气动翻转机械手部件设计【24张图纸】【全套图纸】【优秀】
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气动
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24
图纸
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气动翻转机械手部件设计
49页 14000字数+说明书+任务书+答辩PPT+开题报告+24张CAD图纸
A0装配图.dwg
A1夹紧装置.dwg
任务书.doc
固定基座.dwg
固定机架.dwg
夹紧齿轮2张.dwg
文献综述.doc
气动翻转机械手部件设计开题报告.doc
气动翻转机械手部件设计答辩PPT.ppt
气动翻转机械手部件设计论文.doc
气压缸盖2张.dwg
零件图 6张.dwg
齿条 4张.dwg
齿轮6张.dwg
目 录
摘 要
Abstract
第1章 绪论1
1.1 引言1
1.2气动机械手的发展1
1.2.1国外气动机械手状况1
1.2.2国内气动机械手情况3
1.3发展趋势3
1.3.1重复高精度3
1.3.2模块化3
1.3.3无给油化4
1.3.4 机电气一体化4
1.4 机械手夹持部件结构示意图4
1.4.1 外夹持型机械手4
1.4.2 内夹持型机械手5
1.5国内外气动机械手设计举例5
1.5.1与模具切割相结合5
1.5.2 机械手虚拟样机6
1.5.3 高精度机械手6
第2章 气动翻转机械手总体设计8
2.1 抓取系统的初步设计8
2.2 翻转系统的初步设计8
2.2.1 锥齿轮电机翻转8
2.2.2 链轮链条气缸翻转9
2.2.3 翻转方案选择9
2.3气动翻转机械手的三维建模、装配思路10
2.3.1各部分零件设计10
2.3.2 气动翻转机械手的运动学仿真10
2.3.3 研究思路方案、可行性分析及预期成果11
第3章 气动翻转机械手重要零部件设计校核及其装配12
3.1气缸的设计和校核12
3.1.1 夹紧系统气缸设计和校核12
3.1.2 翻转系统气缸设计和校核14
3.2齿轮设计和校核15
3.2.1齿轮参数的选择15
3.2.2齿轮几何尺寸确定15
3.2.3齿根弯曲疲劳强度计算16
3.3齿条的设计和校核18
3.3.1齿条的设计18
3.4 固定机架上的轴设计和校核20
3.4.1求输入轴上的功率、转速和转矩20
3.4.2求作用在齿轮上的力20
3.4.3 初步确定轴的最小直径21
3.4.4轴的结构设计21
3.4.5精确校核轴的疲劳强度23
3.5圆锥滚子轴承的设计和校核25
3.6键连接设计和校核26
3.6.1输入轴键计算26
3.6.2中间轴键计算26
3.6.3输出轴键计算27
3.7联轴器的设计和校核27
第4章 三维建模和运动仿真29
4.1 整体装配图29
4.2夹紧系统装配图29
4.3气缸推动和翻转系统装配图30
4.4 气缸推动夹紧装置系统装配图30
第5章 总结与展望32
5.1总结32
5.2展望32
参考文献33
致 谢35
摘 要
气动机械手是以气压为驱动力的机械手。机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。所以气动机械手能够降低劳动强度，提高生产效率。但它的缺点也很明显，因为气体具有很大的可压缩性, 要做到气动机械手精确定位难度很大, 尤其是难以实现任意位置的多点定位；而且可压缩性也带来不能承受过重的负载的限制。传统气动系统只能靠机械定位置的调定位置而实现可靠定位, 并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定, 经常无法满足许多设备的自动控制要求。
本课题经过深刻的研究发现，目前生产线上的气动翻转机械手一个运动进程只能实现一次抓取和翻转功能的，感觉这种机械手效率太低。所以本次设计针对这个缺点，设计出了一种气动翻转机械手，它在一个运动进程能实现两次抓取和翻转，提高了工作效率，加快生产效率。全文由五章构成：
关键词：气动装置；机械手;翻转装置；夹瓶器；
第2章 气动翻转机械手总体设计
对气动翻转机械手的抓取系统、翻转系统和连接系统进行设计，包括抓取部件、翻转部件及连接部件和气动执行部件。根据气动执行部件来驱动抓取部件中的齿条运动，带动齿轮、齿条一起运动，最终造成两个齿条的相互运动，实现外部的抓取功能。然后通过连接部件实现两根轴在同一条线上的不同方向转动，再通过翻转部件实现两个抓取物件同时翻转的功能。
2.1 抓取系统的初步设计
如图所示，本次设计所夹取物件形状为圆柱型，即罐装瓶子之类的。原理分析如下:齿条1与夹紧臂1用螺钉连接，齿轮2与夹紧臂2也是如此；齿条1与齿条2通过齿轮连接；当推动轴由于气动装置往左推进时，这时夹紧臂1，轴带动齿条1往左动，从而带动齿轮转动，最终带动齿条2向右移动,在外部实现了夹紧被抓物件的要求。在实现翻转功能后，推动轴由于气动装置往右退回时，夹紧装置的两个叶片就会放开，从而松开被夹物件。
- 内容简介：
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浙江理工大学本科毕业设计（论文）任务书杨永贺 同学（专业 / 班级：机械设计制造及其自动化09(4)）现下达毕业设计（论文）课题任务书，望能保质保量地认真按时完成。课题名称气动翻转机械手部件设计主要任务与目标工业机械手是现代生产线设备，机械手可快速准确地完成规定动作，缩短辅助时间，提高生产效率。由于机械手的重要作用，国内外已研制有大量机械手，多数属专用设备，单种机械手只能应用固定场合，对新的应用，须研制新机械手。在借鉴已有机械手的基础上，可对机械手结构和功能加以改进，以适应多种需要。课题主要设计一套气动翻转机械手部件，功能为将工件移位并实现翻转动作。设计内容包括传动部件的结构设计、传动方式的选择、传动件的结构设计、支撑方式的选择、夹持部件的设计、以及其他结构件的设计。重点解决气动翻转部件的结构设计、传动结构设计和夹持部件的结构设计。主要任务是：1）气动翻转机械手部件方案设计；2）重要零部件分析计算；3）气动翻转机械手部件结构设计；目标：设计一套气动翻转机械手部件，功能为将工件移位并实现翻转动作。方案及结构设计合理，图纸满足生产要求。主要内容与基本要求主要设计内容：1）气动翻转机械手部件方案的确定；2）工况及受力分析；3）传动方式选择；4）重要尺寸计算；5）部件结构设计；6）零件结构设计；7）技术要求的制定。基本要求：按照题目内容，完成方案设计，结构设计，装配图和零件图绘制，总计不少于2张零号图纸，方案结构合理。完成毕业设计要求的各种文档，包括文献综述、开题报告、外文翻译及毕业设计论文等。按照进度安排，认真按时完成设计任务。主要参考资料及文献阅读任务查阅与课题有关的文献（论文、书籍或手册等）不少于10篇（部），写出符合要求的文献综述报告。主要参考文献如下：1 郭瑞洁, 钟康民. 基于铰杆-杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手J. 液压与气动, 2009, 1:55-56. 2 于传浩, 章涤峰. 一种气动机械手夹持机构的设计J. 液压气动与密封, 2003, 101(5):22-28. 3 吴淑英. 机械手气动手爪的结构分析与选择J. 制造技术与机床, 1998, 9:9-11. 4 姚二民, 王新杰, 马韬. 一种气动式机械手的设计J. 机械设计与制造, 1996, 2:19-20.5 陶湘厅, 袁锐波, 罗璟. 气动机械手的应用现状及发展前景J. 机床与液压, 2007, 35(8):226-228. 6 A. J. G. Nuttall, A. J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper J. Mechanism and Machine Theory, 2003, 38(12): 1509-1522. 7 Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets J. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12-13):1350-1361. 外文翻译任务阅读2篇以上（10000字符左右）的外文材料，完成2000汉字以上的英译汉翻译。英文参考文献如下：1 A. J. G. Nuttall, A. J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripper J. Mechanism and Machine Theory, 2003, 38(12): 1509-1522. 2 Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets J. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(12-13):1350-1361. 计划进度：起止时间内容12月初12月上旬前期资料准备、毕业设计任务书、文献综述、外文翻译布置。12月上旬01月上旬查阅资料(包括外文资料)，撰写文献综述、开题报告及外文资料翻译。01月上旬01月中旬完成开题报告。开题报告答辩。01月下旬02月中旬(寒假)总体方案设计，分析计算，结构设计。02月下旬04月上旬方案设计，分析计算，结构设计，图纸绘制，撰写说明书。04月上旬04月中旬毕业设计中期检查完成情况及表格与记录的填写。04月中旬05月上旬完成图纸绘制，说明书撰写。提交毕业设计（论文）。05月上旬05月中旬毕业设计（论文）的审阅；评议小组分组审阅。05月中旬05月下旬毕业设计答辩。实习地点指导教师签 名年 月 日系 意 见系主任签名： 年 月 日学院盖章主管院长签名： 年 月 日浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班 级机械设计制造及其自动化09(4)班姓 名杨永贺课题名称气动翻转机械手部件设计目 录1 前言2 气动机械手的发展3 发展趋势4 气动机械手原理及部件举例5 国内优秀气动机械手设计举例6 总结参考文献指导教师审批意见签名： 年 月 日气动翻转机械手部件设计杨永贺(机械设计制造及其自动化09(4)班 B09370126)1 前言气动机械手的驱动力为气压，机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。所以气动机械手能够降低劳动强度，提高生产效率。但它的缺点也很明显，因为气体具有很大的可压缩性, 要做到气动机械手精确定位难度很大, 尤其是难以实现任意位置的多点定位；而且可压缩性也带来不能承受过重的负载的限制。传统气动系统只能靠机械定位置的调定位置而实现可靠定位, 并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定, 经常无法满足许多设备的自动控制要求1-2。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽， 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠; 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力研发气动机械手1。2 气动机械手的发展2.1 国外气动机械手状况从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为9：1, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到6：4, 甚至接近5：5。90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人-阿基里斯六脚勘测员，也被称为FESTO的六足动物12。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄-阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止13。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控7。国外的设计人员对于机械手的设计理念已经非常成熟。Wright等人分析比较了机械手与人手抓取系统，并把机械手分成与机器人手臂和控制系统相兼容、安全抓取和握持对象、准确的完成复杂性任务三种类别。许多工厂的机械手的例子和机械手设计指导方针也被描述进去了。Pham等人总结了机械手在不同应用环境下设计方案应该如何选择。在他们的研究中，影响机械手如何选择的变量如下：（a）成分，（b）任务,(c)环境，（d）机械臂和控制条件。“成分”这个变量包括几何、形状、重量、表面质量和温度，这些因素都需要考虑好。对于可重构系统，他们以形状和大小为标准又把这个变量分成了其他家族。对于“任务”这个变量，除了机械手的类型、不同组成部分的数量、准确性及周期需要考虑外，还有主要的操作处理如抓取、握持、移动和放置都要考虑。在合适的地方设计核实的机械手，必须考虑所有的因素，而且验证性的测试必须要多做。为了减少疲劳效应，pham等人开发了一个用于选择机械手的专家系统。瑞典E IE T R O IU X 公司于最近创造一种新产品一一气动机械手。这种机械手以压缩空气为动力, 小巧灵便,它装在一个圆形竖柱上, 该圆柱又能上下移动0 至150 mm , 左右移动350mm，机械手的最高速度为1000m/s，定位精度为500m/s;两个机械手各能举起5kg重物14。图1瑞典发明的气动机械手2.2 国内气动机械手情况我国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年至2003年间，气动元件产值的年第增率达24.2，高于中国机械工业产值平均年递增率10的水平。虽然市场和应用发展迅速，但是我国的气动技术与欧美、日本等国相比，还存在着相当大的差距。我国在气动技术的研究与开发的方面，缺乏先进的仪器与设备，研究开发手段落后，技术力量差，每年问世的新产品数量极其有限。在许多开发与研究领域还是空白，因此必须跟踪国外气动技术的最新发展动向，以减小差距，提高我国气动技术的水平8。3 发展趋势3.1 重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定15 。随着微电子技术和现代控制技术的发展, 以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。3.2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置, 使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承, 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是气动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备, 特别是紧凑型CP 阀岛, 它对分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特别对机械手中的移动模块。3.3 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求, 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步, 新型材料(如烧结金属石墨材料) 的出现, 构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件, 不仅节省润滑油、不污染环境, 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长16。3.4 机电气一体化由“可编程序控制器-传感器-气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制” 进入到高精度的“ 反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC 的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC, 而阀岛技术的发展, 又使PLC 在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手17-22。4 气动机械手原理及部件举例4.1 驱动力为由气缸驱动图2为一常用气动机械手的结构示意图。有四个气缸组成，能在三个坐标内工作，控制的执行元件数目是四个：即由立柱回转缸A实现机械手正、反转的运动，立柱升降缸B实现机械手下降、升起的运动，夹紧缸C实现机械手夹紧、松开的运动，伸缩缸D实现机械手伸出、缩回的运动。驱动方式为在开口处通入空气，即可实现运转。图2气缸驱动的机械手举例1 在机械手加持物料时，需要气缸C、D两个联动实现：即机械手先生出至物料处、再夹紧物料，反向需先松开物料、再收回机械手的运动。在加工和装配零件时，存在对气缸C的固定气缸D活塞杆的运动限位等问题。而且整体结构比较大，对一些受结构限制的场合，采用这种夹持结构就存在一些不足3。图3示是用于某设备上的机械手的结构示意图, 它由4个气缸( 3个滑动气缸, 1个摆动气缸组成, 可在3个坐标内工作, 图中A 为夹紧气缸,其活塞退回时夹紧工件, 活塞杆伸出时松开工件。B缸为长臂伸缩缸, 可实现伸出和缩回动作。C 缸为立柱升降缸。D缸为立柱回转缸。图中的发信装置为行程阀4。图3气缸驱动的机械手举例24.2 机械手夹持部件结构示意图4.2.1 外夹持型机械手图4为一种较简单平行开闭手爪的结构。气缸的活塞有压缩空气驱动，通过活塞杆7上的支点轴2带动拨叉3转动，再通过传动轴4使手爪1沿导向槽做平行移动，图中为双作用气缸，也可为单作用气缸返回运动靠弹簧完成。该结构的特点是重量轻，体积小，最小型重量为75g，最大型为300g，因此，可以与小型机械手配套使用5。图4外夹持型铰链式平行开闭手爪结构示意图4.2.2 内夹持型机械手 前面介绍的是外加持机械手，下面介绍一种内加持的机械手。图5所示的基于铰杆-杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手, 主要由气压缸、铰杆1 和1c、杠杆2和2c组成。当压缩空气的方向控制阀处于图1所示左位工作状态时, 气压缸的左腔即无杆腔进入压缩空气, 推动活塞向右运动, 导致铰杆1和1c的压力角A变小, 通过角度效应第一次把输入力放大, 然后传递到恒增力杠杆机构2和2c上, 再一次将输入力进行放大, 变为夹持工件的作用力F。当方向控制阀处于右位工作状态时, 气压缸的右腔即有杆腔进入压空气, 推动活塞向左运动, 夹持机构松开工件6-21。 图5内夹持型机械手举例5 国内优秀气动机械手设计举例5.1 与模具切割相结合 第一个是郑州轻工业学院和纺织工学院的老师设计的机械手，如图6所示，它是与磨具切割想配合的一种设计。如图所示，机械手由手部手指（3）和夹紧气缸（1）、手腕拉伸臂（2）和拉伸气缸（4）、手臂剥离臂（5）和剥离气缸（6）以及底座（D）组成。机械手的手部采用单支点回转式活动手指配合以固定手指，在夹紧气缸（1）的作用下夹持模组橡胶衬圈上的“凸耳”。为使手指在夹持衬圈的过程中不出现滑脱现象，特在手指端部加工有锯齿型斜槽，拉伸臂（2）和剥离臂（5）在后部铰支的拉伸气缸（4）和剥离气缸（6）的作用下，分别绕支点（B）和支点（C）摆动，同时在切割装置的配合下，完成衬圈的拉伸、切割和剥离任务。机械手通过底座（D）与自动剥离机有机相连，与剥离机其他机构协调动作9。图6 气动式机械手5.2 机械手虚拟样机第二种如图所示，设计的新型气动机械手的虚拟样机如图1所示,其中腰部转动关节由比例流量阀式摆动气缸实现; 大臂和中臂之间的俯仰运动由比例流量阀驱动单出杆双作用直线汽缸实现。而中臂与小臂之间由可调支撑件来手动调节角度, 并配合调节小臂的螺纹连接件, 来控制机械手末端在笛卡尔空间坐标系中的位置。手抓部位的夹持力通过控制直线气缸来调节。图7 机械手虚拟样机在设计的机械手虚拟样机中, 底座与躯干以固定副相连, 躯干与大臂以转动副相连, 大臂与中臂以转动副相连, 中臂、可调支撑和小臂以固定副相连, 小臂与手腕以固定副相连, 直线气缸部位以平动副相连, 添加约束后如图所示10。5.3 高精度机械手第三种如图8所示。机械手具备有：水平缸X轴方向移动、垂直升降缸Y轴方向运动、伸缩缸Z轴方向伸缩及伸摆缸绕Z轴选装四个自由度（手指开合不记）。由于手臂采用悬臂方式，活塞缸所承受的径向弯曲力矩较大，为解决这个问题，我们用了具有良好导向性能的高精度导轨型无杆缸和导向型伸缩缸。手指采用两只肘洁是卡爪，通过铝合金奥通和伸摆缸连接，增强了伸缩气缸的导向型和抗弯能力。手指采用自行设计的V型块，也可以根据被夹工件实际形状要求设计成不同的结构。无杆缸、升降缸和伸摆缸通过硬质铝合金连接板连接，结构简单，便于加工和连接。位移传感器和无杆缸相连，检测X轴方向位移 11。 图8 气动机械手结构图6 总结经过一段时间的学习和文献参考，我对气动机械手有了基本的认识，对机械手的发展历程以及未来的研发趋势也有了一定的了解。我国的气动机械手起步较晚，但涌现出了一大批构思巧妙、设计精良的气动机械手，爆破19-20、搬运、夹持的研究也取得了很大的成果。本课题希望在原有的气动翻转机械手加以改进，提高它的生产效率。参考文献1陶湘厅，袁锐波，罗璟.气动机械手的应用现状及发展前景J. 机床与液压, 2007, 35(8):226-228. 2杨振球，易孟林.高精度气动机械手的研发及其应用J.液压与气动，2005：55-56.3于传浩，章涤峰. 一种气动机械手夹持机构的设计J.液压气动与密封，2003，101(5):22-28.4鲍燕伟，吴玉兰.一种通用气动机械手的控制设计J.机床与液压，2006， 9：166-169.5吴淑英.机械手气动手爪的结构分析与选择J. 制造技术与机床, 1998, 9:9-11. 6郭瑞洁,钟康民.基于铰杆-杠杆串联增力机构的内夹持气动机械手J. 液压与气动, 2009, 1:55-56. 7姚二民,王新杰，马韬.一种气动式机械手的设计J. 机械设计与制造, 1996, 2:19-20.8马亮,张庆峰,顾寄南. 一种新型数控气动机械手的设计与研究J. 机电工程,1998,28(2):162-171.9林黄耀，杜彦亭，董霞.一种积木式气动机械手的研究设计J.液压与气动，2005,10:12-13.10韦尧兵，姜明星，刘军，剡昌锋.气动搬运机械手虚拟设计J.液压与气动，2009,5:4-6.11A.J.G. Nuttall, A.J. Klein Breteler. Compliance effects in a parallel jaw gripperJ.Mechanism and Machine Theory,2003,38:15091522.12Ho Choi, Muammer Koc. Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pocketsJ. International Journal of Machine Tools &Manufacture,2006,46:13501361.13马清艳，武文革，王彪，刘永姜，于大国. 多工位搬运气动机械手教学的应用J. 电气电子教学学报,2012,34(2):74-76.14聂彤.多机械手气动系统的设计方法J.液压与气动,2001，3：13-15.15黄崇莉，刘菊蓉.分拣机械手设计J.液压与气动,2010，12：94-96.16梁承文，陈元旭，王仪明.基于GT-Designer的气动包装机械手的设计与研究J.机械工程与自动化控制,2010：300-303.17谌渭.基于PLC的气动机械手手部结构设计优化方案J.工程技术,2001,5：109.18朱梅.基于机械手的全气动或电气动控制设计J.液压与气动，2004，1：3-4.19李增强, 章军, 刘光元.苹果被动抓取柔性机械手的结构与分析包装工程J.2011，15(8)：14-18.20李庭贵. 气动机械手搬运物料精确定位控制系统设计J.液压与气动，2012，1：54-56.21张毅.气动机械手概述J.大观周刊，2012，9:101-103.22孙友刚，盛小明.气动送料机械手变尺寸自动对中夹持器的设计J.液压与气动，2011，6:54-55.23吴庆达.新型气动机械手J. 中国学术期刊,1994,1:71.24吴静如. 一种气动机械手及运动设计J.高科技产品研发,1998,2:69-70.11浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班 级09机械设计制造及其自动化（4）班姓 名杨永贺课题名称气动翻转机械手部件设计目 录1 选题的背景与意义1.1背景与意义1.2国内外研究现状和发展趋势2 发展趋势2.1重复高精度2.2模块化2.3无给油化3 研究的基本内容3.1气动翻转机械手的结构设计3.2气动翻转机械手的三维建模、装配4 研究方案、可行性分析及预期研究成果4.1研究思路方案4.2可行性分析5 研究工作计划参考文献成绩：答 辩意 见 答辩组长签名： 年 月 日系主任审核意见签名：年 月 日气动翻转机械手设计的设计与分析杨永贺(机械设计制造及其自动化09(4)班 B09370126)1 选题的背景与意义1.1 背景与意义气动机械手的驱动力为气压，机械手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它主要是用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。所以气动机械手能够降低劳动强度，提高生产效率。但它的缺点也很明显，因为气体具有很大的可压缩性, 要做到气动机械手精确定位难度很大, 尤其是难以实现任意位置的多点定位；而且可压缩性也带来不能承受过重的负载的限制。传统气动系统只能靠机械定位置的调定位置而实现可靠定位, 并且其运动速度只能靠单向节流阀单一调定, 经常无法满足许多设备的自动控制要求1-2。近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽， 尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合, 使整个系统自动化程度更高, 控制方式更灵活, 性能更加可靠; 气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展, 对气动技术提出了更多更高的要求;由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点, 国内外都在大力研发气动机械手1。 目前生产线上的气动翻转机械手一个运动进程只能实现一次抓取和翻转的功能，效率太低。本次设计针对这个缺点，设计出了一个运动进程能实现两次抓取和翻转，提高了工作效率，加快生产效率。1.2 国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国外气动机械手状况从各国的行业统计资料来看, 近30多年来, 气动行业发展很快。20世纪70年代, 液压与气动元件的产值比约为9：1, 而30多年后的今天, 在工业技术发达的欧美、日本等国家, 该比例已达到6：4, 甚至接近5：5。90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人-阿基里斯六脚勘测员，也被称为FESTO的六足动物12。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄-阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止13。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控7。国外的设计人员对于机械手的设计理念已经非常成熟。Wright等人分析比较了机械手与人手抓取系统，并把机械手分成与机器人手臂和控制系统相兼容、安全抓取和握持对象、准确的完成复杂性任务三种类别。许多工厂的机械手的例子和机械手设计指导方针也被描述进去了。Pham等人总结了机械手在不同应用环境下设计方案应该如何选择。在他们的研究中，影响机械手如何选择的变量如下：（a）成分，（b）任务,(c)环境，（d）机械臂和控制条件。“成分”这个变量包括几何、形状、重量、表面质量和温度5，这些因素都需要考虑好。对于可重构系统，他们以形状和大小为标准又把这个变量分成了其他家族。对于“任务”这个变量，除了机械手的类型、不同组成部分的数量、准确性及周期需要考虑外，还有主要的操作处理如抓取、握持、移动和放置都要考虑。在合适的地方设计核实的机械手，必须考虑所有的因素，而且验证性的测试必须要多做。为了减少疲劳效应，pham等人开发了一个用于选择机械手的专家系统。1.2.2 国内气动机械手情况我国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年至2003年间，气动元件产值的年第增率达24.2，高于中国机械工业产值平均年递增率10的水平。虽然市场和应用发展迅速，但是我国的气动技术与欧美、日本等国相比，还存在着相当大的差距。我国在气动技术的研究与开发的方面，缺乏先进的仪器与设备，研究开发手段落后，技术力量差，每年问世的新产品数量极其有限。在许多开发与研究领域还是空白，因此必须跟踪国外气动技术的最新发展动向，以减小差距，提高我国气动技术的水平8。2 发展趋势2.1 重复高精度精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定15 。随着微电子技术和现代控制技术的发展, 以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高, 它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。2.2 模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置, 使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承, 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是气动机械手的一个重要的发展方向。智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备, 特别是紧凑型CP 阀岛, 它对分散上的集中控制起了十分重要的作用, 特别对机械手中的移动模块。2.3 无给油化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求, 不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步, 新型材料(如烧结金属石墨材料) 的出现, 构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件, 不仅节省润滑油、不污染环境, 而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长16。2.4 机电气一体化由“可编程序控制器- 传感器- 气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件, 使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC 的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC, 而阀岛技术的发展, 又使PLC 在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手17-22。3 研究的基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：3.1 气动翻转机械手的结构设计对气动翻转机械手的抓取系统、翻转系统和连接系统进行设计，包括抓取部件、翻转部件及连接部件和气动执行部件。根据气动执行部件来驱动抓取部件中的齿条运动，带动齿轮、齿条一起运动，最终造成两个齿条的相互运动，实现外部的抓取功能。然后通过连接部件实现两根轴在同一条线上的不同方向转动，再通过翻转部件实现两个抓取物件同时翻转的功能。下面是可能方案一：下面是可能方案2：3.2 气动翻转机械手的三维建模、装配气动翻转机械手各部分的具体结构设计，利用Pro/Engineer软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。分别对各个零件进行建模，再装配分析是否出现尺寸大小不配套还有运动机构卡死等问题，如果有的话必须调整方案或数据。最后通过改进实现最后的装配。装配完后进行投影二维图纸并标注，某些重要的零部件要进行剖视处理。最后得到较好的装配图、二维图纸和三维图纸。3.3 气动翻转机械手的运动学仿真通过建立的三维模型，进行运动学仿真分析，分抓取系统、气动驱动和连接系统三个阶段进行动力学分析。运动仿真时要看能不能运动的起来，确保气动翻转机械手实现翻转和气动的功能。4 研究思路方案、可行性分析及预期成果本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在前人的基础上，通过三维Pro/E环境完成气动翻转机械手的设计仿真，并对其进行初步的运动学分析。4.1 研究思路方案具体思路方案包含以下三个方面：4.1.1 根据抓取物件大小与形状对气动翻转机械手进行结构设计包括整体移动系统、气动驱动系统、抓取系统、连接及可翻转系统，基于以上理论可进行对气动翻转机械手机构原理分析。4.1.2 气动机械手Pro/ E三维建模、装配目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维CAD 设计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,Pro/Engineer 软件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段9。运用Pro/ E三维设计平台,通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的气动翻转机械手,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成气动翻转机械手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。4.1.3 气动翻转机械手Pro/ E运动学仿真分析运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。本次毕业设计以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立气动翻转机械手的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立气动翻转机械手的三维CAD模型，然后完成气动翻转机械手的装配，设置机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的气动翻转机械手的仿真模型。4.2 可行性分析抓取和翻转系统的结构设计和研究是机械手方面研究的基础。因此，对具有理想结构的抓取和翻转系统进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行抓取和翻转系统的结构设计研究，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对机械手进行研究, 使机械手能比较完美的在抓取和翻转物体。在前人研究工作基础上，本设计论文进行气动翻转机械手设计与仿真，在基本原理上是可行的。本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识，以及Pro/ E设计工具，本人已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。指导老师在气动翻转机械手的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。4.3 预期研究成果设计出气动翻转机械手，完成三维建模和二维图纸，并对其中一些零部件进行剖视建模和仿真。通过仿真分析，保证设计能较好的满足设计要求。5 研究工作计划表1 研究工作计划起止时间内容2012.11.152012.12.10调研、信息汇总，文献查阅分析2012.12.102012.12.31外文翻译、文献综述、
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