气动机械臂设计含全套CAD图纸

1、编号 无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 气动机械臂设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 气动机械臂设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 学 号： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题

2、：1、题目 气动机械臂设计 2、专题 二、课题来源及选题依据 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。新的世纪，生产水平及科学技术的不断进步和发展带动了整个机械行业的快速前进与发展。在现代化工业中，加工和装配等生产时不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率相当低下。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现伤害和失误。显然，这严重影响和制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械臂的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复偶然的失误，也能有效避免了人身事故。 三、本设计（论文或其他）应达到

3、的要求： 熟悉机械臂的发展历程，特别是近十几年来的发展状况； 熟练掌握气动技术，尤其是执行件的结构； 熟练掌握气动机械臂的结构原理及工作流程； 完成气动机械臂的整体方案设计； 完成气动机械臂装配图的绘制及主要零部件的绘制； 完成说明书的撰写，翻译一篇外文资料。 四、接受任务学生： 班 姓名 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月12日摘 要1、 PLCPLC2、3、关键词：AbstractKey words: AProgrammable Logi

4、c Controller.目 录摘 要IIIABSTRACTIV目 录V1 绪 论11 .1 机械臂概论11.1.1 机械臂历史与发展11.1.2 机械臂的历史21.1.4 机械臂的组成21.1.4 机械臂的分类31.2 气动技术概述31.3 气动机械臂的设计要求42 机械臂整体设计方案52.1 机械臂的座标型式与自由度52.2 机械臂的手腕结构方案设计52.3 机械臂的手臂结构方案设计62.4 机械臂的手部结构方案设计62.5 机械臂的驱动方案设计62.6 机械臂的控制方案设计62.7 机械臂的主要技术参数63 手腕结构设计93.1 手腕的自由度93.2 手腕的驱动力矩的计算93.2.1 手

5、腕转动时所需的驱动力矩93.2.2 回转气缸的驱动力矩计算113.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核124 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核154.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核154.1.1 尺寸设计154.1.2 尺寸校核154.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核164.2.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计164.2.2 尺寸校核164.2.3 平衡装置164.2.4 导向装置164.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核174.3.1 尺寸设计174.3.2 尺寸校核175 手部结构设计185.1 夹持式手部结构185.1.1 手指的形状和分类185.1.2 设计时考虑的几个问题185.1.3

6、 手部夹紧气缸的设计186 气动系统设计226.1 气动系统设计的主要内容及设计程序226.2 气压传动系统原理图227 机械臂的控制方式257.1 可编程序控制器的选择及工作过程257.1.1 可编程序控制器的选择257.1.2 可编程序控制器的工作过程257.2 可编程序控制器的使用步骤257.3 控制系统的工作原理267.4 控制要求267.4.1 手动工作方式267.4.2 单动工作方式267.4.3 自动工作方式277.5 气动机械手的工作流程278 结 论298.1 结论298.2 不足之处及展望29致 谢30参考文献311 绪 论 1 .1 机械臂概论 机械臂历史与发展机械臂是近

7、几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，它对稳定并且提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件与产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械臂是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个特别重要分支。机械臂的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在性能与构造上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的适应性和智能。在现代生产过程中，机械臂被广泛的运用于自动生产线中，机械臂虽然目前还不如人的手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，抓举重物的力量比人臂力大的特点，因此，机械臂已受到许多部门的重视，并得到了越来越广泛地应用。机械臂首先是从美国开始研制的。1958年美

8、国联合控制公司研制出第一台机械臂。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械臂。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械臂就是在这个基础上发展起来。同年，美国机械制造公司也成功实验一种叫Vewrsatran机械臂。该机械臂的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械臂，是后来国外工业机械臂发展的基础。1978年美国Unimate公司和

9、斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械臂，装有小型电子计算机来进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械臂，采用关节式结构和程序控制。目前，机械臂大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是提高精度和降低成本。第二代机械臂正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至想和听的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械臂具有感觉功能。第三代机械臂则能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC 中的

10、重要一环节。 1.1.2 机械臂的历史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。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。新的世纪，生产水平及科学技术的不断进步和发展带动了整个机械工业快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工和装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现伤害和失误。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械臂的应用很好的

11、解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。 在机械工业中，机械臂的应用具有以下意义：（1） 可以提高生产过程的自动化程度 应用机械臂，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高生产的劳动率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化与自动化的步伐。 （2） 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，用人手直接操作是有危险甚至根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作过

12、程中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疏忽或者疲劳而造成的人身事故。 （3） 可以减少人力，便于有节奏的生产 应用机械臂代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械臂可以连续地工作，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生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产节拍，便于有节奏地进行生产。 1.1.4 机械臂的组成（1） 手部  包括手指、传力机构等，主要起放置与抓取物件的作用。 （2） 传送机构  包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向与位置的作用。（3） 控制部分    它是机械

13、臂动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序与位置等（4） 驱动部分    它是手部与传送机构的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、 电力和机械四种驱动形式。 （5） 其它部分    如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。 机械臂的分类 .1 按使用范围分类 （1） 专用机械臂   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传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械臂”、“曲拐自动车床机械臂”、“油泵凸轮轴自动线机械臂”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的

14、大批量生产的场合。   （2） 通用机械臂   指具有可变程序与单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位与控制方式的不同，可分为简易型与伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 .2 按运动坐标型式分类（1） 直角坐标式机械臂   臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)； （2） 圆柱

15、坐标式机械臂   手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动； （3） 球坐标式机械臂   臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)； （4） 多关节式机械臂   这种机械臂的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 .3 按

16、驱动方式分类（1） 液压驱动机械臂   以压力油进行驱动； （2） 气压驱动机械臂   以压缩空气进行驱动； （3） 电力驱动机械臂   直接用电动机进行驱动； （4） 机械驱动机械臂   是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械臂的一种驱动方式。 .4 按机械臂的臂力大小分类（1） 微型机械臂   臂力小于1； （2） 小型机械臂   臂力为110； （3） 中型机械臂   臂力为1030； （4） 大型机械臂   臂

17、力大于30。1.2 气动技术概述 气压传动机械臂是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械臂。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度稳定性较差，冲击大，而且气源的压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温与粉尘大的环境中进行工作。气动技术有以下优点： （1）成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质与加工精度要求，制造容易，成本较低； (2) 动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要即可建立起所需的压力与速度。气动系统也能实现过载保护，便于自

18、动控制； (3) 阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染； (4) 能源可储存。压缩空气可存贮与储气罐之中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然发生中断等情况； (5) 介质提取和处理方便。工作介质提取容易，气压传动工作的压力较低，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题； (6) 工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，并且不会因温度的变化影响控

19、制机传动的性能。 传统观点认为：由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然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己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.3 气动机械臂的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下 （1） 机械臂为通用机械臂，因此相对于专用机械臂来说，它的适用面相对较广。 （2） 选取机械臂的座标型式和自由度。 （3） 设计出机械臂的各执行机

20、构，包括：手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 （4） 气压传动系统的设计本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。 （5） 了解气动机械臂的工作控制原理。2 机械臂整体设计方案 对气动机械臂的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有一定的承载能力、高精度、快速反应、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械臂的原则是：充分分析作业对象作业技术要求，拟定最合理的作业工序，

21、并满足系统环境条件和功能要求；明确工件结构形状和材料特性，定位精度要求抓取和搬运时的受力特性、尺寸及其质量参数等，从而进一步确定对机械臂结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。本次设计的机械臂是通用气动上下料机械臂，是一种适合于成批或者中、小批生产的、可以改变动作程序的操作设备或者自动搬运，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。气动机械臂可用于操作环境比较恶劣的场合。2.1 机械臂的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有

22、升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求，所以增加一自由度。共四自由度。 图 2.1 坐标模型及自由度示意图2.2 机械臂的手腕结构方案设计考虑到机械手通用的特性，同时由于被抓取的工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可以满足机械臂的工作要求。因此，手腕设计具有回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.3 机械臂的手臂结构方案设计按照机械手抓取工件的要求，此机械手的手臂需要三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降运动。手臂的升降和回转运动都是通过立柱来实现的，

23、立柱的横向移动就是手臂的横移。手臂的各种运动方式均由气缸来实现。2.4 机械臂的手部结构方案设计 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，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.5 机械臂的驱动方案设计 机械臂常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。 电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，控制灵活。 气压驱动的能源、结构都比较简单，传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力

24、损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械臂采用气压传动方式。2.6 机械臂的控制方案设计考虑到机械臂的通用性，同时使用点位控制，控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。2.7 机械臂的主要技术参数 （1） 机械臂的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械臂的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5kg。（2） 基本参数运动速度是机械臂主要的基本参数。操作节拍对机械臂速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用

25、范围。（如图2-3所示）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1.0m/s。最大回转速度设计为90°/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60°/s。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一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。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。大部分机械臂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刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和

26、比较，该机械臂手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度也是基本参数之一。该机械臂的定位精度为±1mm。 （3） 用途:用于自动输送线的上下料。 （4） 设计技术参数:1） 抓重 5kg2） 自由度数 4个自由度3） 座标型式 圆柱座标4） 手臂最大中心高 1250mm5） 最大工作半径 1400mm6） 手腕运动参数 回转范围0°-180° 回转速度90°/s7） 手臂运动参数 伸缩行程1200mm 伸缩速度400mm/s 升降行程120mm 升降速度250mm/s 回转范围0°-180&

27、#176; 回转速度90°/s8） 手指夹持范围 棒料:9） 定位方式 行程开关或可调机械挡块等10） 定位精度 ±1mm11） 驱动方式 气压传动图 2.2 机械臂的工作范围示意图(主视)图 2.3 机械臂的工作范围示意图(主视)3 手腕结构设计3.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是改变或调整工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械臂适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械臂的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械臂抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手

28、腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。3.2 手腕的驱动力矩的计算 3.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，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以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕的示意图。图 3.1 手碗回转时状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: (3.1) 式中：M驱 - 驱动手腕转动的驱动力矩(N·cm)； M封 -手腕回转

29、缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩()； M摩 - 手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩； M偏 - 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(N·cm)； M惯 - 惯性力矩(N·cm)。 图 3.2 手腕受力示意图下面以图3.2所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况来分析。(2) 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封 (3.2)式中: - 转动轴的轴颈直径(cm)； - 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承； -

30、处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，根据，得： (3.3) (3.4)同理，根据 (3.5) 式中： - 手指的重量(N)； - 如图4.2所示的长度尺寸(cm)。(3) 手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏 (3.6)式中: - 手腕转动件的重量(N)；当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则。 - 手腕转动件重心到转动轴线的偏心距(cm)。(4) 手腕加速运动时所产生的惯性力矩M惯若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则: (3.7)式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量（N·cm·s2）； - 工

31、件对手腕转动轴线的转动惯量（N·cm·s2）。若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为： (3.8)式中： - 工件对过重心轴线的转动惯量（N·cm·s2）； - 工件的重量(N)； - 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)； - 手腕转动时的角速度(弧度/s)； - 起动过程所需的时间(s)； - 起动过程所转过的角度(弧度)。 3.2.2 回转气缸的驱动力矩计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气缸，它的原理如图4-2所示，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.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4

32、回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为: 或 (3.9) 图3-3回转气缸示意图式中：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）。上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言，若低压腔有一定的背压，则上式中的P应代以工作压P1与背压P2只差。 手腕回转缸的尺寸及其校核 .1 尺寸设计气缸长度设计为b=100mm,气缸内径为D1=96mm,半径R=48mm,轴径D2=26mm,半径R=13mm,气缸运行角速度=90°/s，加

33、速度时间=0.1s,压强P=0.4MPa, 则力矩： (3.10) .2 尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量m1=10kg，分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r=50mm的圆盘上，那么转动惯量： (3.11) （）工件的质量为5kg,质量分布于长l=100mm的棒料上，那么转动惯量： (3.12) 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l=100mm的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: (3.13) (3.14)（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M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则： (3.15) （3）手

34、腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承，对于滑动轴承， ，为手腕转动轴的轴颈直径， ，为轴颈处的支承反力，粗略估计， (3.16) （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M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍， 设计尺寸符合使用要求，安全。4 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核4.1 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 尺寸设计气缸长度设计为气缸内，径为 ，半径，轴径，半径，气缸运行角速度，加速度时间，压强，则力矩： (4.1) 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个

35、半径的圆盘上，那么转动惯量： (4.2) (4.3) 考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数, (4.4) 总驱动力矩： (4.5) 设计尺寸满足使用要求。4.2 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 4.2.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸选用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页。 4.2.2 尺寸校核（1）测定手腕的质量为50kg,设计加速度为，则惯性力： (4.6) （2）考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数， (4.7) 总受

36、力： (4.8) （3）在校核尺寸时，只需校核气缸内径，半径的气缸的尺寸满足使用要求即可，设计使用压强， 则驱动力： (4.9) 所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 4.2.3 平衡装置在本设计中，为了减少手抓一侧重力矩性能的影响，使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况来调节，使两端尽量接近平衡。 导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。

37、具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少对回转中心的惯量和运动部件的重量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。4.3 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 4.3.1 尺寸设计气缸运行长度设计为，气缸内径为，半径，气缸运行速度，加速度时间，压强,则驱动力： (4.10) 4.3.2 尺寸校核（1）测定手腕及整个上半部分的总质量为80kg,则重力： (4.11) （2）设计加速度，则惯性力： (4.12) （3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数， (4.13) 总受力 (4.

38、14) 所以设计尺寸符合实际使用要求。 5 手部结构设计5.1 夹持式手部结构夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 5.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称作直进型)，其中以二支点回转型为基本型。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用相对广泛

39、。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的相对位置，能适应夹取不同直径的工件。 设计时考虑的几个问题 (1) 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(2) 手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应满足工件能顺利进入或脱开，如果夹持不同直径的工件，应按工件的最大直径考虑。对于移动型的手指只有开闭幅度的要求。(3) 具有足够的夹紧力在确定手指的夹紧力时，考虑工件的重量外，还应考虑在传送和

40、操作过程中工件所产生的振动和惯性力，保证工件不致产生松动以至于脱落。(4) 考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。(5) 具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 手部夹紧气缸的设计(1) 手部驱动力计算本课题气动机械臂的手部结构如图5.1所示：图5.1齿轮齿条式手部 取，

41、则缸筒外径为：6 气动系统设计6.1 气动系统设计的主要内容及设计程序（1）明确工作要求设计气动系统前，一定要弄清运动和操作力的要求和工作环境条件等。运动和操作力的要求包括主机的运动顺序、动作时间、运动速度及可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力及自动化程度等。工作环境条件如温度、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场所等情况必须调查清楚。机、电、液控制相配合的情况及对气动系统的要求。（2）设计气动回路列出气动执行元件的工作程序图。画信号-动作状态线图或者卡诺图，也可直接写出逻辑函数表达式。画逻辑原理图。画回路原理图。（3）选择执行元件选择执行元件包括确定气缸或气马达类型，气缸的安装形式及具体尺寸和

42、行程长度、密封形式、耗气量等。应优先选用标准气缸的参数。（4）选择控制元件确定控制元件类型确定控制元件的通径，一般控制阀的通径可按阀的工作压力与最大流量确定。（5） 选择气动辅件分水过滤器 其类型主要根据过滤精度要求而定。油雾器 根据油雾颗粒大小和流量来选取。减压阀、分水过滤器和油雾器串联使用时，三件的通径需要一致。消声器 根据工作场所选用不同形式的消声器，其通径大小按通过流量而定。储气罐 按理论容积及安装场合选择具体结构及尺寸（6） 压力损失的验算各管段直径可根据该段的流量，并考虑与前后连接元件通径一致的原则初步选定，在 验算压力损失后最终确定通径。压力损失的验算 总压力损失为沿流程压力损失

43、和局部压力损失只和，在车间内可取总压力损失小于或者等于0.010.1MPa。（7） 选择空气压缩机确定空压机的供气量 根据各设备的平均用气量的和，再计及各种影响和状态，乘以适当背书即为空压机的供气量。确定空压机的供气压力，根据用气设备的额定压力与气动系统总压力损失之和来求。6.2 气压传动系统原理图 图6.1机械臂气压传动系统工作原理图表6-1气路元件表序号名称数量1手动截止阀12储气缸13水分滤气器14压力阀15油雾器16压力继电器17二位五通电磁阀48二位五通电磁阀19梭阀110单向节流阀2各通行机构的调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调节，这种方法的

44、特点是结构简单效果好。如平臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可加快启动速度，也可调节全程的速度。升降气缸采用气节流的单向节流阀以调节手臂的上升速度，由于手臂靠自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。气液传送器气缸的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸，行程，速度计算出所需压缩空气流量，与选用的电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。 7 机械臂的控制方式 考虑到机械臂手抓的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械臂的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。7.1 可编程序控制器的选择及工作过程 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。我们可以根据生产过程中的需要自行编写程序来达到目的。 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户的程序来完成对各种不同任务的控制。因此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段：第一阶段是初始化处理：可编程序控制器的输入端子是不直接和主机相连，CPU对输入输出状态