毕业设计（论文）-小型气动机械手的设计（全套图纸）.pdf

1 小型气动机械手的设计小型气动机械手的设计 摘 要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。 机械手的机械结构由气缸、 气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。气动部分的设计主要是 选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和 方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。气动机械 手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优 点而被广泛应用。 关键词：气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计 全套图纸加 153893706 Design of Small Pneumatic Manipulator Abstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator. Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece, according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping, conveying and unloading. Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of 2 pneumatic control circuit, the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure, flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement, and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight, quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used. Key words: Pneumatic manipulator; cylinder; control valve; Circuit; the design 1 前言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消 费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备， 机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效 益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科 学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的 战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手 的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业 任务， 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点， 尤其体现了人的智能和适应性。 机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔 的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生 产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高 技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使 得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人 手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物 的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛 地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技 术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。机械手是一种能自动化定 位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以 完成在各个不同环境中工作。 气动机械手作为机械手的一种, 它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、 3 可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。 气动机械手强调模块化的形式, 现代传输技术的气动机械手在控制方面采 用了先进的阀岛技术(可重复编程等), 气动伺服系统(可实现任意位置上的精确 定位), 在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。 90 年代初, 由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” 六脚勘探员, 是气动技术、PLC 控制 技术和传感技术完美结合产生的“六足动物” 。6 个脚中的每一个脚都有 3 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/退回运动, 另一 个摆动马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。 由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人, 它集遥感技术和真 空技术于一体, 成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。 T ron- X 电子气动机器人, 能与人亲切地握手,它的头部、腰部、手能与人类 一样弯曲运动, 并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下(或通过自身的 编程控制) 能与人进行对话, 或作自我介绍等。T ron- X 电子气动机器人集电子 技术、气动技术和人工智能为一体, 它告诉我们, 气动技术能够实现机器人中最 难解决的灵活的自由度, 具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵敏的反 应能力。 现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了 气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定 工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都 采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工 序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。 在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等 各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、 气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物 品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统， 采用了平稳加速的 SIN 气缸。 气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于 烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动 加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。 2 气动机械手的总体设计方案 4 2.1 机械手的基本结构 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。 执行机构主要是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功 能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。 2.1.1 手部 手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持 器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部。气动手指是模拟 人的手指抓紧工件，以实现机械手的动作的气缸。 按结构特点可分为旋转驱动型、 平行开闭型、支点开闭型和三爪开闭型。 2.1.2 腕部 腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最 为复杂的部分。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般 腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的 专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工 件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转气压缸，它的结构紧凑，灵 巧但回转角度小，一般小于 270 度,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输 出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 2.1.3 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹 具） ，并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的： 把手部送到空间运动范围内任意一点。 如果改变手部的姿态 （方 位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本 要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现， 从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身 运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精 度直接影响机械手的工作性能。 2.2 机械手的基本形式选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下 4 种: (1)直角坐标型机械手； 5 (2)圆柱坐标型机械手； (3)球坐标(极坐标)型机械手； (4)多关节型机机械手。 其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采 用圆柱坐标型。 2.3 机械手的主要部件及运动参数设计 在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本 设计的机械手具有 4 个自由度：手臂伸缩；手臂回转；机身回转；机身升降。 本设计的机械手主要由 3 个大部件和 4 个气缸组成： 手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。 臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。 机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。 驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上 取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液 压、气动、电动和机械驱动等四类。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、 动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用在生产自动化 的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动 1。 设计技术参数: （1）抓重:2Kg (夹持式手部) （2）自由度数:4个自由度 （3）座标型式:圆柱座标 （4）最大工作半径:600mm （5）手臂最大中心高:400mm （6）手臂运动参数 伸缩行程：350mm 伸缩速度： 200mm/s 升降行程：250mm 升降速度： 100mm/s 回转范围：0360 回转速度： 60mm/s 3 手部的设计 6 3.1 手部的基本要求 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 圆柱形式时，使用夹持式手部；如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构。本次 设计采用的是夹持式手部结构。 3.1.1 夹持式手部结构 夹持式手部结构由手指和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆 式、斜锲杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 3.1.2 对手部的基本要求 （1）具有足够的夹紧力； 在确定手指的夹紧力时，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； 两手指张开和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，夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑，一 般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好。 （3）保证工件准确定位； 在设计的过程中总会出现些许偏差，所以在选用配合的时候都采用 IT8 级，能满 足工件的定位。 （4）具有足够的强度和刚度； 手部的材料通常采用强度和刚度都要同时能满足抓取物件的大小，但同时也考虑 到是气压传动，力比较小，所以不会采用钢材类等。 （5）考虑被抓工件的形状要求。 3.2 手部的结构设计 根据本机械手的使用范围，本机械手采用手指式机械手部。根据工件的形状，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，松开时，用单作用式液压 缸。此种结构较为简单，制造方便如图 1。 7 图 1 齿轮齿条式手部 Fig 1 The hand of gear wheel 之所以不选用平行开闭手指是因为其所夹紧的工件直径较大，开闭行程比较难满 足。 3.3 手部的计算 3.3.1 手指夹紧力的计算 手指夹在工件上的夹紧力时设计手部的主要依据，一般来说手指对工件的夹 紧力可按下式计算： GKKKFN 321 （1） 式中： 1 K安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在 1.22.0，故取 1.5； 2 K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工件 情况系数 2 K ， 2 K=1+a/g=1+(200/100- 0)/10/10=1.02，故取 1； 3 K 方位系数，根据手指与工件形状以及工件位置不同进行选定， fK/sin5 . 0 3 =，摩擦系数 0 60, 1 . 0=f,故取 3。 G被抓取的工件的重量 Kg 所以 NFN92315 . 1=。 3.3.2 驱动力计算 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为： N F R b p 2 = （2） 由图 3- 2 可知，b=120mm ,R=24mm, 8 故 N F R b p 2 =90N 实际驱动力： / 21K PKP 实际 （3） 因为 8 级精度的齿轮传动的效率97 . 0 =，5 . 1 1= K，1 2 =K。 所以 2 . 13997 . 0 15 . 190= 实际 PN 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 139.2N。 3.3.3 气压缸直径计算 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输 出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力。其公式为： zt FFPDF-4/= 2 1 （4） 式中： 1 F活塞杆上的推力，N t F 弹簧反作用力，N z F气缸工作时的总阻力，N P 气缸工作压力，Pa。 弹簧反作用力计算如下： )(slGF ft += nDGdG f 3 1 4 1 /= 12 dDDt= 式中： f G 弹簧刚度，N/m l弹簧预压缩量，m s活塞行程，m 1 d弹簧钢丝直径，m t D 弹簧平均直径，m 2 D弹簧外径，m n弹簧有效圈数， G弹簧材料剪切模量，一般取PaG 9 10 4 . 79= 在设计中，必须考虑负载率的影响，故： t FPDF-4/= 2 1 （5） 9 由以上分析得单向作用气缸的直径: p FF D t +(4 = 1 （6） 代入有关数据，可得： nD Gd Cf 3 1 4 1 8 = = 15)1030(8 )105 .3(104 .79 33 439 =3677.46(/m) )(slGF ft += =3677.4660 3 10 =220.6(N) 所以可得到 p FF D t )(4 1 + = = 2 1 6 6 . 0)105 . 0() 6 . 220 2 . 139(4+ =39.08(mm) 查机械设计手册（气压传动） 表 22-1-20，得 D=40mm 由2d/D=0.30.5，可得活塞杆直径： d=(0.30.5)D=1220mm 故取活塞杆直径 d=18mm 校核，按公式： )4/( 2 1 dF 化简得 5 . 0 1 )/4(Fd 其中，NFMPa2 .139,120 1= = 则： 5 . 0 )120/ 2 . 1394(d =1.2218 所以满足活塞杆设计要求。 3.3.4 缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气压缸筒壁厚与内径之比小 于或等于 1/10，由于 D/10,故其壁厚可按厚壁筒公式 1计算: 2/)1 3.1 4.0 ( + y y P P D （7） 10 式中 缸筒壁厚 mm D气缸内径 mm P y实验压力，取 Py=1.5Pn，Pa 缸筒应采用不锈钢、铝合金或黄铜等材质 本设计采用材料：ZL303 MPan b 6 . 285/143/= n 为安全系数，一般取 5。 2/ 1 10)75. 03 . 1-6 .28( 10)75. 04 . 0+6 .28( 04 6 6 =0.456（mm） 故取mm5 . 2=，则缸筒外径为 40+2.52=45mm。 4 腕部的设计 4.1 腕部的基本要求 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件的位置是水平放置的，因此必须设 有回转运动才可能满足工作的要求。换句话说，为了使手部出于空间任意方向，要求 腕部能分别对空间三个坐标轴 X、Y、Z 实现转动。手腕设计成回转结构，实现手腕回 转运动的机构为回转气缸。 设计时主要要注意以下几点： （1）结构尽量紧凑以减轻重量； （2）转动的灵活性及密封性； （3）考虑通向手部油路的配置。 4.2 腕部的结构设计 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具备 有独立的自由度，使得机械手适应复杂的动作要求。由于本机械手抓取的工件是水平 放置；同时考虑到通用性，因此给手腕设计一绕 X 轴转动回转运动才可以满足工作的 要求，目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，它的结构紧凑，但回 转角度小于 360 度，并且要求严格的密封。 11 图 2 手腕回转时受力状态 1-工件 2-手部 3-手腕 Fig2The stress state of wrist rotation 1- the 2- hand 3- wrist 驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动 轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩已 经由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。如图 2。 4.3 腕部的计算 4.3.1 驱动力计算 手腕转动时所需的驱动力矩可按 1下式计算： 封摩偏惯驱 MMMM+=M (8) 式中： 驱 M 驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm) 惯 M 惯性力矩(Ncm) 偏 M 偏重力矩(Ncm) 封 M 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 (Ncm)。 根据图 4-2 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算： （1） 若手腕起动过程按等加速运动， 手腕角速度为， 起动过程所用的时间为 t ， 则： t JJM ）（ 惯1 +=(Ncm) (9) 式中： J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N 2 scm） 1 J工件对手腕转动轴线的转动惯量（N 2 scm） 手腕转动时的角速度（弧度/S） 12 t起动过程所需的时间（s） 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1 J为： 2 11 1e g G JJ c+ = (10) 式中： c J 工件对过重心轴线的转动惯量（N 2 scm） 1G工件的重量(N) 1 e工件的重心到转动轴线的偏心距(cm) （2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏 M 3311 GeGeM+= 偏 (Ncm) (11) 式中： 3 G 手腕转动件的重量（N） 3 e 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（cm） 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则0 11 =eG。 （3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 摩 M )( 2 12 dRdR f M BA += 摩 (Ncm) 式中： 21,d d转动轴的轴颈直径（cm） f 摩擦系数，对于滚动轴承01. 0=f，对于滑动轴承1 . 0=f BA RR ,处的支承反力（N） ，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据0)(= FMA，得： 112233 lGlGlGlRB+=+ l lGlGlG RB 332211 + = 同理，根据0)(= FMB，得： l llGllGllG RA )()()( 332211 + = (12) 式中： 2 G手部的重量(N) 321 ,llll长度尺寸（cm） 。 4.3.2 气压缸压力验算 13 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸， 它的原理如图 3 所示。 图 3 回转气缸 Fig3 Rotary cylinder 定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与回转轴 5 固连。动片封圈 4 把气腔分隔成两个.当 液体从孔 a 进入时，推动输出轴作逆时 4 回转，则低压腔的液体从 b 孔排出。反之， 输出轴作顺时针方向回转。叶片 J 气缸的压力 p 和驱动力矩 M 的关系为: () 22 2M P b Rr 或 2 )( 22 rRpb M = (13) 式中： M回转气缸的驱动力矩(Ncm) P回转气缸的工作压力(Ncm) R缸体内壁半径(cm) r输出轴半径(cm) b动片宽度 (cm)。 气缸长度设计为 b=100mm，气缸内径为mmD96 1= ，半径 R=48mm，轴径26 2 =Dmm, 半径 R=13mm,气缸运行角速度s/900，加速度时间st1 . 0=，压强 p=0.4MPa,则力矩： 2 )( 22 rRpb M = = 2 )026.0-048.0(1 .0104 .0 226 =32.6(Nm) （1）测定参与手腕转动的部件的质量kgm10 1= ，质量密度等效分布在一个半径 mmr50=的圆盘上，那么转动惯量： 2 2 1r m J = (14) 14 = 2 05. 010 2 =0.0125(kg 2 m ) 工件的质量为 2kg,质量分布于长mml200=玻璃杯上，那么转动惯量： 12 2 ml J c = (15) = 12 2.02 2 =0.0066（kg 2 m） 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长mml200=的玻璃杯来说，最大偏心距 mme50 1= ，其转动惯量为： 2 11e mJJ c+ = (16) =0.0066+2 2 05 . 0 =0.0117（kg 2 m） t JJM += ) 1 （ 惯 (17) =(0.0125+0.0117) 1 . 0 90 =21.8(Nm) (2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为 偏 M，考虑手腕动作重心 与转动轴线重合，0 1= e，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 3 e =50mm，则有： 3311 GeGeM+= 偏 (18) =205. 010 =1(Nm) (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 摩 M，对于滚动轴承01. 0=f，滑动轴承 1 . 0=f， 21,d d为手腕转动轴的轴颈直径，mmdmmd20,30 21 =， BA RR