(dòng)方式,液壓方式,電驅(qū)動(dòng)方式[7]。
（1）氣動(dòng)方式: 成本低,出力小,噪聲大,控制簡(jiǎn)單。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。屬于簡(jiǎn)單非伺服型。
（2）液壓方式: 功率重量比大,低速平穩(wěn),需液壓動(dòng)力源,漏油和油性變化會(huì)影響系統(tǒng),各軸耦合較強(qiáng),成本較高?？捎糜谝妆沫h(huán)境。
（3）電驅(qū)動(dòng)方式:
A 步進(jìn)驅(qū)動(dòng): 功率小,開(kāi)環(huán)控制,控制簡(jiǎn)單,可能失步。
B 直流驅(qū)動(dòng): 調(diào)速性能好,功率較大,效率較高,但換向器需維護(hù),不易用于易爆,多粉塵的環(huán)境。
C 交流驅(qū)動(dòng): 維護(hù)簡(jiǎn)單,使用環(huán)境不受限制,成本較低,調(diào)速性差。
根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速機(jī)傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用氣壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用氣壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，用小型氣壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊。
2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
2.4.1 用途
搬運(yùn):用于車間搬運(yùn)
在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。它是工作抓取和裝配系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。機(jī)械手臂代替了人工的繁雜勞動(dòng)，并且操作精度高，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2.4.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1. 機(jī)械手最大抓重: 1kg
2. 工件尺寸： 直徑約1.5～2cm
3. 自由度數(shù): 3個(gè)自由度
4. 坐標(biāo)型式: 圓柱坐標(biāo)
5. 手指開(kāi)合角度： 60°（最大速度: 60度每秒）
6. 支座旋轉(zhuǎn)角度: 90°（最大速度: 90度每秒）
7. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
伸縮行程：100mm
伸縮速度：100mm/s
升降行程：200mm
升降速度：100mm/s
8. 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度：
3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來(lái)討論。
圖3-1 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（1）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度
所謂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度是指確定一個(gè)機(jī)械手操作位置時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，它是表示機(jī)械手動(dòng)作靈活程度的參數(shù)。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度,如圖3-1所示。
（2）機(jī)械手的工作空間
工作空間是指機(jī)械手正常運(yùn)行時(shí)，手部參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)，工作空間圖如圖3-2所示。
圖3-2 工作空間圖
（3）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型
圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào)RPP），工作空間圖形為圓柱形。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作條件下，機(jī)體占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
3.2 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析
工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作如表3-1所示。
表3-1工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各動(dòng)作
機(jī)械手開(kāi)機(jī)，處于A位
工步一
旋轉(zhuǎn)至B位
工步二
手臂下降
工步三
手臂伸出
工步四
夾緊工件
工步五
手臂收縮
工步六
手臂上升
工步七
旋轉(zhuǎn)至A位
工步八
手臂下降
工步九
放松工件
工步十
手臂上升
工步十一
實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各工步是由機(jī)械手的控制系統(tǒng)和各種檢測(cè)原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里尤其要強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械手對(duì)工件的定位夾緊的準(zhǔn)確性[8]。
4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
4.1 手部結(jié)構(gòu)
本課題中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指(或手爪)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、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，課題中采用齒輪齒條式的傳力機(jī)構(gòu)。
4.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見(jiàn)的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[9]。
4.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
（1）具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(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)與閉合的兩個(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)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。
（3）保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。
（4）具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
（5）考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。
4.2 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]如圖4-1所示：
圖4-1齒輪齒條式手部
手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：
其工件重量G=1公斤，V形手指的角度，，摩擦系數(shù)為。
（1）根據(jù)手爪類別,計(jì)算夾緊力。
圖4-2 手爪受力分析圖
如圖4-2所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得：
（4-1）
式中，
-工件質(zhì)量，；
-重力加速度，；
-動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度，；
-安全系數(shù)；
-V型手爪張開(kāi)的角度，；
-氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于手抓與工件材料都采用45鋼，查表得=0.25
所以
=
（2）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖4-1，其驅(qū)動(dòng)力為:
(4-2)
所以
（3）實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
(4-3)
因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的為勻速取時(shí)，則:
所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為。
4.3 夾緊氣缸的設(shè)計(jì)
4.3.1 主要尺寸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表4-1取氣缸工作壓力
表4-1 氣壓負(fù)載常用的工作壓力
負(fù)載F/N
<5000
5000～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
2.氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
本課題設(shè)計(jì)的氣缸屬于雙向作用氣缸。
單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側(cè)有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等?；钊笮袝r(shí)活塞桿產(chǎn)生推力，活塞右行時(shí)活塞桿產(chǎn)生拉力。
（4-4）
（4-5）
式中，
- 活塞桿上的推力，N
-活塞桿的拉力，N
- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
-活塞直徑，m
-活塞桿直徑，m
氣缸工作時(shí)的總阻力與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計(jì)入載荷率后：
（4-6） （4-7）
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。
由以上分析得雙向作用氣缸的直徑:
（4-8）
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
3.缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
（4-9）
式中，
- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取（Pa）
-氣缸工作壓力 （Pa）
-缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）
本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
4.手部活塞桿行程長(zhǎng)L計(jì)算
活塞桿的位移量 （4-10）
氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加的行程余量。
（4-11）
故查有關(guān)手冊(cè)圓整為
5.校核：
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度較小時(shí)，可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑有:
（4-12）
其中，[]，
則:
所以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
（2）氣缸推力驗(yàn)算：
=
=
由以上計(jì)算可知?dú)鈮焊啄墚a(chǎn)生的推力大于夾緊工件所需的推力。所以該氣缸滿足要求。
6.耗氣量的計(jì)算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
(4-13)
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。
(4-14)
7.氣缸進(jìn)排口的計(jì)算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計(jì)算：
(4-15)
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋[11]。故，
8.手抓部分總質(zhì)量估算
(4-16)
其中：手爪部分和活塞桿材料采用45鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金ZL106
查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
手抓部分總質(zhì)量約為
4.3.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.缸筒和缸蓋的連接
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，參見(jiàn)表4-2。對(duì)于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對(duì)于工作壓力高于時(shí)，一定要校核螺栓強(qiáng)度，必要時(shí)增加螺栓數(shù)量，例如6根[12]。
表4-2 缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于，故無(wú)須校核螺栓強(qiáng)度。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接[13]。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。
對(duì)密封元件的要求如下：
（1）密封性好，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)。
（2）穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化及軟化。
（3）摩擦力小。
（4）密封件表面平整、光滑、無(wú)氣泡、雜質(zhì)、凹凸等缺陷。
（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
查閱機(jī)械手冊(cè)的表4-3 活塞的結(jié)構(gòu)與密封形式
表4-3活塞的結(jié)構(gòu)與密封型式
O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前使用的范圍較廣。故采用O型密封圈。
4．氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用腳架式安裝連接[13]。
5 機(jī)械手手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
5.1 手臂的設(shè)計(jì)要求
（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。
（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。
（3）盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。
（4）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。采用緩沖和限位裝置提高定位精度[14]。
本設(shè)計(jì)中手臂由氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，還設(shè)計(jì)有兩根導(dǎo)柱導(dǎo)向，以防止手臂在活塞桿上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。
1.橫梁 2.導(dǎo)向柱 3.活塞桿 4.螺母 5.墊片 6.氣壓缸 7.支撐架
圖5-1 手臂結(jié)構(gòu)圖
選用軸向腳架型氣壓缸，活塞桿末端為外螺紋結(jié)構(gòu)，手臂與末端執(zhí)行器連同活塞桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計(jì)
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》手冊(cè)表4-1氣壓負(fù)載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。
得 。
2．缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（4-9）計(jì)算:
設(shè)計(jì)的伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL106, []=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:。
3．手部活塞桿行程長(zhǎng)確定
按設(shè)計(jì)要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為。
4．活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度時(shí)，一般按壓桿穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5-1）
式中,
-氣缸承受的軸向負(fù)載，即氣缸的理論輸出推力，
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力，
-氣缸的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取
氣缸的壓桿穩(wěn)定極限力與缸的安裝形式、活塞桿直徑及行程有關(guān)[15]。
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，
（5-2）
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，
（5-3）
式中，
活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度
活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，
實(shí)心桿 （5-4）
空心桿 （5-5）
活塞桿斷面慣性矩
實(shí)心桿 （5-6）
空心桿 （5-7）
空心活塞桿內(nèi)孔直徑
活塞桿截面積
實(shí)心桿 （5-8）
空心桿 （5-9）
系數(shù)，查下表
材料彈性模量，對(duì)鋼取
材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取
系數(shù)，對(duì)鋼取
查閱機(jī)械手冊(cè)氣缸設(shè)計(jì)章[16]由表得安裝方式為固定-自由式 取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實(shí)心桿
由于
用公式（5-3）：
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．驅(qū)動(dòng)力校核
測(cè)定手爪與手爪氣缸質(zhì)量為，估算為，設(shè)計(jì)加速度，則慣性力：
（5-10）
考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以該氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求。
6．耗氣量的計(jì)算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
式中，
-氣缸缸徑，
-活塞桿直徑，
-活塞行程，
-氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。
7．氣缸進(jìn)排口的計(jì)算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計(jì)算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
8．前后運(yùn)動(dòng)氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量約為
5.2.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。
查閱機(jī)械手冊(cè)的表4-3 活塞的結(jié)構(gòu)與密封型式
采用O型密封圈工作可靠，靜摩擦因素大，活塞的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，目前使用的范圍較廣。
4．氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。
由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用腳架式安裝連接。
5.3 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。
導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用雙導(dǎo)向桿來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
6 機(jī)械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)安裝在支座上的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)5和減速機(jī)4直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)殼體3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)座上的氣缸1實(shí)現(xiàn)手臂的上下移動(dòng)。采用了雙導(dǎo)柱2導(dǎo)向，以防止手臂在氣缸活塞桿上轉(zhuǎn)動(dòng)，確保手臂隨機(jī)座一起轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐梁采用鋁合金，以減輕重量和節(jié)省材料，它的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。
1-氣壓缸 2-導(dǎo)向柱 3-轉(zhuǎn)動(dòng)殼體 4-減速機(jī) 5-感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 6-機(jī)座
圖6-1腰部和基座結(jié)構(gòu)圖
6.2 控制手臂上下移動(dòng)的腰部氣缸的設(shè)計(jì)
6.2.1 確定主要尺寸
1．氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸以及伸縮氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸，采用單活塞桿雙作用氣缸，初定內(nèi)徑為。
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑
由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》手冊(cè)表4-1氣壓負(fù)載常用工作壓力，取氣缸工作壓力
由公式（4-4）、（4-5）：
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取。得
2．缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì)
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
氣缸缸筒材料采用為:鋁合金ZL106,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
3．手部活塞桿行程長(zhǎng)確定
按設(shè)計(jì)要求，腰部上下運(yùn)行距離為20cm，即200mm。為防止活塞與缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊(cè)圓整為
4．活塞桿穩(wěn)定性的計(jì)算：
當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度時(shí)，一般按壓桿穩(wěn)定性來(lái)計(jì)算活塞桿直徑。
當(dāng)氣缸承受的軸向負(fù)載達(dá)到極限值后，極微小的干擾力都會(huì)使活塞桿產(chǎn)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致氣缸不能正常工作。
活塞桿穩(wěn)定性條件公式（5-1）：
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，
用公式（5-3）：
實(shí)心桿
實(shí)心桿
系數(shù)，由查表安裝方式為固定-固定式 得
材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取
系數(shù)，對(duì)鋼取
代入公式（5-4）至（5-9）：
實(shí)心桿
得
所以該活塞桿滿足穩(wěn)定性條件。
5．耗氣量的計(jì)算：
氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量為：
此公式未考慮氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。
6．氣缸進(jìn)排口的計(jì)算
氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑用下式計(jì)算：
式中，
-工作壓力下氣缸的耗氣量，
-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取
把計(jì)算出來(lái)的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓整后，按照GB/T 14038—93<<氣缸氣口螺紋>>選擇合適的氣口螺紋。故，
7．上下移動(dòng)氣缸部分質(zhì)量估算
活塞桿及導(dǎo)向套材料采用45鋼；
缸體采用鋁合金ZL106；
連接件采用HT250。
查相關(guān)手冊(cè)， 45號(hào)鋼密度為7.85
ZL106的密度為 2.73
HT250密度為 7.35
經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量約為：
故，總質(zhì)量：
6.2.2 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.缸筒和缸蓋的連接
查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。
2．活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接。
該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，應(yīng)用較多。
3．密封
氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。
查閱機(jī)械手冊(cè)的