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碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)
摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)機(jī)器人的概念，機(jī)械手的組成和分類，氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。本文對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定了機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)計(jì)算了機(jī)械手的升降臂和回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)地研究了機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)氣壓系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)進(jìn)行了了解，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；氣動(dòng)
Design of the Automatic Manipulator for Palletizing
Abstract: This paper briefly introduces the concept of industrial robots, composition and classification of the manipulator, the characteristics of pneumatic technology development status of home and abroad. This paper makes an overall design of manipulator, determine the technical parameters of manipulator. Meanwhile, design and calculation of the manipulator lifting arm and rotating arm structure, design of manipulator hand structure. The paper systematically studies the manipulator of pneumatic system, pneumatic system working principle diagram and parameters of understanding, greatly improving the efficiency of drawing and drawings quality.
Key words: industrial robot;manipulator; pneumatic
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1 前言 2
1.1 工業(yè)機(jī)械手的概述 2
1.2 機(jī)械手的組成及分類 3
1.2.1 機(jī)械手的組成 3
1.2.2 機(jī)械手的分類 3
1.3 PLC與觸摸屏概述 5
1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 5
1.5 課題研究?jī)?nèi)容 6
1.5.1 課題的提出 6
1.5.2 課題的主要任務(wù) 7
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 8
2.1 機(jī)械手主要類型和自由度的選擇 8
2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 8
2.3 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 9
2.4 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 9
2.5 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 9
2.6 機(jī)械手的主要參數(shù) 9
2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列 9
3 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮，升降，回旋氣缸的設(shè)計(jì)與校核 10
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 10
3.1.1 手指的形狀和分類 10
3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 11
3.2 升降機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)與校核和伸縮缸的選擇 11
3.2.1 氣缸的分類 11
3.2.2 升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 13
3.2.3 伸縮缸的選擇 19
3.3 回旋氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 19
4 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22
5 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 23
致謝 23
1 前言
1.1 工業(yè)機(jī)械手的概述
工業(yè)機(jī)器人是能模仿人體某些器官的功能(主要是動(dòng)作功能)、有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、可以改變工作程序和編程的多用途自動(dòng)操作裝置。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。 “機(jī)器人”一詞出自捷克文，意為勞役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小說(shuō)家、劇作家恰佩克在他寫的科學(xué)幻想戲劇《羅素姆萬(wàn)能機(jī)器人》中第一次使用了機(jī)器人一詞。此后被歐洲各國(guó)語(yǔ)言所吸收而成為專門名詞。20世紀(jì)50年代末，美國(guó)在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上，采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù)，研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置，并將其稱為工業(yè)機(jī)器人； 60年代初，美國(guó)研制成功兩種工業(yè)機(jī)器人，并很快地在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用；1969年，美國(guó)通用汽車公司用21臺(tái)工業(yè)機(jī)器人組成了焊接轎車車身的自動(dòng)生產(chǎn)線。此后，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都很重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。由于工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性和適應(yīng)性，能適應(yīng)多品種中、小批量的生產(chǎn)，70年代起，常與數(shù)字控制機(jī)床結(jié)合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)的組成部分。工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有 3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人示意圖控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是以穿孔卡、穿孔帶或磁帶等信息載體，輸入已編好的程序。示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動(dòng)控制器(示教操縱盒)，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過(guò)程的同時(shí)，工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。示教輸入程序的工業(yè)機(jī)器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。具有觸覺、力覺或簡(jiǎn)單的視覺的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識(shí)別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作[1]。
1.2 機(jī)械手的組成及分類
1.2.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。如下示意圖1.
圖1 機(jī)械手示意圖
Fig. 1 Manipulator schemes
1.2.2 機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
(一)按用途分
機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:
1、專用機(jī)械手
專用機(jī)械手是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)。適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手等。
2、通用機(jī)械手
通用機(jī)械手是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。
(二)按驅(qū)動(dòng)方式分
(1)液壓傳動(dòng)機(jī)械手
液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。
(2)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手
氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。
(3)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。
(4)電力傳動(dòng)機(jī)械手
電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。
(三)按控制方式分
(1)點(diǎn)位控制
點(diǎn)位控制的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
(2)連續(xù)軌跡控制
連續(xù)軌跡控制的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
1.3 PLC與觸摸屏概述
PLC(Programmable Logical Controller) 通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它擁有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱(即PLC、機(jī)器人和CAD/CAM)之一。
人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間作雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來(lái)處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時(shí)可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機(jī)械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，而且操作困難，無(wú)法提高工作效率。但是使用人機(jī)界面能夠明確指示并告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作變的簡(jiǎn)單生動(dòng)`，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個(gè)機(jī)器設(shè)備。使用人機(jī)界面還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，同時(shí)也能減少PLC控制器所需的I/O點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)的成本同時(shí)由于面板控制的小型化及高性能，相對(duì)的提高了整套設(shè)備的附加價(jià)值。
觸摸屏作為一種新型的人機(jī)界面，從一出現(xiàn)就受到關(guān)注，它的簡(jiǎn)單易用，強(qiáng)大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境，甚至可以用于日常生活之中，應(yīng)用非常廣泛，比如:自動(dòng)化停車設(shè)備、自動(dòng)洗車機(jī)、天車升降控制、生產(chǎn)線監(jiān)控等，甚至可用于智能大廈管理、會(huì)議室聲光控制、溫度調(diào)整。
隨著科技的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)器與現(xiàn)場(chǎng)操作都趨向于使用人機(jī)界面， PLC控制器強(qiáng)大的功能及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理也呼喚一種功能與之匹配而操作又簡(jiǎn)便的人機(jī)的出現(xiàn)，觸摸屏的應(yīng)運(yùn)而生無(wú)疑是21世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域里的一個(gè)巨大的革新。
1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):
(1) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。
(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
(3) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
(5) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。
(6) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例[2]。
1.5 課題研究?jī)?nèi)容
1.5.1 課題的提出
現(xiàn)在的機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)的，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn):
(1) 液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄露損失等):液壓傳動(dòng)易泄漏，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。
(2) 工作時(shí)受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。
(3)因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。
(4)為了減少泄漏，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高;且使用維護(hù)需要較高技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，本機(jī)械手?jǐn)M采用氣壓傳動(dòng)，
氣動(dòng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 介質(zhì)提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取容易，而后排入大氣，處理方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器:介質(zhì)清潔，管道不易堵存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題.
(2) 阻力損失和泄漏較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小(一般不卜澆塞僅為油路的千分之一)，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)那樣，造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。
(3) 動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣動(dòng)系統(tǒng)一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的壓力和速度。氣動(dòng)系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。
(4) 能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存貯在儲(chǔ)氣罐中，因此，發(fā)生突然斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。
(5) 工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、電器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越，而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。
(6) 成本低廉。由于氣動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣動(dòng)元、輔件的材質(zhì)和加工精度要求，制造容易，成本較低。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為:由于氣體具有可壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外氣源工作壓力較低，抓舉力較小。雖然氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)己被接受，但由于氣動(dòng)機(jī)器人這一體系己經(jīng)取得的一系列重要進(jìn)展過(guò)去介紹得不夠，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。
由“可編程序控制器- 傳感器- 氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件, 使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡(jiǎn)單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
而今, 電磁閥的線圈功率越來(lái)越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來(lái)越離不開PLC, 而閥島技術(shù)的發(fā)展, 又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手。
1.5.2 課題的主要任務(wù)
(1) 進(jìn)行氣動(dòng)機(jī)械手的總體研究，并進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)；
(2) 對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手氣路了解，進(jìn)行關(guān)鍵部件的研究，完成氣動(dòng)閥座零件圖。
(3) 設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械升降臂回轉(zhuǎn)臂部分結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算；完成氣動(dòng)機(jī)械手升降臂結(jié)構(gòu)裝配圖、氣動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)裝配圖。
設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手伸縮行程為200mm，上下行程為300mm，旋轉(zhuǎn)180度；抓握零件重量150N 。
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案
對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種模擬大中型場(chǎng)合工作的機(jī)械搬運(yùn)設(shè)備?？梢愿淖儎?dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，操作頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。在發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還要完成編程、示教/再現(xiàn)以及其他環(huán)境狀況（傳感器信息）、工藝要求、外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作，使各關(guān)節(jié)能按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
2.1 機(jī)械手主要類型和自由度的選擇
手臂的機(jī)構(gòu)基本上決定了操作機(jī)的工作空間范圍，按機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)形式和形態(tài)來(lái)進(jìn)行分類，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標(biāo)型具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（PPP），可使手部產(chǎn)生三個(gè)互相垂直的獨(dú)立位移。由于其運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且為線性的，具有定位精度高，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但操作靈活性較差，運(yùn)動(dòng)速度低的特點(diǎn)。（2）圓柱坐標(biāo)型具有兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為(z，r，θ)。這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小，相對(duì)工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，手部可獲得較高的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運(yùn)機(jī)器人。（3）球座標(biāo)型具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（RRP），優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。（4）關(guān)節(jié)型是模擬人的上肢而構(gòu)成的。它具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（RRR），可繞鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞兩個(gè)平行于水平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對(duì)工作空間大等特點(diǎn)，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。
由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在操作機(jī)中主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目應(yīng)等于操作機(jī)的自由度，因此，采用圓柱座標(biāo)型式，相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由。
2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。本系統(tǒng)采用南通大學(xué)的WQK-III電子氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。
2.3 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。本機(jī)械手采用了西門子S7-200的PLC（CPU 224CN）進(jìn)行編程控制。
2.4 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案確定
為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手所夾的工件為棒料（可以是鑄鐵，也可以是鋼），伸縮行程為200mm，上下行程為300mm。
2.5 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的伸縮、升降運(yùn)動(dòng)由伸縮氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)由回轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)。
2.6 機(jī)械手的主要參數(shù)
1.機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)擬訂設(shè)計(jì)要求抓取的工件質(zhì)量為150N。
2.基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過(guò)低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.0m/s。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為0.8 m/s。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過(guò)程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來(lái)說(shuō)明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過(guò)大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來(lái)偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 200mm，最大工作半徑約為450mm。手臂升降行程定為300mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。
2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
一、用途:
用于數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手，減輕生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。
二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
1、抓重：150N
2、自由度數(shù)：3個(gè)自由度
3、座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo)
4、最大工作半徑：450mm
5、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)
伸縮行程200mm，負(fù)載230N
伸縮速度
升降行程300mm，負(fù)載300N
升降推出速度，升降縮回推出速度
回轉(zhuǎn)范圍，負(fù)載22KG
回轉(zhuǎn)速度
6、定位方式
行程開關(guān)
7、定位精度
8、驅(qū)動(dòng)方式
氣壓傳動(dòng)
9、控制方式
點(diǎn)位程序控制(采用PLC)
3 手部結(jié)構(gòu)的選擇，手臂伸縮，升降、回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)與校核
為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料、鑄鐵或者鋼時(shí)，使用夾持式手部。
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
3.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題
(1)具有足夠的握力(即夾緊力)
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
(2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。
(3)保證工件準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。
(4)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(5)考慮被抓取對(duì)象的要求
根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過(guò)比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。
3.2 升降缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核和伸縮缸的選擇
3.2.1 氣缸的分類
普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成見圖2。主要由前蓋、后蓋9、活塞6、活塞桿4、缸筒5 其他一些零件組成。
圖2普通氣缸的結(jié)構(gòu)組成
Fig. 2 Common cylinder structure
1—組合防塵圈；2—前端蓋；3—軸用YX密封圈；4—活塞桿；5—缸筒；
6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—緩沖調(diào)節(jié)閥；9—后端蓋
1-combination dustproof loops; 2-former cover; 3-shaft seal ring with YX; 4-piston rod; 5-cylinder; 6-detroit; 7-hole YX seals with; 8-buffer regulator; 9-cover
氣缸的種類很多。一般按壓縮空氣作用在活塞面上的方向、結(jié)構(gòu)特征和安裝方式來(lái)分類。
氣缸的類型
(1)單作用氣缸
柱塞式氣缸：壓縮空氣只能使柱塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位
活塞式氣缸：壓縮空氣只能使活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；借助外力或重力復(fù)位（或借助彈簧力復(fù)位；用于行程較小場(chǎng)合）
薄膜式氣缸：以膜片代替活塞的氣缸。單向作用；借助彈簧力復(fù)位；行程短；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缸體內(nèi)壁不須加工；須按行程比例增大直徑。若無(wú)彈簧，用壓縮空氣復(fù)位，即為雙向作用薄膜式氣缸。行程較長(zhǎng)的薄膜式氣缸膜片受到滾壓，常稱滾壓（風(fēng)箱）式氣缸。
(2)雙作用氣缸
普通氣缸：利用壓縮空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，活塞行程可根據(jù)實(shí)際需要選定，雙向作用的力和速度不同
雙活塞桿氣缸：壓縮空氣可使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，且其速度和行程都相等
不可調(diào)緩沖氣缸：設(shè)有緩沖裝置以使活塞臨近行程終點(diǎn)時(shí)減速，防止沖擊，緩沖效果不可調(diào)整
可調(diào)緩沖氣缸：緩沖裝置的減速和緩沖效果可根據(jù)需要調(diào)整
(3)特殊氣缸
差動(dòng)氣缸：氣缸活塞兩端有效面積差較大，利用壓力差原理使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)活塞桿側(cè)始終通以壓縮空氣
雙活塞氣缸：兩個(gè)活塞同時(shí)向相反方向運(yùn)動(dòng)
多位氣缸：活塞桿沿行程長(zhǎng)度方向可在多個(gè)位置停留，圖示結(jié)構(gòu)有四個(gè)位置
串聯(lián)氣缸：在一根活塞桿上串聯(lián)多個(gè)活塞，可獲得和各活塞有效面積總和成正比的輸出力
沖擊氣缸：利用突然大量供氣和快速排氣相結(jié)合的方法得到活塞桿的快速?zèng)_擊運(yùn)動(dòng)，用于切斷、沖孔、打入工件等
數(shù)字氣缸：將若干個(gè)活塞沿軸向依次裝在一起，每個(gè)活塞的行程由小到大，按幾何級(jí)數(shù)增加
回轉(zhuǎn)氣缸：進(jìn)排氣導(dǎo)管和導(dǎo)氣頭固定而氣缸本體可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。用于機(jī)床夾具和線材卷曲裝置上
伺服氣缸：將輸入的氣壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為活塞桿的機(jī)械位移。用于自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。撓性氣缸缸筒由撓性材料制成，由夾住缸筒的滾子代替活塞。用于輸出力小，占地空間小，行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合，缸筒可適當(dāng)彎曲
鋼索式氣缸：以鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸，用于小直徑，特長(zhǎng)行程的場(chǎng)合
(4)組合氣缸
增壓氣缸：活塞桿面積不相等，根據(jù)力平衡原理，可由小活塞端輸出高壓氣體
氣-液增壓缸：液體是不可壓縮的，根據(jù)力的平衡原理，利用兩兩相連活塞面積的不等，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)大活塞，小活塞便可輸出相應(yīng)比例的高壓液體
氣-液阻尼缸：利用液體不可壓縮的性能及液體流量易于控制的優(yōu)點(diǎn)，獲得活塞桿的穩(wěn)速運(yùn)動(dòng)
3.2.2 升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
(1)活塞桿上輸出力和缸徑的計(jì)算
本課題中采用的是雙作用氣缸,單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸,因其只在活塞一側(cè)有活塞桿,所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等.活塞左行時(shí)活塞桿產(chǎn)生推力塞右行時(shí)產(chǎn)生拉力F2[5]
- （1）
（2）
式中 活塞桿的推力(N);
活塞桿的拉力(N);
L活塞直徑(m);
d活塞桿直徑(m);
p氣缸工作壓力(Pa);
氣缸工作總阻力(N);
氣缸工作時(shí)的總阻力與眾多因素有關(guān),如運(yùn)動(dòng)部件慣性力,背壓阻力,密封處摩擦力等.以上因素可以載荷率的形式計(jì)入公式,如要求氣缸的靜推力和靜拉力,則計(jì)入載荷率后[5]
（3）
（4）
計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特征.若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高;且工作頻率高,其載荷率一般取,速度高時(shí)取小值,速度低時(shí)取大值.若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般,且工作頻率低,基本是勻速運(yùn)動(dòng),其載荷率可取。根據(jù)要求本次設(shè)計(jì)中,我們?nèi)??；钊麠U拉力為克服機(jī)械手的負(fù)載所用的力為300N
由式（3，4）可求得氣缸直徑D。
當(dāng)推力作功時(shí)[5]
D= （5）
D= （6）
用式（6）計(jì)算時(shí)，活塞桿d可根據(jù)氣缸拉力預(yù)先估定，詳細(xì)計(jì)算見活塞的計(jì)算。估定活塞桿直徑可按 =0.2-0.3，計(jì)算（必要時(shí)也可取=0.16-0.4,）。若將=0.16-0.4代入式（6），則可得
D=(1.01——1.09) （7）
=1.05×
=3cm
式中系數(shù)在缸徑較大時(shí)取小值，缸徑較小時(shí)取大值。
以上公式計(jì)算出的氣缸內(nèi)徑D應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。參考表1得D=32mm
根據(jù)=0.2-0.3可估算得
d=0.25×32mm
=8mm
表1 缸筒內(nèi)徑系列
Tab.1 cylinder diameter series （mm）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
(90)
100
(110)
125
(140)
160
(180)
200
(220)
250
320
400
500
630
注：無(wú)括號(hào)的數(shù)值為優(yōu)先選用者
表 2 活塞桿直徑系列
Tab.2 the diameter of piston rod series （mm）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
（2）活塞桿的計(jì)算
1）按強(qiáng)度條件計(jì)算 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度L較小時(shí)（L≤10d），可以只按強(qiáng)度條件計(jì)算活塞桿直徑d[5]
d≥ （8）
式中 氣缸的推力（N）；
活塞桿材料的許用應(yīng)力(Pa),
材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）；
S安全系數(shù)，S≥1.4。`
按縱向彎曲極限力計(jì)算 氣缸承受軸向壓力以后，會(huì)產(chǎn)生軸向彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力以后，活塞桿會(huì)產(chǎn)生永久性彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式、活塞桿直徑及行程有關(guān)。[5]
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 ≥時(shí)
（9）
當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比 時(shí)
（10）
式中 L活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度（m），見表3
K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，
實(shí)心桿K=
空心桿 K=/4
I活塞桿橫截面慣性矩，
實(shí)心桿 I=
空心桿I=
空心活塞桿內(nèi)徑直徑（m）；
活塞桿截面積
實(shí)心桿
空心桿
n系數(shù)，見表3
E材料彈性模量，對(duì)鋼取E=2.1×Pa
f材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，對(duì)鋼取f=49×Pa
a系數(shù)，對(duì)鋼取a=1/5000
安裝方式為鉸支---鉸支,根據(jù)表3得知取n=1,由于活塞桿長(zhǎng)度L=350mm(行程為300mm),活塞桿桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑(實(shí)心桿)[5]
K==2×
所以長(zhǎng)細(xì)比
所以
=98000N
若縱向推力載荷（總載荷）超過(guò)極限力，就應(yīng)采取相應(yīng)措施。在其他條件（行程、安裝方式）不變的前提下，多以加大活塞桿直徑d來(lái)解決。
表 3 活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度L及系數(shù)n
Tab. 3 Piston rod calculation length L and coefficient n
n
安裝方式
n
續(xù)表3
安裝方式
(3)缸筒壁厚的計(jì)算
缸筒直接承受壓力，需有一定的厚度。由于一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比 ，所以通常可以按薄壁筒公式計(jì)算[5]
δ=
式中 δ氣缸筒的壁厚（m）；
D氣缸筒內(nèi)徑（缸徑）（m）；
δ氣缸試驗(yàn)壓力，一般取
P氣缸工作壓力（Pa）；
缸筒材料許用應(yīng)力（Pa）；
材料抗拉強(qiáng)度（Pa）；
S安全系數(shù)，一般取S=6——8
常用缸筒材料有：鑄鐵HT150或HT200等，其Q235A鋼管、20鋼管，其鋁合金ZL3，其；45鋼，其
本氣缸選用45號(hào)缸, ，其[5]
所以
δ=
=0.0096
常用計(jì)算出的缸筒壁厚都相當(dāng)薄，但考慮到機(jī)械加工，缸筒兩端要安裝缸蓋等需要，往往將氣缸筒壁厚作適當(dāng)加厚，且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑和壁厚的鋼管和鋁合金管。表3-4 所列缸筒壁厚值可供參考。因加工等原因如表3-4選δ=5 mm.
表4 氣缸筒壁厚
Tab. 4 Cylinder hollow thick (mm)
材料
氣缸直徑
鑄鐵HT150
50
80
100
125
160
200
250
320
壁 厚
7
8
10
10
12
14
16
16
鋼Q235A、45、20號(hào)無(wú)縫管
5
6
7
7
8
8
10
10
鋁合金ZL3
8--12
12--14
14--17
3.2.3 伸縮缸的選擇
根據(jù)機(jī)械手的總體的受力為230N,伸縮缸的選擇可以和升降缸使用相同的尺寸，只是行程為200mm。
3.3 回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核
1、工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 L=
R=25＞8?
J的計(jì)算取R＞8?情況下的公式，查表5可知，按圓柱體計(jì)算：
J==1.36kg
2、手部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
根據(jù)手部結(jié)構(gòu)，查表5可知，按長(zhǎng)方體計(jì)算。
因?yàn)?，m手部總=15（kg）
表 5 零件幾何圖形對(duì)照表
Tab. 5 Parts geometry cross-references
序號(hào)
零件
幾何圖形
計(jì)算公式
備注
1
細(xì)直桿
m=
重力加速度
2
薄圓盤
3
圓柱體
當(dāng)R<時(shí)，可按細(xì)直桿計(jì)算；當(dāng)l<時(shí)，可按薄圓盤計(jì)算，誤差不超過(guò)5%
續(xù)表5
4
圓形環(huán)
()
()
5
圓形管
()
()
當(dāng)l
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