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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 钟阳 学 号 200940614103 年级专业及班级 2009级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师及职称 陈文凯 副教授 学 院 工学院 2012 年 12 月 03 日 填 写 说 明 一、毕业论文（设计）任务书是学校根据已经确定的毕业论文（设计）题目 下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。 二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。 三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。 四、任务书一经下达，不得随意更改。 五、各栏填写基本要求。 （一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式： 请在合适的对应选项前的“”内打“”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青年基金”等。 （二）主要内容和 要求： 1工程设计类选题 明确设计具体任务，设计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。 2实验研究类选题 明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。 3文法经管类论文 明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、 译文等。 （三）主要中文参考资料与外文资料： 在确定了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近 1 3年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。 （四）毕业论文（设计）的进度安排： 1设计类、实验研究类课题 实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的 20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的 50%；撰写初稿、修改、定稿约占总时间的 30%。 2文法经管类论文 实习、调研、资料收集、归档整理、形成提纲约占总时间的 60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的 40%。 六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。 毕业论文 （设计）题目 小型气动机械手的设计 选题来源 结合科研课题 课题名称： 生产实际或社会实际 其他 选题性质 基础 研究 应用研究 其他 题目完成形式 毕业论文 毕业设计 提交作品，并撰写论文 主要内容和要求 小型气动机械手的设计主要用于机械设备间进行搬运和卸装工件。其技术参数为： 1、抓重 :2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 :600、手臂最大中心高 :400据所给的设计参数，设计小型气动机械手。 一、确定机械手总体传动方案，查阅相关资料 二、对主要零件进行设计计算 ,选定各标准件 三、 绘制机械手总装图 四、绘制部分自制零件的工程图 五、编写设计说明书 设计说明书的内容就包括传动方案的拟定及各自行设计零件的设计计算过程 ,必要时应用图表说明 . 说明：设计工作量应至少完成折合 2000字以上的设计计算说明书。 主要中文参考资料与外文资料 1王孙 J4H. 2濮良贵 纪名刚主编 M3朱世强 王宣银 编著 J. 浙江大学出版社， 4刘延俊 主编 J5王天然 主编 J 7吴宗泽 罗圣国主编 M8s. 9 C, L. 作进度安排 起止日期 主要工作内容 题 受任务书 写开题报告和开题 业设计 期考核 善毕业设计与毕业设计总结 交正稿与指导老师评阅 要求完成日期： 20 12 年 5 月 06 日 指导教师签名： 审查日期： 20 12 年 12 月 04 日 专业委员会主任签名： 批准日期： 20 12 年 12 月 05 日 学院指导委员会签名（公章）： 接受任务日期： 20 12 年 12 月 05 日 学生本人签名： 注：签名栏必须由相应责任人亲笔签名。此表可从教务处网站下载中心下载。 注：此表如不够填写，可另加附页。 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 钟阳 学 号 200940614103 年级专业及班级 2009级机械设计制造及其自动化 (1)班 指导教师及职称 陈文凯 副教授 学 院 工学院 20 13 年 01 月 07 日 毕业论文（设计）题目 小型气动机械手的设计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000字） 一、选题研究意义 机械手是一种模仿人手 部分动作，按照预定设定的程序、轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的机械化装置，通用机械手在国内又叫工业机器人。工业机器人的应用领域非常广泛，主要用于生产制造过程中的焊接、切割、装配、喷漆、搬运、包装、产品检验等等，目前在汽车制造业生产线上服役的工业机器人占总体数量的一半以上。 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多 自由度 的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控 制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术 制定的原则纲领行动。工业机器人的使用将会越来越普及，工业机器人可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让工业机器人取代普通工人搬运零件不仅稳定，而且也更加安全。由此可见，工业机器人的广泛应用即将到来，在未来的制造业中，将会有越来越多的工业机器人把人从繁重的劳动中解脱出来。因此，如何设计出一个功能强大，结构稳定的工业机器人变成了迫在眉睫的问题。 二、国内外研究的现状及发展趋势 机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。 1961年，美国的 司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人。迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。我国的工业机器人从 80年代 “ 七五 ”科技攻关开始起步，经过几十年的发展已经取得了一定的成就，但与美、日等国相比还存在较大 的差距。 当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。是当代十分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包扩对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。 当今工业机器人的发展趋势主要有： 速度、高精度、高可靠性、便于操作及维修），单机价格不断下降 3工业机器人控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；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 感应技术 日益重要； 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； 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 。 三、参考文献 1王孙 J4H. 2濮良贵 纪名刚主编 M 3朱世强 王宣银 编著 J. 浙江大学出版社 ， 4刘延俊 主编 J5王天然 主编 J 7吴宗泽 罗圣国主编 程设计 手册 第三 版 M8机械手 M 1985 9机械人 M.(英）约翰 科学出版社 ， 1985 10操作机器人动力学与算法 M 1985 11s. 12 C, L. 13 J. 究方案 （ 研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 研究目的 : 小型气动机械手 ，是机、 气 知识的一次综合运用。通用机械手的应用广泛，可以把人从繁重和重复的劳动中解脱出来。 设计内容 :在规定时间内，按设计要求完成 气动 机械手机身、大臂、小臂及手腕的设计 。 方法 :根据现有机械手的基本形式设计整体机构，然后根据要求逐步设计各个部分，设计中尽量标准件。 预计成果 : 此设计的 小型气动 机械手能对不同物体完成多种动作，具有相当的通用性。 条件保障 : 1、现有的先进的 微机自动控制理论能保证自动化手臂的运转正常 ； 2、现有的机械加工工艺安全可以保证产品的加工精度 。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 选题 接受任务书 开题报告、开题论证记录 中期检查表 提交毕业设计 初稿和所有书、表 修改完成正稿和书、表以及交学院预审 答辩、成绩评定册 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委 员会主任签名： 20 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 另加页。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人： 学生姓名 钟阳 学 号 200940614103 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化（ 1）班 指导教师姓名 陈文凯 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 小型气动机械手的设计 论证小组质疑： 1、设计的重点在哪里？ 2、机械手运动设计方案如何确定？ 3、 你如何保障你的设计时间以及工作时间？ 学 生回答简要记录： 1、设计主要在机械手机构 、控制系统 以及驱动系统的选择、整体设计。 2、机械手的运动设计采用多种方案进行比较的的方法。对自由度数、运动路程、定位点的数目进行全面分析。 3、 我现阶段还不需要到公司进行实习，所以我会利用好我现有的时间，高效率地完成，安排好我的每一步所需要的时间，在我去公司实习时就可以很好的完成，待到答辩的时间我可以向公司请假返校答辩。 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 20 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 小型气动机械手的设 计 F 生姓名 ： 钟 阳 学 号： 200940614103 年级专业及班级： 2009 级机械设计制造及其自动 化 (1)班 指导老师及职称： 陈文凯 副教 授 学 院： 工学 院 湖南长 沙 提交日期： 2013 年 5 月 1 小型气动机械手的设计 学 生：钟阳 指导老师：陈文凯 (湖南农业大学 工学院，长沙 410128) 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 10128, on of is of a a a to a on a of is to of of to to of of to as a of no to 2 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、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. 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、 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 3 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 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 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 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 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。 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 4 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。 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。 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。 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； (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。 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 5 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 :2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 :600 5）手臂最大中心高 :400 6）手臂运动参数 伸缩行程： 350缩速度： 200mm/s 升降行程： 250降速度： 100mm/s 回转范围： 0360 回转速度： 60mm/s 3 手部的设计 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。 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。 6 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 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。 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。 图 1齿轮齿条 式手部 of 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。 7 部的计算 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： 21（ 1） 式中： 1K 安全系数，有机械手的工艺及设计要求确定，通常在 2K 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 2K ， 2K =1+a/g=1+(200/10010/10=取 1； 3K 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， ，摩擦系数 060, f ,故取 3。 G 被抓取的工件的重量 以 。 动力计算 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为： （ 2） 由图 3知， b=120R=24故 =90N 实际驱动力： /21 实际（ 3） 因为 8 级精度的齿轮传动的效率 ， K ， 12 K 。 所以 实际以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 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： 21 （ 4） 8 式中： 1F 活塞杆上的推力， N 弹簧反作用力， N 气缸工作时的总阻力， N P 气缸工作压力， 弹簧反作用力计算如下： )( f 3141 / 12 式中： 弹簧刚度， N/m l 弹簧预压缩量， m s 活塞行程 ， m 1d 弹簧钢丝直径， m 弹簧平均直径， m 2D 弹簧外径， m n 弹簧有效圈数， G 弹簧材料剪切模量，一般取 在设计中，必须考虑负载率 的影响，故： 4/= 21 （ 5） 由以上分析得单向作用气缸的直径 : p t+(4= 1（ 6） 代入有关数据，可得： 1418 =15)1030(8)1010=m) )( =60 310 9 =) 所以可得到 p t )(4 1 = 216 =查机械设计手册（气压传动）表 22 D=40 2d/D=得活塞杆直径： d=(=1220取活塞杆直径 d=18核，按公式： )4/( 21 化简得 )/4( 其中， a 9,1 2 0 1 则： 20/ d =18 所以满足活塞杆设计要求。 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/)( （ 7） 式中 缸筒壁厚 气缸内径 实验压力，取 筒应采用不锈钢、铝合金或黄铜等材质 本设计采用材料： M P 4 3/ n 为安全系数，一般取 5。 2/110)8( 10)04 66 = 10 故取 ，则缸筒外径为 40+2=45 4 腕部的设计 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。 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 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。 图 2 手腕回转时受力状态 123of 1- - - 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。 11 部的计算 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 M (8) 式中： 驱M 驱动手腕转动的驱动力矩 (N 惯M 惯性力矩 (N 偏M 偏重力矩 (N 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(N 根据图 4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： ）（惯 1+=(N (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 ） 1J 工件对手腕转动轴线的转动惯量（ N 2 ） 手腕转动时的角速度（弧度 /S） 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 1J 为： 2111 (10) 式中： 工件对过重心轴线的转动惯量（ N 2 ） 1G 工件的重量 (N) 1e 工件的重心到转动轴线的偏心距 (（ 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偏(N (11) 式中： 3G 手腕转动件的重量（ N） 3e 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距（ 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 011 （ 3） 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩摩M 12 )(2 12 A 摩 (N 式中： 21, 转动轴的轴颈直径（ f 摩擦系数，对于滚动轴承 01.0f ，对于滑动轴承 1.0f R, 处的支承反力（ N），可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据 0)( ： 112233 l 332211 同理，根据 0)( ： l )()()( 332211 (12) 式中： 2G 手部的重量 (N) 321 , 长度尺寸（ 压缸压力验算 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 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 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 的关系为 : 222 MP b R r 或2 )(22 (13) 13 式中： M 回转气缸的驱动力矩 (N P 回转气缸的工作压力 (N R 缸体内壁半径 (r 输出轴半径 (b 动片宽度 ( 气缸长度设计为 b=100缸内径为 61 ，半径 R=48径 262 D 径 R=13缸运行角速度 s/900 ，加速度时间 ，压强 p=力矩： 2 )(22 =2 )0 2 026= m) （ 1） 测定参与手腕转动的部件的质量 01 ，质量密度等效分布在一个半径0 的圆盘上，那么转动惯量： 221 (14) =2 =m ) 工件的质量为 2量分布于长 00 玻璃杯上，那么转动惯量： 122(15) = =m ） 假如工件中心与转动轴线 不重合，对于长 00 的玻璃杯来说，最大偏心距01 ，其转动惯量为： 211c (16) = =m ） )1（惯(17) 14 =(m ) (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， 01e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线3e=50有： 3311G 偏(18) =2 =1() (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 01.0f ，滑动轴承1.0f ， 21,手腕转动轴的轴颈直径， 0,30 21 ， R, 为轴颈处的支承反力，粗略估计 A 150,300 。 )(2 12 A 摩(19) =2 )=） (4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩封M，与选用的密封装置的类型有关，应根据具体情况具体分析。此处粗略估计封倍，则有： 封M=3 摩M(20) =3 =） 故 封摩偏惯驱 M =+23（ ） 因为 驱所以满足设计要求。 5 臂部的设计 部的 基本要求 臂部是支撑手部和腕部的，主要用来改变工件位置的部件。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。 臂部的运动与结构形式对机械手的工作性能有着重大的影响。其基本要求有： (1) 刚度要好 15 手臂的截面形式要选择合理，常用钢管作手臂和导向杆，用工字钢和槽钢作支承板，以保证有足够的刚度。 (2) 偏重力矩要小 所谓偏重力矩是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的力矩。 (3) 重量要轻，惯性要小 由于机械手在高速的情况下经常启停和换向，为了减少冲击，必须设有缓冲装置。 (4) 导向性 要好 为了防止手臂在直线移动中沿运动轴线发生相对运动，保证手部的正确方向，必须设有一导向装置。其结构应根据手臂的安装形式、抓取重量和运动行程等因素来确定。 部的具体设计方案 常见的手臂伸缩机构有以下几种： (1)双导杆手臂伸缩机构 ； (2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构 ； (3)双活塞杆液压缸结构 ； (4)活塞杆和齿轮齿条机构。 在本次设计手臂伸缩气缸采用 标准气缸，参考各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本次设计的要求，气缸采用 列的伸缩气缸。初选内径 80/50，故 502 D =25计所使用的压强 P= 臂伸缩的计算 手臂伸缩时需要克服摩擦力和惯性力，其驱动力可按下式 1计算： q m + F k g f(21) 式中： 摩擦阻力包括导轨支承间的摩擦阻力；活塞与气缸及密封处的摩擦阻力 起动过程的惯性力；其大小按下式 1估算 (22) 式中： G 手 臂移动部件的总质量 16 g 重力加速度 2m/s 手臂运动速度 m/s t 起动时所需的时间 s 一般 t=gm K 摩擦系数，一般 k= 故： = =180（ N） 液压缸实际驱动力 2 = 26 =785（ N） 因 为 F 臂升降的计算 气缸运行长度设计为 50 ，气缸内径为 31 ，半径 R=缸运行速度，加速度时间 ，设计压强 P= 驱动力为： 2 = 26 =N） 寸校核 升降运动时，活塞气缸的驱动力可按下式 1计算 Q M F W (23) 式中： 各个支撑处的摩擦力 F 启动时惯性力 运动部件（包括手部、腕部、工件等的总重量） 上升时为正，下降时为负 人数 据可得： Q M F W 17 = 50050275 因为 故所设计尺寸符合实际使用要求。 臂回转气缸的计算 寸设计 气缸长度设计为 b=120缸内径为 101 ，半径 R=105径02 ，半径 R=20缸运行角速度 s/900 ，加速度时间 ，压强P= 则力矩： 2 )(22 =2 ) =255 （ ） 寸校核 腕部回转时驱动力矩可按下式计算： 封摩偏惯驱 M 式中： 驱M 驱动手腕转动的驱动力矩 (N 惯M 惯性力矩 (N 偏M 偏重力矩 (N 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(N （ 1）测定参与手腕转动的部件的质量 001 ，质量密度等效分布在一个半径00 的圆盘上，那么转动惯量： 221 =2 =0.5(m ) 18 /J 惯=90（ ） （ 2）手腕转动件和工件的偏重转动轴线所产生的偏重力矩偏M，考虑动件重心与转动轴线重合，故 01e ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 03 ，故： 3偏=100 =50（ ） （ 3） 转动气缸转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为摩M，考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数 k=： 惯摩 =890 （ ） 54183 摩封M （ ） 则有： 封摩偏惯驱 M =90+50+18+54=212（ ） 因为 M驱 6 气动系统设计 动系统的设计要求及选择 本次设计的工业机械手属坐标式机械手。具有手臂伸缩，回转，升降，手腕回转四个自由度。因此，相应地有手腕回转机构、手臂伸缩机构，手臂回转机构，手臂升降机构等构成。 设计要求： (1)满足工业机械手动作顺序要求。动作顺序 的各个动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁，按程序依次步进动作而实现； (2)机械手伸缩臂安装在升降大臂上，前端安装夹持器，按控制系统的指令，完成工件的自动换位工作。伸缩要平稳灵活，动作快捷，定位准确，工作协调； (3)控制系统设计要满足伸缩臂动作逻辑要求，气压缸及其控制元件的选择要满足伸缩臂动力要求和运动时间要求。 本次设计采用气压传动的控制方式 ,相比其他传动控制方式 ,气压传动有以下优点 : (1)工作介质是空气，它来源方便，取之不尽用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要专门的回收装置； (2)空气粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能，高效，适用于集中供气和远距 19 离输送； (3)动作迅速，反应快，调节方便，维护简单； (4)工作环境适应性好； (5)成本低，具有过载保护功能。 气压缸的换向回路 为便于机械手的自动控制，采用可编程控制器进行控制，前分析可得系统的压力和流量都不高，选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。气压机械手采用单泵供气，手臂伸