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I编 号 ：桂林电子科技大学信息科技学院毕 业 设 计 (论 文 )题 目 ： 气 动 机 械 手院 （ 系 ） ： 机 电 系专 业 ： 机 械 设 计 制 造 及 自 动 化学 生 姓 名 ：学 号 ：指 导 教 师 单 位 ：姓 名 ：职 称 ：题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发 应 用 研究2015年 5月 1日摘 要机 械 手 是 在 在 机 械 化 、 自 动 化 生 产 过 程 中 发 展 的 一 种 新 型 装 置 ,使 用 的 一 种 具 有 抓取 和 移 动 工 件 功 能 的 自 动 化 装 置 。 机 械 手 能 代 替 人 类 、 重 复 枯 燥 完 成 危 险 工 作 ， 提 高劳 动 生 产 力 ,减 轻 人 劳 动 强 度 。 该 装 置 涵 盖 了 位 置 控 制 技 术 可 编 程 控 制 技 术 、 检 测 技 术等 。 本 课 题 拟 开 发 的 物 料 气 动 机 械 手 可 在 空 间 抓 放 物 体 ， 动 作 灵 活 多 样 ， 根 据 工 件 的 变化 及 运 动 流 程 的 要 求 随 时 更 改 相 关 参 数 ,可 代 替 人 工 在 高 温 危 险 区 进 行 作 业 ，。关 键 词 ：机 械 手 , 气 动 机 械 手 ， 抓 取 ， 提 升IIIAbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of theproduction process, a grasping and moving the workpiece function automation device use.Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans, improve laborproductivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology andprogrammable control technology, detection technology. This paper intends to developmaterial pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, anychanges to the relevant parameters according to the changing and the movement processrequirements,itmayreplacehumanworkinhighriskareaK eywords: manipulator,pneumaticmanipulator,grab,liftingIV目 录摘 要 IIAbstract.III目 录 IV第 1 章 绪 论 .11.1 课 题 背 景 及 目 的 11.2 机 械 手 的 定 义 11.3 气 动 机 械 手 概 念 11.4 气 动 机 械 手 的 组 成 21.5 气 动 机 械 手 的 应 用 21.6 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 21.7 国 内 外 气 动 机 械 手 的 研 究 31.8 气 动 机 械 手 的 应 用 3第 2 章 气 动 机 械 手 设 计 要 求 与 方 案 .52.1 气 动 机 械 手 设 计 要 求 52.2 基 本 设 计 思 路 52.2.1 系 统 分 析 .52.2.2 总 体 设 计 框 图 .52.2.3 气 动 机 械 手 的 基 本 参 数 .62.3 气 动 机 械 手 结 构 设 计 62.4 机 械 手 材 料 的 选 择 72.5机 械 臂 的 运 动 方 式 .72.6 气 动 机 械 手 驱 动 方 式 的 选 择 82.7 动 作 要 求 分 析 82.8 气 动 机 械 手 结 构 及 驱 动 系 统 选 型 9第 3 章 系 统 各 主 要 组 成 部 分 设 计 .103.1夹 持 器 结 构 设 计 与 校 核 .103.1.1夹 持 器 种 类 10V3.1.2夹 持 器 设 计 计 算 113.1.3夹 持 器 校 核 123.2升 降 方 向 设 计 计 算 .123.2.1 初 步 确 系 统 压 力 .123.2.2 升 降 气 缸 计 算 .133.2.3 活 塞 杆 的 计 算 校 核 .153.2.4 气 缸 工 作 行 程 的 确 定 .163.2.5 活 塞 的 设 计 .173.2.6 导 向 套 的 设 计 与 计 算 .173.2.7 端 盖 和 缸 底 的 计 算 校 核 .183.2.7 缸 体 长 度 的 确 定 .193.2.8 缓 冲 装 置 的 设 计 .193.2.9 气 缸 的 选 型 .193.3 水 平 方 向 设 计 计 算 213.3.1 水 平 方 向 计 算 .213.3.2 气 缸 的 选 型 .213.4底 座 回 转 机 构 设 计 计 算 .233.4.1 回 转 部 位 负 载 计 算 校 核 .233.4.2 马 达 的 选 型 .253.5机 身 结 构 的 设 计 校 核 .263.5.1 马 达 的 选 择 .263.5.2 螺 柱 的 设 计 与 校 核 .273.5.3 机 座 的 机 械 结 构 .283.6气 动 机 械 手 的 定 位 及 平 稳 性 确 定 .293.6.1常 用 的 定 位 方 式 293.6.2影 响 平 稳 性 和 定 位 精 度 的 因 素 293.6.3气 动 机 械 手 运 动 的 缓 冲 装 置 30第 4 章 气 动 驱 动 系 统 设 计 .324.1手 部 抓 取 缸 .32VI4.2 腕 部 摆 动 气 动 回 路 334.3小 臂 伸 缩 缸 气 动 回 路 .344.4总 体 系 统 图 .35第 5 章 上 位 机 控 制 控 制 系 统 设 计 .375.1系 统 控 制 算 法 设 计 .385.2 机 械 手 控 制 系 统 的 硬 件 部 分 405.3 机 械 手 控 制 系 统 的 软 件 部 分 41总 结 .42参 考 文 献 .43致 谢 .441第 1 章 绪 论1.1 课 题 背 景 及 目 的毕 业 设 计 是 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 专 业 在 校 学 习 的 最 后 一 个 环 节 ， 是 对 四 年 大 学学 习 的 继 续 深 化 和 检 验 ， 即 有 实 践 性 又 有 综 合 性 ， 是 其 他 单 一 课 程 所 不 能 替 代 的 ， 通 过毕 业 设 计 更 能 提 高 综 合 训 练 能 力 ， 为 即 将 走 向 工 作 岗 位 ， 提 高 实 际 工 作 能 力 起 到 十 分 重要 的 作 用 。 以 达 到 如 下 目 的 ：（ 1） 综 合 运 用 所 学 的 基 础 理 论 、 基 本 知 识 和 基 本 技 能 ， 提 高 分 析 解 决 实 际 问 题 的能 力 。（ 2） 接 受 工 程 师 必 须 的 综 合 训 练 ， 提 高 实 际 工 作 能 力 。 如 调 查 研 究 、 查 阅 文 献 和收 集 资 料 并 进 行 分 析 的 能 力 ； 制 订 设 计 或 试 验 方 案 的 能 力 ； 设 计 、 计 算 和 绘 图 能 力 ； 总结 提 高 撰 写 论 文 的 能 力 。（ 3） 检 验 综 合 素 质 与 实 践 能 力 。1.2 机 械 手 的 定 义目 前 ， 工 业 机 械 手 的 定 义 ， 世 界 各 国 尚 未 统 一 ， 分 类 也 不 尽 相 同 。 最 近 联 合 国 国 际标 准 化 组 织 采 纳 了 美 国 机 械 手 协 会 给 工 业 机 械 手 下 的 定 义 ： 工 业 机 械 手 是 一 种 可 重 复 编程 的 多 功 能 操 作 装 置 ， 可 以 通 过 改 变 动 作 程 序 ， 来 完 成 各 种 工 作 ， 主 要 用 于 搬 运 材 料 ，传 递 工 件 。1.3 气 动 机 械 手 概 念气 动 机 械 手 （ Robot） 是 自 动 执 行 工 作 的 机 器 装 置 。 它 是 高 级 整 合 控 制 论 、 机 械 电子 、 计 算 机 、 材 料 和 仿 生 学 的 产 物 。 在 工 业 、 医 学 、 农 业 、 建 筑 业 甚 至 军 事 等 领 域 中 均有 重 要 用 途 。气 动 机 械 手 是 近 50年 才 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 有 代 表 性 的 、 机 械 和 电 子 控 制 系 统 组成 的 、 自 动 化 程 度 高 的 生 产 工 具 。 在 生 产 制 造 业 中 ， 工 业 气 动 机 械 手 技 术 得 到 广 泛 的 应用 。 它 自 动 化 程 度 高 ， 对 改 善 劳 动 条 件 ， 确 保 产 品 质 量 和 提 升 工 作 效 率 ， 起 到 非 常 重 要的 作 用 。 可 以 说 他 是 现 代 工 业 的 一 种 技 术 革 命 。21.4 气 动 机 械 手 的 组 成执 行 系 统 一 般 包 括 手 部 、 腕 部 、 臂 部 、 机 身 机 座 等 ， 其 中 最 主 要 是 运 动 系 统 。气 动 机 械 手 主 要 由 执 行 系 统 、 驱 动 系 统 及 控 制 系 统 三 部 分 组 成 。手 部 是 夹 紧 （ 或 吸 附 、 托 持 ） 与 松 开 工 件 或 工 具 的 部 件 ， 由 手 指 （ 或 吸 盘 ） ， 驱 动元 件 和 传 动 元 件 等 组 成 。时 间 、 速 度 和 加 速 度 等 参 数 。气 动 机 械 手 与 主 机 及 其 它 有 关 装 置 之 间 的 联 系3。1.5 气 动 机 械 手 的 应 用按 气 动 机 械 手 布 局 形 式 分 可 分 为 ： 架 空 式 气 动 机 械 手 、 附 机 式 气 动 机 械 手 、 落 地 式气 动 机 械 手 三 种 。 此 外 ， 还 有 安 装 在 自 动 线 料 道 上 或 料 道 旁 ， 实 现 工 件 上 、 下 料 、 传 递转 位 、 转 向 等 用 途 的 气 动 机 械 手 ， 他 们 具 有 运 动 单 一 、 结 构 简 单 ， 位 置 灵 活 及 精 度 一 般要 求 较 低 的 特 点 。气 动 机 械 手 通 常 用 作 机 床 或 其 他 机 器 的 附 加 装 置 ， 如 在 自 动 机 床 或 自 动 生 产线 上 装 卸 和 传 递 工 件 ， 在 加 工 中 心 中 更 换 刀 具 等 ， 一 般 没 有 独 立 的 控 制 装 置3。1.6 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义由 于 现 代 科 技 的 发 展 ， 无 论 是 在 工 业 生 产 中 还 是 人 类 日 常 生 活 ， 气 动 机 械 手 技 术 都得 到 广 泛 的 应 用 。 研 究 智 能 类 人 气 动 机 械 手 是 近 年 科 学 家 一 致 致 力 于 的 方 向 。 类 人 气 动机 械 手 是 以 人 类 模 型 的 ， 它 能 仿 照 人 类 各 种 动 作 和 具 有 人 类 的 外 部 特 征 。 未 来 气 动 机 械手 管 家 将 不 是 梦 。按 气 动 机 械 手 结 构 的 不 同 ， 气 动 机 械 手 又 可 以 分 很 多 种 。 轮 式 移 动 气 动 机 械 手 、 履带 气 动 机 械 手 、 机 器 手 、 步 行 气 动 机 械 手 等 等 。 值 得 一 提 的 是 步 行 气 动 机 械 手 ， 他 是 近年 来 类 人 机 器 研 究 的 重 要 成 果 。 它 的 移 动 方 式 跟 大 多 数 动 物 一 样 甚 至 可 以 跟 人 类 一 下 。这 是 一 种 很 复 杂 的 自 动 化 程 度 很 高 的 运 动 。 相 对 于 传 统 的 轮 式 和 履 带 气 动 机 械 手 ， 他 对环 境 的 适 应 性 更 强 。 能 在 很 小 的 空 间 作 业 ， 在 不 平 的 道 路 上 如 履 平 地 ， 上 下 楼 梯 等 等 。将 来 不 久 ， 这 项 技 术 会 得 到 非 常 广 泛 应 用 。在 气 动 机 械 手 研 究 、 制 作 中 ， 运 用 电 脑 对 设 计 出 来 的 气 动 机 械 手 进 行 仿 真 是 一 项非 常 重 要 的 过 程 。 气 动 机 械 手 仿 真 包 含 零 件 建 模 ， 零 件 装 配 ， 最 后 进 行 运 动 仿 真 。 通 过仿 真 ， 设 计 员 可 以 很 直 观 的 观 察 到 各 个 机 构 的 运 动 状 况 ， 知 道 有 没 有 出 现 干 涉 ； 可 以 清3楚 知 道 各 个 部 件 的 受 力 情 况 ， 得 出 各 种 模 拟 数 据 。 这 种 方 法 大 大 节 约 了 研 制 时 间 和 成 本 。1.7 国 内 外 气 动 机 械 手 的 研 究工 业 气 动 机 械 手 在 日 本 应 用 的 历 史 非 常 悠 久 。 在 七 十 年 代 时 工 业 气 动 机 械 手 首 先 得到 应 用 ， 然 后 经 过 十 年 的 发 展 ， 在 八 十 年 代 的 时 候 工 业 气 动 机 械 手 已 经 得 到 普 及 。 相 应的 他 们 工 业 年 产 值 也 得 到 了 快 速 提 高 。 1980年 达 到 一 千 亿 日 元 ， 到 1990年 提 高 到 六 千亿 日 元 。 在 2004 年 时 已 达 到 了 一 万 八 千 五 百 亿 日 元 。 可 见 工 业 气 动 机 械 手 在 提 高 生 产效 益 方 面 的 重 要 性 。在 国 际 方 面 ， 各 个 国 家 已 经 意 识 到 工 业 气 动 机 械 手 的 重 要 性 。 所 以 工 业 气 动 机 械 手的 订 单 急 速 上 升 。 在 2003年 的 订 单 量 相 对 于 2002年 增 长 了 百 分 之 10。 此 后 工 业 气 动 机械 手 的 需 求 量 仍 然 不 断 上 升 。 从 2001年 到 2006年 全 球 订 单 增 长 多 达 90000多 台 。 平 均年 增 长 为 7%。国 际 气 动 机 械 手 的 发 展 方 向 :气 动 机 械 手 涉 及 到 非 常 多 学 科 的 知 识 和 领 域 。 包 括 ： 计 算 机 、 电 子 、 控 制 、 人 工 智能 、 传 感 器 、 通 讯 与 网 络 、 控 制 、 机 械 等 等 。 气 动 机 械 手 的 发 展 离 不 开 上 述 学 科 的 发 展 。正 是 由 于 各 个 学 科 的 相 互 影 响 和 综 合 集 成 ， 才 能 制 造 出 自 动 化 程 度 高 的 及 其 人 。 随 着 科学 技 术 的 进 步 ， 气 动 机 械 手 在 应 用 得 范 围 越 来 越 广 泛 ； 技 术 也 越 来 越 得 到 调 高 ， 功 能 更加 强 大 。 现 在 很 对 气 动 机 械 手 的 研 究 都 往 小 型 化 发 展 。 气 动 机 械 手 将 会 更 多 的 进 入 到 人们 的 日 常 生 活 中 去 。 总 体 的 发 展 趋 势 是 模 块 化 、 标 准 化 、 更 加 智 能 化 。工 业 气 动 机 械 手 的 广 泛 应 用 ， 对 提 升 产 品 的 质 量 与 产 能 、 保 障 人 员 安 全 ， 改 善 劳 动环 境 ， 降 低 劳 动 的 强 度 ， 提 高 生 产 效 率 ， 节 约 原 材 料 消 耗 以 及 降 低 生 产 成 本 ， 起 着 一 个十 分 重 要 的 作 用 。 工 业 气 动 机 械 手 的 广 泛 应 用 体 现 以 人 为 本 的 原 则 ， 它 的 出 现 让 人 们 的生 活 更 加 便 利 和 美 好 。1.8 气 动 机 械 手 的 应 用气 动 机 械 手 产 业 是 在 计 算 机 、 继 汽 车 之 后 出 现 的 又 一 种 新 的 大 型 高 技 术 产 业 。 现 代 ，气 动 机 械 手 产 业 市 场 前 景 发 展 很 好 。 从 二 十 世 纪 起 ， 世 界 气 动 机 械 手 产 业 一 直 稳 步 增 长 。到 了 二 十 世 纪 九 十 年 代 ， 气 动 机 械 手 产 品 发 展 快 速 增 长 ， 年 增 长 率 平 均 在 百 分 之 十 上 下 。2004年 创 记 录 达 到 百 分 之 二 十 。 在 亚 洲 气 动 机 械 手 需 求 量 更 多 ， 年 增 长 率 高 达 百 分 之 四十 三 。 经 历 40 多 年 的 发 展 ， 工 业 气 动 机 械 手 应 用 到 很 多 领 域 中 去 了 。 气 动 机 械 手 在 制造 业 中 应 用 的 最 广 泛 。 如 在 焊 接 、 热 处 理 、 表 面 涂 覆 、 机 械 加 工 、 装 配 、 检 测 和 仓 库 堆4垛 毛 、 坯 制 造 (冲 压 、 压 铸 、 锻 造 等 )等 等 作 业 中 ， 气 动 机 械 手 替 代 了 人 工 作 业 ， 并 使 得生 产 效 益 大 大 提 高 。5第 2 章 气 动 机 械 手 设 计 要 求 与 方 案2.1 气 动 机 械 手 设 计 要 求1、 根 据 要 求 设 计 气 动 机 械 手 设 计 整 套 图 纸 ；2、 机 械 手 能 实 现 伸 缩 手 300mm和 升 降 功 能 500mm；3、 机 械 手 能 实 现 转 向 90度 和 定 位 功 能 ；4、 机 械 手 能 实 现 抓 紧 和 松 开 功 能 。2.2 基 本 设 计 思 路2.2.1 系 统 分 析机 械 手 是 实 现 生 产 过 程 自 动 化 、 提 高 劳 动 生 产 率 的 一 种 有 力 工 具 。 要 在 一 个 生 产 过程 中 实 现 自 动 化 ， 需 要 对 各 种 机 械 化 、 自 动 化 装 置 进 行 综 合 的 技 术 和 经 济 分 析 ， 从 而 判断 机 械 手 是 否 合 适 。 所 以 要 完 成 机 械 手 的 设 计 ， 一 般 要 先 做 如 下 工 作 ：(1) 根 据 机 械 手 的 使 用 场 合 ， 明 确 机 械 手 的 目 的 和 任 务 。(2) 分 析 机 械 手 所 在 的 系 统 工 作 环 境 。(3) 认 真 分 析 系 统 的 工 作 要 求 ， 确 定 机 械 手 的 基 本 功 能 和 方 案 ， 如 机 械 手 的 自 由 度数 目 、 动 作 速 度 、 定 位 精 度 、 抓 取 重 量 等 。 进 一 步 根 据 抓 取 、 气 动 物 体 的 质 量 、 形 状 、尺 寸 及 生 产 批 量 等 情 况 ， 来 确 定 机 械 手 爪 的 形 式 及 抓 取 工 件 的 部 位 和 握 力 大 小 。对 此 ， 我 进 行 如 下 分 析 ：(1) 本 设 计 课 题 为 物 料 气 动 机 械 手 设 计 ， 是 通 过 机 械 手 进 行 两 地 物 料 运 输 的 机 械手 。 而 机 械 手 的 使 用 场 合 ， 非 常 广 泛 ， 要 涉 及 到 物 料 的 状 态 ， 运 作 流 水 线 的 环 境 等 等 因素 ， 相 较 于 我 所 掌 握 的 理 论 知 识 和 能 力 ， 我 选 择 非 批 量 生 产 的 小 型 物 体 加 工 流 水 线 上 的物 料 气 动 机 械 手 。(2) 由 于 我 所 选 择 的 机 械 手 是 非 批 量 生 产 的 小 型 物 体 加 工 流 水 线 上 的 物 料 气 动 机械 手 ， 所 以 ， 机 械 手 所 在 的 系 统 工 作 环 境 一 定 是 工 厂 ， 要 求 精 度 高 ， 容 错 率 低 ， 速 度 快 。2.2.2 总 体 设 计 框 图6图 2 总 体 设 计 框 图如 图 2为 总 设 计 框 图 ， 说 明 如 下 ：(1) 控 制 系 统 ： 任 务 是 根 据 机 械 手 的 作 业 指 令 程 序 和 传 感 器 反 馈 回 来 的 信 号 ， 控 制机 械 手 的 执 行 机 构 ， 使 其 完 成 规 定 的 运 动 和 功 能 。 主 要 设 计 目 标 为 CPU的 选 择 ， CPU程 序 的 编 写 调 试 等 。(2) 驱 动 系 统 ： 驱 动 系 统 工 作 的 驱 动 装 置 。(3) 机 械 系 统 ： 包 括 机 身 、 机 械 臂 、 手 腕 、 手 爪 。 需 要 确 定 其 自 由 度 、 坐 标 形 式 ，并 计 算 得 出 具 体 结 构 。(4) 感 知 系 统 ： 即 传 感 器 的 选 择 及 具 体 作 用 。2.2.3 气 动 机 械 手 的 基 本 参 数1. 机 械 手 的 最 大 气 动 物 料 的 重 量 是 它 的 主 参 数 。 本 论 文 物 料 气 动 机 械 手 所 气 动 的物 料 质 量 可 设 定 为 1吨 。2. 运 动 速 度 直 接 影 响 机 械 手 的 动 作 快 慢 和 机 械 手 动 作 的 稳 定 性 ， 所 以 运 动 速 度 也是 是 物 料 物 料 气 动 机 械 手 的 一 个 主 要 的 基 本 参 数 。 设 计 速 度 过 低 的 话 ， 会 无 法 满 足 机 械手 的 动 作 功 能 ， 限 制 机 械 手 的 使 用 范 围 。 设 计 的 速 度 过 高 又 会 加 重 机 械 手 的 负 载 并 影 响机 械 手 动 作 的 平 稳 性 。3. 伸 缩 行 程 和 工 作 半 径 是 决 定 机 械 手 工 作 范 围 及 整 机 尺 寸 的 关 键 ， 也 是 机 械 手设 计 的 基 本 参 数 。3.定 位 精 度 也 是 机 械 手 的 主 要 基 本 参 数 之 一 。 机 械 手 精 度 太 低 ， 就 完 成 不 了 功 能 ， 精 度太 高 又 意 味 着 成 本 的 增 加 。 综 合 考 虑 ， 该 物 料 气 动 机 械 手 的 定 位 精 度 设 定 为 士 0.5到 士1mm之 间 。 物 料 气 动 机 械 手 的 各 个 部 分 的 基 本 参 数 可 以 由 上 面 已 经 知 道 的 物 料 气 动 机械 手 各 关 节 的 行 程 和 时 间 分 配 来 决 定 。2.3 气 动 机 械 手 结 构 设 计根 据 所 设 计 的 机 械 手 的 运 动 方 式 ： 机 械 臂 的 转 动 ， 机 械 臂 的 升 降 。 根 据 上 文 所 说 的 ，机 械 手 按 照 坐 标 的 分 类 情 况 ， 选 择 圆 柱 坐 标 式 机 械 手 更 为 妥 当 。72.4 机 械 手 材 料 的 选 择机 械 手 手 臂 的 材 料 应 根 据 手 臂 的 工 作 状 况 来 进 行 选 择 ， 并 满 足 机 械 手 的 设 计 和 制 作要 求 。 从 设 计 的 思 想 出 发 ， 机 械 手 手 臂 要 完 成 各 种 运 动 。 因 此 ， 对 材 料 的 一 个 要 求 是 作为 运 动 的 部 件 ， 它 应 是 轻 型 材 料 。 另 一 方 面 ， 手 臂 在 运 动 过 程 中 往 往 会 产 生 振 动 ， 这 必然 大 大 降 低 它 的 运 动 精 度 。 所 以 在 选 择 材 料 时 ， 需 要 对 质 量 、 刚 度 、 阻 尼 进 行 综 合 考 虑 ，以 便 有 效 地 提 高 手 臂 的 动 态 性 能 。 此 外 ， 机 械 手 手 臂 选 用 的 材 料 与 一 般 的 结 构 材 料 不 同 。机 械 手 手 臂 是 一 种 伺 服 机 构 ， 要 受 到 控 制 ， 必 须 考 虑 它 的 可 控 性 。 在 选 择 手 臂 材 料 时 ，可 控 性 还 要 和 材 料 的 可 加 工 性 、 结 构 性 、 质 量 等 性 质 一 起 考 虑 。总 之 ， 选 择 机 械 手 手 臂 的 材 料 时 ， 要 综 合 考 虑 强 度 、 刚 度 、 重 量 、 弹 性 、 抗 震 性 、外 观 及 价 格 等 多 方 面 因 素 。 下 面 介 绍 几 种 机 械 手 手 臂 常 用 的 材 料 ：(l)碳 素 结 构 钢 和 合 金 结 构 钢 等 高 强 度 钢 :这 类 材 料 强 度 好 ， 尤 其 是 合 金 结 构 钢 强 度 增加 了 45倍 、 弹 性 模 量 E大 、 抗 变 形 能 力 强 ， 是 应 用 最 广 泛 的 材 料 ;(2)铝 、 铝 合 金 及 其 它 轻 合 金 材 料 :其 共 同 特 点 是 重 量 轻 、 弹 性 模 量 E不 大 ， 但 是 材料 密 度 小 ， 则 E/p之 比 仍 可 与 钢 材 相 比 ;(3) 陶 瓷 :陶 瓷 材 料 具 有 良 好 的 品 质 ， 但 是 脆 性 大 ， 可 加 工 型 不 好 ， 与 金 属 等 零 件 连接 的 接 合 部 需 要 特 殊 设 计 。 然 而 ， 日 本 己 试 制 了 在 小 型 高 速 机 械 手 上 使 用 的 陶 瓷 机 械 手手 臂 的 样 品 ;从 本 文 设 计 的 机 械 手 的 角 度 来 看 ， 在 选 用 材 料 时 不 需 要 很 大 的 负 载 能 力 ， 也 不 需 要 很 高的 弹 性 模 量 和 抗 变 形 能 力 ， 此 外 还 要 考 虑 材 料 的 成 本 ， 可 加 工 性 等 因 素 。 在 衡 量 了 各 种因 素 和 结 合 工 作 状 况 的 条 件 下 ， 初 步 选 用 铝 合 金 作 为 机 械 臂 的 构 件 。2.5 机 械 臂 的 运 动 方 式常 见 的 机 械 手 的 运 动 形 式 有 五 种 :SCARA型 、 直 角 坐 标 型 极 坐 标 型 、 关 节 型 和 圆 柱坐 标 型 。 根 据 主 要 的 运 动 参 数 选 择 运 动 形 式 是 结 构 设 计 的 基 础 。 同 一 种 运 动 形 式 为 适 应不 同 生 产 工 艺 的 需 要 ， 可 采 用 不 同 的 结 构 。 位 置 具 体 选 用 哪 种 形 式 ， 必 须 根 据 作 业 要 求 、工 作 现 场 、 以 及 气 动 前 后 工 件 中 心 线 方 向 的 变 化 等 情 况 ， 分 析 比 较 并 择 优 选 取 。这 类 机 械 手 一 般 由 2个 肩 关 节 和 1个 肘 关 节 进 行 定 位 ， 由 2个 或 3个 腕 关 节 进 行 定向 。 其 中 ， 一 个 肩 关 节 绕 铅 直 轴 旋 转 ， 另 一 个 肩 关 节 实 现 俯 仰 。 这 两 个 肩 关 节 轴 线 正 交 。肘 关 节 平 行 于 第 二 个 肩 关 节 轴 线 ， 考 虑 到 机 械 手 的 作 业 特 点 ， 即 要 求 其 动 作 灵 活 、 有 较大 的 工 作 空 间 、 且 要 求 结 构 紧 凑 、 占 用 空 间 小 等 特 点 ， 故 选 用 关 节 型 机 械 手 。 如 图 所 示 。这 种 构 形 动 作 灵 活 、 工 作 空 间 大 、 在 作 业 时 空 间 内 手 臂 的 干 涉 最 小 、 结 构 紧 凑 、 占 地 面积 小 、 关 节 上 相 对 运 动 部 位 容 易 密 封 防 尘 。 但 是 这 类 机 械 手 运 动 学 比 较 复 杂 ， 运 动 学 的反 解 比 较 困 难 ;确 定 末 端 杆 件 的 姿 态 不 够 直 观 ， 且 在 进 行 控 制 时 ， 计 算 量 比 较 大 。8图 3 常 见 的 运 动 方 式2.6 气 动 机 械 手 驱 动 方 式 的 选 择机 械 手 常 用 的 驱 动 方 式 主 要 有 气 动 驱 动 、 气 动 驱 动 和 马 达 驱 动 四 种 基 本 形 式 。但 与 气 动 驱 动 相 比 ， 功 率 较 小 ， 气 动 驱 动 的 能 源 、 结 构 都 比 较 简 单 速 度 不 易 控 制 ，精 度 不 高 。马 达 传 动 能 源 简 单 ， 速 度 和 位 置 精 度 都 很 高 ， 使 用 方 便 ， 噪 声 低 ， 机 构 速 度 变 化 范围 大 ， 效 率 高 ， 控 制 灵 活 。气 动 驱 动 的 特 点 是 功 率 大 、 结 构 简 单 ， 可 省 去 减 速 装 置 ， 响 应 快 ， 精 度 较 高 。 但 是需 要 有 气 动 源 ， 而 且 容 易 发 生 气 体 泄 漏 。起 初 ， 我 先 选 择 电 动 机 的 传 动 结 构 ， 但 是 考 虑 到 机 械 手 的 升 降 运 动 运 用 纯 机 械 结 构并 不 能 达 到 理 想 传 动 效 果 。 而 机 械 手 臂 旋 转 如 若 使 用 气 动 或 者 气 动 传 动 ， 就 必 须 带 有 旋转 气 动 或 者 旋 转 气 缸 ， 相 对 来 说 结 构 较 为 复 杂 ， 不 利 于 设 计 。故 改 良 方 案 ， 将 驱 动 方 式 分 成 两 个 部 分 。 其 中 ， 机 械 臂 的 回 转 采 用 传 动 的 驱 动 方 式 ，通 过 马 达 带 动 齿 轮 链 进 行 旋 转 传 动 ； 而 机 械 臂 的 伸 缩 、 升 降 和 机 械 手 抓 的 抓 取 ， 都 采 用气 动 驱 动 方 式 。2.7 动 作 要 求 分 析动 作 一 ： 送 料动 作 二 ： 预 夹 紧动 作 三 ： 手 臂 上 升动 作 四 ： 手 臂 旋 转动 作 五 ： 小 臂 伸 长动 作 六 ： 手 腕 旋 转预 夹 紧9手 臂 上 升 手 臂 旋 转 手 臂 伸 长手 臂 转 回 手 腕 旋 转图 2.2 气 动 机 械 手 动 作 简 易 图2.8 气 动 机 械 手 结 构 及 驱 动 系 统 选 型本 课 题 所 设 计 的 气 动 机 械 手 为 通 用 型 的 气 动 机 械 手 ， 其 中 坐 标 系 为 圆 柱 坐 标 系 结构 。 驱 动 系 统 选 用 马 达 驱 动 和 气 动 驱 动 ， 马 达 驱 动 用 于 机 座 的 旋 转 和 手 臂 的 上 下 移 动 ，气 动 驱 动 用 于 手 臂 的 伸 缩 和 气 动 机 械 手 的 夹 取 和 翻 转 3。10第 3 章 系 统 各 主 要 组 成 部 分 设 计3.1 夹 持 器 结 构 设 计 与 校 核3.1.1 夹 持 器 种 类1.连 杆 杠 杆 式 手 爪这 种 手 爪 在 活 塞 的 推 力 下 ， 连 杆 和 杠 杆 使 手 爪 产 生 夹 紧 （ 放 松 ） 运 动 ， 由 于 杠 杆 的力 放 大 作 用 ， 这 种 手 爪 有 可 能 产 生 较 大 的 夹 紧 力 。 通 常 与 弹 簧 联 合 使 用 。2.楔 块 杠 杆 式 手 爪利 用 楔 块 与 杠 杆 来 实 现 手 爪 的 松 、 开 ， 来 实 现 抓 取 工 件 。3.齿 轮 齿 条 式 手 爪这 种 手 爪 通 过 活 塞 推 动 齿 条 ， 齿 条 带 动 齿 轮 旋 转 ， 产 生 手 爪 的 夹 紧 与 松 开 动 作 。4.滑 槽 式 手 爪当 活 塞 向 前 运 动 时 ， 滑 槽 通 过 销 子 推 动 手 爪 合 并 ， 产 生 夹 紧 动 作 和 夹 紧 力 ， 当 活 塞向 后 运 动 时 ， 手 爪 松 开 。 这 种 手 爪 开 合 行 程 较 大 ， 适 应 抓 取 大 小 不 同 的 物 体 。5.平 行 杠 杆 式 手 爪不 需 要 导 轨 就 可 以 保 证 手 爪 的 两 手 指 保 持 平 行 运 动 采 用 平 行 四 边 形 机 构 ， 因 此 ， 比带 有 导 轨 的 平 行 移 动 手 爪 的 摩 擦 力 要 小 很 多结 合 具 体 的 工 作 情 况 ， 采 用 连 杆 杠 杆 式 手 爪 。 驱 动 活 塞 往 复 移 动 ， 通 过 活 塞 杆 端部 齿 条 ， 中 间 齿 条 及 扇 形 齿 条 使 手 指 张 开 或 闭 合 。 手 指 的 最 小 开 度 由 加 工 工 件 的 直 径来 调 定 。 本 设 计 按 照 所 要 捆 绑 的 重 物 最 大 使 用 的 钢 丝 绳 直 径 为 50mm来 设 计 。a 有 适 当 的 夹 紧 力手 部 在 工 作 时 ， 应 具 有 适 当 的 夹 紧 力 ， 以 保 证 夹 持 稳 定 可 靠 ， 变 形 小 ， 且 不 损 坏 工件 的 已 加 工 表 面 。 对 于 刚 性 很 差 的 工 件 夹 紧 力 大 小 应 该 设 计 得 可 以 调 节 ， 对 于 笨 重 的 工件 应 考 虑 采 用 自 锁 安 全 装 置 。b 有 足 够 的 开 闭 范 围工 作 时 ， 一 个 手 指 开 闭 位 置 以 最 大 变 化 量 称 为 开 闭 范 围 。 夹 持 类 手 部 的 手 指 都 有 张开 和 闭 合 装 置 。 可 用 开 闭 角 和 手 指 夹 紧 端 长 度 表 示 。 于 回 转 型 手 部 手 指 开 闭 范 围 ， 手 指开 闭 范 围 的 要 求 与 许 多 因 素 有 关11c 力 求 结 构 简 单 ， 重 量 轻 ， 体 积 小作 时 运 动 状 态 多 变 ， 其 结 构 ， 重 量 和 体 积 直 接 影 响 整 个 气 动 机 械 手 的 结 构 ， 抓 重 ，定 位 精 度 ， 运 动 速 度 等 性 能 。 手 部 处 于 腕 部 的 最 前 端 ， 工 因 此 ， 在 设 计 手 部 时 ， 必 须 力求 结 构 简 单 ， 重 量 轻 ， 体 积 小 。d 手 指 应 有 一 定 的 强 度 和 刚 度因 此 送 料 ， 采 用 最 常 用 的 外 卡 式 两 指 钳 爪 ， 夹 紧 方 式 用 常 闭 式 弹 簧 夹 紧 ， 夹 紧 气 动机 械 手 ， 根 据 工 件 的 形 状 ， 松 开 时 ， 用 单 作 用 式 气 缸 。 此 种 结 构 较 为 简 单 ， 制 造 方 便 。气 缸 右 腔 停 止 进 时 ， 气 缸 右 腔 进 时 松 开 工 件 。3.1.2 夹 持 器 设 计 计 算手 爪 要 能 抓 起 工 件 必 须 满 足 ： GkkkN 321 （ 3-6）式 中 ， N -为 所 需 夹 持 力 ；1k -安 全 系 数 ， 通 常 取 1.22；2k -为 动 载 系 数 ， 主 要 考 虑 惯 性 力 的 影 响 可 按 gak 12 估 算 ， a为 机 械 手 在 搬运 工 件 过 程 的 加 速 度 2/sm ， 2/8.9 sma ， g为 重 力 加 速 度 ；3k -方 位 系 数 ， 查 表 选 取 13 k ；G-被 抓 持 工 件 的 重 量 10kg ；带 入 数 据 ， 计 算 得 ： NN 12000 ；理 论 驱 动 力 的 计 算 ： 12 NRbp （ 3-7）式 中 ， p-为 柱 塞 缸 所 需 理 论 驱 动 力 ；b-为 夹 紧 力 至 回 转 支 点 的 垂 直 距 离 ；R-为 扇 形 齿 轮 分 度 圆 半 径 ；N -为 手 指 夹 紧 力 ；-齿 轮 传 动 机 构 的 效 率 ， 此 处 选 为 0.92；其 他 同 上 。 带 入 数 据 ， 计 算 得 377P N12计 算 驱 动 力 计 算 公 式 为 ： FkkFc 41 （ 3-8）式 中 ， cF -为 计 算 驱 动 力 ；1k -安 全 系 数 ， 此 处 选 1.2；4k -工 作 条 件 系 数 ， 此 处 选 1.1；而 气 缸 的 工 作 驱 动 力 是 由 缸 内 压 提 供 的 ， 故 有APFc （ 3-9）式 中 ， P-为 柱 塞 缸 工 作 压 ；A-为 柱 塞 截 面 积 ； 选 取 缸 内 径 为 50mm3.1.3 夹 持 器 校 核活 塞 杆 直 径 查 气 动 传 动 与 控 制 手 册 根 据 杆 径 比 d/D， 一 般 的 选 取 原 则 是 ： 当活 塞 杆 受 拉 时 ， 一 般 选 取 d/D=0.3-0.5， 当 活 塞 杆 受 压 时 ， 一 般 选 取 d/D=0.5-0.7。 本 设 计选 择 d/D=0.7， d=35mmAPFc = 2 6 2 2x 1 10 (35 10 )4 4P d X X X X =9616N 377N计 算 所 得 的 力 远 远 大 于 实 际 所 需 要 的 力 ， 所 以 满 足 要 求 。经 计 算 ， 所 需 的 压 约 为 ： 1MPa (后 续 章 节 进 行 介 绍 )3.2 升 降 方 向 设 计 计 算3.2.1 初 步 确 系 统 压 力 表 3-1 按 负 载 选 择 工 作 压 力 1负 载 / KN 50工 作 压 力/MPa 1.25 2cm ， 满 足 最 低 速 度 的 要 求 。2.活 塞 杆 强 度 计 算 ： mmmF 45.15015454.01080 105.144d 64 90mm （ 4-4）式 中 许 用 应 力 ； MPa805004n b （ Q235 钢 的 抗 拉 强 度 为375-500MPa， 取 400MPa， 为 位 安 全 系 数 取 5， 即 活 塞 杆 的 强 度 适 中 ）3 活 塞 杆 的 结 构 设 计活 塞 杆 的 外 端 头 部 与 负 载 的 拖 动 马 达 机 构 相 连 接 ， 为 了 避 免 活 塞 杆 在 工 作 生 产 中 偏心 负 载 力 ， 适 应 气 缸 的 安 装 要 求 ， 提 高 其 作 用 效 率 ， 应 根 据 负 载 的 具 体 情 况 ， 选 择 适 当的 活 塞 杆 端 部 结 构 。4.活 塞 杆 的 密 封 与 防 尘活 塞 杆 的 密 封 形 式 有 Y形 密 封 圈 、 U形 夹 织 物 密 封 圈 、 O形 密 封 圈 、 V形 密 封 圈 等6。采 用 薄 钢 片 组 合 防 尘 圈 时 ， 防 尘 圈 与 活 塞 杆 的 配 合 可 按 H9/f9 选 取 。 薄 钢 片 厚 度 为0.5mm。 为 方 便 设 计 和 维 护 ， 本 方 案 选 择 O型 密 封 圈 。3.2.4 气 缸 工 作 行 程 的 确 定气 缸 工 作 行 程 长 度 可 以 根 据 执 行 机 构 实 际 工 作 的 最 大 行 程 确 定 ， 并 参 照 表 4-4选 取标 准 值 。 气 缸 活 塞 行 程 参 数 优 先 次 序 按 表 4-4中 的 a、 b、 c选 用 。表 4-4（ a） 气 缸 行 程 系 列 （ GB 2349-80）625 50 80 100 125 160 200 250 320 400500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000表 4-4（ b） 气 缸 行 程 系 列 （ GB 2349-80） 61740 63 90 110 140 180220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 2800 3600表 4-4（ c） 气 缸 形 成 系 列 （ GB 2349-80） 6240 260 300 340 380 420 480 530 600 650750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 21002400 2600 3000 3400 3800根 据 设 计 要 求 知 快 速 接 近 工 件 ， 行 程 根 据 任 务 书 要 求 ， 根 据 表 3-8， 可 选 取 气 缸 的工 作 行 程 为 1050mm。3.2.5 活 塞 的 设 计由 于 活 塞 在 气 动 力 的 作 用 下 沿 缸 筒 往 复 滑 动 ， 因 此 ， 它 与 缸 筒 的 配 合 应 适 当 ， 既 不能 过 紧 ， 也 不 能 间 隙 过 大 。 配 合 过 紧 ， 不 仅 使 最 低 启 动 压 力 增 大 ， 降 低 机 械 效 率 ， 而 且容 易 损 坏 缸 筒 和 活 塞 的 配 合 表 面 ； 间 隙 过 大 ， 会 引 起 气 缸 内 部 泄 露 ， 降 低 容 积 效 率 ， 使气 缸 达 不 到 要 求 的 设 计 性 能 。 考 虑 选 用 O型 密 封 圈 。3.2.6 导 向 套 的 设 计 与 计 算1.最 小 导 向 长 度 H的 确 定当 活 塞 杆 全 部 伸 出 时 ， 从 活 塞 支 承 面 中 点 到 到 导 向 套 滑 动 面 中 点 的 距 离 称 为 最 小 导向 长 度1。 影 响 气 缸 工 作 性 能 和 稳 定 性 。 因 此 ， 在 设 计 时 必 须 保 证 气 缸 有 一 定 的 最 小 导向 长 度 。 根 据 经 验 ,当 气 缸 最 大 行 程 为 L,缸 筒 直 径 为 D时 ,最 小 导 向 长 度 为 :220 DLH （ 4-5）一 般 导 向 套 滑 动 面 的 长 度 A， 在 缸 径 小 于 80mm时 取 A=(0.61.0)D， 当 缸 径 大 于 80mm时 取 A=(0.61.0)d.。 活 塞 宽 度 B 取 B=(0.61.0)D。 若 导 向 长 度 H 不 够 时 ,可 在 活 塞 杆上 增 加 一 个 导 向 套 K(见 图 4-1)来 增 加 H值 。 隔 套 K的 宽 度 )21 BAHC （ 。18图 4-1 气 缸 最 小 导 向 长 度 1因 此 :最 小 导 向 长 度 ， 取 H=9cm；导 向 套 滑 动 面 长 度 A= cmcm 2.798.0 活 塞 宽