100吨冲床自动上下料机械手三维设计说明书.docx
100吨冲床自动上下料机械手三维设计含SW三维及10张CAD图
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100 吨冲床自动上下料机械手三维设计摘要现代制造业技术的进步，进了冲压生产向高速化、自动化和智能化方向的发展。传统的冲压生产多采用专机操作和人工上下料,而这种生产方式已不能满足日益快速发展的工业要求。如今,在冲压生产中引进自动化生产单元和建立柔性自动化生产线, 不仅可以实现冲压设备的高效、高速化,还可以提高产品加工的质量和精度,同时也开辟了冲压生产技术的一个重要发展方向。冲床机械手是在自动化设备的基础上,专门为实现冲压自动化无人生产而研发的智能设备,它能够间接或直接地代替人工在相关冲压工位上进行物料的取放、搬运和冲压上下料等工作,从而极大地提高生产效率和质量。相比于电机驱动、液压驱动，气压传动与控制的机械手在响应速度以及自动化控制上具有很大的优势。气动技术使用气体为动力传输介质。首先，气源来源广泛， 可直接从空气中汲取，廉价便捷。其次，气动传动迅速，稳定可靠，结构简单，质量也较其他机构更轻。在末端执行效果来看，使用气动可使执行机构具有很好的柔性， 这样在使用过程中更加的安全，对所工作对象的损伤也较小。另外，由于气体无害， 清洁，其在维修、检查等方面都较为方便。机械技术与电子技术相结合已经成为当前装备制造业的主流和发展趋向，机电一体化是现代化机械和技术的重要特征之一，为适应机电一体化的应用，气压传动与控制技术更应顺应时代的发展。气动机械手的探索创新将是一个很好的拓展方向。根据 100 吨冲床自动上下料机械手设计要求,对总体方案设计和驱动方式进行对比选优。着重针对机械手末端执行机构，对轴类工件以及薄板工件的抓取方式进行对比选择。对于机械手对工件的搬运、翻面等工序有针对性的采用伸缩气缸以及摆动马达，并对其进行设计计算、校核对于满足设计要求的元件优先采用标准件。在机械手结构设计计算的基础上，用 SolidWorks 软件完成了机械手手腕回转结构、机械手臂伸缩升降结构以及导向机构的三维建模。关键词：机械手，气压传动，Solidworks 三维建模，冲压。ABSTRACTThe progress of modern manufacturing technology has promoted the development of stamping production in the direction of high speed, automation and intelligence. The traditional stamping production uses the special machine operation and the manual loading and unloading, but this kind of production method cannot meet the increasingly rapid development of the industrial requirements. Nowadays, the introduction of automated production units and the establishment of flexible automated production lines in stamping production can not only achieve high efficiency and high speed of stamping equipment, but also improve the quality and precision of product processing. And at the same time, it also opens up an important development direction of stamping production technology. The punch manipulator is a smart device developed specifically for automation of unpressurized stamping on the basis of automation equipment. It can directly or indirectly replace the manual picking and placing, handling and punching of materials on the relevant stamping stations, so the production efficiency and product quality have been greatly increased. Compared to the motor-driven, hydraulically-driven pneumatic transmission and control manipulators, it has great advantages in response speed and automation control. Pneumatic technology uses gas-powered transmission media. First of all, the source of gas is wide and it can be directly extracted from the air, which is cheap and convenient. Second, pneumatic transmission is rapid, stable, reliable, simple in structure, and lighter in quality than other mechanisms. In the end of the implementation of the effect of view, the use of pneumatic actuators can have a very good flexibility, so that in the use of more secure, less damage to the work of the object. In addition, because the gas is harmless and clean, it is convenient for maintenance, inspection.The combination of mechanical technology and electronic technology has become the current mainstream and development trend of the equipment industry. Mechanical and electrical integration is one of the important features of modern machinery and technology. In order to adapt to the application of mechatronics, the pneumatic transmission and control technology should adapt to the times. The exploration and innovation of pneumatic robots will be a good development direction.According to the design requirements, the robots overall program design and drive methods are compared and selected. Emphasis will be placed on the selection of thegripping method for the shaft-type workpiece and the thin-plate workpiece by the end effector of the robot. For telescopic cylinders and oscillating motors, the manipulators handling of workpieces, turning and other processes are targeted, and their design calculations and verifications are performed. Components that meet the design requirements are given preference for standard parts. On the basis of calculation and design of manipulator structure, the three-dimensional modeling of manipulator, wrist rotation structure, telescopic lifting structure of manipulator arm and guide mechanism using SolidWorks software was completed.Key words：Robot,Pneumatic transmission Solidworks, 3D modeling,Stamping100 吨冲床自动上下料机械手三维设计目 录1. 绪 论11.1 前言11.2 国内工业机械手现状11.3 国外工业机器人现状21.4 项目意义22. 机械手结构设计42.1 机械手基本形式的选择42.2 驱动机构的选择42.3 整体结构的设计43. 手部设计63.1 手部结构分类63.2 夹持式手部设计的基本要求63.3 手部驱动力计算63.4 气缸直径计算93.5 校核活塞杆强度113.6 活塞杆技术要求113.7 夹紧气缸缸筒壁的设计计算113.8 气缸技术要求123.9 活塞技术要求123.10 气缸缓冲计算134. 吸盘机械手154.1 吸盘机械手概况154.2 喷气式气流负压式吸盘原理164.3 计算吸盘的直径175. 手腕设计185.1 机械手手腕结构设计185.2 叶片式摆动马达结构原理185.3 手腕摆动气缸的驱动力矩计算195.4 手腕转动所需的实际驱动力196. 手臂设计226.1 机械手臂结构设计226.2 机械手臂伸缩设计226.3 机械臂的导向设计236.4 机械手臂驱动力计算236.5 伸缩气缸校核计算256.6 缸筒壁厚计算266.7 活塞杆直径的计算266.8 机械手臂的升降以及回转结构276.9 伸缩气缸驱动力计算286.10 升降气缸的直径计算286.11 缸筒壁厚计算307. 辅助结构设计317.1 机械手转动的缓冲结构示意图317.2 气压控制原理317.3 模拟机械手的工作流程32结 论34参考文献35附录 1. 外文翻译36附录 2. 外文原文44致谢551. 绪 论1.1 前言机械手的组成部件通常是动力驱动，执行机构和控制系统。机械爪是整个机构的末端执行器，它直接与工件接触。一般的它是根据被夹持工件的形状、材料、质量， 或者工作条件等特定条件设计的，都具有特定性。机械手臂部分是连接机械爪的部分其主要功能是为了使机械手能够自由的到达合适的空间坐标之内，并且能够控制机械手末端机构伸长、旋转。为了在任何位置和方向上抓取物体，必须有 6 个自由度。自由度是指机械手在空间内运动的自由程度，并将其以精确地数字表达出来，以显示其灵活成度。自由度越高，那么机械手的可用性及其灵活性也会大大的提高。最后机械手的控制系统是指通过各种各样的控制硬件并配合其相应的软件编程，合理的完成对相应的控制部件的控制。冲压设备由于其本身的高效性和实用性，在制造业中有着不可替代的作用1。针对冲床上下料气动机械手，主要是考虑到冲床的快速发展以及加工环境的恶劣以及人力搬运冲床下料的危险性，使得设计一种可以代替人工进行上下料的机械手成为大势所趋。这类机械手通过控制由压缩空气驱动的气动元件，实现全方位的物品夹持与放下。把空气作为它的主要驱动源，使得安全可靠，清洁无害成为了它的突出特点。并且多工位使得它可以一次完成多个工件的夹持与释放，体现出了它的高效节能。将这类机械手运用到冲床，必定可以实现更加自动化，安全化，绿色化的工业现代化。1.2 国内工业机械手现状冲压自动线在国外发展已经数十年，在国内环境中，自动化控制的冲压生产线中上下料过程也获得了快速的发展1。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人2。但就我国现在的技术水平自主设计制作出精密度高、响应速度、加工速度高、大负载的机械手难度还是很大。另外引进国外先进机械手价格高的原因，不仅在数量上，甚至在质量上都与国外先进的技术存在着很大差距。现在我国用的最多的是直角坐标系机械手且主要应用领域为上下料的搬运。工业上同样也会引用关节型机械手，但由于技术的不成熟其主要运用于加工中心。即使困难重重，但在不停地探索学习以及拓展下，我国家60的工业机器人在针对特殊机械装畳、不同的加工工艺、特定的加工场合下因地制宜， 设计出有针对性的机器人。虽然该类机械手使用范围不像自由度机械手那么广，但其专注性设计具有很大优势。1.3 国外工业机器人现状机器人最早出现于美国，在 1962 年世界上第一台工业机器人就已经被研制出2。美国大力经济的投入以及研发使得机器人工业在技术的更新换代和加工经验有着巨 大的优势。日本的工业机器人生产数量和生产密度优势明显，德国的工业机器人在很 多危险性岗位应用较多，且发挥着较大的功能和作用3。工业机械手应用于冲压生产线也是从 20 世纪 60 年代开始1。机械手的投入主要由于制造业的快速发展和国家政策的扶持，传统工业方在日趋激烈的市场竞争下处于劣势，同时也存在着劳动力等人工成本的增加。20 世纪 70 年代，由于现代控制技术和气动技术的进步，冲压上下料向高速化、自动化和精度化发展，传统的机械手冲压生产线不能适应工业的发展需求，因此逐渐发展成熟的工业机械手迅速渗透入冲压行业4。进入 21 世纪，美国等技术先进经验成熟等国家，逐步将视觉传感器、力传感器、触觉传感器、嗅觉传感器的技术引用，使工业机器人逐步向高智能发展，如美国的火星探测器，Gantry3000 模块机器人和梅林多联机器人，美国工业机器人正在朝着更先进、更可靠和更智能化的方向前进5。1.4 项目意义基于我国的工业基础以及不断的探索创新学习，作为一个发展中的工业强国，气 动行业在工业快速发展的带动下迅速发展。并且由于气动本身就具有节能、高效、无 污染、低成本、结构简单等各种优点，日渐成熟的气动技术运用在不同的领域上。现 在加工企业对气压传动与控制技术的引用，不仅提高了机械手针对不同环境的适应性， 同样相比于液压传动与电力传动在强磁、易燃易爆危险环境、粉尘空间等诸多恶劣环 境下具备很大的优势且机械手的工作效率不会因环境的改变而降低。由于压缩空气的 特殊性以及气压控制工作压力低，气动元件的加工精度、制作工艺、制作成本都相对 低。气压传动与自动化控制的优势和技术的日益成熟对冲压机械手在上下料方面具有 很大推动作用。由劳动密集型升级到技术密集型，实现冲压的自动化高效生产才是冲压行业未来发展的必然趋势6。在大势所趋下，针对不同的工业领域很多机器人针对特定的需求被设计。作为一种仿人机械，工业机器人主要由机械结构本体、自动控制部分、伺服驱动和位置检测反馈结构构成，能够针对不同的工作需求而编制程序提高机械手的通用性。工业机械爪模仿手部的结构动作，按照不同环境下设定的程序完成在设定运动轨迹下工件的抓取搬运。机械手的投入让现有的工业生产的工作效率降低，产品质量提高。同样现有的冲压公司也希望通过现有的机械设备的基础上，以升级改造后的设备替代和减少购置新设备，起到事半功倍的效果6。如果工业机械手技术能在工业生产中得到普及并进一步提高、完善性能，那么中国机械制造业一定会发展得更快7。2. 机械手结构设计2.1 机械手基本形式的选择机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式：1）直角坐标机械手直角坐标系机械手机器机关简略，可以很准确的定位。但该机械手体积庞大不易随意移动。2）圆柱坐标机械手该机械手所用机械机关结构庞大，体积小。由于圆柱坐标机械手三个轴方向的运动，不仅可以使机械手的工作范围扩大还可以让机械手准确定位到合适位置。该机械的结构复杂且 Z 轴的运动部件主要集中在整个机构的上方导致机械手在 Z 轴方向上下降高度收到限制。3）球坐标机械手机械构造体积小，工作范围大。由于机械手复杂的构造， 机械手臂摆角的误差会因为工作范围的扩大而定位不准确。4）关节式机械手该机械手动作灵敏，安全工作区域大且机械手体积小。但此类机械手关节多，很难将每个关节的位置都精确地检测到，位置精度相对来说较低。本设计采用圆柱坐标式机械手来实现相关功能。2.2 驱动机构的选择每一个机器人的正常运行都需要提供动力，而动力源源不断地提供需要驱动机构 的工作。并且机械设备的高昂的价格以及应用范围很大程度上是受到驱动机构的限制。在工业上，一般的驱动机构有电动、气动以及液动。对于这三种驱动方式，在选择驱 动机构的时候要考虑到实际的工作状况。综合考虑它们之间的利弊，寻找一种最经济、最安全的驱动机构。本机械手设计采取气压驱动的方式。2.3 整体结构的设计为了扩大机械手的工作范围和符合本设计的根本理念，本次设计结合齿轮传动， 并配以直线气缸和旋转气缸，模拟人体手指关节自由活动。同时完成机械手的旋转与夹持动作，末端执行器的两边采用完全对称的手指，以便于在抓取工件的过程中达到受力均匀。并且在末端执行机构与机械手臂间以一个伸缩气缸连接，这样就可以达到末端机构横向移动抓取工件的效果，并配合机械手臂的升高、降落、摆完成整搬运的过程。用升降气缸和旋转气缸承担机械臂的升高和降低，左右摆动和抓取工件并能够翻转的任务。并配备导向装置完成气缸的升降，增加了气缸的刚性，同时防止了气缸杆绕轴心的偏转。机械爪抓取工件时，应当保证手指快、准、稳。在使用过程中，由于所加持工件、工具等不同的形状、尺寸、材料、重量，工业机器手部的特征也大不相同。3. 手部设计3.1 手部结构分类按握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类结构有夹持式、钩托式、弹簧式。吸附类结构有气吸式和磁吸式。本次设计对 100 吨冲床自动上下料机械手采用夹持式，机械爪由手指、动力传动部分和动力驱动三部分。该机械手可以抓取各种形状的工件，可以应对不同场合。动力驱动有气压、气动和电动等几种情势。常见的传动机构主要有滑槽、斜楔、齿轮齿条和连杆机构来实现夹紧和松开8。平移手指的打开和关闭取决于手指的平行运动，这样的设计适合夹持平板和规整的块状物。但是这种手指的结构较为复杂，并且由于其工作状态较为苛刻，加工精度也要求较高，加工成本较其他较高。3.2 夹持式手部设计的基本要求1）合适的力量大小，夹紧力太大夹坏工件，并且能量浪费，力度太小工件抓取不牢固。2）合理的手指伸开角度，机械手指在抓取工件时要有充足的空间去伸开手指并且逐渐靠近工件。3）精准的定位精度，机械手在不停地往复抓取工件、放下工件的过程中应保证每一次的抓取位置与松开位置不存在很大偏差，确保工作精度。4）保证机械手结构紧凑不复杂，追求简单有实效，机械手自身质量小，工作效率高。5）提高通用性，要求手指夹持规模可调节，手腕可更换。3.3 手部驱动力计算冲床上下料机械手采用夹紧气缸的活塞杆末端采用齿轮条结构，V 形块的最末端通过与两个半圆形的齿轮接触。气缸通过压缩空气带动活塞杆前后活动，杆末端由于齿轮啮合带动半圆形齿轮活动，完成齿轮的张开闭合。图 3.1 为机械手的结构图，机械手指夹紧的工件重量 G=10 ，机械手指末端的“V”形块两者之间的角度 2=1200，V 形块中心到手指旋转中心直线距离 b=120mm，齿轮齿条结构中齿轮节度圆半径R=25mm，摩擦系数为 f=0.1。图 3.1 机械手三维结构图根据夹持式齿轮齿条机械手的结构图，如图 3.1 所示，所需要的驱动力：P=2 （3.1）式中：N-机械手握力大小（N）； R-齿轮半径大小（mm）；b-齿轮回转轴到工件距离（mm）。根据二指夹持式机械手夹持工件的方位，其握力大小公式：所以理论驱动力：p = 2 = 2 120 50 = 496夹持式机械手实际的驱动力满足实际25 12（3.2）该机械手根据齿轮齿条进行动力的传输与 V 形块的驱动，所以取 n=0.94，1=1.5。假设当机械手抓紧工件后搬运到下一位置的整个过程中加速完成。取最大的加速度a=9.8m/2，则：所以机械手的实际驱动力： 12 = 496 1.52 1600（N）实际0.94所以齿轮齿条机械手夹持时需要夹紧气缸提供的驱动力为 1600N 1)手指转角计算机械手停止时两手指保持平行时，两指间夹持距离在 94mm，在机械手加持 =150mm棒料时，两手指升高 40mm，则两手指旋转过的角度：arcos1 = 70533则齿轮转过 1947，为满足工作需求，取齿轮转过的角度为 25，根据弧长公式：式中：n-圆弧对应的圆心角（）； r-圆弧半径（mm）。L=180（3.3）L=25253.14 11180为满足工作需求，夹紧气缸的活塞杆上齿条长度 15mm 即可满足手指齿轮的旋转要求。根据生产要求夹紧气缸的活塞进程为 50mm，因此为满足活塞进程可适当加长齿条长度至 30mm。2）弹簧选择根据实际工作环境限制，将作用在气缸的载荷相比实际载荷取大化，设定最大工作载荷 =500N,同样将作用在气缸的载荷相比于实际最小载荷扩大化，设最小工作载荷1 =200N。载荷类型为冲击载荷，拟采用弹簧直径为 4.5mm，并且经过油淬火、回火加工工艺来提高弹簧强度的碳素弹簧钢丝，弹簧的始末两端并紧，并磨平为一个圆整的面，弹簧的支承圈数为 1 圈。查阅机械设计手册8可得 = 1422， = 0.4， 弹簧的许用应力值为 568.8。考虑到实际工作状况，单作用气缸弹簧收到的工作载荷为循环载荷，变化次数较少，对其进行疲劳强度计算：安全系数 S=0+0.75 （3.4）式中：0-弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度8。通过查表0=0.3=0.3 1422 426；3-弹簧在最大载荷下的切应力8。=81 ；3-弹簧在最小载荷下的切应力8。=81 1；C-弹簧旋绕比，C=32 =7.1；4.5K-曲度系数，K=41 + 0.615=1.21。4+4所以弹簧安全系数 S=0+0.75 = 420+0.75216 =1.29 = 1.31.7所以该弹簧满足要求。3.4 气缸直径计算541夹持式齿轮齿条机械手的夹紧气缸采用弹簧复位式单作用气缸8。由力平衡原理可以知道，气缸的输出力主要由活塞杆克服弹簧的反弹力与活塞与缸体的摩擦力之和之外的力。机械手指输出力过大对于脆性工件容易夹坏，对于硬度大的工件虽然不存在夹坏工件的现象,但提供的能量多造成能量浪费。机械手输出力度过小导致机械手不能夹紧工件进行工件的搬运，甚至夹紧力过小让工件在搬运过程中，由于震动使工件掉落损坏拖慢工作进程。其输出力为： = 2 （3.5）式中：141-单作用气缸的输出力（N）；-弹簧弹力大小（N）；P-驱动气缸工作的压力(pa)。弹簧作用力大小计算：=C(L+S)（3.6）41C=1（3.7）式中：C-弹簧刚度（N/mm）； L-弹簧预压缩量（mm）； S-气缸运动行程（mm）；831 = 2 1（3.8）1-弹簧丝直径尺寸（mm）；1-弹簧中径尺寸（mm）；2-弹簧大径尺寸（mm）； n-弹簧有效圈数；G-弹簧切变模量，G=79 109a。根据实际工作状况考虑夹紧气缸的实际载荷影响，取=0.4，依据公式（3.5）推出气缸直径：由上推理，弹簧刚度大小：4D=4（1+ ）79109（4.5103 4(3.9)C=1 = ） =3681.53N/m1838（30103）3=C(L+S)=3681.53=3681.53 60 103=220.8N推出气缸直径：D=4（1+ ）=4（220.8+500）=67.75mm106表 3.1 气缸内径系列（mm）25324050637080200（220）250320400450500括号内的直径优先采用查表 3.1 取 D=70mm根据 = 0.20.3，可以推理出活塞杆直径：d=（0.20.3）D=16-24mm。表 3.2 活塞杆直径系列（mm）101214161820222528505663708090100110125查表 3.2 得活塞杆直径 d=20mm。为增加活塞杆的强度，活塞杆采用 45 钢，= = 600=300Mpa。2式中：-45 号钢抗拉强度；-材料的安全系数。材料安全系数可分为两种，一种是脆性材料，一种是塑性材料8。45 号钢为塑性材料，所以n=1.52.0。所以，活塞杆的拉压强度：= 实际= 1600=6.3Mpa（3.10） 2 3.1492（2）所以直径 18 mm 的 45 号钢的活塞杆，强度满足需要。3.5 校核活塞杆强度活塞杆往复伸缩活动，受到了机械手以及重物和旋转气缸自身重力的原因，活塞杆上竖直方向上容易发生弯曲。活塞杆的能否正常使用必须对其考强度校核。机械手和工件的质量之和为 20Kg。机械手夹持部件以最大的加速度完成升降， 取 。F = ma = 2mg = 2 20 10 = 400（N）=400=1.27MPa=355=177.5MPa 3.141022式中：F-部件以及机械手最大的重力（N）。所以 45 号钢的活塞杆的许用应力满足机械手以及重物的加持。3.6 活塞杆技术要求活塞杆与活塞孔的尺寸相差过小将导致由于孔直径偏小活塞杆插不进去安装困难，尺寸相差过大增加了他们两个之间的缝隙，气缸会漏气。为了防止活塞漏气以及活塞插不进去，所以两者配合公差采用 f8，同样特制活塞杆的表面粗糙度 Ra=0.8m。活塞上安置活塞杆的装配孔与活塞杆的同轴度偏差不能超过 0.02mm，活塞杆的端面与装配孔的垂直度误差同样不能超过 0.02。考虑到工作环境等外界因素对活塞杆的腐蚀以及机械手以及配件的使用寿命，活塞杆表面镀铬、抛光，铬层厚度0.01mm0.02mm8。3.7 夹紧气缸缸筒壁的设计计算由于压缩气体的压力直接作用于气缸壁，所以气缸必须有一定的厚度满足工作需求，防止气压过高造成爆缸的安全隐患，同样气缸壁不能过厚增加设备成本。按气缸筒内径和外径之间的差值与内径之比： 1气缸壁厚计算：10 = 2(3.11)式中：-夹紧气缸壁的厚度（m）；D-夹紧气缸的内径尺寸（m）；-试验压力，通常取=1.5p； P-气缸的实际工作压力 Pa；-气缸材料的许用应力 =；-气缸材料的抗拉强度（Pa）； S-安全系数，通常取 6-8。考虑到气缸的材料不漏气的特性，缸体的材料选用 ZL106，=235MPa。该铝合金成分增加的 Mn，以及工晶体的原因抵消了材料中混入的铁的有害作用，该铝合金材料有很好的气密性以及很适合铸造。该铝合金材料的切削性能满足了气缸胚料在车床加工的工艺要求。所以气缸壁厚：2235 = 701.50.5=1.2mm8表 3.3 气缸筒壁厚表(mm)材料气缸直径5080100125壁厚铸铁 HT150781010钢 Q235A、45、20 无缝管5677铝合金8121214经过查表 3.3，取气缸壁厚 5mm，所以D = 70 + 5 2 = 80mm。3.8 气缸技术要求对于夹紧式气缸与活塞的密封采用 O 形橡胶密封圈，所以针对气缸的技术要求采用三级精度，表面粗糙度 Ra=0.4m。缸体两端采用 15的倒角的设计可以使气缸盖与缸体更好的配合。同样缸体的内径的圆度、圆柱度不能超过尺寸公差的 1/2。高温潮湿等恶劣环境会对机械手的部件腐蚀，导致机械手部件不耐用，为保证机械手部件坚固耐用，缸内表面可镀铬，在抛光或研磨，铬层厚度 0.010.03mm8。3.9 活塞技术要求活塞的四周采用 45角的倒角的设计可以使活塞更便捷的装配到气缸内，避免活塞直径过大导致活塞安装不进去。活塞上安装活塞杆的装配孔的同轴度与气缸外径的同轴度误差不能超过 0.02mm。活塞与内筒直接组装二者间的缝隙使得气缸漏气， 并且两者之间摩擦系数大会加重活塞与内筒的摩擦损耗，使得活塞与内筒间隙越来越大、越来越漏气气缸噪音也越来越大。为避免活塞漏气也较少两者间的摩擦，活塞与内腔的密封采用 O 形橡胶密封圈，活塞与内径的配合公差与活塞杆与孔的配合都采用f8。3.10 气缸缓冲计算气缸的快速运动不停的碰撞气缸的两端，为制止活塞杆快速活动对气缸端盖碰撞的破坏，增添一个吸取震动能量装置，平衡活塞运动产生的能量，经由吸震装置吸收多余冲击能量减小对气缸的损坏。缓冲能量计算：1 = + （3.12）式中：-工作气压作用在活塞的能量（J）；-活塞由于惯性产生的能量（J）；-垂直气缸的重力产生的能量（J）； 相反作用力的摩擦能（J）。2 1 = 111 + 1 2 0 1（3.13）式中：1-气缸工作时的气体压力（pa）；1-缓冲装置的活塞面积(2)；取缓冲器缸径 0.02m；1-缓冲器缓冲头的行程(m)；取1 = 0.015。数据代入公式（3.13）得：1= 0.5 106 3.14 (4. 103)= 2512.35J 15 +1 200 0.05 0 10 0.015210缓冲装置吸收的能量：2 = 112 2 (3) 1（3.14）2式中：2-机械手气缸的绝对压力（pa）；2-缓冲气缸的缓冲杆堵住气缸孔的容积（3）；3-缓冲气缸所能容许的最大压力时（pa）； k-绝热指数，取 k=1.4。2数据代入公式（3.14）：3.14104= 3.5 0.2 106 3.14 104 40 103 ( 70000.21060.286) 1 = 3247.6因为1 2，所以缓冲气缸对能量的吸收足够支撑工作需求。查找机械手册8， 优先采用标准件，缓冲气缸采用 AD2450 型号，结构如图 3.2 所示，每小时吸收能量80000J。夹紧气缸耗气计算：图 3.2 缓冲气缸结构图= 2 （3.15）141= (22) （3.16）式中：2421-气缸活塞杆伸出时没有活塞杆腔的压缩空气消耗量（m/s）；2-气缸活塞杆收回时有活塞杆腔的压缩空气消耗量（m/s）；s-气缸行程（m）；1，2-气缸伸出，收回所需要的时间（s）。3.14 5102(80103)21= 4 1=2.51m /s4. 吸盘机械手4.1 吸盘机械手概况真空吸盘式机械手在工业上最多用于搬运个头大、重量轻的壳体工件比如用于汽车加工厂中的汽车外壳搬运，洗衣机、电视机等壳体的运输搬运。甚至在电子加工产业也广泛的应用到，比如液晶显像板、钢化屏等所有的平板玻璃的搬运。通过吸盘式的机械手的工作用途，可以推断出，吸盘式机械手的工作条件限制，要求工件与吸盘接触的地方平整，表面光滑。同样还要考虑到，工件表面存在的工件加工残留的碎屑， 空气粉尘颗粒物会影响到吸碗的工作。因为工件表面不清洁导致工件夹持不稳定引起工件搬运损坏，拖慢加工进程。吸盘式机械手的划分主要通过真空环境产生的手段， 主要有以下几种：（1）真空吸盘：真空吸盘吸附力的大小主要取决于吸盘橡胶碗与工件的接触表面的大小，以及工件与橡胶碗接触的内外的气压压强差。影响真空吸盘最主要的因素就是工件表面的质量状况，工件表面残留的工件加工碎屑，或者工件表面过于粗糙、过于脏都将影响真空吸盘的吸力大小。同样工件表面存在的油渍或者其他氧化物长时间的与吸盘皮碗接触会导致橡胶碗的快速老化。当然真空吸盘相比其他机械手最大的优势就是吸盘机械手配备真空泵，它的加入尽管增加了成本但它的吸附力相比去他的大。（2）挤气式吸盘：当吸盘向工件表面接近时，吸盘机械手臂持续下降导致吸盘 皮碗容积减小，皮碗内的空气被排挤出。当机械手臂撤去外力，吸盘皮碗由于受到挤 压需要恢复弹性形变形成负压空间将工件吸紧。工件通过机械手臂搬运到指定位置后， 通过额外的碰撞使皮碗的负压空间破坏，让重物落下。另外也可以通过电磁气压开关 控制吸盘皮碗与外界大气压的气压差。挤气式吸盘机械手相对于其他两种相比，该机 械手不需要专门配备真空泵以及空压机提供额外的气源，装置简单便捷。因为没有特 意增加额外的气源装置提供充足的能量挤气式吸盘机械手对工件的吸附稳定性差，存 在抓取工件不牢固的现象。（3）气流负压式吸盘：外源空气经过压缩流入喷嘴，由伯努利效应知道，橡胶皮碗内产生一块区域的气压低于大气压。配备气流负压式吸盘机械手的设施都配备空压机提供，不需要提供专门的真空泵并且压缩的空气比较容易得到。真空吸盘的直径大小从2-200mm，吸盘的形状结构主要分为规整圆形、加深圆形、铃形、1.5 褶波纹形、3.5 褶波纹形、椭圆形。对于工件表面滑腻而且不透气的工件适合采用标准圆形吸盘；对于夹持物表面不平、弧形或者倾斜的表面适宜采用波形吸盘。所以应根据不同工件表面与吸盘接触的实际情况以及不同的工作环境，选择不同材质不同形状结构的真空吸盘。主要材质有适用于常规领域但不适合带油高压、高温环境低成本的丁腈橡胶；适用于粗糙表面耐撕扯、耐磨损聚氨酯、用于食品行业的硅橡胶；用于玻璃制品搬运的耐化学腐蚀和经受得住高温考研的氟橡胶；用于汽车行业带油工件的耐磨损、耐油污的淮邦聚氨酯 Vullkollan。对于平板工件，采用喷气式气流负压式吸盘。气流负压式与夹持式机械手相比， 气流负压式机械手结构简单轻巧，并采用喷气式橡胶碗，吸附力在工件表面均匀分散， 同样要求工件表面不能过于粗糙、不存在油渍。4.2 喷气式气流负压式吸盘原理根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内的气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量相等8。所以针对不同的情况，喷嘴的横截面积有所不同。在高气压的喷嘴应具备较大面积，相反低气压的喷嘴截面应占较小的面积。空气经过压缩后，由输气管进入 A 喷嘴，由于输气管接口处到喷嘴末端由大到小的特殊设计，使输气管道逐渐减小导致气流的速度逐渐增大，当气流沿喷嘴流动方向到达喷嘴面积最小时，气体流动速度达到最大。此时的输出空气压力近似为由 A 处气管接口处进入喷嘴的压力一半，即=0.51。为了使气流负压式机械手喷嘴最末尾的出口压力2低于 ，在气流负压式喷嘴最后的一部分增加一段逐渐扩大的橡胶碗。通过吸盘橡胶碗增加在负压式吸盘喷嘴出口处，就可以得到比音速还要大许多的超音速。超音速区域的建立可以在此形成低于大气压的低压区域，使 C 处的气体以高速度的形式被冲走，以高速度带走的气体使 C 处形成密封空腔，这样就可以使吸盘橡胶碗内腔压力下降直至低于大气压而形成负压。当在 C 处吸盘触碰到工件即可吸住工件。图 4.1 所展示的构造为可调式喷气式气流负压式吸盘机械手结构图。该结构设计为了增加喷嘴的工作面积与效率，特意将喷嘴口与喷嘴套之间的结构设计成存有适当的间隙，目的是将气体快速抽走，增加工作效率。当喷嘴与喷嘴套之间间隙过小时， 经过 A 口喷出的高速气流和需要被抽出的气体经过时，气体与外壁摩擦变大让气流的运动速度下降，影响了工作效率，延缓抽气速度;相反间隙过大时，靠近 A 口喷射气体的气体被快速的向前带走，离得远的气体由于损耗一部分能量以低速度带走。并且两者之间的缝隙过大，将导致喷嘴套出口处有一部分气体反流，二者的影响让抽气速率降低。图 4.1 喷嘴机械手结构简图4.3 计算吸盘的直径1）计算吸盘吸力大小:式中：P =2 4123(4.1)P按工件质量设定 P=50N；D橡胶碗直径（mm）；n橡胶碗个数；1安全系数，取1=1.5;2工作情况系数的选择应根据吸盘橡胶碗实际工作状况，取2=2。3橡胶吸盘吸附金属平板，取 f=0.5-0.8。代入数据得: 4 1 2 34 50 1.5 2 1.5D = = 1 3.14= 169.2所以吸盘直径 D=170mm。5. 手腕设计5.1 机械手手腕结构设计冲床自动上下料机械手需要满足夹持式和气流负压式机械手，同样也为了提高机械手的通用性，机械手的手腕部分设计成便于拆卸更换的结构。为了满足工件搬运过程中完成工件的翻面，所以机械手的手腕设计需要满足翻转运动。针对翻转运动手腕采用摆动马达。摆动马达摆动是因为两个气阀开关同时打开，一个负责进气，一个负责排气，进气处的压力大于排气处，所以空气推动叶片转动。摆动马达轴承受转矩，对冲击的耐力小，因此当收到驱动机构停止时由于惯性的冲击力容易损坏，所以对于摆动气缸需要配备缓冲装置。5.2 叶片式摆动马达结构原理图 5.1 摆动马达结构原理图（剖视图）图 5.2 摆动马达三维结构图图 5.1、5.2 展示摆动马达的结构原理以及三维结构图。摆动马达中间的挡块和缸体是固定在一起的且他们之间用密封圈密封防止漏气，叶片的左右偏摆是因为与转动轴固定在一起。为了使叶片轴的密封性能增加，将密封圈硫化在叶片轴上，将止动挡块上的密封件镶嵌在缸体上，叶片滑动部分采用低阻尼 IDE 特殊唇形密封件。前后端盖有滚动轴承。在气缸缸体上有两条气路，当左侧输气管路进气时，右输气管排出气体，从而摆动马达针转动。5.3 手腕摆动气缸的驱动力矩计算叶片式摆动马达产生的理论力矩计算公式：M = 22 106（5.1）8式中;M-摆动马达的转矩（Nm）； D-摆动马达内径（m）；d-转子直径（m）；b-转子轴的长度（m）； n-叶片数；p-工作压力（MPa）。采用摆动马达标准件，选用型号 CRBU2WU80-270S。(80103)2(24103)2M=8 126.5 103 1 0.5 106=27.5Nm5.4 手腕转动所需的实际驱动力图 5.3 展示手臂夹紧回转示意图。手腕驱动时必须克服所有的阻力力矩，包括手腕由静止开始启动的惯性力矩，转动轴与轴承之间以及转动轴和端盖上孔的摩擦力矩， 叶片底部在端盖表面上的的摩擦力矩以及回转中心不重合产生的偏重力矩。图 5.3 手臂夹紧回转示意图腕部回转时，需要克服以下几种阻力： 1）腕部回转支承处的摩擦力矩磨 磨 = 0.1总（5.2）2）克服由于工件重心偏置所需的力矩偏偏 = 1（5.3）式中：e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。 3）克服启动惯性所需的力矩惯式中：惯= ( 工件) 启（5.4）工件 工件对手腕回转轴线的转动惯量(Nms2)；J 手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量(Nms2)； 手腕回转过程的角速度(1/s)；启 启动过程所需要的时间。一般取 0.05-0.3s。4）总驱动力矩总总 = 磨 + 偏 + 惯（5.5）手爪、工件、手夹紧气缸等效为一个高 100mm、外径为 80mm、重量为 30Kg 的圆柱体。1）摩擦阻力矩由公式（5.2）知：磨 = 0.1总2）启动过程时间，取： 启 = 0.2s等速转动角速度3）克服惯性力矩12201 = 180 = 5.58/ 0.222J = 2 腕腕 = 0.5 132.01 0.074= 0.323件= 1 12件 = 0.083 100 0.01 = 0.0832代入公式（5.4）有：100 吨冲床自动上下料机械手三维设计惯= ( 工件) 启= (0.323 + 0.083) 5.58=11.88N m0.24）克服工件偏心所需要的力矩由于夹持工件的部位为工件的中心，所以： 偏 = 05）总驱动力矩总 = 磨 + 偏 + 惯 = 0.1总 + 11.88 + 0Nm所以总= 11.88=13.21Nm 0.9摆动气缸缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩总，即：M = (22) （5.6）又因为2总2总P (2 2)式中：总手腕回转时的总阻力矩(Nm); P摆动气缸的工作压力(pa);R缸体内孔半径(m)； r输出轴半径(m)； b动片宽度(m)。将R = 55mm，r = 25mm，b = 125mm，代入公式（4.5）得：P 2总(22)213.21=0.125(0.05520.0252)= 0.0415100 吨冲床自动上下料机械手三维设计6. 手臂设计6.1 机械手臂结构设计由工作状况限定，该机械手的自由度为 4 自由度。两个伸缩气缸和摆动气缸完成机械爪的翻转，手臂水平方向的伸出、缩回以及旋转，以及竖直方向上的升高降低、回转。6.2 机械手臂伸缩设计机械手臂的往复伸缩动作的实现需要采用直线气缸，压缩空气由气缸的前后两个输气孔进入，压缩空气驱动活塞下完成直线往复运动。考虑到活塞气缸结构简单、质量轻、压缩空气干净实惠来源广泛，所以机械手臂采用直线气缸完成特定动作。机械手臂采用气缸的往复运动实现工件的横向移动以及手臂的升降过程中，适当增加一定的导向装置。导向装置的增加不仅防止了气缸活塞在压缩空气的驱动下发生的绕轴线扭转，活塞的扭转将导致机械手抓的位置不准确。同样横向活塞杆导向装置的增加， 避免了工件以及机械手对活塞杆的弯曲力矩的影响，增加了装置的刚性。机械手臂的设计采用双作用气缸完成伸出、缩回，由导向活塞杆完成气缸杆的导向，气缸行程的大小的手动调节是用到了定位杆与定位块。将横向机械手臂气缸固定在升降气缸上，空气经压缩由输气管进入、进气孔进入气缸内腔，压缩空气推动活塞运动。活塞杆内部中空的设计，满足了回转气缸的两个进气孔的连接管道以及机械手夹紧气缸的输气管。将三根输气管设计成伸缩管，可以满足气缸的往复运动。伸缩气缸缸体得始端与末端有两个通过一根杆连接的导向底座，安装在两个底座间连杆上的导向杆随伸缩气缸的始端往复运动防止伸缩气缸绕轴心回转，以及防止摆动气缸带动机械手和工件摆动的同时由于惯性力导致活塞杆转动，影响机械手的准确定位。同时导向装置的导向杆增添定位块，经由调节定位块的位置节制横向伸缩气缸的行程。同样在伸缩气缸的末端增加缓冲装置，避免伸缩气缸快速的往复运动的冲击对气缸的损坏以及减少噪音。在进气孔进气推动活塞运动时，由于出气腔存留空气行程一定阻力限制气缸运动。为使气缸的快速响应，在伸缩气缸的进气孔两端增加快速排气阀，通过快速排气以减少背气压导致的阻力。6.3 机械臂的导向设计上下料气动机械手臂的横向移动以及整个机械手臂竖直方向的升高降低都需要直线气缸的往复运动。导向装置对于直线运动的气缸的活塞杆绕轴心的回转有很大帮助，确保了机械爪的定位准确。增加导向装置可以减少机械手臂在竖直方向上由于受力过大，超过自己所能承的最大值使活塞杆弯曲。此次上下料机械臂的设计采用单导向杆。图 6.1 为横向手臂的导向结构三维图。图 6.1 导向结构三维图6.4 机械手臂驱动力计算图 6.2 为机械手臂在驱动力下的伸缩运动示意图。图 6.2 横向手臂结构图手臂伸缩气缸采用双作用往复气缸，由于气缸内一段为无杆腔，一段为有杆腔， 两边的有效工作面积不相等，所以同样压强下活塞两侧的驱动力不同。当压缩空气由进气孔进入时驱动活塞杆运动，驱动力克服活塞与缸体间的摩擦以及带动机械手运动的惯性力。因此，驱动力计算公式应根据机构的工作情况来判断气压缸所受的总机械载荷。公式为：F = + + + + （6.1）式中：-额外载荷，横向伸缩气缸水平方向无外载荷，故为 0；-气缸活塞上的惯性力阻力；-气缸密封圈的摩擦阻力；-伸缩气缸导向机构的摩擦阻力；-气缸背气被压的阻力。1) 的计算 = （6.2）式中： G-气缸承受的总重量，取为 30KG；g-重力加速度（10m/2）；-气缸运动的速度变化量（m/s）；-气缸运动时间，一般为 0.01-0.5s，取 0.2s。将各数据带入公式（6.2），得：2) 的计算=31.02N = 1（6.3）式中：-气缸密封圈摩擦阻力所平衡的压力，取=0.2Mpa；1-内腔有效面积（2）。夹持时： =547N松开时： =276N3)的计算伸缩气缸横向上有两个导杆，导向机构的摩擦力为 = G f（6.4）式中：G-机械爪和工件的总重量，取为 30KG；f-摩擦系数，取 f=0.1； 数据代入公式（6.4）计算得：4)的计算背气压形成的阻力：式中：=3N = 2（6.5）-气缸缩回的背气压，一般为 0.3Mpa-0.5Mpa，取=0.3Mpa。2-有活塞杆的有效面积，选取差动比为 2。将数据带入公式（6.5）得：=372N。所以机械手臂的驱动力为夹持时： F=980.02N。放开时： F=682.02N。6.5 伸缩气缸校核计算1）气缸直径根据双作用气缸的计算公式:1 = 4（6.6）式中：2= (22) （6.7）41活塞杆伸出时的推力 N）；2活塞杆缩入时的拉力(N)； d活塞直径（mm）；P气缸工作压力（pa）。有关数据代入公式（6.6）、（6.7）得：当推力做功时当拉力做功时D=4980.023.140.51060.4= 79.2D = (1.011.09) 4682.02=66.1mm3.140.51060.4查表 3.1 取标准气缸内径 D=80mm。6.6 缸筒壁厚计算由公式:式中： 为实验压力（pa）。 =2（6.8）取 Pa 气缸材料选择 ZL106，则=235MPa2235则： = 801030.75106=0.0102m8查表 3.3，可得=10mm。6.7 活塞杆直径的计算将 100 吨冲床自动上下料机械手横向活塞杆制作成空心杆件，将摆动气缸的两根输气管和机械手摆动气缸的一根气管都放置于空心杆。所以活塞杆的设计将杆内径要尽量设计大，取 d=60mm, d0=46mm。活塞杆校核：气缸会因为竖直方向的受力过大并且超过了气缸杆所能承受力的最大值，活塞杆会因为外力使其弯曲，活塞杆弯曲将会导致气缸无法收回。该极限力有关公式为:1+ 2 = 1 ()（6.9）式中：L活塞杆计算长度（m）；K活塞杆横截面回转半径,空心杆k =0空心活塞杆内孔直径（m）；(22)2+20（m）8；411 活塞杆横截面积, = 0 （）；64f材料强度实验值，对钢取 f=2.15107Pa；a系数，对钢 a=1/5000。有关数据代入公式（6.9）得:3.14(60103 23 2 =2.15107) (461064 1 ) =483KN1+50002(1.4101 2(2) 162)(60103) (46103)实际情况下气缸推力的大小与所受阻力相等，所以负载为:4 + = 3.14 (80 103)2 0.5 106=2512N + 所以该活塞杆安全，满足设计符合要求。6.8 机械手臂的升降以及回转结构机械手升降回转结构如图 6.3 所示。图 6.3 机械手臂升降摆动结构手臂的升降机构由升降气缸缸体、连接立柱的活塞杆，连接横向气缸的立柱、定位挡块、导向机构。立柱内设有气孔完成横向气缸、摆动马达、夹紧气缸的压缩空气运输。升降气缸运行时，由两个导向机构完成整个装置的导向防止升降气缸发生绕轴心回转的现象。在导向杆机上安装两个定位挡块便于手动调节气缸升降行程。整个机械手的转动是由摆动马达的转动轴和按有导向座的圆盘连接，气缸体的上下部分有一根杆连接的两个底座，转轴的转动带动导向杆，导向杆带动气缸体从而带动横向手臂转动。6.9 伸缩气缸驱动力计算根据机械手升降运动的驱动力公式:F= + （6.10）升降气缸的运动由静止开始，所以v=v。气缸缸体材料选用 ZL106，气缸活塞为 45 号钢，查找机械手册取 f=0.17。手爪、机械臂、手腕以及工件的所有重量都作用在升降气缸上。气缸的上升需要克服他们的重量。取机械手夹紧物体时总重 700N，松开物件总重 600N，接触面积：S=0.5 夹紧工件时：Ff =7000.17=119NF= + + =119+7050103+700=889N0.05放下工件时：Ff =6000.17=102N6050103F= + + =102+0.05+600=762N实际生产中，应考虑安全系数取 K=1.2 夹紧工件时：F=889 1.2=1066.8N 放下工件时：F=762 1.2=914.4N6.10 升降气缸的直径计算双作用气缸推力的计算公式：1 = 4（6.11）2= (22)4（6.12）式中：F1活塞杆伸出时的推力（N）；F2活塞杆缩入时的拉力（N）；d活塞直径（mm）；P气缸工作压力（pa）。将数据代入公式（6.11）、（6.12）得：当气缸伸出时：D = 41 =41066.8=108.5mm3.140.51060.4气缸缩回时：D=(1.011.09) 42 =(1.011.09) 4914.4=92.12mm3.140.51060.4表6.1 气缸筒内径系列（mm）810.6380（90）100（110）125.400500630查 6.1 表后，取 D=110mm。活塞杆直径的设计计算：活塞杆直径，可根据往复速度比计算，有：d = 1表 6.2 气压缸的工作压力与速比（5.7）气压缸工作压力P1(MPa)10102020速比1.331.4622根据表 6.2 取 = 1.33，代入上式，得：d=0.498D=54.78mm表 6.3 活塞杆直径系列（mm）8101214.22252845505663.100110125140160180200.250查表 6.3 可知，取活塞杆直径 d=56mm6.11 缸筒壁厚计算p根据公式（6.8），取 P =1.5P=0.75106 Pa 选定 ZL106 作气缸筒，则2235 = 1101030.75106=0.0148对壁厚查表 3.3，取=14mm。所以升降气缸外径1=138mm。7. 辅助结构设计7.1 机械手转动的缓冲结构示意图图 7.1 竖直摆动缓冲示意图1-定位触碰气缸 2-左移触碰气缸 3-油气压缩气缸 4-节流阀图 7.1 竖直摆动缓冲示意图。当手臂回转到指定的位置时，定位块触碰气缸 1， 在碰撞力的作用下气缸 1 向左移动触碰到气缸 2 的活塞杆。气缸 2 右侧压力变大将左侧的液压油经过节流阀回到气缸 3，节流阀的控制减缓了手臂旋转的碰撞。机械手臂此时遏制动弹，由横向手臂和机械爪完成工件的抓取或松开。当完成工件的搬运，电磁铁滑阀 A 通电控制气缸 1 的活塞杆下降，此时定位挡块失去作用。电磁滑阀 B 通电让压缩后的空气进入气缸 3，右侧压力的变大使得左侧液压油回到液压缸 2 的左侧， 左侧压力变大导致活塞杆 2 推动气缸 1 回到开始位置迎接下一次的工作。7.2 气压控制原理图 7.2 为机械手的气动控制原理。通过油空气压缩机提供压缩空气储存到储气罐中，在经过分水过滤器,调压阀,油雾器8进入各个元件的电磁阀,来控制机械手活动。图 7.2 气动控制原理图7.3 模拟机械手的工作流程机械手的工作流程：1）按下机械手运行开关，竖直方向的摆动气缸的电磁阀得电，手腕带动机械手转动，触碰到限位开关后遏制。2）控制竖直方向上的升降气缸的电磁阀得电，整个机械手升高，触碰到限位开关后遏制。3）控制横向气缸的电磁阀得电，活塞杆伸出手臂伸长，触碰到限位开关后停止。4）控制手腕气缸的电磁阀得电输入气体，手腕动弹，触碰到限位开关后遏制。5）控制升降气缸的电磁阀得电排出气体，气缸下降，触碰到限位开关后遏制。6）控制夹紧气缸的电磁阀得电输入气体，手爪扣紧，触碰到限位开关后遏制。7）控制升降气缸的电磁阀得电输入气体，气缸举高，触碰到限位开关后遏制。8）控制手腕的摆动气缸电磁阀得电，手腕摆动气缸反转，触碰到限位开关后停止。9）控制横向气缸的电磁阀得电，杆缩回手腕收缩，触碰到限位开关后停止。10）控制竖直方向的摆动气缸的电磁阀通电，手臂反转，触碰到限位开关后停止。11）控制横向气缸的电磁阀得电，活塞杆伸出手臂伸长，触碰到限位开关后停止。12）控制手腕的摆动气缸电磁阀得电，手腕回转，触碰到限位开关后停止。13）控制升降气缸的电磁阀得电排出气体，升降气缸着落，触碰到限位开关后遏制。14）控制夹紧气缸的电磁阀得电排出气体，手爪松动工件落下，触碰到限位开关后遏制。15）控制横向气缸的电磁阀得电，手臂收回，触碰到限位开关后停止。到此完成一次循环。结 论本次毕业设计完成了对 100 吨冲床自动上下料机械手的设计。从对机械手手指夹持工件转过角度的计算到机械手的传动方式和驱动的设计以及对于横向机械手臂的设计以及校核。对于横向机械手臂的活塞杆容易发生绕气缸轴心发生旋转，设计了单杆导向机构。并在单杆导向机构上增加定位块完成横向气缸的行程控制。对于机械手机构的升降和回转运动有针对性的设计了竖直方向的气缸和摆动气缸，并对气缸内径的大小进行计算，对于设计计算的结果综合比对机械设计手册，对气缸的直径以及气缸壁厚进行择优选择。并对于气缸材质从经济型以及可靠性上选取铝合金作为气缸主体材料，并对于活塞杆进行直径以及强度校核，对于气缸杆的高强度工作采用 45 号钢来保证其工作性能。通过单作用夹紧气缸的往复运动实现机械手指的开合运动。此运动的实现是由夹 紧气缸活塞杆上的齿条，驱动与之啮合的手指齿轮运动。气缸的缩回运动是凭借着弹 簧的弹力作用。机械手夹持工件以后需要完成工件的翻面以及搬运动作。摆动气缸的 增加正好完成了机械手夹持工件后的翻面工作。由于机械手夹持工件以及自重的原因， 会使伸缩气缸的活塞杆在竖直方向上发生弯曲，活塞杆的弯曲会影响气缸的正常运动。导向机构的增加不仅防止了活塞杆的回转也增加了横向气缸的刚性。对于横向气缸和 升降气缸的高频率冲击载荷，通过缓冲装置吸收了多余的冲击能量，减少机械手各部 件的损耗。升降气缸在竖直方向上的运动配合横向气缸的运动，以及手腕处摆动气缸 的运动完成 100 吨冲床自动上下料机械手对工件的搬运。参考文献1孙珑,汤勇.冲压机上下料机械手的开发与研究作D.广州:华南理工大学,2015,(1):3-8.2余德泉.国内外工业机器人发展现状与趋势J.大众用电,2017.09.(32):20-21.3刘玉丛.工业机器人的研究现状与发展趋势J.电子技术,2018.01.(01).4Feather stone,D.E.Orin.Robot dynamics:equations and algorithmsC.Proceedings ofthe 2000 IEEE International Conference on Robotics.San Francisco,2000,(4):826-834.5张萍萍.基于 PLC 的气动机械手控制系统设计D.成都:电子科技大学,2013.6于衍伟,张祥林,韩松,冯科.适于中小型冲床的经济型自动送料机械手研制J.锻压技术, 2011,36(6):66-68.7吴峰易军.送料机械手与伺服压力机协调控制的研究D.湖北:湖北工业大学,2017. 8闻邦椿.机械设计手册第五版 单行本M,机械工业出版社,2014,(12):23-217.9谢海龙,谢海勇,徐华丰,陈章伟.阀用储气复位式单作用气缸J.阀门,2017,(02):38-39.10赵罘,杨晓晋,赵楠著.SolidWorks 2017 中文版机械设计从入门到精通M.北京:人民邮电出版社,2017,120-160.11魏静,蔡锁宁.智能机械手臂的设计研究J.自动化与仪器仪表,2017,(01):67-69.12 刘 邦雄 , 李健 , 梁鹏 , 辛 艳峰 . 上 下料机械 手的 运动学 仿真 J. 机 械研 究与应 用 , 2016,29(06):87-89.13 Ashraf Elfasakhany,Eduardo Yanez,Karen Baylon.Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of FreedomJ.Modern Mechanical Engineering,2011,1:47-55.14 Blaek G,Vyatkin V.Intelligent component-based automation of baggage handling systems with IEC 61499J.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 2010,7(2):337-351.15王建军.搬运机械手仿真设计和制作J.机械设计与制造,2012,(09):146-148.16黄文俊.浅谈工业机器人的技术发展和应用J.科学资讯,2017.10(15):110-111.17 彭 国 庆 , 陈 柏 金 . 基 于 气 动 机 械 手 的 自 动 化 冲 压 生 产 线 的 设 计 J. 锻 压 技术,2012,37(03):85-88.18田乐帅.冲床上下料机械手的设计与研究D.青岛:青岛科技大学,2016.附录 1. 外文翻译康复机器人 RRH1本文介绍了一种用于下肢康复机器人的原型。它是在圆柱运动模型的基础上创建的，配备了两个刚性臂、特殊的手柄和固定装置。它有五个活跃的自由度并且被设计成重复物理治疗的轨迹。提出的康复机器人的原型有不同类型的能力训练运动，如： 髋关节和膝关节屈曲/伸展，腿外展/内收。机器人执行的保护系统（包括过载检测） 可以确保安全地与病人合作。1. 开发下肢康复机器人装置电机辅助下肢修复设备的开发是在二十世纪七十年代。这种的设计概念已经被测试过。这种机械结构由在整形外科工作的罗伯特 B. Salter 评估。他指出患者关节的周期性屈曲延长可减少恢复时间并在骨科手术后增加其运动范围。这些设备有对上肢和下肢康复的两种类型，如图 1 所示。电子和控制系统领域的技术革命迅猛发展，更因为其新的治疗特性7安装半自 动和自动设备的康复诊所数量增加。应用电子控制系统允许用户调整一些基本参数如： 运动的范围和速度。它还提供了一个防护控制，防止过度的力量作用于修复联合。而 且，随着治疗的进展，该设备执行一次自动增加运动范围。各种设计都可以让康复过程在站立时、坐着、或躺在病床上得以实现。但实际上他们只能在一个平面上工作限制了这些设备。因此，改变康复程序往往需要移动患者到不同的位置或更换机械工作的方向。另一方面，腿部康复 CPM 的主要优势铁轨的重量轻，成本相对较低。图 2.用于步态再教育的拟人机器人矫形器：a - LOKOMAT - Hocoma 公司，转载自2，b - 来自特拉华大学的ALEX，转载自1现代神经修复与机器人辅助设备是一个相对较新的康复领域。首先尝试开发出这种设备在二十世纪 90 年代后期。康复领域的经验和工程知识允许来自 ETH 大学的研究人员在苏黎世于 2000 年创建机械矫形器系统 Lokomat2,5。Lokomat（如图 2 所示）的设计专为神经障碍和脊髓损伤患者进行步态再教育。机器人矫形器 Lokomat 提供步态再教育的持续进展。体重支持系统是机器人的一个组成部分，用于自动化跑步机训练和治疗协助。它也可以用于需要从轮椅上抬起的 患者。关于惯性力量传统配重系统可能会影响垂直运动导致患者在治疗期间不能使用。Lokomat 配有电脑在模拟步行周期中模拟病人的运动。卸载装置还提供了在跑步机上行走时对接触力的调节。在机器人辅助治疗期间，步态的最佳重复循环次数根据编程的模式执行。专业软件为个别患者提供可调范围的运动（关于髋关节和膝关节），运动速度变化同步与跑步机速度的步行周期。并且通用机械模块在机器人腿的构建中实现手柄精确适应不同患者的解剖结构。世界各地的研究人员也在努力开发类似的设备。但是，他们并没有超越原型阶段， 大部分阶段的机器还没有商品化。比如最近在特拉华大学开发设计的 Lokomat。亚历克斯说它的名字为主动腿外骨骼，它可以被更多的自由度和被动自由度用于重力补偿系统，如图 2b 所示1。机械矫形器腿有 3 个主动自由度对应的弯曲动作在矢状面上的膝盖和髋关节。另外，矫形器有一自由度负责腿部的内收和绑架运动。整个机构与两个被动自由度的支撑结构连接，提供额外的垂直和水平动作。通过被动关节结构中使用的弹性元件用于补偿支具的重量，并执行适当的动作（骨盆横向， 垂直和旋转）。图 3. LOPES 机器人矫形器，转载自3与以前的设备结构非常相似的是 LOPES - 下肢 Powered Exoskeleton，如图 3 所示，这是专为步态康复而设计的并在训练程序中使用跑步机3。这个项目的主要的目标是：减轻物理治疗师的负担提高中风患者的培训效果和配套在步态再教育过程中选择运动器材的元素。根据编程的轨迹生成机器人矫形器的运动。在训练过程中患者和机械骨架相互作用。自适应控制和具有可调节的串行弹性图的电动机驱动器（3b） 应用于外骨骼的活动关节9,10。此解决方案使患者能够感知机械矫形器机器人对修复四肢的最小影响。与商业 Lokomat 相比，矫形器 LOPES 有更多的主动自由度。这使得自由的动作沿着三个轴线的髋关节，如图 3a 中的 1,2 和 3 所示。第一第二个接头在垂直方向上与伺服电机一起工作标记为 3 是被动的（没有驱动器）。图 4.用脚踏板产生运动的神经修复系统：a - 触觉步行者（德国）8，b - 来自庆尚大学（韩国）的设备6这是最近临床测试，来自柏林大学和 Fraunhofer IPK 的一组工程师从技术部门创建的 HapticWalker 设备具有完全不同的结构。该机制具有立体框架的形式，患者悬挂在该框架中机器人手臂上的特殊线束中，如图 4a 所示。机器人手臂的效应器被制成具有手柄的特殊平台附着病人的脚。产生下肢的运动通过推或拉病人的脚，就像在 CPM 导轨上那样。在 HapticWalker 设备，患者由动态重量支撑补偿制度。根据患者的情绪产生腿部动作，脚提供了一些扩展的可能性，以获得更自然的行走和爬楼梯。这种治疗方法不仅涉及下肢，还涉及整个身体。第一项测试显示用 HapticWalker 进行治疗增加身体的力量和效率。增加这些参数是康复中的基本方面之一，并为人们回到日常生活做好准备。但是，只能采取行动没有额外限制膝盖和臀部，脚在这种情况下一个方向上的运动可能导致病理性补偿动作。另一种用于下肢康复的机器人系统设计基于脚板生成运动，运用相同方法的是由韩国庆尚大学的一个团队开发机器人如图 4b 所示。这个机器人可以模拟在平坦表面的行走，因此作为大多数带跑步机器人的工作，但其优越的特点是生成步行在不平坦地形上的步态特征。例如，它可以生成与升序或降序相对应的轨迹楼梯。提出的设备具有轻巧紧凑的结构，这使其可用于家庭
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