1385-近距離自動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手臂設(shè)計(jì)——?dú)鈮候?qū)動(dòng)式

1385-近距離自動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手臂設(shè)計(jì)——?dú)鈮候?qū)動(dòng)式,近距離,自動(dòng),移動(dòng)式,機(jī)械,手臂,設(shè)計(jì),氣壓,驅(qū)動(dòng) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 34 頁驅(qū)動(dòng)部分傳送機(jī)構(gòu) 控制部分 行程檢測裝置手部 傳感裝置被傳送物件1 緒論隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已愈來愈引起人們的重視。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。1.1 機(jī)械手及其組成1.1.1 什么是機(jī)械手機(jī)械手是一種能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手是工廠企業(yè)高度自動(dòng)化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動(dòng)，尤其對(duì)于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機(jī)械手起到了不可取代的作用。1.1.2 機(jī)械手的組成機(jī)械手的組成及其相互之間的關(guān)系如圖所示。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)以及位置檢測裝置等組成。（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1、手部 即與物件接觸的部件。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 34 頁重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。4、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。5、行走機(jī)構(gòu) 機(jī)械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的或是無軌的兩種。6、機(jī)座 它是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。7、其它部分 行程檢測裝置和傳感裝置等。行程檢測裝置是檢測和控制機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)行程（位置）的裝置。傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物件的位置是否準(zhǔn)確、手指對(duì)物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)。（二） 、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有 2～3 個(gè)自由度。1.2 機(jī)械手的分類㈠、按機(jī)械手的使用范圍分類：⑴ 專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線，用以自動(dòng)的傳送物件或操作某一工具。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。⑵ 通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人）即指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機(jī)器，而能自動(dòng)地完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。㈡、按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類：⑴ 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 34 頁⑵ 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。⑶ 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 直接用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。⑷ 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。㈢、按機(jī)械手臂力大小分類：⑴ 微型機(jī)械手 臂力小于 1 公斤。⑵ 小型機(jī)械手 臂力為 1～10 公斤。⑶ 中型機(jī)械手 臂力為 10～30 公斤。⑷ 大型機(jī)械手 臂力大于 30 公斤。㈣ 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的主要目的：一、可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。應(yīng)用機(jī)械手，有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作時(shí)有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 34 頁綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。1.4 機(jī)械手的發(fā)展概況1.4.1 對(duì)機(jī)械手的一般要求：1、 降低機(jī)械手的成本 為了擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍，必須降低機(jī)械手的成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。2、 品種多樣化 為了適應(yīng)不同工作的需要，應(yīng)使的機(jī)械手的品種多樣化，用機(jī)械手代替更多的人的手工勞動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。特別是那些工作比較單一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動(dòng)量較大的工種，更應(yīng)注意設(shè)計(jì)和使用各種類型的機(jī)械手。3、 零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化 為了加速擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計(jì)和制造周期。這樣，就要求機(jī)械手的某種零件、部件(如手部、臂部等）系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件（或再相應(yīng)地增加一些其它零件、部件）進(jìn)行組合，組成需要的機(jī)械手。當(dāng)然，這樣的機(jī)械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時(shí)，就能迅速而順利的重新組合。4、 產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠 機(jī)械手的重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能應(yīng)穩(wěn)定可靠。為此，要求設(shè)計(jì)合理，元件穩(wěn)定，制造精確。1.4.2 機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢機(jī)械手是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、液壓液力與氣壓傳動(dòng)等多學(xué)科高新技術(shù)融合的成果，是當(dāng)代技術(shù)進(jìn)步的典型范例。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其它機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣壓傳動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。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)已被接受。由于氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 34 頁合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里，氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因?yàn)闅鈩?dòng)伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，同時(shí)為氣動(dòng)機(jī)器人、氣動(dòng)機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。研制具有一定“感觸”和“智力”的智能機(jī)器人。這種機(jī)器人，具有各種傳感裝置，并配備有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)起“大腦”，使它能“思考”、能“分析”、能“記憶”。用電視攝像機(jī)、測距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為“眼睛”，在其“視野”的范圍內(nèi)能“看”。用聽筒和聲敏元件等作“耳朵”能“聽”。用揚(yáng)聲器等作“嘴”能“說話”進(jìn)行“應(yīng)答”。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作“觸覺”能“感觸”。用滾輪或雙足式的行走機(jī)構(gòu)作為“腳”來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)器人，可以由人用特殊的語言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)。受令后的智能機(jī)器人，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨(dú)立地“分析”和“判斷”并自編或自變程序的進(jìn)行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為“無人化”系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械手設(shè)計(jì)的總體方案由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要通過氣缸來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的三個(gè)方向上的自由度如：手臂的上下的升降運(yùn)動(dòng)、手臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)、手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及用氣壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)小車按軌道運(yùn)動(dòng)。總體設(shè)計(jì)方案如下面的框圖所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 34 頁機(jī) 械 手手 臂 小 車氣壓馬達(dá)減速裝置輪子空氣壓縮機(jī)控制調(diào)節(jié)裝置（各類閥類）控制系統(tǒng)壓力、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度氣 泵設(shè)計(jì)示意圖如下所示 伸 縮 伸降回 轉(zhuǎn)氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 近 距 離 自 動(dòng) 移 動(dòng) 式 機(jī) 械 手 臂 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖1、 手 指 夾 緊 氣 缸 2、 手 臂 伸 縮 氣 缸 3手 臂 升 降 氣 缸 4、 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 5、 小 車夾 緊 張 開 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于采用積木式連接，結(jié)構(gòu)非常簡單、實(shí)用。2.2 機(jī)器人的規(guī)格參數(shù)該機(jī)械手屬于圓柱坐標(biāo)式。（一） 機(jī)器手的參數(shù)：1、主參數(shù) 機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，機(jī)械手最大抓重以 10 公斤上下升降氣缸前后伸縮氣缸左右回轉(zhuǎn)氣缸手指夾緊氣缸 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 34 頁左右的為最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為 10 公斤。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)速度過低則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 1200 毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為 1200/秒。平均移動(dòng)速度為 1000 毫米/秒，平均回轉(zhuǎn)速度為 900/秒。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有起動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度—行程曲線來說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。則手臂前后伸縮平均速度為 1000 毫米/秒，手臂上下升降平均速度為 500 毫米/ 秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為 900/秒。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。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為 600 毫米，最大工作半徑為 1500毫米，手臂安裝前后可調(diào) 200 毫米。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為 2400，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝方位可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的適用范圍。手臂升降行程定為 150 毫米。氣壓驅(qū)動(dòng)工作壓力 P 為 4～6 公斤/厘米 2。機(jī)械手臂定位和緩沖采用機(jī)械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5~±1 毫米。2.3 氣動(dòng)部件設(shè)計(jì)的簡要分析1、 氣缸 氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它可以輸出力，驅(qū)動(dòng)工作部分作直線運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)。氣缸是由缸體、活塞、活塞桿、密封件及緊固件等組成。氣缸的種類很多，主要有單作用氣缸、雙作用氣缸、組合氣缸，擺動(dòng)氣缸。單作用氣缸又可分為柱塞式氣缸、活塞式氣缸、薄膜式氣缸；雙作用氣缸又可分為普通氣缸、雙活塞桿氣缸、不可調(diào)緩沖氣缸、可調(diào)緩沖氣缸、活塞帶導(dǎo)向桿氣缸、串聯(lián)式氣缸；組合氣缸又可分為氣液阻尼缸和步進(jìn)式氣缸；擺動(dòng)氣缸又可分為單葉片擺動(dòng)氣缸和雙葉片擺動(dòng)氣缸。本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)中 ：① 手臂的升降機(jī)構(gòu)中采用了單作用氣缸中的柱塞式氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 34 頁單方向向上運(yùn)動(dòng)，借助自重下降。結(jié)構(gòu)簡單又實(shí)用。② 手臂的前后伸縮機(jī)構(gòu)中采用了雙作用氣缸中的普通氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞雙向運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用很廣泛。③ 手臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中采用了擺動(dòng)氣缸中的單葉片擺動(dòng)氣缸，將壓縮空氣的能量變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，擺動(dòng)角度小于 3600。剛開始打算采用兩個(gè)直動(dòng)氣缸帶動(dòng)鏈條鏈輪或帶動(dòng)齒條齒輪來獲得回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)設(shè)計(jì)方案的比較得出采用回轉(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)要緊湊的多，所以還是采用了擺動(dòng)氣缸。④ 手指夾緊氣缸中我采用了單作用氣缸中的活塞式氣缸，壓縮空氣推動(dòng)活塞但方向運(yùn)動(dòng)，借助彈簧力反向運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡單，壓縮空氣用量較柱塞式少。2、 空氣控制閥 空氣控制閥是氣動(dòng)控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進(jìn)行工作?？諝饪刂崎y按其作用可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥三類。? 壓力控制閥根據(jù)它的作用不同又可分為：調(diào)壓法、安全閥和順序閥。? 流量控制閥是用來調(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的流量、流速以及改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作速度。它主要有截流閥、單向截流閥和排氣節(jié)流閥。? 方向控制閥是用來控制氣流的方向、氣路的通斷，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作發(fā)生變化的氣動(dòng)元件。方向控制閥按閥內(nèi)氣流的方向分：單向型方向控制閥，它只允許氣流沿一個(gè)方向流動(dòng)。如單向閥、快速排氣閥等；換向型方向閥，它可以改變氣流流動(dòng)的方向。按控制方式分：電磁、氣壓、機(jī)械和人力等控制方法實(shí)現(xiàn)。按動(dòng)作方式可分為：直動(dòng)式和先導(dǎo)式。按聯(lián)結(jié)方式分：管式連接、板式連接和法蘭連接式連接。本次機(jī)械手的設(shè)計(jì)中：經(jīng)過考慮和分析后，在不光滿足各氣路要求的條件下又考慮到控制閥的統(tǒng)一性和方便性，我統(tǒng)一選擇了型號(hào)為 Q24D2H-15-S1的電磁方向控制閥。各氣缸凡能采用排氣節(jié)流方式的，都通過電磁閥的排氣口節(jié)流阻尼螺釘（錐面式）調(diào)速。手臂前后伸縮氣缸的氣路上，在最接近氣缸處，裝有兩個(gè)快速排氣閥，以加快啟動(dòng)速度和調(diào)節(jié)全行程上的速度，同時(shí)通過調(diào)節(jié)閥又可使其加速度限制在允許的范圍內(nèi)，以減少制動(dòng)時(shí)的慣性沖擊，提高定位精度。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 34 頁手臂的上下升降則采用進(jìn)氣節(jié)流方式，用一個(gè)單向節(jié)流閥調(diào)整手臂的上升速度。下降（靠自重下降）速度仍有電磁閥排氣口節(jié)流調(diào)整。3、氣動(dòng)基本回路 氣動(dòng)回路和液壓回路相比，有幾方面的不同；一臺(tái)氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)有時(shí)比較復(fù)雜，但經(jīng)過剖析卻不外乎一些基本回路所組成。掌握了氣動(dòng)基本回路以后，對(duì)分析和設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)都有較大的幫助。第一， 空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣首先儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中，然后供給各個(gè)回路使用。畫氣動(dòng)回路圖示空氣壓縮機(jī)常省略不畫，但設(shè)計(jì)氣動(dòng)?xùn)|回路時(shí)，不要忘記考慮氣源的能力。第二， 氣動(dòng)回路使用過的空氣是經(jīng)排氣口排入大氣的，因而不設(shè)回氣管道來回收空氣。第三， 由于空氣的粘性很小，在管路中的壓力損失較小。因此，在盡量縮短氣動(dòng)管路的情況下管路仍然很長，并不妨礙使用。由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，以氣缸應(yīng)用最廣泛，故下面所論及的基本回路均以氣缸為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，最簡便的方法是把選定的完成不同任務(wù)的基本回路組合起來。氣動(dòng)基本回路的種類：氣動(dòng)基本回路的種類很多，為了便于設(shè)計(jì)機(jī)械手的氣動(dòng)回路，僅將氣動(dòng)基本回路按方向控制回路和速度控制回路兩方面加以敘述。① 方向控制回路（一）單作用氣缸中間停止回路（圖 2-1）這種回路可使活塞停在氣缸中間的任意位置。當(dāng)三位三通電磁閥的滑閥處在中間位置時(shí)，氣缸的通路封閉，活塞停止運(yùn)動(dòng)?；y處在位置 I 時(shí)，活塞下腔進(jìn)氣，推動(dòng)活塞桿伸出。滑閥處在位置 II 時(shí)，活塞下腔排氣，彈簧力推動(dòng)活塞下行。（二）雙作用氣缸換向回路（圖 2-2）采用二位五通單電控滑閥控制活塞雙向運(yùn)動(dòng)。圖示位置，活塞右腔進(jìn)氣，左腔排氣，活塞向左運(yùn)動(dòng)?；y切換后，活塞左腔進(jìn)氣，右腔排氣，實(shí)現(xiàn)了氣缸活塞的換向。這種回路時(shí)雙作用氣缸的最基本的換向回路。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 34 頁（三）雙作用氣缸的活塞可在任意位置停止的回路圖 2-3 所示為單活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當(dāng)滑閥處在中間位置時(shí)，各口互不相通，活塞可停留在氣缸的任意位置。這種回路不允許有漏損，這樣才能保證氣缸可靠地工作。在氣缸終端需要保持活塞固定的停止位置時(shí)，也使用這種回路。圖 2-4 所示為雙活塞桿氣缸的這種回路。它采用中封式三位五通雙電控滑閥，當(dāng)滑閥處在中間位置時(shí)，壓縮空氣同時(shí)與活塞左、右兩腔相通。因兩腔活塞的有效受壓面積相等，從而保證了活塞兩腔同時(shí)受壓時(shí)，活塞能停留在任意位置。但當(dāng)外界加在活塞桿上的軸向力不平衡時(shí)，則活塞停止的位置不穩(wěn)定。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可增設(shè)調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)解，控制活塞兩側(cè)壓力平衡，如圖 2-5 所示。這種回路可允許有少量漏損，比采用中封式閥較可靠。（四）延時(shí)控制回路圖 2-6 所示的延時(shí)控制回路，為控制信號(hào) A 使二位四通單氣控滑閥 1 切換時(shí)，壓縮空氣經(jīng)閥 1、單向節(jié)流閥 3 向氣容 4 充氣，經(jīng)過一定的時(shí)間，氣容壓力達(dá)到一定數(shù)值，控制二位三通氣控閥 2 切換。壓縮空氣經(jīng)閥 2 的 B 口輸往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。信號(hào) A取消后，閥 1 又彈簧復(fù)位，壓縮空氣控制閥 2 也復(fù)位而關(guān)閉，B 口無輸出。氣容 4中的空氣經(jīng)閥 3 的單向閥、閥 1 而排空。延時(shí)控制回路用于不允許使用時(shí)間繼電器的場合，如易燃、易爆和大粉塵的場合。2—2 雙作用氣缸換向回路2—1 單作用氣缸中間停止回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 34 頁 142② 速度控制回路（一）單作用氣缸的速度控制回路（圖 2-7）它由二位三通單電控滑閥 1 和兩個(gè)單向節(jié)流閥 2 和 3 所組成。閥 1 使氣缸換向，閥 2 的節(jié)流閥控制氣缸活塞桿的伸出速度。閥 3 的節(jié)流閥控制活塞桿的退回速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，可以改變活塞雙向的運(yùn)動(dòng)速度。2—4 雙活塞桿氣缸任意位置停止回路2—3 單活塞桿氣缸任意位置停止回路2—5 帶調(diào)壓閥的雙活塞桿氣缸任意位置停止回路2—6 延時(shí)控制回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 34 頁 231（二）雙作用氣缸單向速度控制回路（圖 2-8）該回路是在氣缸的一個(gè)氣路上裝設(shè)單向節(jié)流閥 1。圖示位置為壓縮空氣經(jīng)二位五通單電控滑閥 2 和閥 1 的單向閥進(jìn)入氣缸活塞的右腔，推動(dòng)活塞左移。當(dāng)閥2 切換后，活塞右腔的排氣速度受閥 1 可調(diào)節(jié)流閥的限制，從而控制了活塞桿的伸出速度。由于背壓的存在，也增加了氣缸工作行程的穩(wěn)定性。除此之外。活塞返回行程的急回運(yùn)動(dòng)，也可用來提高機(jī)器的生產(chǎn)率。（三）雙作用氣缸雙向速度控制回路圖 2-9 所示是將兩個(gè)單向節(jié)流閥裝在氣缸的兩條氣路上，分別控制活塞兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的排氣速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可得到活塞不同的運(yùn)動(dòng)速度。2—7 單作用氣缸的速度控制回路2—8 雙作用氣缸單向速度控制回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 34 頁圖 2-10 所示是帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路。它是將節(jié)流閥安裝在二位五通單電控滑閥的排氣口上。調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即可控制氣缸的排氣速度，從而使活塞得到不同的運(yùn)動(dòng)速度。這種回路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單。圖 2-11 所示使活塞可得到快速運(yùn)動(dòng)的速度控制回路。它是在單向節(jié)流閥 1 和 2的后面氣路上并聯(lián)了二位二通閥 3 和 4。這樣，不僅可以由閥 1 和閥 2 來調(diào)節(jié)（排氣節(jié)流）活塞兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度，而且當(dāng)閥 3 打開時(shí)，則活塞可快速左行。二位五2—9 雙作用氣缸雙向速度控制回路2—10 帶有排氣節(jié)流閥的速度控制回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 34 頁通單電控滑閥 5 切換后，若閥 4 打開，則活塞可快速右行。因此，可根據(jù)需要得到活塞雙向的快速運(yùn)動(dòng)。（四）雙作用氣缸速回運(yùn)動(dòng)控制回路該回路當(dāng)活塞桿右行時(shí)，壓縮空氣經(jīng)由二位五通單電控滑閥 3 和快速排氣閥2 進(jìn)入氣缸活塞的左腔，推動(dòng)活塞右行。此時(shí)，氣缸右腔的空氣經(jīng)單向節(jié)流閥 1節(jié)流控制后排空。閥 3 切換（圖示位置）后，壓縮空氣經(jīng)閥 1 的單向閥進(jìn)入氣缸的右腔。此時(shí)，氣缸左腔的空氣從閥 2 快速排入大氣，獲得急回運(yùn)動(dòng)。這種回路要求氣缸附加緩沖裝置。2—11 活塞做快速運(yùn)動(dòng)的速度控制回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 34 頁31（一）雙缸同步動(dòng)作的速度控制回路該回路時(shí)采用一個(gè)二位四通單電控滑閥來控制兩個(gè)氣缸，并在每個(gè)氣缸的氣路中裝設(shè)單向節(jié)流閥，以調(diào)整和控制活塞的速度，使之達(dá)到同步運(yùn)動(dòng)的目的。如用雙缸或多缸操縱一個(gè)重型框架起落時(shí)，同步舉升或降落極為重要，否則框架被扭斜將產(chǎn)生很大的附加阻力，甚至不能運(yùn)動(dòng)。這種回路應(yīng)以阻力最大的那個(gè)氣缸為準(zhǔn)，調(diào)整其它缸的運(yùn)動(dòng)速度以達(dá)到同步的目的。（二）氣液操作缸同步回路圖 2-14 所示的同步回路是由于連接兩個(gè)氣液操作缸被封入油液，所以兩活塞的運(yùn)動(dòng)速度可完全同步。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到缸 5 有桿腔和缸 4 無桿腔有效面積的關(guān)系，當(dāng)有效面積相等時(shí)，兩缸獲同步運(yùn)動(dòng)。也可以設(shè)計(jì)成兩缸按一定比例的速度運(yùn)動(dòng)。2—12 雙作用氣缸速回運(yùn)動(dòng)控制回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 34 頁 氣 油油氣（三）緩沖回路對(duì)可調(diào)行程位置的氣缸（如某些機(jī)械手的氣缸）緩沖問題，可采用緩沖回路來解決。圖 2-15 所示的緩沖回路，是在氣缸的兩條氣路上并聯(lián)兩個(gè)二位二通閥 1 和 2。2—13 雙缸同步動(dòng)作的速度控制回路2—14 氣液操作缸同步回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 34 頁在閥 1 和閥 2 的排氣口裝設(shè)節(jié)流螺釘。并在回路中的二位五通雙電控滑閥 3 的兩個(gè)排氣口上也裝設(shè)節(jié)流螺釘。調(diào)節(jié)閥 1 和閥 2 的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞快速行程時(shí)的速度。調(diào)節(jié)閥 3 的排氣節(jié)流螺釘，以控制活塞的減速。從而達(dá)到減速緩沖的目的。 31圖 2-16 所示的緩沖回路，是在單向節(jié)流閥 3 和 4 的氣路上并聯(lián)二位二通閥1 和閥 2。并在二位五通雙電控滑閥 5 的排氣口上裝設(shè)節(jié)流螺釘?；钊焖傩谐虝r(shí)，閥 1（或閥 2）切換，排氣腔的空氣經(jīng)閥 1（或閥 2）和閥 5 排出，調(diào)節(jié)閥 5的節(jié)流螺釘，可控制快速行程時(shí)的速度。減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，閥 1（或閥 2）復(fù)位關(guān)閉，調(diào)節(jié)閥 3 和閥 4 的節(jié)流閥以控制減速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到減速緩沖的目的。圖 2-17 所示為操作氣缸采用油液阻尼的緩沖回路。操作缸 1 兩條氣路上的快速排氣閥 2 和 3 為快速行程時(shí)排氣所用。缸 1 活塞右行時(shí)，快速運(yùn)動(dòng)到固結(jié)在缸 1 活塞桿上的撞塊與擋塊 II 碰撞后，帶動(dòng)油缸 5 活塞桿開始減速右行直到停止，在此減速過程中，缸 5 活塞右腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥 6 節(jié)流阻尼后，經(jīng)單向節(jié)流閥 7 的單向閥進(jìn)入缸 5 的左腔。缸 1 活塞左行時(shí)，撞塊碰撞擋塊 I 后，油缸 5活塞桿開始減速左行，直到停止。補(bǔ)油裝置 8 用作向缸 5 補(bǔ)油。2—15 裝設(shè)節(jié)流螺釘?shù)木彌_回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 34 頁 41534235687撞 塊 停慢 速 右行快 速 右 行擋 塊擋 塊 1在本次設(shè)計(jì)機(jī)械手中我主要用到了其中的氣動(dòng)基本回路為雙作用氣缸換向回路、單作用氣缸的進(jìn)氣調(diào)速回路、雙作用氣缸單向速度控制回路、帶有排氣截流閥的速度控制回路。3 機(jī)械手的計(jì)算2—16 裝設(shè)單向節(jié)流閥的緩沖 回路2—17 采用油液阻尼的緩沖回路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 34 頁3.1 設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題手臂的結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度、工作范圍、定位精度以及機(jī)械手的整體布局等因素決定的。手臂結(jié)構(gòu)是否設(shè)計(jì)的合理，對(duì)機(jī)械手的工作性能有著很大的影響，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)是，除了考慮上述諸因素外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：Ⅰ、應(yīng)使手臂剛度大、重量輕由于機(jī)械手的手臂一般懸伸長度比較長，若手臂的剛度不夠時(shí)，會(huì)發(fā)生手臂彎曲變形過大，就會(huì)引起手臂的定位不準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿（即手臂）運(yùn)動(dòng)的靈活性。另外，手臂在起動(dòng)或制動(dòng)過程中受到慣性力或慣性力矩的作用，手臂將發(fā)生顫動(dòng)，由于手臂的顫動(dòng)，也會(huì)影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對(duì)手臂結(jié)構(gòu)有一定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確的工作和一定的定位精度。Ⅱ、應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性小為了減小慣性沖擊，一般采取的措施有：⑴ 手臂架選用鋁合金等輕質(zhì)材料來制造，以減輕手臂運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量。⑵ 盡量縮短手臂懸伸部分的長度，使手臂未伸出時(shí)的總重量的重心偏于伸縮方向的反側(cè)，以減小回轉(zhuǎn)半徑。⑶ 減小手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊。⑷ 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)緩沖裝置，使運(yùn)動(dòng)件減速緩沖。Ⅲ、手臂動(dòng)作應(yīng)靈活為使手臂運(yùn)行輕快、靈活，除手臂本身結(jié)構(gòu)緊湊輕巧外，應(yīng)減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸伸式的機(jī)械手，手臂上零部件（如傳動(dòng)件、導(dǎo)向件、定位件等）的布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過程中盡量保持平衡，以減少對(duì)升降支承軸線的偏重力矩，使手臂運(yùn)動(dòng)靈活，防止發(fā)生“卡死” （即自鎖）現(xiàn)象。Ⅳ、應(yīng)使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確、導(dǎo)向性好為了能準(zhǔn)確的傳遞工件和保證傳動(dòng)的平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)有導(dǎo)向支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強(qiáng)手臂的剛性。另外裝在手臂上的零部件要求便于裝拆和調(diào)整。Ⅴ、輸氣管道的布置應(yīng)合理機(jī)械手上的各工作氣缸彼此在空間作相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊、動(dòng)作靈活，因此對(duì)各個(gè)工作氣缸的輸氣管道布置應(yīng)給予足夠的重視， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 34 頁尤其是接近工作對(duì)象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向氣缸輸入壓縮空氣，雖然軟管安裝維修較方便，但是他會(huì)影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，并易損傷，而且手臂外形不整齊。Ⅵ、其他要求對(duì)于在粉塵場合工作的機(jī)械手，應(yīng)設(shè)有防塵裝置等。3.1.1 手臂的計(jì)算氣缸的計(jì)算：氣缸的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)作用在活塞桿上的外力（推力或拉力）的大小、活塞的行程和運(yùn)動(dòng)速度以及安裝形式等方面提出的要求來進(jìn)行。氣缸的容積要選擇的適宜，過大的容積不僅及使缸體的尺寸重量增加，同時(shí)使壓縮空氣的需要量增加，造成了浪費(fèi)和增加了成本?；钊男谐淌菦Q定氣缸長度的主要參數(shù)，形成過長隊(duì)壓桿的穩(wěn)定性當(dāng)然不好，對(duì)缸筒的加工業(yè)會(huì)帶來困難。另一方面活塞的運(yùn)動(dòng)速度決定與氣缸進(jìn)氣管道內(nèi)徑的大小，活塞的運(yùn)動(dòng)速度越高，則要求進(jìn)氣管道的直徑越大。目前氣缸的運(yùn)動(dòng)速度由于各方面條件的限制，一般速度的最大值不超過 1.2 米/秒。氣缸的選擇參考下表：氣缸的有關(guān)尺寸參數(shù)： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 34 頁2、氣缸壁厚的計(jì)算：氣缸的內(nèi)景 D 確定后，有強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的氣缸壁厚?， ，再根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)來確定適當(dāng)?shù)臄?shù)值。依據(jù)材料力學(xué)的薄壁筒公式，氣缸的壁厚?可在下表查出：氣 缸 內(nèi) 徑 D (毫米)50 75 100 120 150 200 250 300材 料氣 缸 壁 厚 ?（毫米）鑄鐵 HT15-33 7 8 10 10 12 12 16 16鋼 A3,鋼 A5 5 5 6 6 8 8 10 10鋁合金 ZL3 8?10 8?10 10?12 10?12 12?14 12?14 14?17 14?17升降氣缸的壁厚?：缸徑?125 毫米，氣缸材料選鋼 A3，則? 為 6 毫米。前后伸縮氣缸的壁厚?：缸徑為? 100 毫米，氣缸材料選鋼 A3，則? 為 6 毫米。手指夾緊氣缸的壁厚?: 缸徑 ?50 毫米，氣缸材料選鋼 A3，則 ?為 5 毫米。工作壓力（共斤/厘米 2）2 3 4 5 6 2 3 4 5 6氣缸直徑(mm)活塞桿直徑供氣孔直徑（英制管螺紋）氣缸端蓋螺栓d*個(gè)數(shù) 活塞推力（公斤）不計(jì)效率 活塞推力（公斤）不計(jì)效率50 16 G1/4” M6*4 39 59 78 98 118 35 53 70 88 10375 20 G1/4” M8*4 88 133 177 211 265 82 123 164 205 247100 25 G1/4”-3/8” M10*4 157 235 314 392 471 147 221 294 368 442125 30 G1/4”-3/8” M10*4 245 368 491 613 736 231 347 462 578 694150 30 G3/8”-1/2” M10*6 353 530 707 883 1060 339 509 678 848 1018200 40 G3/8”-1/2” M12*6 628 943 1257 1571 1885 603 905 1206 1508 1810250 50 G1/2”-3/4” M16*6 982 1473 1964 2454 2945 943 1414118851885 2356 2828300 55 G1/2”-3/4” M16*6 1414 2121 2828 3534 4241 1366 2049 2732 3415 4099 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 34 頁?、升降氣缸的參數(shù)及計(jì)算：升降氣缸由氣動(dòng)上升，靠自重下降，行程 150 毫米，缸徑?125 毫米，活塞桿直徑為 30 毫米，升降速度為 500 毫米/秒，若按氣壓 p=4 公斤/厘米 2和汽缸效率?=0.8計(jì)算。則其上升時(shí)的驅(qū)動(dòng)推力 P 推 為P 推 = 公 斤4912????pD則輸入空氣流量 Q=(Q 1+Q2)n 米 3/分式中 n—活塞每分鐘往復(fù)行程的次數(shù)，次/分；Q1—無桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米 3。Q 1= [式中 S—?dú)飧椎男谐?，?204D??米； D—活塞直徑，厘米]；Q2—有桿腔的壓縮空氣耗氣量， 米 3。Q 2= [式中氣 d—活塞桿直??62104d???徑，厘米]；由于升降氣缸靠自重下降，所以Q= =0.07(米 3/分)62104SD??Ⅱ、前后伸縮氣缸的參數(shù)及計(jì)算：前后伸縮氣缸的行程為 600 毫米，缸徑為?100 毫米，活塞桿直徑為 25 毫米，若按氣壓 p=4 公斤/厘米 2和氣缸效率?=0.8 計(jì)算。則其上升時(shí)的驅(qū)動(dòng)推力 P 推 為P 推 = 公 斤5142???pDP 拉 = =235 公斤????d2則輸入空氣流量 Q 為Q=（ + ）n62104SD????62Sd? 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 34 頁= 0.65(米 3/分)Ⅲ、 回轉(zhuǎn)氣缸的參數(shù)及計(jì)算：經(jīng)過設(shè)計(jì)方案的比較得出的結(jié)論是：采用回轉(zhuǎn)氣缸比用兩個(gè)直動(dòng)氣缸帶動(dòng)齒條齒輪所獲得回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果要緊湊?；剞D(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為 B=120 毫米，缸徑2R=180 毫米，軸徑 2r=50 毫米，若按氣壓 p=4 公斤/厘米 2和氣缸效率?=0.9 計(jì)算?；剞D(zhuǎn)氣缸的扭矩是由動(dòng)片受壓面積及其中心到回轉(zhuǎn)軸線的半徑?jīng)Q定的。當(dāng)計(jì)及氣缸效率后輸出的扭矩 M 的計(jì)算公式為M=Bp?(R2-r2)/2=12?4?0.9?（9 2-2.52）/2=1620 公斤.厘米=16.2 公斤.米則輸入空氣流量為：Q 3=3b(D2-d2)ω/400=3? 12? (18 2-52)?0.5/400=13.455 升/分=0.0135 米 3/分Ⅳ、手指夾緊氣缸的參數(shù)及計(jì)算：手指夾緊氣缸的設(shè)計(jì)參數(shù)為：缸徑 ?50 毫米，活塞直徑為 16 毫米，v=2.5 厘米/秒，工件重量 G=10 公斤， “v”形手指的角度 2θ=120 0，b=50mm,h=36mm, =300,?摩擦系數(shù) f=0.1。若按氣壓 p=4 公斤/厘米 2和氣缸效率?=0.8 計(jì)算，其手張開時(shí)的驅(qū)動(dòng)力為：根據(jù)銷軸的力平衡條件，即∑F x=0,P1=P2；∑F y=0P=2P1cos ， P 1=P/（2cos ）??銷軸對(duì)于手指的作用力為 P1’,且 P1’=-P1。夾緊力為 N。由手指的力矩平衡條件，即∑m 01(F)=0 得：P 1’h=Nb夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力: P=(2b/h)×N 2α2αα 1αα 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 34 頁又因握力: N=0.5Gtg(θ-ψ); ψ=tg -1f=0.510tg(600-5042’)≈7kg所以 P=(2b/h)×N=(2×50/36)×7=19.4kgP 實(shí)際 ≥ ?21K?式中 η-手部的機(jī)械效率，取 0.85；K1-安全系數(shù)，取 1.5；K2-工作情況系數(shù)，可近似按下式估計(jì)，K 2=1+a/g,其中 a 為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g 為重力加速度（g=9.8m/s 2） 。P 實(shí)際 = ≈62kg ?1K?則輸入空氣流量為：Q4=(?D2v)/4=(3.14×52×2.5)/4=0.050 米 3/分則總的空氣流量為：Q=Q1+Q2+Q3+Q4=0.7835 米 3/分3.1.2 空氣壓縮機(jī)的選擇空氣壓縮機(jī)是將動(dòng)力供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置?？諝鈮嚎s機(jī)的種類有很多如：風(fēng)冷微型空氣壓縮機(jī)、移動(dòng)式風(fēng)冷 V 型空氣壓縮機(jī)、固定式水冷 L 型空氣壓縮機(jī)，活塞式無油潤滑空氣壓縮機(jī)。根據(jù)上面的計(jì)算出的總的空氣流量選擇空氣壓縮機(jī)，具體參數(shù)見下表： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 34 頁最后決定選擇：雙級(jí)壓縮型的，型號(hào)為 3W-0.8/10，就能滿足要求。3.2 小車的設(shè)計(jì)及計(jì)算在本設(shè)計(jì)中，小車作為機(jī)械手的行走裝置，它是采用氣壓馬達(dá)提供動(dòng)力并帶動(dòng)輪子沿軌道運(yùn)動(dòng)，由于氣馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速比小車運(yùn)動(dòng)快，所以需要配一個(gè)減速裝置， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 34 頁減速裝置可用一個(gè)減速箱加上鏈傳動(dòng)。由于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)可能翻轉(zhuǎn)，所以設(shè)計(jì)時(shí)配重塊要和手臂一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。小車的尺寸設(shè)計(jì)為：長為 800 毫米，寬為 500 毫米，高為 300 毫米，材料為鋁合金（鋁合金密度為 2.7 噸/立方米）。3.2.1 氣壓馬達(dá)的選擇小車的速度為：V=3 厘米 /秒氣壓馬達(dá)的選用：選用的氣壓馬達(dá)的功率能克服摩擦力產(chǎn)生的功率就可以。摩擦力產(chǎn)生的最大功率為： =0.9 馬力wvFPf60?經(jīng)考慮我選擇了 HS-50A 型號(hào)的活塞式氣馬達(dá)，額定功率為 3 馬力，工作氣壓為 p=5-7 公斤/厘米 2，額定轉(zhuǎn)速為 1050r/min，額定空氣消耗量為 3 米 3/分。參考書：《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P816 表 12-91 73.12073 4438.2V33.2.2 軸的計(jì)算與校核（1）軸直徑的計(jì)算小車輪子的轉(zhuǎn)速 n=30r/min,則軸的轉(zhuǎn)速 n1=n=30r/min,氣壓馬達(dá)的功率 P0=5KW,則P1= P0?η 0=5?0.9=4.5 KwT1=9550? P1/ n1=9550?4.5/30=1432.5N.md1≥ A31P1——軸所傳遞的功率，KW；η 0——傳動(dòng)效率；T1——軸所傳遞的扭矩，N.M；d1——軸的截面直徑，mm；軸的材料選用 45 號(hào)鋼，查表得 A=110 代入式中得d1≥58.44mm 則取 d1=60mm計(jì)算公式參考：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 P454（2）軸的強(qiáng)度校核由于傳動(dòng)軸主要是受轉(zhuǎn)矩，所以軸的強(qiáng)度條件為： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 34 頁τ= T 1/WT≈[9.55?10 6?（P 1/ n1 ）]/0.2 =34.8MPa≤[τ],3d[τ]=40 MPaτ——周的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；WT——軸的抗扭截面模量，mm 3，查表得對(duì)于實(shí)心圓軸，W T=? /16≈0.2 ;3dd[τ]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；所以經(jīng)校核軸滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算公式參考：《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 P4543.2.3 軸承的選擇由上步計(jì)算得軸的最小直徑為 60mm，則查表得軸承的型號(hào)為 6000。其參數(shù)為：軸承內(nèi)徑：d=60mm外徑：D=95mm軸承寬：B=11mm參考書：《現(xiàn)代綜合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P1249 表 4.10-183.2.4 聯(lián)軸器的選擇馬達(dá)和減速箱之間用聯(lián)軸器相連。聯(lián)軸器的名義扭矩T=9550 =1432.5N.mnP聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩TKAca?查表得 K A=1.3， 則=1.3?1432.5=1862.25 N.mAca參考書：《現(xiàn)代綜合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P1092 表 4.7-5 選用 GB5843-86 3.2.5 減速裝置由于氣壓馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速比小車運(yùn)動(dòng)要求的速度要大，所以還需要一個(gè)減速裝置。有減速機(jī)的傳動(dòng)比選擇 RV 系列蝸桿減速器——NMRV063。4 機(jī)械手臂的工作原理 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 34 頁4.1 氣動(dòng)原理圖 手 臂 升 降 氣 缸 手 臂 伸 縮 氣 缸 手 臂 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 手 指 夾 緊 氣 缸開 關(guān) 快 換 街 頭 儲(chǔ) 氣 罐 分 水 過 濾 器 調(diào) 壓 閥 壓 力 表油 霧 器-201壓 力 繼 電 器-11234 7856單向節(jié)流閥調(diào) 節(jié) 閥單向節(jié)流閥調(diào) 節(jié) 閥4-51可調(diào)節(jié)流閥空 氣 壓 縮 機(jī) -201-201單向節(jié)流閥 單向節(jié)流閥4.2 電磁鐵動(dòng)作程序表 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 34 頁序 號(hào)123479102電 磁 鐵動(dòng) 作 12345678手 臂 上 升手 臂 前 伸手 指 張 開手 指 閉 合手 臂 縮 回手 臂 回 轉(zhuǎn)手 臂 前 伸手 指 張 開手 指 閉 合手 臂 縮 回134手 臂 反 轉(zhuǎn)手 臂 下 降5結(jié)合機(jī)械手氣壓系統(tǒng)圖說明其動(dòng)作循環(huán)過程。壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，使機(jī)械手開始按程序動(dòng)作。首先，電磁鐵 1DT 通電，壓縮空氣從電磁閥的左邊通道經(jīng)單向節(jié)流閥進(jìn)入手臂升降油缸的上腔，推動(dòng)手臂上升。在手臂上升到一定位置，碰行程開關(guān)，使 1DT 斷電，并發(fā)出信號(hào)使 3DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的左側(cè)，推動(dòng)手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 7DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手指夾緊氣缸的左側(cè)，使手指張開。在延時(shí)結(jié)束后，7DT 斷電，使 8DT 通電，手指夾緊工件；并同時(shí)發(fā)出信號(hào)使 4DT 通電， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 34 頁壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的右側(cè)，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰到行程開關(guān)使 4DT 斷電并發(fā)出電信號(hào)，使 5DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的一腔使手臂回轉(zhuǎn) 950。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰到行程開關(guān)使 5DT 斷電，并發(fā)出電信號(hào)使 3DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的左側(cè)，推動(dòng)手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 7DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的左邊通道進(jìn)入手指夾緊氣缸的左側(cè)，使手指張開，延時(shí)到 7DT 斷電，使 8DT通電，手指閉合，并發(fā)出電信號(hào)使 4DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道經(jīng)快速排氣閥進(jìn)入手臂前后伸縮氣缸的右側(cè)，使手臂縮回。當(dāng)手臂上的碰鐵碰到行程開關(guān)使 4DT 斷電并發(fā)出電信號(hào)，使 2DT 通電進(jìn)行排氣，手臂則靠自重下降。在手臂下降到一定位置，裝在手臂上的碰鐵碰到行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，使 6DT 通電，壓縮空氣由電磁閥的右邊通道進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的另一腔使手臂反轉(zhuǎn) 950。機(jī)械手復(fù)位，機(jī)械手的循環(huán)結(jié)束。4.3 機(jī)械手的緩沖和定位1、手臂升降運(yùn)動(dòng) 上升緩沖定位是靠可調(diào)碰鐵觸動(dòng)行程開關(guān)而發(fā)出信號(hào)，切斷氣路來實(shí)現(xiàn)的。下降運(yùn)動(dòng)是采用油缸端部可調(diào)節(jié)流緩沖，活塞與油缸端蓋相碰而定位。2、手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 手臂伸出有行程開關(guān)適時(shí)斷電而切斷油路，手臂滑行靠慣性緩沖，有死擋塊定位；手臂縮回沒有定位精度要求，又終點(diǎn)行程開關(guān)適時(shí)斷電，由活塞和油缸端蓋相碰而定位。3、手臂水平回轉(zhuǎn) 在回轉(zhuǎn)油缸的兩腔安裝單向調(diào)速閥，控制手臂的回轉(zhuǎn)速度。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 34 頁結(jié) 論本次近距離自動(dòng)移動(dòng)式機(jī)械手臂——?dú)鈮候?qū)動(dòng)的畢業(yè)在此告于段落。它靠氣泵驅(qū)動(dòng)小車至指定地點(diǎn)，完成工件的搬運(yùn)。由于本次設(shè)計(jì)的是氣動(dòng)機(jī)械手，但平時(shí)看到和接觸的大都是液壓的和電氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，雖然氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)總體來說是大同小異的，但有些參數(shù)和計(jì)算還是不同的，所以還是遇到了些困難。在手臂的設(shè)計(jì)中由于沒有親眼看到過真正的機(jī)械手臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以有些地方不可能考慮得很周全。但總的來說至少自己努力了，也察看了很多關(guān)于這方面的資料，詢問了老師終于基本上完成了本次設(shè)計(jì)，心里還是很高興的。剛開始做設(shè)計(jì)的時(shí)候有些無從下手，一時(shí)掌握不到要領(lǐng)，經(jīng)過一段時(shí)間的摸索終于有了些頭緒，但自己考慮得很簡單，經(jīng)過幾次與老師的討論后才發(fā)現(xiàn)還有很多沒考慮的地方和不足之處，感覺要搞一個(gè)設(shè)計(jì)還真不是件容易的事。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 32 頁 共 34 頁致 謝這次設(shè)計(jì)能夠順利完成首先要感謝呂夏老師的不斷指導(dǎo)，由于自己對(duì)氣壓傳動(dòng)這方面也不太熟悉，剛開始都不知何處下手，呂老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過程中又遇到了許多困難，但老師總是不厭其煩的講給我們聽，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。呂老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個(gè)階段。在這里再次感謝呂老師的幫助！ 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 33 頁 共 34 頁參 考 文 獻(xiàn)1 曹承志.電機(jī)、拖動(dòng)與控制學(xué).第 3 版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20002 王庭樹.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué).第 2 版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 1990.123 孟繁華.機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).第 1 版. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989.64 馬香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué).第 1 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1991.95 趙錫芳.機(jī)器人動(dòng)力學(xué).第 1 版.上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.126 高松海.遙控機(jī)器人.第 1 版.北京：原子能出版社，19817 孫耀明.微型機(jī)算計(jì)在機(jī)器人技術(shù)中的作用.第 1 版.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，19878 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè).第 2 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20029 陳奎生.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng).第 1 版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001.810 何存興.張鐵華.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng).第 3 版.武漢：華中理工大學(xué)出版社，199811 宋學(xué)義.袖珍液壓氣動(dòng)手冊(cè).第 1 版.重慶：重慶大學(xué)出版社，199712 機(jī)械工業(yè)部.中小型電機(jī)產(chǎn)品樣本.第 1 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199513 李發(fā)海.王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).第 1 版.北京：清華大學(xué)出版社，199414 諸靜.機(jī)器人與控制技術(shù).第 1 版.浙江：浙江大學(xué)出版社，199115 熊有倫.丁漢.劉恩滄.機(jī)器人學(xué).第 1 版. 機(jī)械工業(yè)出版社，199316 吳廣玉.姜復(fù)興.機(jī)器人工程導(dǎo)論.第 1 版.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，198817 王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用.第 1 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,198118 天津大學(xué)編寫組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).第 1 版.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,1979 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 34 頁 共 34 頁