机械手研究设计说明书（论文）

说明书（论文） 第 33 页 共 33 页机械手研究设计说明书（论文）1 绪论随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。1.1 机械手及其组成1.1.1 什么是机械手机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。1.1.2 机械手的组成机械手的组成及其相互之间的关系如图所示。驱动部分传送机构控制部分行程检测装置手部 传感装置被传送物件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组成。（一） 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、 手部 即与物件接触的部件。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。2、手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。4、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。6、机座 它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。7、其它部分 行程检测装置和传感装置等。行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。（二）、运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。1.2 机械手的分类、按机械手的使用范围分类： 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线，用以自动的传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。、按机械手的驱动方式分类： 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。 电力驱动机械手 直接用电机进行驱动。 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。、按机械手臂力大小分类： 微型机械手 臂力小于1公斤。 小型机械手 臂力为110公斤。 中型机械手 臂力为1030公斤。 大型机械手 臂力大于30公斤。 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。1.3 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多地被应用。在机械工业中，铸、锻、焊、铆、冲压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实例。其它部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。机械工业中，应用机械手的主要目的：一、可以提高生产过程的自动化程度。 应用机械手，有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 二、可以改善劳动条件、避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作时有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 三、可以减少人力，并便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动线上，目前几乎都设机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏进行生产。综上所述，有效地应用机械手，使发展工业的必然趋势。1.4 机械手的发展概况1.4.1 对机械手的一般要求：1、 降低机械手的成本 为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。据统计，机械手电气控制装置所占成本的比重较大。2、 品种多样化 为了适应不同工作的需要，应使的机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化。特别是那些工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种，更应注意设计和使用各种类型的机械手。3、 零件、部件系列化、通用化、标准化 为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造周期。这样，就要求机械手的某种零件、部件(如手部、臂部等）系列化、通用化、标准化。然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件（或再相应地增加一些其它零件、部件）进行组合，组成需要的机械手。当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利的重新组合。4、 产品性能应准确可靠 机械手的重要技术指标之一，就是其性能应稳定可靠。为此，要求设计合理，元件稳定，制造精确。1.4.2 机械手的发展概况与发展趋势机械手是机械、电子、计算机、液压液力与气压传动等多学科高新技术融合的成果，是当代技术进步的典型范例。机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气压传动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视。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已被接受。由于气动技术与电子技术的结合，以及周边技术的成熟，在工业自动化领域里，气动机械手、气动机器人的实用性已经充分体现出来。因为气动伺服定位技术一出现，就受到工业界和学术界的高度重视，同时为气动机器人、气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分宽广的前景。研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人，具有各种传感装置，并配备有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当起“大脑”，使它能“思考”、能“分析”、能“记忆”。用电视摄像机、测距仪、纤维光学传感器、导光管或其它光敏元件作为“眼睛”，在其“视野”的范围内能“看”。用听筒和声敏元件等作“耳朵”能“听”。用扬声器等作“嘴”能“说话”进行“应答”。用热电偶和电阻应变仪等作“触觉”能“感触”。用滚轮或双足式的行走机构作为“脚”来实现自动移位。这样的智能机器人，可以由人用特殊的语言对其下达命令，布置任务。受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序的进行工作；能够自找（选择）物件的方位，字调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。因此，它将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。2 机械手的设计2.1 机械手设计的总体方案由于本次设计的机器人需要通过气缸来实现机械手臂的三个方向上的自由度如：手臂的上下的升降运动、手臂的前后伸缩运动、手臂的回转运动以及用气压马达来实现小车按轨道运动。总体设计方案如下面的框图所示：左右回转气缸前后伸缩气缸上下升降气缸手指夹紧气缸机 械 手手 臂小 车气压马达减速装置轮 子空气压缩机控制调节装置（各类阀类）控制系统压力、运动方向、运动速度气 泵设计示意图如下所示 机械手的执行机构由于采用积木式连接，结构非常简单、实用。2.2机器人的规格参数该机械手属于圆柱坐标式。（一） 机器手的参数：1、主参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，机械手最大抓重以10公斤左右的为最多。故该机械手主参数定为10公斤。2、基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低则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1200毫米/秒，最大回转速度设计为1200/秒。平均移动速度为1000毫米/秒，平均回转速度为900/秒。机械手动作时有起动、停止过程的加、减速度存在，用速度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。则手臂前后伸缩平均速度为1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度为500毫米/秒，手臂回转平均速度为900/秒。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使刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600毫米，最大工作半径为1500毫米，手臂安装前后可调200毫米。手臂回转行程范围定为2400，又由于该机械手设计成手臂安装方位可调，从而扩大了它的适用范围。手臂升降行程定为150毫米。气压驱动工作压力P为46公斤/厘米2。机械手臂定位和缓冲采用机械挡块和缓冲器定位；定位精度为0.51毫米。2.3 气动部件设计的简要分析 1、 气缸 气缸是利用压缩空气的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。它可以输出力，驱动工作部分作直线运动或往复摆动。气缸是由缸体、活塞、活塞杆、密封件及紧固件等组成。气缸的种类很多，主要有单作用气缸、双作用气缸、组合气缸，摆动气缸。单作用气缸又可分为柱塞式气缸、活塞式气缸、薄膜式气缸；双作用气缸又可分为普通气缸、双活塞杆气缸、不可调缓冲气缸、可调缓冲气缸、活塞带导向杆气缸、串联式气缸；组合气缸又可分为气液阻尼缸和步进式气缸；摆动气缸又可分为单叶片摆动气缸和双叶片摆动气缸。本次机械手的设计中 ： 手臂的升降机构中采用了单作用气缸中的柱塞式气缸，压缩空气推动活塞单方向向上运动，借助自重下降。结构简单又实用。 手臂的前后伸缩机构中采用了双作用气缸中的普通气缸，压缩空气推动活塞双向运动，应用很广泛。 手臂的回转机构中采用了摆动气缸中的单叶片摆动气缸，将压缩空气的能量变为回转运动的机械能，摆动角度小于3600。刚开始打算采用两个直动气缸带动链条链轮或带动齿条齿轮来获得回转运动，经设计方案的比较得出采用回转气缸的结构要紧凑的多，所以还是采用了摆动气缸。 手指夹紧气缸中我采用了单作用气缸中的活塞式气缸，压缩空气推动活塞但方向运动，借助弹簧力反向运动。结构简单，压缩空气用量较柱塞式少。2、 空气控制阀 空气控制阀是气动控制元件，它的作用是控制和调节气路系统中压缩空气的压力、流量和方向，从而保证气动执行机构按规定的程序正常地进行工作。空气控制阀按其作用可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀三类。n 压力控制阀根据它的作用不同又可分为：调压法、安全阀和顺序阀。n 流量控制阀是用来调节和控制压缩空气的流量、流速以及改变执行机构的工作速度。它主要有截流阀、单向截流阀和排气节流阀。n 方向控制阀是用来控制气流的方向、气路的通断，从而使执行机构的动作发生变化的气动元件。方向控制阀按阀内气流的方向分：单向型方向控制阀，它只允许气流沿一个方向流动。如单向阀、快速排气阀等；换向型方向阀，它可以改变气流流动的方向。按控制方式分：电磁、气压、机械和人力等控制方法实现。按动作方式可分为：直动式和先导式。按联结方式分：管式连接、板式连接和法兰连接式连接。本次机械手的设计中：经过考虑和分析后，在不光满足各气路要求的条件下又考虑到控制阀的统一性和方便性，我统一选择了型号为Q24D2H-15-S1的电磁方向控制阀。各气缸凡能采用排气节流方式的，都通过电磁阀的排气口节流阻尼螺钉（锥面式）调速。手臂前后伸缩气缸的气路上，在最接近气缸处，装有两个快速排气阀，以加快启动速度和调节全行程上的速度，同时通过调节阀又可使其加速度限制在允许的范围内，以减少制动时的惯性冲击，提高定位精度。手臂的上下升降则采用进气节流方式，用一个单向节流阀调整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有电磁阀排气口节流调整。3、气动基本回路 气动回路和液压回路相比，有几方面的不同；一台气动机械手的气动系统有时比较复杂，但经过剖析却不外乎一些基本回路所组成。掌握了气动基本回路以后，对分析和设计气动机械手的气动系统都有较大的帮助。第一， 空气压缩机输出的压缩空气首先储存于储气罐中，然后供给各个回路使用。画气动回路图示空气压缩机常省略不画，但设计气动东回路时，不要忘记考虑气源的能力。第二， 气动回路使用过的空气是经排气口排入大气的，因而不设回气管道来回收空气。第三， 由于空气的粘性很小，在管路中的压力损失较小。因此，在尽量缩短气动管路的情况下管路仍然很长，并不妨碍使用。由于气动执行机构中，以气缸应用最广泛，故下面所论及的基本回路均以气缸为其执行机构。设计机械手的气动系统时，最简便的方法是把选定的完成不同任务的基本回路组合起来。气动基本回路的种类：气动基本回路的种类很多，为了便于设计机械手的气动回路，仅将气动基本回路按方向控制回路和速度控制回路两方面加以叙述。 方向控制回路（一）单作用气缸中间停止回路（图2-1）这种回路可使活塞停在气缸中间的任意位置。当三位三通电磁阀的滑阀处在中间位置时，气缸的通路封闭，活塞停止运动。滑阀处在位置I时，活塞下腔进气，推动活塞杆伸出。滑阀处在位置II时，活塞下腔排气，弹簧力推动活塞下行。（二）双作用气缸换向回路（图2-2）采用二位五通单电控滑阀控制活塞双向运动。图示位置，活塞右腔进气，左腔排气，活塞向左运动。滑阀切换后，活塞左腔进气，右腔排气，实现了气缸活塞的换向。这种回路时双作用气缸的最基本的换向回路。21单作用气缸中间停止回路22双作用气缸换向回路（三）双作用气缸的活塞可在任意位置停止的回路图2-3所示为单活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀，当滑阀处在中间位置时，各口互不相通，活塞可停留在气缸的任意位置。这种回路不允许有漏损，这样才能保证气缸可靠地工作。在气缸终端需要保持活塞固定的停止位置时，也使用这种回路。图2-4所示为双活塞杆气缸的这种回路。它采用中封式三位五通双电控滑阀，当滑阀处在中间位置时，压缩空气同时与活塞左、右两腔相通。因两腔活塞的有效受压面积相等，从而保证了活塞两腔同时受压时，活塞能停留在任意位置。但当外界加在活塞杆上的轴向力不平衡时，则活塞停止的位置不稳定。为了克服这个缺点，可增设调压阀进行压力调解，控制活塞两侧压力平衡，如图2-5所示。这种回路可允许有少量漏损，比采用中封式阀较可靠。（四）延时控制回路图2-6所示的延时控制回路，为控制信号A使二位四通单气控滑阀1切换时，压缩空气经阀1、单向节流阀3向气容4充气，经过一定的时间，气容压力达到一定数值，控制二位三通气控阀2切换。压缩空气经阀2的B口输往执行机构。信号A取消后，阀1又弹簧复位，压缩空气控制阀2也复位而关闭，B口无输出。气容4中的空气经阀3的单向阀、阀1而排空。延时控制回路用于不允许使用时间继电器的场合，如易燃、易爆和大粉尘的场合。24双活塞杆气缸任意位置停止回路23单活塞杆气缸任意位置停止回路25带调压阀的双活塞杆气缸任意位置停止回路26 延时控制回路 速度控制回路（一）单作用气缸的速度控制回路（图2-7）它由二位三通单电控滑阀1和两个单向节流阀2和3所组成。阀1使气缸换向，阀2 的节流阀控制气缸活塞杆的伸出速度。阀3的节流阀控制活塞杆的退回速度。调节节流阀的开度，可以改变活塞双向的运动速度。27单作用气缸的速度控制回路（二）双作用气缸单向速度控制回路（图2-8）该回路是在气缸的一个气路上装设单向节流阀1。图示位置为压缩空气经二位五通单电控滑阀2和阀1的单向阀进入气缸活塞的右腔，推动活塞左移。当阀2切换后，活塞右腔的排气速度受阀1可调节流阀的限制，从而控制了活塞杆的伸出速度。由于背压的存在，也增加了气缸工作行程的稳定性。除此之外。活塞返回行程的急回运动，也可用来提高机器的生产率。28 双作用气缸单向速度控制回路（三）双作用气缸双向速度控制回路图2-9所示是将两个单向节流阀装在气缸的两条气路上，分别控制活塞两个方向运动时的排气速度。调节节流阀，即可得到活塞不同的运动速度。29 双作用气缸双向速度控制回路图2-10所示是带有排气节流阀的速度控制回路。它是将节流阀安装在二位五通单电控滑阀的排气口上。调节节流阀，即可控制气缸的排气速度，从而使活塞得到不同的运动速度。这种回路的特点是结构较简单。210带有排气节流阀的速度控制回路图2-11所示使活塞可得到快速运动的速度控制回路。它是在单向节流阀1和2的后面气路上并联了二位二通阀3和4。这样，不仅可以由阀1和阀2来调节（排气节流）活塞两个方向的运动速度，而且当阀3打开时，则活塞可快速左行。二位五通单电控滑阀5切换后，若阀4打开，则活塞可快速右行。因此，可根据需要得到活塞双向的快速运动。211活塞做快速运动的速度控制回路（四）双作用气缸速回运动控制回路该回路当活塞杆右行时，压缩空气经由二位五通单电控滑阀3和快速排气阀2进入气缸活塞的左腔，推动活塞右行。此时，气缸右腔的空气经单向节流阀1节流控制后排空。阀3切换（图示位置）后，压缩空气经阀1的单向阀进入气缸的右腔。此时，气缸左腔的空气从阀2快速排入大气，获得急回运动。这种回路要求气缸附加缓冲装置。212双作用气缸速回运动控制回路（一） 双缸同步动作的速度控制回路该回路时采用一个二位四通单电控滑阀来控制两个气缸，并在每个气缸的气路中装设单向节流阀，以调整和控制活塞的速度，使之达到同步运动的目的。如用双缸或多缸操纵一个重型框架起落时，同步举升或降落极为重要，否则框架被扭斜将产生很大的附加阻力，甚至不能运动。这种回路应以阻力最大的那个气缸为准，调整其它缸的运动速度以达到同步的目的。（二） 气液操作缸同步回路图2-14所示的同步回路是由于连接两个气液操作缸被封入油液，所以两活塞的运动速度可完全同步。设计时，应考虑到缸5有杆腔和缸4无杆腔有效面积的关系，当有效面积相等时，两缸获同步运动。也可以设计成两缸按一定比例的速度运动。213双缸同步动作的速度控制回路214气液操作缸同步回路（三） 缓冲回路对可调行程位置的气缸（如某些机械手的气缸）缓冲问题，可采用缓冲回路来解决。图2-15所示的缓冲回路，是在气缸的两条气路上并联两个二位二通阀1和2。在阀1和阀2的排气口装设节流螺钉。并在回路中的二位五通双电控滑阀3的两个排气口上也装设节流螺钉。调节阀1和阀2的排气节流螺钉，以控制活塞快速行程时的速度。调节阀3的排气节流螺钉，以控制活塞的减速。从而达到减速缓冲的目的。215装设节流螺钉的缓冲回路图2-16所示的缓冲回路，是在单向节流阀3和4的气路上并联二位二通阀1和阀2。并在二位五通双电控滑阀5的排气口上装设节流螺钉。活塞快速行程时，阀1（或阀2）切换，排气腔的空气经阀1（或阀2）和阀5排出，调节阀5的节流螺钉，可控制快速行程时的速度。减速运动时，阀1（或阀2）复位关闭，调节阀3和阀4的节流阀以控制减速运动，达到减速缓冲的目的。图2-17所示为操作气缸采用油液阻尼的缓冲回路。操作缸1两条气路上的快速排气阀2和3为快速行程时排气所用。缸1活塞右行时，快速运动到固结在缸1活塞杆上的撞块与挡块II碰撞后，带动油缸5活塞杆开始减速右行直到停止，在此减速过程中，缸5活塞右腔油液经单向节流阀6节流阻尼后，经单向节流阀7的单向阀进入缸5的左腔。缸1活塞左行时，撞块碰撞挡块I后，油缸5活塞杆开始减速左行，直到停止。补油装置8用作向缸5补油。216装设单向节流阀的缓冲 回路217采用油液阻尼的缓冲回路在本次设计机械手中我主要用到了其中的气动基本回路为双作用气缸换向回路、单作用气缸的进气调速回路、双作用气缸单向速度控制回路、带有排气截流阀的速度控制回路。3 机械手的计算3.1 设计手臂结构应注意的问题手臂的结构形式是根据机械手的抓取重量、自由度数、运动速度、工作范围、定位精度以及机械手的整体布局等因素决定的。手臂结构是否设计的合理，对机械手的工作性能有着很大的影响，在设计手臂结构是，除了考虑上述诸因素外，还应注意以下几点：、应使手臂刚度大、重量轻由于机械手的手臂一般悬伸长度比较长，若手臂的刚度不够时，会发生手臂弯曲变形过大，就会引起手臂的定位不准，而且也直接影响活塞杆（即手臂）运动的灵活性。另外，手臂在起动或制动过程中受到惯性力或惯性力矩的作用，手臂将发生颤动，由于手臂的颤动，也会影响手臂的定位精度，除了采用可靠的定位装置外，应对手臂结构有一定的刚度要求，才能保证手臂的准确的工作和一定的定位精度。、应使手臂运动速度快、惯性小为了减小惯性冲击，一般采取的措施有： 手臂架选用铝合金等轻质材料来制造，以减轻手臂运动件的质量。 尽量缩短手臂悬伸部分的长度，使手臂未伸出时的总重量的重心偏于伸缩方向的反侧，以减小回转半径。 减小手臂运动件的轮廓尺寸，使其结构紧凑。 在驱动系统中增设缓冲装置，使运动件减速缓冲。、手臂动作应灵活为使手臂运行轻快、灵活，除手臂本身结构紧凑轻巧外，应减少手臂运动件之间的摩擦阻力，用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬伸式的机械手，手臂上零部件（如传动件、导向件、定位件等）的布置应合理，使手臂运动过程中尽量保持平衡，以减少对升降支承轴线的偏重力矩，使手臂运动灵活，防止发生“卡死”（即自锁）现象。、应使手臂传动准确、导向性好为了能准确的传递工件和保证传动的平稳，应设有导向支承装置，以保证手指的正确方向，并增强手臂的刚性。另外装在手臂上的零部件要求便于装拆和调整。、输气管道的布置应合理机械手上的各工作气缸彼此在空间作相对的直线运动或回转运动，要求结构紧凑、外形整齐、动作灵活，因此对各个工作气缸的输气管道布置应给予足够的重视，尤其是接近工作对象的手腕和手指夹紧缸，在外部用很多的软管向气缸输入压缩空气，虽然软管安装维修较方便，但是他会影响机械手的运动，并易损伤，而且手臂外形不整齐。、其他要求对于在粉尘场合工作的机械手，应设有防尘装置等。3.1.1 手臂的计算气缸的计算： 气缸的设计应根据作用在活塞杆上的外力（推力或拉力）的大小、活塞的行程和运动速度以及安装形式等方面提出的要求来进行。气缸的容积要选择的适宜，过大的容积不仅及使缸体的尺寸重量增加，同时使压缩空气的需要量增加，造成了浪费和增加了成本。 活塞的行程是决定气缸长度的主要参数，形成过长队压杆的稳定性当然不好，对缸筒的加工业会带来困难。另一方面活塞的运动速度决定与气缸进气管道内径的大小，活塞的运动速度越高，则要求进气管道的直径越大。目前气缸的运动速度由于各方面条件的限制，一般速度的最大值不超过1.2米/秒。气缸的选择参考下表：气缸的有关尺寸参数：气缸直径(mm)活塞杆直径供气孔直径（英制管螺纹）气缸端盖螺栓d*个数工作压力（共斤/厘米2）2345623456活塞推力（公斤）不计效率活塞推力（公斤）不计效率5016G1/4”M6*439597898118355370881037520G1/4”M8*4881331772112658212316420524710025G1/4”-3/8”M10*415723531439247114722129436844212530G1/4”-3/8”M10*424536849161373623134746257869415030G3/8”-1/2”M10*63535307078831060339509678848101820040G3/8”-1/2”M12*662894312571571188560390512061508181025050G1/2”-3/4”M16*6982147319642454294594314141188518852356282830055G1/2”-3/4”M16*61414212128283534424113662049273234154099 2、气缸壁厚的计算：气缸的内景D确定后，有强度条件计算所需的最小的气缸壁厚d，再根据具体的结构来确定适当的数值。依据材料力学的薄壁筒公式，气缸的壁厚d可在下表查出：材 料气 缸 内 径 D (毫米)5075100120150200250300气 缸 壁 厚 d（毫米）铸铁HT15-3378101012121616钢A3,钢A55566881010铝合金ZL3810810101210121214121414171417升降气缸的壁厚d：缸径125毫米，气缸材料选钢A3，则d为6毫米。前后伸缩气缸的壁厚d：缸径为100毫米，气缸材料选钢A3，则d为6毫米。手指夹紧气缸的壁厚d: 缸径50毫米，气缸材料选钢A3，则 d为5毫米。 I、升降气缸的参数及计算： 升降气缸由气动上升，靠自重下降，行程150毫米，缸径125毫米，活塞杆直径为30毫米，升降速度为500毫米/秒，若按气压p=4公斤/厘米2和汽缸效率h=0.8计算。则其上升时的驱动推力P推为 P推= 则输入空气流量 Q=(Q1+Q2)n 米3/分式中 n活塞每分钟往复行程的次数，次/分； Q1无杆腔的压缩空气耗气量， 米3。Q1= 式中S气缸的行程，厘米； D活塞直径，厘米； Q2有杆腔的压缩空气耗气量， 米3。Q2= 式中气 d活塞杆直径，厘米；由于升降气缸靠自重下降，所以Q=0.07(米3/分) 、前后伸缩气缸的参数及计算： 前后伸缩气缸的行程为600毫米，缸径为100毫米，活塞杆直径为25毫米，若按气压p=4公斤/厘米2和气缸效率h=0.8计算。则其上升时的驱动推力P推为 P推= P拉= =235公斤 则输入空气流量Q为 Q=（ + ）n = 0.65(米3/分) 、 回转气缸的参数及计算： 经过设计方案的比较得出的结论是：采用回转气缸比用两个直动气缸带动齿条齿轮所获得回转运动的结果要紧凑。回转气缸的结构尺寸设计为B=120毫米，缸径2R=180毫米，轴径2r=50毫米，若按气压p=4公斤/厘米2和气缸效率h=0.9计算。 回转气缸的扭矩是由动片受压面积及其中心到回转轴线的半径决定的。当计及气缸效率后输出的扭矩M的计算公式为 M=Bph(R2-r2)/2 =1240.9（92-2.52）/2=1620公斤.厘米=16.2公斤.米则输入空气流量为：Q3=3b(D2-d2)/400=3 12 (182-52)0.5/400=13.455升/分 =0.0135 米3/分 、手指夹紧气缸的参数及计算：手指夹紧气缸的设计参数为：缸径50毫米，活塞直径为16毫米，v=2.5厘米/秒，工件重量G=10公斤，“v”形手指的角度2=1200，b=50mm,h=36mm, =300,摩擦系数f=0.1。若按气压p=4公斤/厘米2和气缸效率h=0.8计算，其手张开时的驱动力为：根据销轴的力平衡条件，即Fx=0,P1=P2；Fy=0 P=2P1cos， P1=P/（2cos）销轴对于手指的作用力为P1,且P1=-P1。夹紧力为N。由手指的力矩平衡条件，即m01(F)=0得：P1h=Nb夹紧气缸的驱动力: P=(2b/h)N 又因握力: N=0.5Gtg(-); =tg-1f=0.510tg(600-5042)7kg所以 P=(2b/h)N=(250/36)7=19.4kg P实际式中-手部的机械效率，取0.85；K1-安全系数，取1.5；K2-工作情况系数，可近似按下式估计，K2=1+a/g,其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度（g=9.8m/s2）。 P实际=62kg 则输入空气流量为：Q4=(pD2v)/4=(3.14522.5)/4=0.050米3/分则总的空气流量为： Q=Q1+Q2+Q3+Q4=0.7835米3/分3.1.2 空气压缩机的选择空气压缩机是将动力供给的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置。空气压缩机的种类有很多如：风冷微型空气压缩机、移动式风冷V型空气压缩机、固定式水冷L型空气压缩机，活塞式无油润滑空气压缩机。根据上面的计算出的总的空气流量选择空气压缩机，具体参数见下表： 最后决定选择：双级压缩型的，型号为3W-0.8/10，就能满足要求。3.2 小车的设计及计算在本设计中，小车作为机械手的行走装置，它是采用气压马达提供动力并带动轮子沿轨道运动，由于气马达输出的转速比小车运动快，所以需要配一个减速装置，减速装置可用一个减速箱加上链传动。由于机械手运动时可能翻转，所以设计时配重块要和手臂一起做回转运动。小车的尺寸设计为：长为800毫米，宽为500毫米，高为300毫米，材料为铝合金（铝合金密度为2.7吨/立方米）。3.2.1气压马达的选择小车的速度为：V=3厘米/秒气压马达的选用： 选用的气压马达的功率能克服摩擦力产生的功率就可以。摩擦力产生的最大功率为：=0.9马力经考虑我选择了HS-50A型号的活塞式气马达，额定功率为3马力，工作气压为 p=5-7公斤/厘米2，额定转速为1050r/min，额定空气消耗量为3米3/分。参考书：机械设计手册P816 表12-91 73.12073 4438.2V33.2.2轴的计算与校核（1）轴直径的计算小车轮子的转速n=30r/min,则轴的转速n1=n=30r/min,气压马达的功率P0=5KW,则P1= P00=50.9=4.5 KwT1=9550 P1/ n1=95504.5/30=1432.5N.m d1P1轴所传递的功率，KW；0传动效率；T1轴所传递的扭矩，N.M；d1轴的截面直径，mm；轴的材料选用45号钢，查表得A=110代入式中得d158.44mm 则取d1=60mm计算公式参考：机械设计基础 P454（2）轴的强度校核由于传动轴主要是受转矩，所以轴的强度条件为： = T1/WT9.55106（P1/ n1 ）/0.2=34.8MPa, =40 MPa周的扭转剪应力，MPa；WT轴的抗扭截面模量，mm3，查表得对于实心圆轴，WT=p /160.2;许用扭转剪应力，MPa；所以经校核轴满足强度要求。计算公式参考：机械设计基础 P4543.2.3 轴承的选择由上步计算得轴的最小直径为60mm，则查表得轴承的型号为6000。其参数为： 轴承内径：d=60mm 外径：D=95mm 轴承宽：B=11mm参考书：现代综合机械设计手册 P1249 表4.10-183.2.4联轴器的选择马达和减速箱之间用联轴器相连。联轴器的名义扭矩 T=9550 =1432.5N.m联轴器的计算转矩 查表得 KA=1.3， 则 =1.31432.5=1862.25 N.m参考书：现代综合机械设计手册P1092 表4.7-5 选用GB5843-86 3.2.5 减速装置由于气压马达输出的转速比小车运动要求的速度要大，所以还需要一个减速装置。有减速机的传动比选择RV系列蜗杆减速器NMRV063。4 机械手臂的工作原理4.1 气动原理图4.2 电磁铁动作程序表结合机械手气压系统图说明其动作循环过程。压力继电器发出电信号，使机械手开始按程序动作。首先，电磁铁1DT通电，压缩空气从电磁阀的左边通道经单向节流阀进入手臂升降油缸的上腔，推动手臂上升。在手臂上升到一定位置，碰行程开关，使1DT断电，并发出信号使3DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的左侧，推动手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，装在手臂上的碰铁碰到行程开关发出电信号，使 7DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手指夹紧气缸的左侧，使手指张开。在延时结束后，7DT断电，使8DT通电，手指夹紧工件；并同时发出信号使4DT通电，压缩空气由电磁阀的右边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的右侧，使手臂缩回。当手臂上的碰铁碰到行程开关使4DT断电并发出电信号，使 5DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手臂回转气缸的一腔使手臂回转950。当手臂的回转碰铁碰到行程开关使5DT断电，并发出电信号使3DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的左侧，推动手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，装在手臂上的碰铁碰到行程开关发出电信号，使 7DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手指夹紧气缸的左侧，使手指张开，延时到7DT断电，使8DT通电，手指闭合，并发出电信号使4DT通电，压缩空气由电