机械毕业设计说明书

1、本科毕业设计说明书题 目：带水平旋转的三自由度气动机械手的机构设计院 （部）： 机电工程学院专 业： 机械工程与自动化班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期：山东建筑大学毕业设计说明书目 录摘 要abstract1 前 言1.1机械手发展状况11.2气动技术的优点及发展趋势21.3现有气动机械手的形式及应用31.4本设计的意义及目的32 本机械手的技术指标和总体方案 2.1 本机械手的技术指标52.2 机械手的总体结构设计62.2.1 机械手结构方案设计62.2.2 机械手的驱动方案设计72.2.3 机械手的控制系统设计72.3 小结73 机械手手爪的设计3.1 手爪的种类及设计注

2、意事项83.2 手爪的抓取功能和手指尺寸计算93.3夹紧气缸的选用133.4手爪联接件的设计184 机械手手臂的设计4.1 手臂设计要求194.2 机械手手臂的结构设计194.3 升降气缸的选用224.4 横移气缸的选用244.5垂直手臂联接件的设计254.6 回转机构的设计264.7立柱结构及底座的设计315 机械手的气路设计5.1气压传动的设计要求335.2气压传动系统的组成335.3本机械手的气路设计336 结论35谢 辞36参考文献37 iv摘 要本课题主要完成了整个三自由度气动机械手的总体机构设计，并对所选用的双支点回转型手指进行了夹持误差分析，使其定位精度在0.5mm以内；详细地设

3、计了手爪和手臂的机构，使本机械手更具有通用性和经济性；全面地设计了驱动系统的气压回路，增加了本机械手的适应性。本论文设计的三自由度气动机械手可用于包括机械制图测绘周、气动技术、单片机原理及应用、工业机器人等多门课程的多个实验，并在机电综合实验周、机电产品创新设计等课程中体现出了它作为实验设备的优越性。特别是在目前缺少机、电、气综合实验设备的情况下，该机械手作为机、电、气一体的实验设备极大地锻炼了人们应用这些知识解决实际问题的能力，对人们熟练地应用和设计机、电、气一体的自动化生产设备提供了帮助。关键词：气动机械手；三自由度；步进电机；单片机控制structure design of the 3d

4、 pneumatic manipulator with level revolvingabstractin this article, we design the whole machinery of three degree of freedom aerodynamic manipulator. whats more, clamp error of double pivot finger is analyzed, and its precision is in 0.5mm. we design the detail structure of paw and arm to making the

5、 manipulator all-purpose and economical. the three degree of freedom aerodynamic manipulator can be used to many experiment for many courses. it has shown its advance in some course design. now many universities there are a lack of synthetical experimental setup, so the manipulator, as a mechanism-e

6、lectrical-air synthetical experimental setup, take a practice chance. and the manipulator help student use and design automatization equipment. key words: pneumatic manipulator；3-degrees；the step enters the electrical engineering; mcu control system山东建筑大学毕业设计说明书 1前 言1.1 机械手发展状况工业机械手(以下简称机械手)是近代自动控制领

7、域中出现的一项新技术并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机械手工程学1。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益放为人们所认识：其一、它能部分代替人工操作，其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间相位置来完成工件的传送和装卸，其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和利用尤其在高温，高压，粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定

8、的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视2。在国外，机械手首先是从美国研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。控制系统是示教型的。1962年，该公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动，控制系统用磁鼓做存储装置。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫“verstarao”机械手3。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如unimate公司建立了8种机械手试验台，进

9、行各种性能试验4。联邦德国制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国knka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士retab公司生产一种涂漆用机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等5。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究6。苏联自六十年代开始发展应用机械手。至1977年底，其中有一半是国产，一半是进口。主要用于机械化，自动化程度较低，繁重单调，有害于健康的辅助性工作。到1980年底约有3000台工业机械手与eser计算机配套使用7。

10、工业机械手经过几十年的发展，如今已经进入以通用机械手为标志的时代，由于通用机械手的应用和发展进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，目前它成为一项综合性较强的新技术。相对于国外的先发、领跑优势,我国机器人制作的研发远远落后于美、日、韩等国。但是，我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类

11、齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。例如，中科院沈阳自动化所开发和研制成功的水下六千米无缆自治水下机器人，这个机器在水下六千米能够无缆进行作业，这是获得2000年我们国家十大科技成果之一，这个标志着我国在水下机器人已经达到了国际先进水平。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。以期在“十一五”后期立于世界先进行

12、列之中。同时各国的关于机械手学术交流活动十分活跃，不仅交流了机械手设计制造经验，而且还促进了机械手技术的发展和应用8。1.2 气动技术的优点及发展趋势 气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“pneumatics”一词起源于希腊文的“pneumatics”，其原义为“呼吸”，后来才演变成“气动技术”。气动技术因具有节能

13、、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射等优点，广泛应用于汽车制造、电子、工作机械(纺织机械、印刷、包装设备及机床等)、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术已经突破传统的设计、制造理念，正在ic/lcd、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正

14、朝着精确化、高速化小型化、复合化和集成化方向发展。1.3现有气动机械手的形式及应用随着气动技术获得了快速发展，其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术9。早期的气动机械手，由于无法做到气缸在任意位置的定位，只能靠气缸两个终点位置来定位。或者采用多位气缸，它的定位长度由气缸的行程预先确定。如果要增加一个定位位置，或者要改变两个定位位置之间的距离，那么需要重新设计一个多位气缸。而且如果气缸要求的停止位置越多，它的滑块导向机构就越复杂。早期的气缸由于不能实现任意位置的定位，

15、因此限制了多工位定位的气动机械手的发展。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成采集感知信号及控制信号均由智能阀来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。由于气动技术和电子技术的结合，以及周边技术的成熟，气动机械手在工业自动化领域里的实用

16、性已经充分体现出来。特别是目前国内外一些学者正尝试在气动机械手中引入现代控制理论和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，这为气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景10。1.4 本设计的意义及目的 机械手是机电一体化技术的典型产品，充分了解机械手的设计及应用对机电专业的学生有很重要意义。机械手所用到的技术在工业自动化生产中占有重要地位，以机械手作为机电方面学习的典型实验设备有其不可替代的优点。但是，就目前的发展情况来看，机械手进入课堂及机电学科相关实验的很少。目前市场上所提供的教学型机械手一般价格在十几万左右，且其不具备开放性，即用户只能在高端应用而无法进行低层次或高层次开发。因

17、此，研制一种低成本开放性的机械手应用于机电教学实验是非常必要的。本文研制的机械手可应用于包括机械制图测绘周、气动技术、单片机原理及应用、arm原理及应用、dsp原理及应用、plc与电气控制、计算机控制技术、工业机器人等多门课程的多个实验，还可应用于机电综合实验周、机电产品创新设计等实践课程中。带水平旋转的三自由度气动机械手主要利用了气动技术和单片机技术，气动系统具有结构简单，造价较低、易于控制、维护方便的特点。单片机控制系统工作可靠，生产率高，并能实现与计算机远程通讯，应用广泛等特点11。2 本机械手的技术指标和总体方案气动机械手的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运物体，这就要求它们具有精度

18、高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都、能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性12。2.1 本机械手的技术指标机械手是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、降低成本起着举足轻重的作用。因此对本机械手采用系统的

19、观点进行整体功能分析，实现结构优化是实现经济性，灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。该机械手设计的主要技术指标为：1. 设计的机械手为三自由度；2. 机械手的水平旋转由步进电机驱动实现，可实现的转角为180；3. 该机械手的水平移动自由度由tn25200气缸实现；垂直升降自由度由msal20100气缸实现；其手爪的开合由sda2510气缸实现；4. 该机械手的主要搬运物体为近似圆柱状，物体为垂直放置，重量约为1kg；5. 系统的控制器件可选用单片机控制。主要参数如下：（1） 主参数 机械手的最大抓取重量是其规格的主参数，约为1kg；（2） 基本参数 运动速度是机械手的主要基本参数。该

20、机械手的最大移动速度设计为1.2m/s，最小回转速度为1.8/s，最大回转速度为120/s，平均移动速度为1m/s；（3） 除了运动速度外，机械手的基本参数还有工作半径。该机械手的最大工作半径约为200mm，手臂回转行程为360，手臂升降行程为100mm。（4） 定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.5mm。2.2 机械手的总体结构设计本气动机械手具有三个自由度，即水平方向移动自由度，垂直方向升降自由度，回转自由度，本机械手的整体结构方案如图2.1所示。图2.1 带水平旋转的三自由度气动机械手总体结构示意图1.机械手底座平台 2.立柱 3.横移气缸 4.垂直升降气缸 5.夹紧气缸

21、6.手爪下面分析一下本机械手的工作过程：机械手的手爪6通过夹紧气缸5从平台1抓取物体，然后通过垂直升降气缸4作用上升到所需高度，并由横移气缸3水平移动到所需位置，然后由立柱内部的回转机构旋转所需角度，垂直气缸动作，然后夹紧气缸放松，物体被放置。然后气动机械手复位。2.2.1机械手的结构方案设计由上述分析后，为了使机械手的通用性更强，机械手的手部即手爪部分采用双支点齿弧轮、齿条型手爪,它是齿条在气缸的带动下，与齿弧轮啮合并使齿弧轮绕其回转中心旋转来实现手指的开闭动作，它的优点是动作灵活、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。考虑需要利用回转机构来满足工作要求，因此在立柱内部安装一台小型步进

22、电机，由步进电机来完成机械手的回转运动，目前由于电子科技的发展，步进电机的最小转角完全能实现1.8/s的最小转角。而且步进电机的成本不高，进一步增加了本机械手的通用性。手臂的横移和升降通过气缸来实现，它具有成本低廉、结构简单、抗干扰性强等特点。2.2.2 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉，加之抓取载荷较轻，气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达等。一般采用46个大气压，个别达到810个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。因此，本机械手采用气压传动方式。2.2.3 机械手的控制方案设计考虑到机械手的开放性和通用性，同时可以使用点位控制

23、，所以我们利用单片机对机械手进行控制，当机械手的动作流程改变时，我们只需改变单片机内部的程序，非常便捷。而且它还可以提供与plc、计算机等多种接口，更能实现多机械手协调作业。2.3 小结近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃易爆等恶劣环境内得到了越来越广泛的应用。与其它类型的机械手相比，气动机械手具有结构简单、造价较低、易于控制、维护方便等特点。在本设计中该机械手主要用于执行低速、中低载荷，所以采用了气动传动、步进电机回转方式，定位精度较高，同时兼顾了低成本和高通用性，具有一定的代表性13。3 机械手手爪的设计机械手的手爪是用来直接抓取物件的机构，是机械手的重要组成部件之一。由

24、手指、传力(或增力)机构和驱动装置组成。根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其它一些特性(如易碎性、导磁性、表面光洁度等)的不同，手部的种类也不一样。3.1 手爪的种类及设计注意事项一、 手爪的种类（一） 机械式机械式手爪是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手的动作，可分为回转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按手指数目可分为二指式、三指式、四指式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。机械式手爪由驱动元件、手爪夹持部件、传动机构、手指及各种垫片、附件等组成。夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工

25、件的部位又可分为内卡式和外夹式两种;按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，具有动作灵活、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。因此，本系统采用回转型齿轮齿条传动的内卡式手爪。（二）吸盘式 吸盘式手爪是利用特制的橡胶皮碗形成真空而将工件吸住。它与机械手爪相比，具有结构简单、重量轻、表面吸附力分布均匀，以及能自动对准等特性，适用于板材、玻璃件、弧形壳体零件，特别适用于冲压

26、零件。但要求被吸物体表面光滑、无孔无槽。根据工件的大小和轻重，可将几个吸盘同时装在一个手腕上14。二、 手爪的设计要求（一） 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应能保证被抓物件顺利进入或脱开，其大小直接与工件和手指的形状、尺寸及手部接近被抓物件的路线等因素有关，同时还要注意路线周围的环境。若夹持不同直径的物件，采用较大的开闭范围会增大驱动装置的行程和结构尺寸，而且会增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计的过大;但对回转型手指来说，手指要有足够的张开与闭合角度15。图3.1即为其结构尺寸示意图。图中表示松开物件时图3.1 手指张开最

27、小距离与被抓取表面最大距离尺寸之间的距离关系在图3.1中，有adc式中：a手指松开物件后的最大尺寸； d被抓取物件表面的最大尺寸； c手指张开或闭合后与物件之间保持的最小间隙。（二） 手指夹紧力的大小要适宜握力过大，可能损坏物件，还需要较大的动力源和较大结构，不经济；握力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和震动等因素的影响而抓不住物件。在通常情况下，所需要的握力是物件重量的23倍。（三） 各构件要有足够的刚度和强度，而自重要轻。（四） 结构简单，维修方便。（五） 动作准确、迅速、灵活。3.2 手指的抓取机能及手指尺寸计算一、 手指的抓取机能手指的抓取机能是由被抓取物件和手指共同决定的。

28、被抓取物件大小、形状、重量、材质和受外力的约束程度及运动情况，决定了手指能抓取的极限尺寸、手指对物件的约束和握紧程度、抓取精度等16。本机械手的手爪采用的是【】型槽的回转型手指，如图3.2所示。图3.2 齿轮齿条式手爪它是一种常用的夹持机构，适用于夹持圆柱型类物品。手指材料的恰当选用，对机械手的使用效果影响也很大，为了符合手部的结构尺寸，同时保证手指有足够的强度，本机械手的手指采用硬铝合金（2a12）。二、 手指的尺寸计算本机械手采用的是齿轮齿条式手爪，所以属于双支点回转型手指，其工作简图如图3.3所示，图3.3 双支点回转型手指简图图中：手指长度，即手指的回转支点a到【】型槽中心点b的距离；

29、 【】型槽的夹角； 偏转角； 两回转支点距离；物件轴心位置到手指两支点连线的垂直距离用表示。根据几何关系，可得 （3-1）整理得， （3-2）该方程为双曲线方程，经过分析得出以下结论：（1） 当时，有最小的值，即 （3-3）的变化以为分界，左右两部分是对称的。（2） 当时，夹持误差为和中较大者，即 （3-4） （3-5）取 （3-6）此处的s虽与其它参数之间没有直接函数关系，但它既影响夹持误差大小，又影响允许的最小夹持尺寸，故一般不能取很大。根据以上所讨论的双支点回转型手指的夹持误差分析，来确定手指的主要参数：手指长度；偏转角，要求手指的夹持误差1mm。按照设计任务要求，这里设置机械手抓取物体

30、的直径最大为40mm，故取=40mm。取【】型槽的夹角，根据下式求得最佳偏角为： （3-7）即有 （3-8）在双曲线上，由于和关于对称，所以，即即 （3-9）对手指的夹持误差要求不要超过1mm，根据式（3-9）可写出约束条件为： （3-10）计算得：为了减小夹持误差，设计中可加长手指的长度，但手指过长，整个手爪结构就要增大。在这里，为了进一步减小误差，而且使计算简便，取。此时，根据式（3-7）和（3-9）有所以夹持误差，结果与计算法吻合。从上面的计算以及验证结果可以看出，实际的夹持误差小于要求的夹持误差，所以以上对手指的主要尺寸所确定的数值是合适的，此方案是可行的。根据硬铝合金的材料性能和可加

31、工性能，确定手爪的其它尺寸如图3.6所示。又由机械设计手册查得高强度硬铝的厚度一般在510mm，故取其最大10mm，表面粗糙度等级为3.2，采用车加工，齿轮部分采用插齿加工，精度较高。图3.4 手指各部分尺寸图3.3 夹紧气缸的选用在自动化生产线中，各种形式的机械手应用越来越广泛。现代的机械手采用各种电气、机械、液压、气动等驱动机构，并用电子系统进行控制，以实现模仿人的手臂和手指动作。而其手爪的结构也是各式各样的，但以气动手爪应用较为普遍17。夹持式手爪的驱动装置较多采用的是作往复直线运动的气缸。在结构上，单杆活塞缸应用最多。所以，本课题中夹紧气缸采用双向作用的单杆活塞缸，双向作用单杆活塞缸活

32、塞两侧的有效面积不等，在气压相等时，活塞上所受推力拉力，如图3.5所示。图3.5 气压双作用单杆活塞缸3.3.1 手爪驱动力的计算 本课题气动机械手的手爪驱动装置采用双向作用的单杆活塞缸，【】形手指的角度是，按照设计要求物品的重量约为1kg。 以手指【】形中心为平衡点，结构受力如图3.6所示，其力的平衡条件为：，所以有 （3-11）图3.6 结构受力图式中：单个手指的计算握力（n）；故 ，（）又有 （3-12）式中：单个手指所需握力（n）； 安全系数，（=1.11.5）工作情况系数，主要考虑惯性力等的影响（=1.12.5）手爪的机械效率（=0.850.89）该处取 =1.3，=2.0，=0.8

33、5，则有 即 手指所需要的夹紧力为18.64n。根据齿轮齿条式手爪的夹紧力公式：可以得出： （3-13）式中：p理论驱动力，n； b平衡点到支点的距离，mm； n手爪的夹紧力，n； a齿轮中心到啮合曲线的距离，mm；将以上数据带入计算得出：对被抓物体的中心点受力分析如3.8所示，图3.7 o点结构受力图根据平衡条件：得 （3-14）式中 p理论驱动力，n； 夹紧气缸所需的驱动力，n；则有 ；因此，取其设计值为60n。 手爪夹紧气缸的主要尺寸是指气缸的内径（活塞直径），外径、活塞杆的直径和气缸的长度等，这些尺寸可以根据手爪所需的输出力来确定。该手爪结构为推夹紧内卡式手爪，采用推夹紧的结构有利于缩

34、小气缸的直径。对于活塞，由平衡条件得 （3-15）式中：气缸所需的输出力，n； s气缸的有效工作面积，该处； p气缸工作压力，mpa； 总阻力的损失效率，一般取0.70.8，当移动速度由0.1m/s增大到0.2m/s时，将由0.8减小到0.7。 该处取工作压力，；所以有 查机械设计手册（液压气动分卷），选取缸筒内径25mm24.35mm，故取d=25mm。 气缸的长度l应根据所需要的行程来确定，由于此气缸作夹持使用，故导杆长度不需要太长，根据国内一些气缸生产厂商的产品手册，本设计选取了雷尔达气动元件有限公司的sda2510的气缸组件。 其主要外形如图3.8所示，由于所选气缸组件为标准件，所以其

35、它尺寸不需要计算，只需要验算即可。图3.8 sda系列气缸的外形尺寸图 活塞杆的直径d可根据气缸的负载预选估算，也可按=0.20.3估算。此处，取。根据产品手册所查得标准件活塞杆的直径为6mm，大于理论活塞杆的直径。所以能满足要求。活塞杆的常用材料为钢或铸铁，本设计中选用45号钢，其密度为，抗拉强度。按强度条件对活塞杆的直径进行计算，因采用推夹紧的结构，故按受压杆考虑得 （3-16）式中：活塞杆所需的输出压力，n； d活塞杆直径，mm； 活塞杆材料的需用应力（mpa），=,n为安全系数（一般取n1.4，此处取n=1.5），=。则有 2.01mm6mm，故d=6mm满足要求。 由于缸筒和端盖之间

36、是静密封，根据液压气动手册，可选用以橡胶为材料的o形密封圈。3.4 手爪联接件的设计夹紧气缸通过联接件（手爪上罩板）与手指相连。图3.9为手爪上罩板的外形图，图3.9 手爪上罩板外形图其中罩板上部的两圆孔为夹紧气缸的轴配合螺纹孔，通过螺栓联接；中间的孔为安装齿条而设计的，主体部分的圆孔分别用来安装两个手指，为了安装方便，设计为光孔，使用销轴连接，便于拆卸。为了减轻联接件的重量，手爪上罩板采用硬铝制造，特性为焊接性好、切削加工性在时效状态下良好。制作高载荷零件和构件。4 机械手手臂的设计手臂部件（简称臂部或手臂）是机械手的主要执行部件。它的作用是支承手腕和手部（包括被夹持物件），并带动它们在空间

37、运动。手臂运动的目的是把手部送达空间运动范围内的任意点上，如果要改变手部在空间的方位，可增加手臂的自由度来实现。4.1 手臂设计要求 手臂是机械手的主要运动部件，又是主要的受力部件，它工作性能的好坏，对机械手的承荷能力和运动精度等参数影响很大。臂部设计时要求如下：（1） 刚度 刚度是指手臂在外力作用下抵抗变形的能力。它是由外力和外力作用方向的变形量的比值来表示的。如比值小则刚度大。对机械手来说，通常手臂的刚度是一个比强度更突出的问题。一般在结构上手臂采用悬臂梁形式，这对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为了提高刚度，应尽量缩短臂杆的悬伸长度。（2） 精度 影响精度的因素有：主要运

38、动件的制造和装配精度，手部和手腕在臂部的定位和连接方式，以及手臂立柱的导向装置和定位方式等。对于导向装置，其导向精度、刚度和耐磨性等对机械手的精度和其它工作性能影响很大。（3） 平稳性 手臂运动较多，在运动状态变化时，将产生冲击和振动，其工作平稳性问题就较为突出。在设计时要提高结构刚度，以及采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。应注意：手臂的运动部件力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。手臂构件可采用铝合金或工程塑料。（4） 其它a. 传动系统力求简短，以提高传动精度和效率。b. 各驱动装置、传动件、管线系统以及各个运动的控制检测元件等布置要合理紧凑，操作维修要方便18。4.2 机械手手臂的结构设计

39、手臂是机械手支承被抓物件、手部和手腕的重要部件，其作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定位置。本设计目标是在手臂载重一定的情况下，得出一个手臂质量最小的结构设计方案。按照抓取物件的要求，机械手的手臂可以有三个自由度，即手臂的伸缩运动、回转运动和升降运动。本设计只将手臂设计成具有横移和升降的两个自由度的结构。手臂的回转运动是通过立柱来实现的，手臂的各种运动由相应的气缸来实现。手臂由以下几部分组成：1. 动作元件，本机械手采用气缸驱动手臂运动的部件。2. 导向装置，本机械手采用手爪导向杆来保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。3. 手臂连接板，起着连接和承受外

40、力的作用。手爪导向杆、控制件等都安装在手臂上。由于本设计的手臂只做垂直升降运动，即为直线运动。所以其结构基本上是由驱动机构和导向装置所组成。驱动机构一般采用气缸、气马达加齿轮、齿条来实现直线运动。往复直线气缸又可以分为以下几种：（1）双作用单活塞杆气缸：气动机械手中实现手臂往复运动用的最多的是双作用单活塞杆气缸。活塞在气压下作双向运动。结构上可以是气缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。（2） 双作用双活塞杆气缸：当需要很大行程时，将气缸做的很长、体积很大，则加工上有困难。如做成伸缩式双活塞杆气缸，既能满足行程要求，气缸体积又小。其缺点是一次行程有两种速度。（3） 丝杠螺母机构

41、：该机构传动的特点是易于自锁，但传动效率低。如采用滚珠丝杠，效率可以提高，但结构复杂，要求加工精度高，成本也高。一般用的传动丝杠为梯形螺纹，精度虽高，但因其较长，制造就比较困难19。根据本设计的要求手臂升降行程为100mm，行程较小，所以采用第一种方案中的气缸体固定，活塞杆运动机构。机械手的主参数为最大抓重，本设计中机械手的最大抓重为： （4-1）所以有由于在整个质量的计算过程中，为考虑螺栓、螺母等紧固件的质量，所以计算值较实际值偏小，该处可取的设计值为1.4kg。影响机械手动作快慢的主要因素是手臂的升降运动和横移运动。设定机械手的最大移动速度为1.2m/s，由于设计的要求，选取垂直升降手臂的

42、长度；气压驱动机械手手臂在进行升降运动时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，需要采用适当的导向装置。它根据手臂的形式安装，具体的结构和抓取重量等因素加以确定，同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。目前常采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等。所以本机械手设计安装两个手爪导向杆以避免手爪在升降过程中转动，本手爪导向杆不仅起着导向作用，而且还承担整个手爪和夹紧气缸的重量。所以根据机械设计手册选择手爪导向杆的材料为45号钢。它的性能为b600 mpa，s355 mpa

43、，强度较高，塑性和韧性较好。手爪导向杆的受力简图如4.1所示，图4.1 手爪导向杆的受力简图根据公式计算： （4-2）式中 手爪导杆的抗拉应力，mpa； 手爪导杆受到的拉力，n； 手爪导杆的横截面积，； 材料的许用应力，mpa；则有根据所选夹紧气缸为标准件的安装孔的直径所选手爪导向杆的直径为，其值远远大于理论计算值，故符合要求；又根据垂直升降运动的行程，得出手爪导向杆的长度为。4.3 升降气缸的选用气动机械手中实现手臂往复运动用的最多的是双作用单活塞杆气缸。活塞在气压下作双向运动。结构上可以是气缸体固定、活塞杆运动；也可以是活塞杆固定，而缸体运动。本设计采用缸体固定，活塞运动的结构。一、 计算

44、气缸拉动手臂上升时应输出的起动拉力矩用直线气缸拉动手臂上升时，其所能输出的启动拉力应满足： （4-3）式中：上升过程中运动件的总重量，n； （4-4） 上升过程中的摩擦阻力，n；采用的是o型密封圈，其摩擦阻力计算式为 （4-5） 起动时的惯性力，n；大小可按计算，其中为上升过程中运动件的总质量，kg；a为起动时的加速度，。则有 （4-6）根据公式（3-19），得 计算出气缸拉动手臂上升时应输出的起动拉力为二、 计算气缸内径 气缸承受纵向拉力达到极限力以后，活塞杆会产生轴向弯曲，出现不稳定现象。因此，必须使拉力负载小于极限力。此时有 （4-7）式中：p推动气缸运动的工作压力mpa；取p=0.2m

45、pa；a 活塞受力面积，；此时，其中d为气缸内径；则有 所以 根据气缸的标准，取其内径为20mm；最大行程为100mm。根据国内一些气缸生产厂商的产品手册，本设计选取了威海气动元件有限公司的圆尾型mal20100的气缸组件。其主要外形如图4.2所示。图4.2 mal系列气缸外形图三、 腕部连接件的设计升降气缸通过联接件（手爪接口板）与夹紧气缸相连。图4.3为手爪接口的外形图，图4.3 手爪接口板外形图其中手爪接口板中间的圆孔与升降气缸的活塞导杆联接。两边对称分别有一个圆孔，它们是用来安装手爪导向杆的。手爪接口板采用比较普遍的q235a（碳素结构钢）来制造。4.4 横移气缸的选用本课题所设计的机

46、械手水平横移的行程比较大，为200mm。如果采用双作用单活塞气缸，不仅增大了活塞杆所受的弯矩和转动惯量，而且还增加了所选横移气缸的体积，给加工制造带来了困难。为了解决以上困难，我们选择了收缩式双活塞杆气缸。既能满足行程要求，所选的气缸体积又小。 当气缸推动垂直手臂做往复移动的时候，在活塞行程的最远端，气缸受到的弯矩最大。 根据活塞杆的受力图（如图4.4所示）。活塞杆n处所受最大弯矩m，即受到最图4.4 活塞杆的受力图大拉应力 ，由弯矩产生的拉应力与向心力的反作用力f产生的组成，即 （4-8）其中 式中： （4-9）抗弯截面系数，仅与截面形状有关。对于圆形截面有 （4-10）式中 （4-11）

47、a手臂横截面积，； （4-12）根据抗拉强度条件有 （4-13）式中：活塞杆的许用弯曲应力，由于双杆气缸大多数为铝合金材料，所以将以上各式及已知数据代入式（4-13），得取，计算整理得解之得由于采用的是双活塞杆气缸，所以单个活塞杆的直径必须大于20mm，根据活塞杆的最小直径选择气缸的内径为25mm。根据国内一些气缸生产厂商的产品手册，本设计选取了威海气动元件有限公司的tn25200气缸组件。其主要外形如图4.5所示。图4.5 tn系列气缸外形尺寸图4.5垂直手臂联接件的设计垂直手臂通过垂直气缸联接板来与横移气缸相连。图3.17为垂直气缸连接板的外形图。图4.6 垂直气缸连接板外形图其中底部的中心较大的圆孔为垂直气缸的固定孔，主要是将垂直气缸固定在连接板上随横移气缸一起运动。底部两边对称的两个圆孔为手爪导向杆所设计的。由于手爪导向杆的长度大于垂直气缸的行程，所以采用圆孔设计来转移手爪导向杆多余的长度。另外也起到导向作用。垂直气缸连接板上部的两个圆孔是