气动机械手设计-四自由度机械手【三维SW】【含CAD高清图纸和文档】【WG系列】
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一、 毕业设计（论文）的内容内容：设计一个气动机械手，至少有4个自由度，其中，必须有两个自由度为气动驱动。机械手可以完成抓物、松开等动作。二、毕业设计（论文）的要求与数据要求：在资料调查和分析的基础上，对系统进行分析和设计，具体要求如下：（1）绘制气动机械手机械原理图A3图纸两张； （2）气动机械手尺寸、大小、质量不限，所抓物品质量不限；（3）机械手手臂、手腕、手爪等每一个动作可分别通过上位机控制；（4）编写人机交互界面。三、毕业设计（论文）应完成的工作 1.完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必需包括详细的300-500个单词的英文摘要； 2.独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）； 3.完成结构方案设计，绘制出工程装配图、重要零件图、三维模型图及动态仿真； 4.导师所指定的其它工作，所有毕业设计的工作量要满足16周的工作量要求。四、应收集的资料及主要参考文献1 胡伟，季晓衡.单片机C程序设计及应用实例M. 北京：人民邮电出版社，2003.2 赵景波，王劲松，滕敦朋. Protel 2004电路设计从基础到实践M. 北京：电子工业出版社，2007. 3 赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例M. 北京：人民邮电出版社，2003. 4 龚运新.单片机C语言开发技术M.北京：清华大学出版社，2006.5 机械设计手册编委会. 机械设计手册新版第4卷M. 北京：机械工业出版社.6 Spasov,Peter. Microcontroller technologyM. Prentice Hall,2004.7 张浩编. MCS51系列单片机实用接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社,2001.8 Scott MacKenzie.The 8051 MicrocontrollerM. Prentice Hall. 1998.9林克明, 陈羽, 郭从良.微控制器系统原理与应用M. 北京：科学出版社，2007.1.10 裴亚男, 付智辉.数字逻辑M.成都：西南交通大学出版社，2005.五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件1计算机一台2三维设计软件（solidworks/PROE）和平面设计软件(CAD/caxa)3单片机 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43AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, a grasping and moving the workpiece function automation device use. Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology and programmable control technology, detection technology. This paper intends to develop material pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, any changes to the relevant parameters according to the changing and the movement process requirements, it may replace human work in high risk areaKeywords: manipulator, pneumatic manipulator, grab, lifting目 录摘 要IIAbstractIII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11.5 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21.8 气动机械手的应用3第2章 气动机械手设计要求与方案42.1 气动机械手设计要求42.2 基本设计思路42.2.1 系统分析42.2.2 总体设计框图42.2.3 气动机械手的基本参数52.3 气动机械手结构设计52.4 机械手材料的选择62.5机械臂的运动方式62.6 气动机械手驱动方式的选择72.7 动作要求分析72.8 气动机械手结构及驱动系统选型8第3章 系统各主要组成部分设计93.1夹持器结构设计与校核93.1.1夹持器种类93.1.2夹持器设计计算103.1.3夹持器校核113.2升降方向设计计算113.2.1 初步确系统压力113.2.2 升降气缸计算123.2.3 活塞杆的计算校核143.2.4 气缸工作行程的确定153.2.5 活塞的设计163.2.6 导向套的设计与计算163.2.7 端盖和缸底的计算校核173.2.7 缸体长度的确定183.2.8 缓冲装置的设计183.2.9 气缸的选型183.3 水平方向设计计算203.3.1 水平方向计算203.3.2 气缸的选型203.4底座回转机构设计计算223.4.1 回转部位负载计算校核223.4.2 马达的选型243.5机身结构的设计校核253.5.1 马达的选择253.5.2 螺柱的设计与校核263.5.3 机座的机械结构273.6气动机械手的定位及平稳性确定283.6.1常用的定位方式283.6.2影响平稳性和定位精度的因素283.6.3气动机械手运动的缓冲装置29第4章 气动驱动系统设计314.1手部抓取缸314.2 腕部摆动气动回路324.3小臂伸缩缸气动回路334.4总体系统图34第5章 上位机控制控制系统设计365.1系统控制算法设计375.2 机械手控制系统的硬件部分395.3 机械手控制系统的软件部分40总 结41参考文献42致 谢43 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学校的最后的一环，四年的大学学习的深化和检查，即实践性综合性，其他的单一的课程是无可替代的，通过毕业设计更高的综合训练练能力不久，对工作岗位，实际工作能力的重要作用。下次的目的达到：（1）综合运用学的基础理论，基本知识和基本技能实际分析、解决问题的能力。（2）必须接受综合培训的工程师，实际工作能力。例如，文献调査研究调查收集资料分析能力制定、设计和试制方案的能力；设计和图形，计算能力；总结写论文能力提高。（3）检查综合素质和实践能力。1.2 机械手的定义现在，工业机械手的定义，世界各国还统一，分类也不同。最近联合国国际标准化机构通过了。美国机械手协会工业机械手下的定义：工业机械手是一种再现编程的多功能的操作装置改变行动程序，各种工作，主要工作搬运材料，继电器。1.3 气动机械手概念气动机械手（机器人）自动封装的机械装置。那是高级综合控制论，机械电子计算机，材料和仿生学的产物。工业、医学、农业、建筑业也军事等领域，是重要的用途。气动机械手近50年的快速发展的是一种具有代表性的、机械、电子控制系统的结构，自动化程度高的生产工具。生产制造业、机械工业气体动广泛应用技术。那是自动化程度高，改善劳动条件，确保产品质量的提高工作的效率，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1.4 气动机械手的组成执行系统一般手部、手腕、手臂部，机身机床等，其中最主要的是运动系。气动机械手主要执行系统，驱动系统及控制系统的三部分。手夹（或吸附，您持）和放松的工作和工具的零部件，是指（或吸盘），驱动元件和驱动元件等构成。时间，速度和加速度等参数。气动机械手与本体及其他相关设备之间的联系3。1.5 气动机械手的应用按气动机械安排置形式分可分为：架空式空气机械手，附件机式空气机械手，落地式空气机械手3种。另外，安装自动线费道路和费路边，工作，实现材料，传输位错，转向等用途的气动机械手，他们是运动的单一，结构简单，位置精度柔软和一般要求低的特征。气动机械手通使用机床和其他机器的附加装置等，自动机床和自动生产线的处理和传达的工作，加工中心的轮流刀等，一般是独立的控制装置3。1.6 课题研究的背景和意义现代科学技术的发展，工业生产是人类的日常生活，气动机器人技术也广泛的应用。研究智能类，人气动画的机械手是近年来科学家一致取组方向。类，人气动画的机械手是人类的模型，这是模仿人类的各种动作和人类的外部的特征。未来的气动机械手执事不是梦。按气动机械手结构的不同，气动机械手很多。轮式移动气动机械手，履带气动机械手，机械手，步行气动机械手等。顺便说一下，徒步气动机械手，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式和大多数动物一样是人也。这是一种很复杂的自动化程度高的运动。对传统的车轮式和履带气动机械手，环境的适应能力强。很小的空间作业，不平的道路上如履平地，楼梯等。将来不久，这个技术广泛应用。气动机器人研究制作中，使用电脑设计的空气机械手的模拟是一个很重要的过程。气动机械手模拟包括零部件造型，零件装配，最后运动模拟。模拟，通过设计师直观观察各机构的运动情况？干涉，能够清楚各部件的受力时，各种模拟数据。这个方法大幅度节约时间和成本的开发。 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。年代工业气动机械手首先使用，十年的发展，80年代的时候工业气动机械手已经得到普及。相应的他们的工业产值也得到了迅速提高年。1980年一千亿日元，达到了1990年至六千亿円。2004年1万日元，达到了八千五百亿。可见工业气动机械手的重要性，提高生产效率。在国际上，各国意识工业气动机械手的重要性。所以工业气动机械手的订单急剧上升。2003年的订货量是2002年相比增加了百分之10。气动此后工业机械手的需求量上升。2001年至2006年世界的订单90000多台。年平均增长7 %。国际气动机器人的发展方向：气动机械手触到非常多学科的知识和领域。电脑、电子、控制，人工智能，传感器，通信网络，控制、机械等。气动机器人的发展离不开上述的学科的发展。正因为如此，各学科相互影响和综合集成，正是制造自动化程度高的人。随着科学技术的进步，气动机械手应用范围越来越大，技术也越来越高，功能更加强大。现在是气动机器人的研究也小型化的发展。气动机械手更多的人们的日常生活中去。整体的发展趋势是模块化、标准化，更加智能化。机械工业气体地动手的广泛应用，提高产品质量和生产能力，安全保障者，劳动环境的改善，劳动强度，提高生产效率，节约降耗和降低生产成本，非常重要的作用。机械工业气体地动手的广泛应用体现以人为本的原则，但人们的生活方便与美丽。1.8 气动机械手的应用气动机械手，汽车产业之后出现的是一种大型高新技术产业。现代，气动机械产业市场前景良好的发展手。从20世纪世界的房地产业机械手一直在稳步增加。20世纪90年代，气动机械手产品发展快速增长，年平均增长率10%。2004年的记录达成的百分之20。在亚洲航空机械手的需求量很多，年增长率为百分之四十三。40年的发展，机械工业气体地动手到很多领域的应用。气动机械手制造业中应用最广泛。如果焊接、热处理、涂料、机械加工、组装、检测和仓库沉积毛，坯制造（五金，压铸、锻造等）等的作业中，气动机器二掌柜结束手工生产效率提高。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 系统分析机械手是生产过程自动化，实现提高劳动生产率的一种强有力的工具。同样在生产过程中自动化，各种机械化，自动化的经济和技术的综合分析，机械手是否合适判断。所以完成机械手的设计，一般是先这样的工作：（1）造成机械手的使用情况，明确机械手的目的和任务。（2）分析机械手所在的系统的工作环境。（3）仔细分析系统的工作的要求，机械手的基本功能和方案，例如机械手的自由度数，动作速度，定位精度，自由泳重量等。并且，气动抓取物体的质量，形状和尺寸及生产乐途等状况确认手手爪形式和机械的抓取工件的部位和握力尺寸。对此，我做了如下分析：（1）本设计课题物质气动机械手设计，机械两物输送机械手。机械手，在使用时，非常宽广，相关物质的状态，运营线的环境等因素中，我所拥有的理论知识和能力，我选择非量产的小型物体加工线上的材料的气动机械手。我选择（2）的机械手是非量产的小型物体加工线上的材料的气动机械手，机械手所在的系统的工作环境一定会寻求工厂，精度高，FT率低、速度快。2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图图2总设计图，说明如下：(1) 控制系统：任务是手的工作而机械指令程序和传感器归还的信号，控制机械手的执行机关，完成规定的运动和功能。主要设计目标的CPU的选择，CPU的程序编制调试等。(2) 驱动传动系统：系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括实体，机器人扶手、手腕、手手爪。需要确定其自由度、坐标形式计算具体结构。(4) 也就是说传感器检测系统的选择及具体作用。2.2.3 气动机械手的基本参数1 .机械手的最大气物质的重量是它的主要参数。本论文物质气动机械手空气的材料的品质可以设定1吨。2 .运动速度直接影响机械手的动作速度和机械手的动作的稳定性，所以运动速度也材料气动机械手的主要基本参数。设计速度太低的话，无法满足的机械手的动作的功能限制机械手的使用范围。设计速度增强机械手的高负荷的机械手动作的稳定性的影响。三点伸缩日程决定工作半径是机械手工的范围及机械尺寸的钥匙，手也机械设计的基本参数。3 .定位精度机械手的主要基本参数的一个。机械手精度低，完成不了的功能，精度高成本的增加。综合考虑，这种物质气动机械手的定位精度，设定为0.1毫米之间士士。材料的气动机械手的各部分基本参数上面已经知道物质气动机械手各关节的日程和时间决定分配。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。2.4 机械手材料的选择机械手而手臂的材料手臂的工作情况选择，满足机械手的设计和制作的要求。设计的思想出发，机械的才干完成各种运动。所以，对材料的要求作为运动的零件，应有的轻型材料。另一方面，手臂运动过程中经常振动必然大幅降低其运动精度。所以选择材料的时候，质量，刚度，衰减综合考虑，从而有效手臂的动态性能提升。另外，机械手腕材料和一般的构造材料不同。机械的手腕，是一种抑制伺服机构，必须考虑其控制性。手臂材料，控制性和材料的加工性、结构、品质等的性质一起考虑。总之，选择机器手腕的材料的综合考虑，强度，刚度，重量和弹性，耐震性和外观和价格等的要素。一些常用的手腕介绍机械材料：（1）的碳合金钢结构钢结构等高张力钢：这些材料的强度好，尤其是合金钢结构强度增加了45倍，弹性模量E大，抗变形力很高，最广泛的材料，（2）铝、铝合金及其他轻合金材料：其共同的特点是重量轻、弹性模量E不大，但是小材料的密度，E / p的比例钢材相比，（3）陶瓷器：陶瓷材料的优秀的质量，但是脆性很大，加工型是不好的，金属等部件连接的接合部特殊设计。但是，日本己试制的小型高速机械手使用陶瓷机械手腕的样品，本文从设计的机械手的角度来看，选用材料不需要大负荷能力也不需要的高弹性率和抗变形能力考虑，另外材料的成本，加工性等因素。评价了各种因素结合工作状况的条件下，预备选举铝合金材料和机器臂。2.5机械臂的运动方式常见的机械手运动形式的5种：SCARA型，直角坐标型极坐标型，关节型圆柱座标型。主要的运动中的参数选择的运动形式结构设计的基础。同一种类的运动形态分类生产工艺的必要为了适应不同的结构，采用。具体是什么位置，选择使用必须根据形状不同，作业要求，工作现场和空气动力学前后工作中心线方向的变化等的情况，分析比较优秀者选择。这个机器的手，两肩关节和一个肘关节进行定位，两个或三腕关节取向。其中，肩关节垂直轴旋转，另一个肩膀关节实现间距。这两个肩膀关节轴线直角。肘关节平行第二肩关节轴线，考虑到机械手的工作的特点，即要求其动作灵活，大工作的空间，且紧凑的结构，要求占用空间等特征选用小，所以关节型机器人。如图所示。这个形状动作敏捷，工作空间大作业时空间内的手臂的干涉，是最小，紧凑，占地面积小，关节相对运动部密封防尘容易。可是这些机器手运动学复杂，运动学的反解难；确定基层轴的身影直观的，并且控制时，计算量大。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是气动驱动，气动驱动马达驱动和4种基本形式。但是和气动驱动相比，电力小，气动驱动的能源，构造相对简单速度不易控制，精度高。马达驱动能源简单，速度与位置的高精度的，使用方便，噪音低，机关速度变化范围大，效率高，控制柔软。气动驱动的特点是输出大省，结构简单，减速装置，响应速度快，高精度的。但是有空气源，而且容易发生气体泄漏。最初，我先选择马达驱动构造，经常机械手的升降运动运用纯机械结构是理想的螺桨效应。机械臂旋转的话使用气动和气动驱动必须旋转气动和回转油缸，相对复杂的构造不同设计。所以方案，分成两个部分驱动方式。其中，机器人臂旋转驱动的驱动方式，通过旋转驱动马达驱动齿轮连锁，机器人扶手的伸缩，升降和机械手的抓取，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 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设计的空气机械手上通用的气动机械手的时候，坐标系圆柱座标系统结构。驱动系统马达驱动和气传动皮带驱动用，电动机驱动的旋转和手臂上下移动，气动驱动用手臂的伸缩和气动手夹取机器和反转3。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 .连杆杠杆式手手爪这手用手爪活塞的推力下，连杆和杆的手手爪发生夹紧（放松）的运动，杠杆力量的放大作用可能产生这双手，手爪较大的夹紧力。通常和弹簧共同使用。楔杠杆式手手爪2。利用楔和杠杆实现手手爪的松，打开，实现自由泳。齿条和amp；小齿轮式手手爪3。这手手爪活塞推进架，架驱动齿轮旋转，手手爪夹紧和放松动作。射门式手手爪4。前活塞运动时，射门销推进手手爪合并，夹紧动作和夹紧力在后面，活塞运动时，手爪放开手。这手手爪开闭行程较大，适应大小不同的物体爬行。平行杠杆式手手爪5。不需要导游保证手手爪的两手指平行运动平行四边形机构采用，因此，轨道的平行移动手手爪带有更多的摩擦小结合的具体的工作情况，采用连杆杠杆式手手爪。驱动活塞来回移动，活塞杆端部架，中间架和扇形机架扩大或手指悬挂。手指的最小的开度是加工工作的直径调整定。这个设计的东西用绳索捆绑最大直径50mm的设计。a .适当夹紧力手的工作的时候，应该拥有适当的夹紧力，以确保稳定性和可靠性高的支持，变形小，工作是损坏加工面。刚性拙劣的工作夹紧力的大小是设计可以调节，沉重的工作应该考虑采用自锁安全装置。b .充分的开关范围工作时，手指的开关位置最大是量的变化称为开关范围。支持类手的手指张开和关闭装置。操作开关角度和手指夹紧边长度表示。手的手指回转型开关范围，手指开关范围的要求和许多因素关于c .追求结构简单，小型轻量运动状态作时变化，其结构，重量和体积的直接影响整个气动机械手的构造重，定位精度，运动速度等的性能。手手前端，工设计、手追求时，需结构简单，小型轻量。d .手指应该一定的强度和刚度所以送，采用最常用外盒式两手指钳手爪，夹紧方式时期结束仪式弹簧式离合器、夹紧气动机械手，使工件的形状，松开，单作用式缸。这个构造简单，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： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 10；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-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 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-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 （3-9）式中，-为柱塞缸工作压；-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=35 mm=9616N377N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： (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/ KN50工作压力/MPa1.25，满足最低速度的要求。2.活塞杆强度计算： 90mm （4-4）式中 许用应力；（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）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表4-4（b） 气缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表4-4（c） 气缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800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: （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。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=活塞宽度B=2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适当选择。3.2.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞气缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受气动力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚h为：式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P气动力，； 密封环形端面平均直径，cm； 材料的许用应力，。2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.2.7 缸体长度的确定 气缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般气缸缸体长度不应大于缸体内经的2030倍。取系数为5,则气缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.2.8 缓冲装置的设计 气缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在气动力的驱动下运动时具有很大的动量。在它们的行程终端，当杆头进入气缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响气缸和整个气动系统的强度及正常工作。缓冲装置可以防止和减少气缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当气缸中活塞活塞运动速度在6m/min以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度在12m/min以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床气动系统中，动力滑台的最大速度为4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。3.2.9 气缸的选型经过比较，参考市场上的气缸类型，选择一种可靠优质的气缸产品的生产商速易可（上海）有限公司/about_us.asp。速易可气动（上海）有限公司成立于2004年，从事于空压零组件和设备研 究、生产、销售的自动化厂商，产品以TONAB品牌营销国内外市场，产品主要有空气净化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空压设备，产 品广泛应用于医疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气（）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算，在这选择YAM63.3.3 水平方向设计计算3.3.1 水平方向计算当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l =100mm。如图3.4所示。工件图3.4 受力简图(1)计算扭矩4 (2)气缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 4F =10000N S =1m（最大行程时）带入公式2.9得=10000101 =100000（NM） 由于水平方向的气缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举3.3.2 气缸的选型速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回转夹紧气（）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。根据上节计算，在这选择YAM63.3.4底座回转机构设计计算腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。要求：回转360 角速度=45/s3.4.1 回转部位负载计算校核.若传动负载作回转运动负载额定功率： （3-24）负载加速功率： （3-25）负载力矩（折算到马达轴）： （3-26）负载GD（折算到马达轴）： （3-27）起动时间： （3-28）制动时间： （3-29） 式中，-为额定功率，KW；-为加速功率，KW；-为负载轴回转速度，r/min；-为马达轴回转速度，r/min；-为负载的速度，m/min；-为减速机效率；-为摩擦系数；-为负载转矩（负载轴），；-为马达启动最大转矩，；-为负载转矩（折算到马达轴上），；-为负载的，；-为负载（折算到马达轴上），；-为马达的，；具体到本设计，因为步进马达是驱动腰部的回转，传递运动形式属于第二种。下面进行具体的计算。 因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有； （3-30）式中，-为滚动轴承摩擦系数，取0.005；-为机械手本身与负载的重量之和，取100；-为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240；带入数据，计算得 =0.12； 同时，腰部回转速度定为=5r/min；传动比定为1/120；且， 带入数据得： =10.45667。将其带入上（3-24）（3-30）式，得： 启动时间 ； 制动时间 ；折算到马达轴上的负载转矩为：。3.4.2 马达的选型 根据参数，选型为BM-R100臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。气动机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了5。手臂的伸缩速度为200m/s行程L=1000mm(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得： =100040 =1004800mm/s =0.1/10m/s =1000ml/s(2)手臂右腔工作压力，公式（3.8） 得： （3.12）式中：F 取工件重和手臂活动部件总重， F =1000kg，=10000N。 (4)由初步计算选泵所需气动最高压力 P =10Mpa所需气动最大流量 Q =1000ml/s3.5机身结构的设计校核臂部和机身的配置形式基本上反映了气动机械手的总体布局。本课题气动机械手的机身设计成机座式，这样气动机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型气动机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求7-9。3.5.1 马达的选择机身部使用了两个马达，其一是带动臂部的升降运动；其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的马达安装在肋板上，带动机身回转的马达安装在混凝土地基上。带动臂部升降的马达：初选上升速度 V =100mm/s P =6KW所以转/分3.5.2 螺柱的设计与校核螺杆是气动机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。螺距 P =6mm 梯形螺纹螺纹的工作高度 h =0.5P （3.17）=3mm螺纹牙底宽度 b =0.65P=0.656=3.9mm （3.18）螺杆强度11 （3.19）=3050Mpa螺纹牙剪切 =40弯曲=4555(1)当量应力 (3.20)式中 T传递转矩Nmm螺杆材料的许用应力 所以代入公式（3.20）得： 6225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即16471pa535340pa合格(2)剪切强度 （旋合圈数） （3.21） （3.22） =206.8103pa =0.206Mpa=40Mpa(3)弯曲强度=0.48Mpa=45Mpa合格3.5.3 机座的机械结构带动机身回转的马达：初选转速 W =60/s N =1/6转/秒=10转/分由于齿轮 I =3减速器 I =30所以 n =10330=900转/分机座的机械结构如图3.9所示:图3.9 机座结构图3.6气动机械手的定位及平稳性确定3.6.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当气动机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm，若定位时关闭驱动路而去掉工作压力，这时气动机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低12。3.6.2影响平稳性和定位精度的因素气动机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：(1)定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。(2)定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。(3)精度气动机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。(4)刚度气动机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。(5)运动件的重量运动件的重量包括气动机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。(6)驱动源气动的压力波动及电压、温的波动都会影响气动机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节气动措施。(7)控制系统开关控制、电气比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关13。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位。3.6.3气动机械手运动的缓冲装置缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有气缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和气动缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。本课题所采用的缓冲装置为气缸端部缓冲装置。当活塞运动到距气缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为气缸端部缓冲装置12-15。在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式气缸端部缓冲装置。设计气缸端部恒节流缓冲装置时，（最大加速度）、（缓冲腔最大冲击压力）和（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：(1)选择最大加速度通常，amax值按气动机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速气动机械手，- 取5m/s2以下，对于轻载高速气动机械手，-取510 m/s2(2)计算沿运动方向作用在活塞上的外力F水平运动时： （3.23） =0.251033.62-7=138N(3)计算残余速度Vr （3.24）m/s第4章 气动驱动系统设计气动控制室自动送料机构的一种主要的控制形式。自动送料机构的运动速度和操作室根据气体的流量与压力来确定，因而只要控制气的流量和压力，就可以控制自动送料机构的运动速度和操作力，气动压力一般在5140公斤/厘米范围内，最大臂力可达160公斤以上。主要优点：(1)气动执行元件(马达和气缸)结构紧凑，重量轻，功率小。(2)可通过空气带走大量热能，保证机械的正常运行。(3)气动元件有直线位移式和旋转式二种，适用范围较广，其控制速度的区间也比较宽。只要通过阀和泵的调节就能实现开环和闭环的控制系统。(4)响应速度比较快，能高速启动，制动和反向，无后滞现象。其力矩一惯量比也较大，因而其加速度能力较强。(5)气动元件于其他驱动元件相比，刚度较大，位置误差小，定位精度高，而且耐振动等。缺点:控制系统比较复杂，处理功率讯号的数学运算误差，检测，放大，测试和补偿功能不如电子，机电装置灵活简便4-6。4.1手部抓取缸图 4.5 手部抓取缸气动原理图(1)手部抓取缸气动原理图如图4.5所示(2)泵的供气动力P取1Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q =1300ml/s。因此，需装图4.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。选取采用： 2FRM5-20/102调速阀23E1-10B二位三通阀4.2 腕部摆动气动回路图 4.6 腕部摆动气动回路(1)腕部摆动缸气动原理图如图4.6所示(2)工作压力: P=1Mpa流量: Q=35ml/s选取采用:2FRM5-20/102调速阀34E1-10B 换向阀4.3小臂伸缩缸气动回路图 4.7 小臂伸缩缸气动回路(1)小臂伸缩缸气动原理图如图4.7所示(2)工作压力: P =0.25Mpa流量: Q =1000ml/s选取采用： 2FRM5-20/102 调速阀23E1-10B二位三通阀4.4总体系统图图 4.8 总体系统图(1)总体系统图如图4.8所示,(2)工作过程: 小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂回转小臂收缩手部放松(3)电磁铁动作顺序表:表4.2总体系统图元件动作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸长手部抓紧腕部回转小臂收缩手部放松卸荷-+-+-+-+-(4)确电机规格：气动泵选取CB-D型气泵，额定压力P =1Mpa，工作流量在3270ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵，因此：传动功率 （4.15）式中：=0.8 （经验值）所以代入公式（4.15）得： =16.7KN第5章 上位机控制控制系统设计气动机械手的阀控汽缸动力机构都是流量比例控制。工人控机，研华PCI 1720卡（ADC数类型转换）输出控制信号；同时PCL 2833（3轴正交编码器计数器卡）采集编码器角度传送信号的工人控机。控制系统的软件的部分采用RTW MATLAB的工具盒。RTW MATLAB图形的建模和模拟环境Simulink的一个重要的补充功能模块的基础上，Simulink自动生成的代码环境。然后直接Simulink模型而发生的，移植的个性化的代码优化配置，目标，自动生成多种的环境下的程序。为了让模型简洁，明晰成立子系统的实施方法，图4所示：生成机械手工具系确定点坐标转换为夹手系坐标运动学逆运算（生成关节空间转角）插值生成各关节三次多项式运动方程关节控制实时计算机械手的实际位置机械手某些固定参数设置图4 机械手控制系统流程（1）轨迹生成模块。这个功能，被给予的迪卡尔空间内卡钳曲线用户的意思有限分割，所有的迪卡尔座标值给予终点。（2）道具坐标系夹手坐标系。模块提出的空间点工具系坐标原点所必须经过，但坐标变换夹手系坐标原点通过的空间点。（3）参数设置模块。机械手的参数赋值。（4）运动学逆解模块。这个模块迪卡尔空间内点的坐标变换各关节坐标系内的关节角度。（5）插值演算模块的解系数。这个模块各个的内计算的结果，3个关节插值运算，解决各关节的三次多项式插值系数。（6）生成关节运动方程模块。这个模块算出的三次多项式插值系数，各关节生成时间T自变数，（7）控制模块。控制各关节的角度使之变化，追踪模块生成的同关节的运动方程。（8）解决方案迪卡尔坐标的末端位置。实际的抽样的角度进行，运动学运算，检查机器后末端的实际的位置。5.1系统控制算法设计机械手控制算法的基本流程图5所示。从轨道舱插值路线时候分割，采用4点的3次多项式插值运算，计算结果输入运动学反解模块，计算出关节坐标各关节的对应的角度，各体育关节轨迹关节控制器关节运动控制模块的测量值，实时编码器计算机械手末端的位置。轨迹插补参数设置运动学反解控制器笛卡尔坐标系下末端位置图5 机械手控制算法流程图前馈补偿极配置校对控制器设计：极配置的主要思想是寻找控制律起诉系统闭环传递函数的极是希望的位置。其基本构成原理图6所示。气动位置伺服系统，2层和3楼的电器-气体流量比例阀控钟摆汽缸空气旋转位置系统的振幅频率特性是低频率段附近的，而且系统模型次数越低，手柄的设计使容易 6 。改造系统的发展，随着用户对系统的可靠性，确实性等的要求时间越来越高，现在出现了很多实时模式和软件，如美国Math works公司的RTW；德国d空间公司的Control Desk；加拿大OPAL 2公司RT 2 LAB；波音公司的Easy 2等。那美国（NI）公司开发的LabVIEW RT系统其简洁的图形化开发环境和高信頼性和时间的可靠等优点广泛的应用。控制器设定输入控制输入被控对象系统输出控制参数计算辨识机构辨识参数图6极点配置自校正控制器结构图LabVIEW是一种程序的开发环境，美国国家机器（NI）公司开发了的那样，C和BASIC语言开发环境，但是LabVIEW和其他计算机语言的显著差异，其他计算机语言都是采用文本的语言代码，LabVIEW使用编辑G模式化的编程语言发生程序，积木的形状。和C和BASIC语言一样，都是相通的，LabVIEW程序系统编程任务完成库的庞大的函数。LabVIEW库函数在内的数据收集，GPIB，序列控制、数据分析、数据、数据存储等。LabVIEW传统的程序的调试工具的设置断点，动画展示数据和那个子程序的结果，单步调试程序等，容易的。LabVIEW Real Time模块的开发，运行特定的硬件的目标的支持，以前的三种主要的硬件模块RT了方式：RT系列插入板，RT系列PX I，RT系列的场点模块。插入式板PC I巴士方式，嵌入式处理器板和多功能的数据采集卡合并，提供的I / O通道少，单通道P ID循环速度是1千赫左右，性能；场点方式的多的I / O接口服务，但是循环速率低，PX I控制器方式可以提供更多的I / O接口，高控制速度（20千赫以上），但硬件成本很高。LabVIEW RT模块1.0版之后，支持是标准的Desktop PC转变为Real 2 Time（实时）目标机，配置了通用的PCI数据采集卡，实现高的循环控制速度（10kHz以上）提供丰富的I / O接口，PX I系统相比高性能价格比优势。系统的控制程序，上位机的LabVIEW RT开发的系统可以的，包括上位机界面和下位机的实时控制程序。，下位机的工作方式，通过TCP / IP网络的实现实时通信，上位机控制程序下载下位机RT发动机运行与调试。控制软件的开发，上位机主要运行人机交互界面的影响，操作员的指令输入和显示数据等，下位机主要运行实时控制程序，上位机的命令，信号相应的数据收集和实时控制。它们之间的通信网络共享变量机制来实现的。网络共享变量LabVIEW新发售的一种变数，利用这Publish - Subscribe NI Pro tocol（NI 2 PSP）通过网络的收发和数据。呼叫网络共享变量的时候，首先网络SVE（shared variable发动机）配备网络共享变量。这共享变量中写入数据，这个新的价值LabVIEW发送网络上的SVE，而这个值SVE发表，在网络上其他的节点都能获得这个更新的值，其数据传输过程图7 。上位机（运行SVE）SVE下位机2下位机1NI-PSPNI-P2PNI-P2P图7 共享变量读写过程示意图5.2 机械手控制系统的硬件部分气压机械手各关节流量比例控制，采用使用PCI 26229卡（多功能的数据采集卡）输出控制信号；同时使用PCI 26602（8通道正交编码器计数器卡）检测编码器的角度信号和零位信号，其硬件构成图8大街。本系统的设计，需要解决的主要问题有两个，即MATLAB / xPC和数据采集卡界面的问题和程序的实时性问题的保证。硬件问题的界面，xPC目标提供各种各样的I / O端口访问计算机实现途径支持，各种类型的I / O设备板在内，ISA，PCI，PC 104 Compact PCI硬件。但是，不支持的PCL 2833板M TLAB / xPC提供的界面规范，自主开发的驱动程序，其过程这里已经阐述。xPC功能和R TW近似，即使用Simulink / Stateflow设计的控制器直接控制对象实物。xPC采用上下位机的工作方式，通过TCP / IP实现通xPC采用上下位机的工作方式，通过TCP / IP通信实现。上位机（宿主PC机）的应用Matlab的生成控制代码并且下载下位机（目标工控机）。工作时下位机层控制，上位机是数据显示，超过实时控制的效果7。上位机（PC机）下位机（工控机）TCP/IPPC16229PC16602PC16229PC16602PC16229PC16602流量比例阀旋转编码器流量比例阀旋转编码器流量比例阀旋转编码器腰部关节大臂关节小臂关节图8 机械手控制系统硬件流程图5.3 机械手控制系统的软件部分在软件上,上位宿主机安装Matlab6.5以及Simulink、Real 2 Time Workshop和xPC Target工具箱,利用VisualC+6.0作为目标语言编译器。下位目标机未装载任何操作系统和软件,仅对BIOS做了相关更改以节省CPU资源。由于关节在运动过程中负载变化较大,故采用单神经元自适应PID控制,如图9所示。该算法结构相对简单、计算量小、权值学习时间短,明显优于常规PID算法,有较强的自适应性和鲁棒性。这里不再详细叙述。状 态 变 换 器Kuf()受控对象学习算法图9 单神经元自适应PID控制器原理示意图总 结毕业设计转眼间就到了扫尾阶段，这几个月的设计的学习过程中，我取得了长足的进步。这次的毕业设计中，我有很多的收获，先一步了解的知识，这几年学到的知识一次系统复习，培养了独立分析问题、解决问题的能力所学知识学会如何网络查找资料我更好的利用图书馆，运用资料，还我学会如何和同学共同讨论问题。这是我今后的工作有很大的帮助，我会在今后的工作中不断学习，努力提升自己的能力。这次的设计，实感优秀的设计人员的艰难性。设计过程中，不过，指导老师的帮助和自己的努力下，我终于顺利完成了设计。我是常有的知识方面的不足，有的是设计的经验不足。这些问题是我束手无措。我的设计存在很多。不足的地方，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力整体，通过我自己的未来是这次的毕业设计，从事将来的工作的训练，打下良好的基础毕业设计的模拟。这个代表和写，我的论文将来也接近尾声了。在大学的四年的最后的课程毕业设计，接受那个老
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