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柱面坐标跺码机设计,柱面,坐标,跺码机,设计
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1 码垛机械手的设计 学 生：刘 皝 指导老师：陈文凯 (湖南农业大学 东方科技学院，长沙 410128) 摘 要 ： 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，气动技术的特点及国内外的发展状况。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的技术参数。同时，设计计算了机械手的升降臂和回转臂结构，设计了机械手的手部结构。本文系统地研究了机械手的气动系统，对气压系统工作原理图的参数进行了了解，大大提高了绘图效率和图纸质量。 关键词 ： 工业机器人；机械手；气动 of ( 10128) of of of of an of of of of of of of 1 前言 工业机械手的概述 2 工业机器人是能模仿人体某些器官的功能 (主要是动作功能 )、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。 “机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。 1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧罗素姆万能机器人中第一次使用了机器人一词。 此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。 20 世纪 50 年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人； 60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969 年，美国通用汽车公司用 21 台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产， 70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或 柔性制造系统的组成部分。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 3 6 个运动自由度，其中腕部通常有 1 3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体，输入已编好的程序。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器 (示教操纵盒 )，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运 动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉3 的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作 1。 机械手的组成及分类 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。如下示意图 1. 图 1 机械手示意图 1 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一 )按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种 : 1、专用机械手 专用机械手是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点 。 适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手等。 2、通用机械手 通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式 不同可分为简易型和伺服型两种 :简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制 :可以是点位的，也可以实现4 连续轨控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (二 )按驱动方式分 (1)液压传动机械手 液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但 是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 (2)气压传动机械手 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 (3)机械传动机械手 机械传动机械手即由机械传动机构 (如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等 )驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。 (4)电力传动机械手 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。 (三 )按控制方式分 (1)点位控制 点位控制的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。 (2)连续轨迹控制 连续轨迹控制的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个5 移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 触摸屏概述 通常称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱 (即 器人和 一。 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变的简单生动 ，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少 ，降低生产的成本同时由于面板控 制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附加价值。 触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如 :自动化停车设备、自动洗车机、天车升降控制、生产线监控等，甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整。 随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面， 摸屏的应运而生无疑是 21 世纪自 动化领域里的一个巨大的革新。 国内外发展状况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 : (1) 工业机器人性能不断提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修 )，而单机价格不断下降。 (2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 :由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机 ;国外已有模块化装配机器人产品问市。 (3) 工业机器人控制系统向基于 于标准化、网6 络化 ;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构 :大 大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 (4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 ;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 (5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例 2。 课题研究内容 课题的提出 现在的机械手采用液压传动的，液压传动存在以下几个缺点 : (1) 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失 (摩擦损失、泄露损失等 ):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。 (2) 工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 (3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 (4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高 ;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动， 气动技术有以下优点 : (1) 介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低， 工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器 :介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题 . (2) 阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小 (一般不卜浇塞仅为油路的千分之一 )，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。 (3) 动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。 (4) 能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。 (5) 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。 (6) 成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为 :由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难 (尤其在高速情况下，似乎更难想象 )。此外气源工作压力较 低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。 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 由 动机械手、气动控制越来越离不开 而阀岛技术的发展 , 又使 动控制中变得更加得心应手。 课题的主要任务 (1) 进行气动机械手的总体研究，并进行整体运动方式设计； (2) 对气动机械手气路了解，进行关键部件的研究，完成 气动阀座零件图。 (3) 设计气动机械升降臂 回转 臂 部分结构，进行关键部件的设计计算； 完成 气动机械手 升降臂 结构装配图、气动机械手回转 臂 结构装配图。 设计的气动机械手 伸缩行程为 200下行程为 300转 180度；抓握零件重量 150N 。 2 机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾 就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度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 :充分分析作业对象 (工件 )的作业技术要8 求，拟定最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，并能实现柔性转换和编程控制 一种模拟大中型场合工作的机械搬运设备。可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，操作频繁的生产场合。在发出指令协调各有关驱动器之间的运动的同时，还要完成编程、示教 /再现以及其他环境状况（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备之间的信息传递和协调工作，使各关节能按预定运动规律运动。 机械手主要类型和 自由度的选择 手臂的机构基本上决定了操作机的工作空间范围，按机械手手臂运动的不同运动的坐标形式和形态来进行分类，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。（ 1）直角坐标型具有三个移动关节（ 可使手部产生三个互相垂直的独立位移。由于其运动方程可独立处理，且为线性的，具有定位精度高，控制简单等特点，但操作灵活性较差，运动速度低的特点。（ 2）圆柱坐标型具有两个移动关节和一个转动关节（ 受部的坐标为 (z， r， )。这种操作机的优点是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。而缺点是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。通常用于搬运机器人。（ 3）球座标型具有两个转动关节和一个移动关节（ 优点是结构紧凑，所占空间尺寸小，但目前应用较少。（ 4）关节型是模拟人的上肢而构成的。它具有三个转动关节（ 可绕铅垂轴转动和绕两个平行于水平面的轴转动。具有结构紧凑，所占空间体积少，相对工作空间大等特点，用于复杂设备当中。 由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，在操作 机中主动关节的数目应等于操作机的自由度，因此，采用圆柱座标型式，相应的机械手具有三个自由。 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，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。本系统采用南通大学的 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 常方便快捷。本机械手采用了西门子 24行编程控制。 9 机械手的手部结构方案确定 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部 ;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。本文设计 的机械手所夹的工件为棒料（可以是铸铁，也可以是钢）， 伸缩行程为 200下行程为 300 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。手臂的伸缩、升降运动由伸缩气缸来实现，回转由回转气缸实现。 机械手的主要参数 于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计拟订设计要求抓取的工件质量为 150N。 作节拍对机 械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为 s。最大回转速度设计为 90 s 。平均移动速度为 0.8 m/s。平均回转速度为 60 s 。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩 行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 200最大工作半径约为 450臂升降行程定为 300位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为 1 机械手的技术参数列表 一、用途 : 用于数控机床上下料机械手，减轻生产劳动强度，提高生产效率 。 二、设计技术参数 1、抓重 ： 150N 2、自由度数： 3个自由度 3、座标型式：圆柱座标 10 4、最大工作半径： 4505、手臂运动参数 伸缩行程 200载 230N 伸缩速度 200mm s 升降行程 300载 300N 升降推出速度 250mm s ，升降缩回推出速度 375mm s 回转范围 900 ， 负载 22转速度 45 s 6、定位方式 行程开关 7、定位精度 1、驱动方式 气压传动 9、控制方式 点位程序控制 (采用 3 手部结构的选择，手臂伸缩，升降、回转气缸的设计与校核 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料、 铸铁或者钢 时，使用夹持式手部。 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 手指的形状和分类 夹持式 是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )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 (或称直进型 )，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，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能 适应不同直径的工件。 11 设计时注意的问题 (1)具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (2)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。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (3)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择 相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。 (4)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (5)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 升降缸的尺寸设计与校核和伸缩缸的选择 气缸的分类 普通气缸的结构组成见图 2。主要由前盖、后盖 9、活塞 6、活塞杆 4、缸筒 5 其他一些零件组成。 12 图 2普通气缸的结构组成 2 1 组合防尘圈； 2 前端盖； 3 轴用 4 活塞杆； 5 缸筒； 6 活塞； 7 孔用 封圈； 8 缓冲调节阀； 9 后端盖 123X; 4 567X 89气缸的种类很多。一般按压缩空气作用在活塞面上的方向、结构特征和安装方式来分类。 气缸的类型 (1)单作用气缸 柱塞式气缸：压缩空气只能使柱塞向一个方向运动；借助外力或重力复位 活塞式气缸：压缩空气只能使活塞向一个方向运动；借助外力或重力复位（或借助弹簧力复位；用于行程较小场合） 薄膜式气缸：以膜片代替活塞的气缸。单向作用；借助弹簧力复位；行程短；结构简单，缸体内壁不须加工；须按行程比例增大直径。若无弹簧，用压缩空气复位，即为双向作用薄膜式气缸。行程较长的薄膜式气缸膜片受到滚压，常称滚压（风箱）式气缸。 (2)双作用气缸 普通气缸：利用压缩空气使活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定，双向作用的力和速度不同 双活塞杆气缸：压缩空气可使活塞向两个方向运动，且其速度和行程都相等 不可调缓冲气缸：设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时减速，防止冲击，缓冲效果不可调整 可调缓冲气缸：缓冲装置的减速和缓冲效果可根据需要调整 13 (3)特殊气缸 差动气缸：气缸活塞两端有效面积差较大，利用压力差原理使活塞往复运动，工作时活塞杆侧始终通以压缩空气 双活塞气缸：两个活塞同时向相反方向运动 多位气缸：活塞杆沿行程长度方向可在多个位置停留，图示结构有四个位置 串联气缸：在一根活塞杆上串联多个活塞，可获得和各活塞有效面积总和成正比的输出力 冲击气缸：利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动，用于切断、冲孔、打入工件等 数字气缸：将若干个活塞沿轴向依次装在一起，每个活塞的 行程由小到大，按几何级数增加 回转气缸：进排气导管和导气头固定而气缸本体可相对转动。用于机床夹具和线材卷曲装置上 伺服气缸：将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。用于自动调节系统中。挠性气缸缸筒由挠性材料制成，由夹住缸筒的滚子代替活塞。用于输出力小，占地空间小，行程较长的场合，缸筒可适当弯曲 钢索式气缸：以钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸，用于小直径，特长行程的场合 (4)组合气缸 增压气缸：活塞杆面积不相等，根据力平衡原理，可由小活塞端输出高压气体 气 体是不可压缩的，根据力的平衡原理，利用两两相连活塞面积的不等，压缩空气驱动大活塞，小活塞便可输出相应比例的高压液体 气 用液体不可压缩的性能及液体流量易于控制的优点，获得活塞杆的稳速运动 升降气缸的尺寸设计与校核 (1)活塞杆上输出力和缸径的计算 本课题中采用的是双作用气缸 ,单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸 ,因其只在活塞一侧有活塞杆 ,所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等 1塞右行时产生拉力 - （ 1） ( ) （ 2） 14 式中 活塞杆的推力 (N); 活塞杆的拉力 (N); m); m); 气缸工作总阻力 (N); 气缸工作时的总阻力 与众多因素有关 ,如运动部件惯性力 ,背压阻力 ,密封处摩擦力等 的形式计入公式 ,如要求气缸的静推力 和静拉力 ,则计入载荷率后 5 （ 3） ( ) （ 4） 计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征 且工作频率高 ,其载荷率一般取 0 3 0 5,速度高时取小值 ,速度低时取大值 且工作频率低 ,基本是匀速运动 ,其载荷率可取 0 7 0 85。根据要求本次设计中 ,我们取 0 8。活塞杆拉力 为克服机械手的 负载 所用的力为 300N 由式（ 3， 4）可求得气缸直径 D。 当推力作功时 5 D=4 ( ) （ 5） D= （ 6） 用式（ 6）计算时，活塞杆 细计算见活塞的计算。估定活塞杆直径可按 =算（必要时也可取 =。若将 =6），则可得 D=( （ 7） = =3中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。 以上公式计算出的气缸内径 考表 1得 D=32据 = 15 d=328 1 缸筒内径系列 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 (90) 100 (110) 125 (140) 160 (180) 200 (220) 250 320 400 500 630 注：无括号的数值为优先选用者 表 2 活塞杆直径系列 of 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 （ 2）活塞杆的计算 1）按强度条件计算 当活塞杆的长度 L 10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径 d5 d （ 8） 式中 气缸的推力（ N）； 活塞杆材料的许用应力 ( 材料的抗拉强度（ S 按纵向弯曲极限力计算 气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力 以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。 5 当长细比 85 时 （ 9） 当长细比 85时 16 ( )（ 10） 式中 m），见表 3 实心杆 K= 空心杆 K= /4 实心杆 I= 空心杆 I= ( ) 64 空心活塞杆内径直径（ m）； 活塞杆截面积 实心杆 空心杆 ( ) 表 3 钢取 E=10 Pa 钢取 f=49 10 Pa 钢取 a=1/5000 安装方式为铰支 根据表 3得知取 n=1,由于活塞杆长度 L=350程为300活塞杆杆横截面回转半径 (实心杆 )5 K= =2 10 所以长细比 50 85 所以 =98000N 若纵向推力载荷（总载荷）超过极限力 ，就应采取相应措施。在其他条件（行程、安装方式）不变的前提下，多以加大活塞杆直径 17 表 3 活塞杆计算长度 n 3 n n 安装方式 18 n 安装方式 (3)缸筒壁厚的计算 缸筒直接承受压力，需有一定的厚度。由于一般气缸缸筒壁厚与内径之比 ，所以通常可以按薄壁筒公式计算 5 = 式中 气缸筒的壁厚（ m）； 径）（ m）； 气缸试验压力，一般取 1 5 缸筒材料许用应力（ 材料抗拉强度（ 般取 S=6 8 常用缸筒材料有：铸铁 30 ； 20钢管，其 60 ； 铝合金 3 ； ； 45钢，其 100 ； 本气缸选用 45号缸 , ，其 100 5 所以 续表 3 19 = =0 常用计算出的缸筒壁厚都相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要，往往将气缸筒壁厚作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管和铝合金管。表 3 所列缸筒壁厚值可供参考。因加工等原因如表 3 =5 表 4 气缸筒壁厚 4 (材料 气缸直径 铸铁 0 80 100 125 160 200 250 320 壁 厚 7 8 10 10 12 14 16 16 钢 45、 20号无缝管 5 6 7 7 8 8 10 10 铝合金 24 伸缩缸的选择 根据机械手的总体的受力为 230N,伸缩缸的选择可以和升降缸使用相同的尺寸，只是行程为 200 回转气缸的尺寸设计与校核 1、工件的转动惯量计算 L=m(7800 9 8 ) R=25 8 8 情况下的公式，查表 5 可知，按圆柱体计算： J= ( 3 )=0 2、手部的转动惯量计算 根据手部结构，查表 5可知，按长方体计算。 因为， 15（ 20 表 5 零件几何图形对照表 5 号 零件 几何图形 计算公式 备注 1 细直杆 m= 构件重量 重力加速度 2 薄圆盘 3 圆柱体 3 ) 当 R 时，可按细直杆计算；当 l 时，可按薄圆盘计算，误差不超过5% 4 圆形环 ( ) ( ) 5 圆形管 ( 3 3 ) ( ) 当 l 按圆形环计算，误差不超过 5% 6 长方体 ） 续表 5 21 伸 ( ) = ( )=10m 伸缩转动惯量 伸 m( )12 3(0 15 0 1 )12 8 125 103、旋转的转动惯量计算 J= 工件 手 + 伸 =0 +0 +0 =4、旋转回转力矩的计算： 克服启动惯性所需的力矩 惯 腕部 启式中： 手腕回转过程的角速度（ 1/s） 启动过程中所需的时间（ s） 0.1 s = = 那
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