四自由度抓牛奶箱机械手设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS】
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四自由度抓牛奶箱机械手设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS】,自由度,牛奶,机械手,设计,说明书,CAD,SOLIDWORKS
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宁XX大学毕业设计(论文)四自由度机械手设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 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压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, 气压机械手，抓取牛奶箱，提升37AbstractThe manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of production process, a grasping and moving the workpiece function of automation device use. The manipulator can repeat boring to do dangerous work instead of humans, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. The material of hydraulic manipulator this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the change and the movement flow requirements, but instead of manual operation in high risk areas,.Key Words: manipulator, hydraulic manipulator, crawl, enhance目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1课题背景及目的11.2 本课题研究的目的和意义21.3 气压机械手概念21.4 国内气压机械手的研究2第2章 抓牛奶箱气压机械手设计要求与方案42.1 气压机械手设计要求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 气压机械手的基本参数52.3 气压机械手结构设计52.4 机械手材料的选择52.5机械臂的运动方式62.6 气压机械手驱动方式的选择62.7 动作要求分析72.8 气压机械手结构及驱动系统选型7第3章 机械手机械部分的设计计算83.1吸盘设计要求及选型83.2升降方向设计计算93.2.1 初步确系统压力93.2.2 升降气缸计算93.2.3 活塞杆的计算校核113.2.4 气缸工作行程的确定123.2.5 活塞的设计133.2.6 导向套的设计与计算133.2.7 端盖和缸底的计算校核143.2.7 缸体长度的确定153.2.8 缓冲装置的设计153.2.9 气缸的选型153.3 水平方向设计计算173.3.1 水平方向计算173.3.2 气缸的选型173.4机身结构的设计校核193.5螺柱的设计与校核193.6气机械手的定位及平稳性确定213.6.1常用的定位方式213.6.2影响平稳性和定位精度的因素213.6.3气机械手运动的缓冲装置223.7 元件选取及工作原理233.7.1 气源装置233.7.2 执行元件243.7.3 控制元件243.7.4 辅助元件253.7.5 真空发生器263.8 回路的工作原理26第4章 气驱动系统设计304.1腕部摆动气回路304.2小臂伸缩缸气回路314.3总体系统图32总结34参考文献35致 谢36第1章 绪论1.1课题背景及目的由于现代科学技术的发展，在工业生产和日常生活中，气压机械手技术得到了广泛的应用。智能型气压机械手的研究是近年来科学家同意致力的方向。式气压机械手的人体模型，它可以模拟各种人类行为和人类的外部特征。未来的气压机械手的管家将不是梦想。根据不同的气压机械手的结构，气压机械手可以分为各种各样的。轮式移动机械手，履带式气压机械手，机械手，行走气压机械手等。值得一提的是，行走气压机械手，他是近年来类机的一个重要研究成果。移动它最喜欢的动物甚至人类交谈。这是一个非常复杂的自动化程度很高的运动。与传统的轮式和履带式气压机械手相比，对环境的适应性。在工作空间很小，在崎岖的道路上，楼梯等。不久的将来，这项技术将被广泛使用。在研究中，气压机械的生产，对气压机械手设计的计算机模拟中的应用是一个非常重要的过程。包括零件建模，装配气压机械手的仿真，与运动仿真。通过仿真，设计师可以观察各机构的运动非常直观，知道没有干扰；可以了解各部件的受力，不同的模拟数据。该方法大大降低了开发时间和成本。在学校的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学习的最后一个环节，学习在大学四年的继续深化和检验，具有实践性和综合性，是不是一个单一的其他替代方案，通过毕业设计可以提高综合能力的培养，是要去上班，提高实际工作能力起着非常重要的作用。为了实现以下目标：（1）的基本理论，基本知识和基本技能的综合运用，提高分析和解决实际问题的能力。（2）接受全面的培训工程师必须，提高实际工作能力。为调查研究，文献和数据收集和分析能力；设计和开发测试计划能力；设计，计算和绘图能力的提高；总结和撰写论文的能力。（3）的综合素质和实践能力的测试。1.2 本课题研究的目的和意义（1）通过对汽车后视镜数控磨边机的设计使我们得到对所学相关课程的综合训练；（2）传统的玻璃手工上料，效率的低下，而且由于毛胚玻璃上有刺很容易刺伤工人需要一种自动的高精度自动传输系统。传统的配料以人为主体，而人的操作总是有失误的，并不如机器可靠。本设计，玻璃磨边机自动上料系统效率高，反应快，确保玻璃磨边机高质量进行工作。（3）本设计的主要任务是把玻璃切割机生产的毛胚玻璃通过自动送料系统送到磨边机上，然后在磨边机上进行磨边，深加工玻璃。传统夹紧机构对加工时的干涉太大，对生产量影响较大，设计一款新的夹紧机构，使得加工时间缩短，加工精度得到保证，生产量得到提高。1.3 气压机械手概念目前，工业机械手的概念，世界是不统一，分类是不一样的。国际标准化联合国最近采用了美国机械手协会定义了工业机械手的组织：工业机械手是一种可编程的多功能操作装置，可以改变行动计划，完成各种工作，主要用于材料处理，工件传送。气压机械手（机械手）是一台自动执行工作。它是一个产品的控制理论，先进的集成机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。气压机械手是一种有代表性的，机械的和电子控制系统，自动化程度高的生产工具，在近50年的发展。在制造业中，气压工业机械手技术已经得到了广泛的应用。这是一个高的自动化程度，改善劳动条件，保证产品质量和提高工作效率，发挥了非常重要的作用。可以说，他是现代工业的技术革命。执行系统一般包括手，腕，臂，底座，一个主要的运动系统。主要由气压机械手执行系统，驱动系统和控制系统三部分。手抓（或吸附，控股）和松开工件或工具的部分，由手指（或吸收），驱动元件和驱动元件。1.4 国内气压机械手的研究工业气压机械手的应用在日本有着悠久的历史。在七十年代当工业气压操纵器，然后经过十年的发展，已在工业气压机械手八十年代流行。他们的年工业产值迅速增加。1980达到一千亿日元，1990至六千亿日元。在2004达到了一兆和八千五百亿日元。这表明工业气压机械手在提高生产效率的重要性。在国际上，各个国家都实现了工业气压机械手的重要性。因此，工业气压机械手订单锐减。相比于2003 2002百分之十的增长的订单。然后工业气压机械手的需求量仍在上升。从2001到2006，超过90000的全球经济增长中的订单。7%的平均年增长率。国际工业气压机械手的发展方向：气压机械手涉及多学科、多领域的知识。包括：计算机，电子，控制，人工智能，传感器，通信和网络，控制，机械等。气压机械手的发展离不开主题。正是由于各学科整合的相互作用，创建一个自动化程度高，其。随着科学技术的进步，在气压机械手的应用范围越来越广泛；技术越来越高，功能更强大。它是气压机械手的研究向小型化发展。气压机械手将更多地进入人们的日常生活。总的发展趋势是模块化，标准化，智能化。广泛应用于工业气压机械手，以提高质量和生产力，产品安全人员安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料的消耗，降低了生产成本，具有非常重要的作用。广泛应用于工业气压机械手的以人为本的原则，它的出现使人们的生活更方便、美好。气压机械手工业是一个大型高新技术工业计算机，后车。现代军事工业，气压机械发展的市场前景是非常好的。从第二十世纪起，气压机械行业的稳步增长。在第二十世纪九十年代，气压机械产品的开发和快速增长，年均增长率超过百分之十。在2004到百分之二十的记录。亚洲气压机械手的更多需求，年增长率高达百分之四十三。经过40年的发展，应用工业气压机械手的许多领域。生产中使用最广泛的气压机械手。如制造焊接，热处理，表面涂层，加工，装配，测试和仓库，毛（冲压，压铸，锻坯等）等操作，代替人工操作的气压机械手，极大地提高了生产效率。第2章 抓牛奶箱气压机械手设计要求与方案2.1 气压机械手设计要求设计一种气压机械手,用于抓取牛奶箱体,可上升下降,可左右旋转,可手部伸长缩短,可带吸盘上下运动.2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析该机械手是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的有力工具。为了在生产过程实现自动化，机械化，自动化的综合技术经济分析的需要，从而判断是否适当的机械手。以完成机械手的设计，一般都要先做以下工作：（1）根据使用场合的机械手机械手的，明确的目标和任务。（2）机械手的工作环境分析。（3）对系统要求的分析，确定了机械手和方案的基本功能，如自由度的数目，机械手的运动速度，定位准确，抓住重。此外，根据抓斗气压质量，形状，尺寸和批量生产，以确定的形式和机械手的位置和握力的大小。在这方面，我分析如下：（1）为手材料气压机械设计问题，机械手是物料输送机械手。虽然机械手的使用场合，也非常广泛，涉及到材料的状态，环境因素的作业线，比我的知识和能力，我选择了材料气压机械手的小对象处理非生产线。（2）由于机械手我选择的是材料的气压机械手，小对象处理非生产线。因此，系统的工作环境下，机械厂，准确度高，故障率低，速度。2.2.2 总体设计框图图2 总体设计框图如图2为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为CPU的选择，CPU程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。2.2.3 气压机械手的基本参数1. 机械手的最大气压物料的重量是它的主参数。2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料气压机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。3.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料气压机械手的定位精度设定定位精度0.3mm。物料气压机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料气压机械手各关节的行程和时间分配来决定。2.3 气压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的材料应根据手臂的工作条件，满足机械手的设计和制造要求。从设计思想，机械臂完成各种运动。因此，对材料的要求是为移动部件，它应该是轻质材料。另一方面，手臂振动经常的运动过程中，这将大大减少它的运动精度。所以在材料的选择上，综合考虑的质量，刚度，阻尼的需要，从而有效地提高了机械臂的动力学性能。此外，机械手选材料和不同材料的一般结构。机械手是一种伺服机构，受控制，必须考虑其可控性。在臂的材料选择，可控性和可加工性的材料，结构，质量性能的考虑。总之，选择一个机械臂的材料，应考虑强度，刚度，重量轻，弹性，耐冲击，外观和价格等因素。这里有几个机械手使用的材料：（L）的高强度钢，碳素结构钢和合金结构钢：这类材料的强度，特别是合金结构钢的强度增加了4 5倍，弹性模量，抗变形能力，是最广泛使用的材料；（2）铝，铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量E的小，但材料的密度小，与EP比值还与钢相比；（3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的质量，但易碎，但处理不好，接头需要特殊的设计与金属零件。然而，日本已开发ARM陶瓷机械手用于高速机械手的样品；从机械手设计的角度来看，不需要负载能力在材料的选择，也不需要高弹性模量和抗变形能力，除了要考虑到材料成本，加工和其他因素。在各种因素的措施，结合铝合金的初步选择的工作条件，如机械臂组件。2.5机械臂的运动方式机械手的运动形式有五种常见的SCARA型，直角坐标式极坐标型，联合型和圆柱坐标。根据运动形式的选择主要运动参数为基础的结构设计。一种运动形式以满足不同生产工艺的需要，可以采用不同的结构。选择表格的具体位置，必须根据操作要求，工作地点，和气压工作中心线方向的变化，比较和选择。这种机械手的定位2个肩关节和肘关节的1，2或3手腕方向。其中，绕垂直轴肩，另一个肩斜度。肩关节的两个正交轴。平行于第二轴肩关节，考虑到机械手的工作特点，这就要求动作灵活，具有较大的工作空间，结构紧凑，占用空间小，关节式机械手的选择。如图所示。这种配置，动作灵活，工作空间大，干涉仪的最小空间机械臂操作，结构紧凑，占地面积小，关节相对运动部位易密封与防尘。但这种机械手运动学逆解比较复杂，难以确定的端元；态度不够直观，并在控制，计算量比较大。图3 常见的运动方式2.6 气压机械手驱动方式的选择机械手使用的驱动方式主要有气压驱动，气压驱动和电机驱动的四种基本形式。但是，与气压传动相比，低功耗，能源，气压传动结构相对简单的速度不易控制，精度不高。油马达驱动能量是简单，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速变化的机制，高效，灵活的控制。气压驱动的特点是功率大，结构简单，省去了减速装置，响应速度快，精度高。但需要有气压源，但也容易漏气。首先，我会选择驱动电机，但考虑到纯机械结构的机械手的运动并不能达到理想的传播效果。如果你使用气压或气压传动机械臂的旋转，必须与回转气压或旋转气压缸，结构比较复杂，不利于设计。改进后的方案，将驱动方式分为两个部分。其机械臂伸缩，升降机械手抓抓，采用气压驱动方式。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 气压机械手动作简易图2.8 气压机械手结构及驱动系统选型本课题所设计的气压机械手为通用型的气压机械手，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用油马达驱动和气压驱动，油马达驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，气压驱动用于手臂的伸缩和气压机械手的夹取和翻转3。第3章 机械手机械部分的设计计算3.1吸盘设计要求及选型（1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。（2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器1 吸盘是直接吸吊物体的元件，一般用橡胶做成。真空吸盘之所以能吸附在工件上的原因是由于环境压力（大气压力）大于吸盘与工件之间的压力。将吸盘与真空发生装置连接，吸盘内部空间的空气被抽去，当吸盘接触到工件时，大气和吸盘之间形成了密封，就会吸住物料，吸气大小与大气压和吸盘内部空间的压力差成正比。选择65CW36吸盘。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油马达机构相连接，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，可选取垂直方向气缸的工作行程为900mm，可选取水平方向气缸的工作行程为1000mm。3.2.5 活塞的设计由于活塞在气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压力，； 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，从事于空油压零组件和设备研 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、空油压设备，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（油）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20kg，长度l =1000mm。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 =200N S =1m（最大行程时）带入公式2.9得=200101 =2000（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（油）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.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。3.4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机械手的总体布局。本课题气机械手的机身设计成机座式，这样气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螺柱的设计与校核螺杆是气机械手的主支承件，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3.6气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，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时气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)驱动源气的压力波动及电压、油温的波动都会影响气机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节气措施。(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。对于重载低速气机械手，- 取5m/s2以下，对于轻载高速气机械手，-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/s3.7 元件选取及工作原理气压驱动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种方式，其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。典型的气压传动系统由以下四部分组成：3.7.1 气源装置气源装置是获得具有一定能量的压缩空气的装置，其主体部分是空气压缩机，有的还配有气源净化处理装置、气罐等附属设备。它将原动机提供的机械能转变为气体的压力能。气压传动对气源的要求：(1) 要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。(2) 要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。下面对于主要的气源装置元件进行如下介绍：1、空气压缩机空气压缩机是产生压缩空气的气压发生装置，是气源主要的设备。按结构和工作原理可分为速度型和容积型两大类。容积型压缩机是利用特殊形状的转子或活塞压缩吸入封闭容积室空气的体积来增加空气的压力。容积型结构简单、使用方便。本设计选用容积型压缩机。2、储气罐储气罐可以调节气流，减少输出气流的脉动，使输出气流连续和气压稳定，也可以作为应急气源使用，还可以进一步分离油水杂质。储气罐上装有安全阀，使其极限压力比正常工作压力高10%，并装有指示罐内压力的压力表和排污阀等。罐的型式可分为立式和卧式两种。本设计选用立式储气罐，因为它的进气口在下，出气口在上，以利用进一步分离空气中的油、水。3.7.2 执行元件 执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转变为机械能的能量转换装置，如气缸输出直线往复式机械能，摆动气缸输出回转摆动式机械能。 1、气缸输出直线往复式气缸是执行元件之一。目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。水平伸缩气缸选用单活塞杆双作用气缸。单活塞杆双作用气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等组成。其工作原理：对于前伸/回缩气缸，当左侧无杆腔进气，右侧有杆腔排气时活塞杆前伸，反之，活塞杆回缩；对于上升/下降气缸，当上侧无杆腔进气，下侧有杆腔排气时，活塞杆下降，反之活塞杆上升。2、摆动气缸输出回转摆动式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式。单叶片式摆动气缸：压缩空气由进气口输入，作用在叶片上，带动轴回转产生转矩，另一腔的空气从排气口排出。双叶片式摆动气缸：从进气口进入的压缩空气作用在一个叶片上，同时通过轴上的气路也作用在另一叶片上带动轴回转。这样双叶片式产生的转矩将是单叶片式的2倍。本设计采用双叶片式摆动气缸，这样就能产生更大的转矩，以利于机械手的转动。3.7.3 控制元件控制元件是用来调节压缩空气的压力、流量和控制其流动方向，使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。控制元件按功能分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。1、压力控制阀调节和控制压力大小的元件称为压力控制阀。它包括调压阀、溢流阀、顺序阀及多功能组合阀。调压阀是出口侧压力可调，并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧排出，以保持回路内的压力在规定值的阀。调速阀是根据“流量负反馈”原理设计而成的单路流量阀。调速阀一般用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中。调速阀根据“串联减压式”和“并联溢流式”，又分为调速阀和溢流节流阀两种主要类型。本设计选用串联减压式调速阀。2、方向控制阀方向控制阀是改变压缩空气流动方向和气流通断状态，使执行元件的动作或状态发生变换的控制阀，其通常可分为单向型控制阀和换向型控制阀两类。(1) 单向型控制阀单向阀是指气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀，是最简单的单向型方向阀。在系统中，单向阀除单独使用之外，经常与流量阀、换向阀和压力阀组合成只能单向控制的阀。单向调速阀就是单向阀与节流阀并联而成。单向调速阀是把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时，其节流过程与调速阀是一样的，节流缝隙的大小可通过手柄进行调节；当流体反向流动时，靠流体的压力把阀芯压下，下阀芯起单向阀作用，单向阀打开，可实现流体反向自由流动。当正向流动时，经过节流阀节流。当反向流动时，单向阀打开，不节流。(2) 换向型控制阀 换向型方向控制阀按控制方式分类，分为气压控制、电磁控制、人力控制。换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变流体方向的阀。它的用途很广，种类也很多。换向阀的性能的主要要求是：（1）油液流经换向阀时的压力损失小；（2）互不相通的油口间的泄漏小；（3）换向可靠、迅速且平稳无冲击。按换向阀的操纵方式有：手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、式。按工作位置数和控制的通道数有：二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、二位五通阀、三位四通阀、三位五通阀等。本设计选用三位四通电磁换向阀理由如下：(5) 电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它操作轻便，易于实现自动化，因此应用广泛。(6) 当三位四通电磁换向阀两端电磁铁都断电时，阀芯处于中位，各口互不相通。(7) 使用三位四通电磁换向阀能够快速实现气缸的正反向运动。3.7.4 辅助元件辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的。可分为气源净化装置和其他辅助元件两大类。1、气源净化装置过滤器、调压阀和油雾器等组合在一起称为空气处理单元，又称为三联件。压缩的空气中含有各种杂质，这些杂质的存在会降低元件的耐用度和性能，造成误动作和事故，必须清除。空气处理单元就是用来清除压缩空气的杂质，提高空气质量的元件。2、消声器消声器是降低排气噪声的装置。压缩空气完成驱动工作后，由换向阀的排气口排入大气。此时的压缩空气是以接近音速的状态进入大气，由于压力的骤然变化，使空气急速膨胀从而发出噪音，其音量一般为80dB100dB，为了改善劳动条件，应使用消声器。常用的消声器有三种类型吸收型、膨胀型和吸收膨胀型。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。膨胀型消声器的结构比较简单，相当于一段比排气口径大的管件，当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。吸收膨胀型消声器是上述两种的结合。气流由斜孔引入，气流束相互撞击、干涉、进一步减速，再通过设在消声器内表面的吸声材料消声，最后排向大气。本设计选用膨胀型消声器。3.7.5 真空发生器真空发生器的作用主要是使吸盘的橡胶皮碗形成真空而将工件吸附。真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动。在卷吸流动作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。3.8 回路的工作原理机械手的工作循环是：摆动气缸的右旋水平手臂的伸出垂直手臂的下降吸物垂直手臂的上升水平手臂的缩回摆动气缸的左旋垂直手臂的下降放物垂直手臂的上升回到初始位置。系统中选用电磁换向阀，限位开关，实现气缸的往复运动。二位二通电磁阀实现吸盘的吸物和放物。实现工作循环的工作原理如下：(1) 摆动气缸的右旋 按下启动按钮，右旋按钮接通，使三位四通电磁换向阀12的5YA得电，阀12的阀芯右移，摆动气缸会执行右旋的命令。这时的气路是： 进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12左端单向调速阀19摆动气缸C的D口。 排气路线：摆动气缸C的E口单向调速阀20三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。 (2) 水平气缸的伸出 当摆动气缸C右旋到指定位置时（90度），就会碰到右旋限位开关，使二位五通电磁换向阀12的5YA断电，摆动气缸旋转运动会停止，经时间继电器延时，使三位四通电磁换向阀10的1YA得电，阀10的阀芯右移，执行手臂前伸动作。这时的气路是:进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10左端单向调速阀15气缸A的无杆腔。排气路线：气缸A的有杆腔单向调速阀16三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。(3) 垂直手臂的下降当水平伸缩气缸A伸出到指定位置时，就会碰到前限开关，使三位四通电磁换向阀10的1YA断电，手臂伸出动作会停止。经时间继电器延时，小臂下降按钮接通，使三位四通电磁换向阀11的3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(4) 吸物 小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁换向阀11的3YA断电，小臂下降动作停止。经时间继电器延时，二位二通电磁阀13的7YA得电，真空发生器22开始动作，经真空开关24检测真空度，并发出讯号给控制器，真空吸盘26将物料吸起。这时的气路是： 进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13真空发生器22过滤器25吸盘26。 排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀13 真空发生器22消声器21。 (5)垂直手臂的上升 经传感器检测到物料已经被吸起时，发出讯号，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA得电，阀11的阀芯左移，执行小臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(6)水平手臂的回缩 小臂气缸上升到指定位置时，撞到上限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁4YA断电，小臂上升动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀10的电磁铁2YA得电，阀10的阀芯左移，执行水平手臂的回缩动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀10右端单向调速阀16气缸A的有杆腔。排气路线：气缸A的无杆腔单向调速阀15三位四通电磁换向阀10的排气口调速阀4消声器5排出。(7)摆动气缸的左旋 水平手臂气缸回缩到指定位置时，撞到后限位开关，使三位四通电磁阀10的电磁铁4YA断电，水平手臂的回缩动作停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA得电，阀12的阀芯左移，执行摆动气缸的向左旋转动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀12右端单向调速阀20摆动气缸C的E口。排气路线：摆动气缸C的D口单向调速阀19三位四通电磁换向阀12排气口调速阀8消声器9排出。(8)垂直手臂的下降 摆动气缸左旋到指定位置（90度），撞到左转限位开关，使三位四通电磁阀12的电磁铁6YA断电，摆动气缸的左旋运动停止。经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA得电，阀11的阀芯右移，执行小臂的下降运动。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11左端单向调速阀17气缸B的无杆腔。排气路线：气缸B的有杆腔单向调速阀18三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。(9)放物 小臂气缸下降到指定位置时，撞到下限位开关，使三位四通电磁阀11的电磁铁3YA断电，垂直手臂的下降运动停止。经时间继电器延时，使二位二通电磁13断电，二位二通电磁阀14通电，真空发生器停止运动，真空消失，压缩空气进入吸盘26，将物料与吸盘吹开，这时气路为：进气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。排气路线：2空气处理单元储气罐3二位二通电磁阀14调速阀23过滤器25吸盘26。(10) 垂直手臂的上升经传感器检测到物料已脱离吸盘，发出讯号，经时间继电器延时，使三位四通电磁阀11的4YA得电，阀11的右位接入工作，执行垂直手臂的上升动作。这时的气路是：进气路线：2空气处理单元储气罐3三位四通电磁换向阀11右端单向调速阀18气缸B的有杆腔。排气路线：气缸B的无杆腔单向调速阀17三位四通电磁换向阀11的排气口调速阀6消声器7排出。 (11)回到初始位置 垂直手臂上升到指定位置，撞到上限位开关，接通复位按钮，回到初始位置，重复以上动作。第4章 气驱动系统设计气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腕部摆动气回路图 4.1腕部摆动气回路(1)腕部摆动缸气原理图如图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4.2小臂伸缩缸气回路图 4.2小臂伸缩缸气回路(1)小臂伸缩缸气原理图如图4.2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4.3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总结毕业设计转眼间就到了扫尾阶段，在这几个月的设计学习过程中，我取得了长足的进步。在这次毕业设计中，我收获了很多，首先，对知识有了更深的了解，几年的知识做了系统的回顾，图书馆使用培养独立分析的知识，我学会了如何更好的利用网络寻找信息解决问题的能力，以及信息使用，但也使我学会如何与同学讨论问题。这是我未来的工作有很大的帮助，我将继续在未来的工作中，努力提高自己的水平。通过这次设计，我真的感到棘手的优秀设计人员。在设计过程中，但在老师的帮助和自己的努力，终于使我成功地完成了设计。我经常没有足够的知识来设计经验，有不足。这些问题有时会让我无奈。虽然我的设计存在诸多不足，锻炼自己分析问题，解决一般问题的能力，我希望通过这次毕业设计，未来将从事的训练，为将来的工作打好基础，毕业设计仿真。写这个，对我的论文代表将接近结束。是四年的毕业设计最后的大学课程，这将是教师和学生的复习，是否做的好的和坏的，这个过程也有经验。首先要感谢所有老师的标记，我真诚地接受您的指导，并希望得到你对我的努力。当我们不了解，你不会做，老师给了我们知识的补充；很明显，我们更像是一个知识进入状态，设计，工艺和毕业更注重的是自我锻炼。我想如果大学四年没有打下了坚实的基础的课程设计，我们可能要完成毕业设计变得非常困难。所有的老师，所以我在大学四年把我的课程设计，真诚的道声谢谢！毕业设计，历时半年多，我阅读了大量的文献，查阅相关书籍很多；从没有线索来寻找灵感，从不知如何开始大胆的尝试，从
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