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編號：
桂林電子科技大學信息科技學院
畢業(yè)設計(論文)
題 目： 氣動機械手
院 （系）： 機電系
專 業(yè)： 機械設計制造及自動化
學生姓名：
學 號：
指導教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 ■工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā) ¨應用研究
2015年 5月 1日
摘 要
機械手是在在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置,使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。機械手能代替人類、重復枯燥完成危險工作，提高勞動生產(chǎn)力,減輕人勞動強度。該裝置涵蓋了位置控制技術可編程控制技術、檢測技術等。本課題擬開發(fā)的物料氣動機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關參數(shù),可代替人工在高溫危險區(qū)進行作業(yè)，。
關鍵詞：機械手, 氣動機械手，抓取，提升
43
Abstract
The manipulator is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, a grasping and moving the workpiece function automation device use. Manipulator can be boring to do dangerous work instead of humans,, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device includes position control technology and programmable control technology, detection technology. This paper intends to develop material pneumatic manipulator can grasp up in space objects, flexible movement, any changes to the relevant parameters according to the changing and the movement process requirements, it may replace human work in high risk area
Keywords: manipulator, pneumatic manipulator, grab, lifting
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 課題背景及目的 1
1.2 機械手的定義 1
1.3 氣動機械手概念 1
1.4 氣動機械手的組成 1
1.5 氣動機械手的應用 2
1.6 課題研究的背景和意義 2
1.7 國內(nèi)外氣動機械手的研究 2
1.8 氣動機械手的應用 3
第2章 氣動機械手設計要求與方案 4
2.1 氣動機械手設計要求 4
2.2 基本設計思路 4
2.2.1 系統(tǒng)分析 4
2.2.2 總體設計框圖 4
2.2.3 氣動機械手的基本參數(shù) 5
2.3 氣動機械手結構設計 5
2.4 機械手材料的選擇 6
2.5機械臂的運動方式 6
2.6 氣動機械手驅動方式的選擇 7
2.7 動作要求分析 7
2.8 氣動機械手結構及驅動系統(tǒng)選型 8
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設計 9
3.1夾持器結構設計與校核 9
3.1.1夾持器種類 9
3.1.2夾持器設計計算 10
3.1.3夾持器校核 11
3.2升降方向設計計算 11
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 11
3.2.2 升降氣缸計算 12
3.2.3 活塞桿的計算校核 14
3.2.4 氣缸工作行程的確定 15
3.2.5 活塞的設計 16
3.2.6 導向套的設計與計算 16
3.2.7 端蓋和缸底的計算校核 17
3.2.7 缸體長度的確定 18
3.2.8 緩沖裝置的設計 18
3.2.9 氣缸的選型 18
3.3 水平方向設計計算 20
3.3.1 水平方向計算 20
3.3.2 氣缸的選型 20
3.4底座回轉機構設計計算 22
3.4.1 回轉部位負載計算校核 22
3.4.2 馬達的選型 24
3.5機身結構的設計校核 25
3.5.1 馬達的選擇 25
3.5.2 螺柱的設計與校核 26
3.5.3 機座的機械結構 27
3.6氣動機械手的定位及平穩(wěn)性確定 28
3.6.1常用的定位方式 28
3.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 28
3.6.3氣動機械手運動的緩沖裝置 29
第4章 氣動驅動系統(tǒng)設計 31
4.1手部抓取缸 31
4.2 腕部擺動氣動回路 32
4.3小臂伸縮缸氣動回路 33
4.4總體系統(tǒng)圖 34
第5章 上位機控制控制系統(tǒng)設計 36
5.1系統(tǒng)控制算法設計 37
5.2 機械手控制系統(tǒng)的硬件部分 39
5.3 機械手控制系統(tǒng)的軟件部分 40
總 結 41
參考文獻 42
致 謝 43
第1章 緒論
1.1 課題背景及目的
畢業(yè)設計是機械設計制造及其自動化專業(yè)學校的最后的一環(huán)，四年的大學學習的深化和檢查，即實踐性綜合性，其他的單一的課程是無可替代的，通過畢業(yè)設計更高的綜合訓練練能力不久，對工作崗位，實際工作能力的重要作用。下次的目的達到：
（1）綜合運用學的基礎理論，基本知識和基本技能實際分析、解決問題的能力。
（2）必須接受綜合培訓的工程師，實際工作能力。例如，文獻調(diào)査研究調(diào)查收集資料分析能力制定、設計和試制方案的能力；設計和圖形，計算能力；總結寫論文能力提高。
（3）檢查綜合素質和實踐能力。
1.2 機械手的定義
現(xiàn)在，工業(yè)機械手的定義，世界各國還統(tǒng)一，分類也不同。最近聯(lián)合國國際標準化機構通過了。美國機械手協(xié)會工業(yè)機械手下的定義：工業(yè)機械手是一種再現(xiàn)編程的多功能的操作裝置改變行動程序，各種工作，主要工作搬運材料，繼電器。
1.3 氣動機械手概念
氣動機械手（機器人）自動封裝的機械裝置。那是高級綜合控制論，機械電子計算機，材料和仿生學的產(chǎn)物。工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)也軍事等領域，是重要的用途。
氣動機械手近50年的快速發(fā)展的是一種具有代表性的、機械、電子控制系統(tǒng)的結構，自動化程度高的生產(chǎn)工具。生產(chǎn)制造業(yè)、機械工業(yè)氣體動廣泛應用技術。那是自動化程度高，改善勞動條件，確保產(chǎn)品質量的提高工作的效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術革命
1.4 氣動機械手的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般手部、手腕、手臂部，機身機床等，其中最主要的是運動系。
氣動機械手主要執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的三部分。
手夾（或吸附，您持）和放松的工作和工具的零部件，是指（或吸盤），驅動元件和驅動元件等構成。
時間，速度和加速度等參數(shù)。
氣動機械手與本體及其他相關設備之間的聯(lián)系[3]。
1.5 氣動機械手的應用
按氣動機械安排置形式分可分為：架空式空氣機械手，附件機式空氣機械手，落地式空氣機械手3種。另外，安裝自動線費道路和費路邊，工作，實現(xiàn)材料，傳輸位錯，轉向等用途的氣動機械手，他們是運動的單一，結構簡單，位置精度柔軟和一般要求低的特征。
氣動機械手通使用機床和其他機器的附加裝置等，自動機床和自動生產(chǎn)線的處理和傳達的工作，加工中心的輪流刀等，一般是獨立的控制裝置[3]。
1.6 課題研究的背景和意義
現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)是人類的日常生活，氣動機器人技術也廣泛的應用。研究智能類，人氣動畫的機械手是近年來科學家一致取組方向。類，人氣動畫的機械手是人類的模型，這是模仿人類的各種動作和人類的外部的特征。未來的氣動機械手執(zhí)事不是夢。
按氣動機械手結構的不同，氣動機械手很多。輪式移動氣動機械手，履帶氣動機械手，機械手，步行氣動機械手等。順便說一下，徒步氣動機械手，他是近年來類人機器研究的重要成果。它的移動方式和大多數(shù)動物一樣是人也。這是一種很復雜的自動化程度高的運動。對傳統(tǒng)的車輪式和履帶氣動機械手，環(huán)境的適應能力強。很小的空間作業(yè)，不平的道路上如履平地，樓梯等。將來不久，這個技術廣泛應用。
氣動機器人研究制作中，使用電腦設計的空氣機械手的模擬是一個很重要的過程。氣動機械手模擬包括零部件造型，零件裝配，最后運動模擬。模擬，通過設計師直觀觀察各機構的運動情況？干涉，能夠清楚各部件的受力時，各種模擬數(shù)據(jù)。這個方法大幅度節(jié)約時間和成本的開發(fā)。
1.7 國內(nèi)外氣動機械手的研究
工業(yè)氣動機械手在日本應用的歷史非常悠久。年代工業(yè)氣動機械手首先使用，十年的發(fā)展，80年代的時候工業(yè)氣動機械手已經(jīng)得到普及。相應的他們的工業(yè)產(chǎn)值也得到了迅速提高年。1980年一千億日元，達到了1990年至六千億円。2004年1萬日元，達到了八千五百億?？梢姽I(yè)氣動機械手的重要性，提高生產(chǎn)效率。
在國際上，各國意識工業(yè)氣動機械手的重要性。所以工業(yè)氣動機械手的訂單急劇上升。2003年的訂貨量是2002年相比增加了百分之10。氣動此后工業(yè)機械手的需求量上升。2001年至2006年世界的訂單90000多臺。年平均增長7 %。
國際氣動機器人的發(fā)展方向：
氣動機械手觸到非常多學科的知識和領域。電腦、電子、控制，人工智能，傳感器，通信網(wǎng)絡，控制、機械等。氣動機器人的發(fā)展離不開上述的學科的發(fā)展。正因為如此，各學科相互影響和綜合集成，正是制造自動化程度高的人。隨著科學技術的進步，氣動機械手應用范圍越來越大，技術也越來越高，功能更加強大?，F(xiàn)在是氣動機器人的研究也小型化的發(fā)展。氣動機械手更多的人們的日常生活中去。整體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化，更加智能化。
機械工業(yè)氣體地動手的廣泛應用，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)能力，安全保障者，勞動環(huán)境的改善，勞動強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約降耗和降低生產(chǎn)成本，非常重要的作用。機械工業(yè)氣體地動手的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，但人們的生活方便與美麗。
1.8 氣動機械手的應用
氣動機械手，汽車產(chǎn)業(yè)之后出現(xiàn)的是一種大型高新技術產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，氣動機械產(chǎn)業(yè)市場前景良好的發(fā)展手。從20世紀世界的房地產(chǎn)業(yè)機械手一直在穩(wěn)步增加。20世紀90年代，氣動機械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長，年平均增長率10%。2004年的記錄達成的百分之20。在亞洲航空機械手的需求量很多，年增長率為百分之四十三。40年的發(fā)展，機械工業(yè)氣體地動手到很多領域的應用。氣動機械手制造業(yè)中應用最廣泛。如果焊接、熱處理、涂料、機械加工、組裝、檢測和倉庫沉積毛，坯制造（五金，壓鑄、鍛造等）等的作業(yè)中，氣動機器二掌柜結束手工生產(chǎn)效率提高。
第2章 氣動機械手設計要求與方案
2.1 氣動機械手設計要求
1、根據(jù)要求設計氣動機械手設計整套圖紙；
2、機械手能實現(xiàn)伸縮手300mm和升降功能500mm；
3、機械手能實現(xiàn)轉向90度和定位功能；
4、機械手能實現(xiàn)抓緊和松開功能。
2.2 基本設計思路
2.2.1 系統(tǒng)分析
機械手是生產(chǎn)過程自動化，實現(xiàn)提高勞動生產(chǎn)率的一種強有力的工具。同樣在生產(chǎn)過程中自動化，各種機械化，自動化的經(jīng)濟和技術的綜合分析，機械手是否合適判斷。所以完成機械手的設計，一般是先這樣的工作：
（1）造成機械手的使用情況，明確機械手的目的和任務。
（2）分析機械手所在的系統(tǒng)的工作環(huán)境。
（3）仔細分析系統(tǒng)的工作的要求，機械手的基本功能和方案，例如機械手的自由度數(shù)，動作速度，定位精度，自由泳重量等。并且，氣動抓取物體的質量，形狀和尺寸及生產(chǎn)樂途等狀況確認手手爪形式和機械的抓取工件的部位和握力尺寸。
對此，我做了如下分析：
（1）本設計課題物質氣動機械手設計，機械兩物輸送機械手。機械手，在使用時，非常寬廣，相關物質的狀態(tài)，運營線的環(huán)境等因素中，我所擁有的理論知識和能力，我選擇非量產(chǎn)的小型物體加工線上的材料的氣動機械手。
我選擇（2）的機械手是非量產(chǎn)的小型物體加工線上的材料的氣動機械手，機械手所在的系統(tǒng)的工作環(huán)境一定會尋求工廠，精度高，F(xiàn)T率低、速度快。
2.2.2 總體設計框圖
圖2 總體設計框圖
圖2總設計圖，說明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務是手的工作而機械指令程序和傳感器歸還的信號，控制機械手的執(zhí)行機關，完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標的CPU的選擇，CPU的程序編制調(diào)試等。
(2) 驅動傳動系統(tǒng)：系統(tǒng)工作的驅動裝置。
(3) 機械系統(tǒng)：包括實體，機器人扶手、手腕、手手爪。需要確定其自由度、坐標形式計算具體結構。
(4) 也就是說傳感器檢測系統(tǒng)的選擇及具體作用。
2.2.3 氣動機械手的基本參數(shù)
1 .機械手的最大氣物質的重量是它的主要參數(shù)。本論文物質氣動機械手空氣的材料的品質可以設定1噸。
2 .運動速度直接影響機械手的動作速度和機械手的動作的穩(wěn)定性，所以運動速度也材料氣動機械手的主要基本參數(shù)。設計速度太低的話，無法滿足的機械手的動作的功能限制機械手的使用范圍。設計速度增強機械手的高負荷的機械手動作的穩(wěn)定性的影響。
三點伸縮日程決定工作半徑是機械手工的范圍及機械尺寸的鑰匙，手也機械設計的基本參數(shù)。
3 .定位精度機械手的主要基本參數(shù)的一個。機械手精度低，完成不了的功能，精度高成本的增加。綜合考慮，這種物質氣動機械手的定位精度，設定為0.1毫米之間士士。材料的氣動機械手的各部分基本參數(shù)上面已經(jīng)知道物質氣動機械手各關節(jié)的日程和時間決定分配。
2.3 氣動機械手結構設計
根據(jù)所設計的機械手的運動方式：機械臂的轉動，機械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機械手按照坐標的分類情況，選擇圓柱坐標式機械手更為妥當。
2.4 機械手材料的選擇
機械手而手臂的材料手臂的工作情況選擇，滿足機械手的設計和制作的要求。設計的思想出發(fā)，機械的才干完成各種運動。所以，對材料的要求作為運動的零件，應有的輕型材料。另一方面，手臂運動過程中經(jīng)常振動必然大幅降低其運動精度。所以選擇材料的時候，質量，剛度，衰減綜合考慮，從而有效手臂的動態(tài)性能提升。另外，機械手腕材料和一般的構造材料不同。機械的手腕，是一種抑制伺服機構，必須考慮其控制性。手臂材料，控制性和材料的加工性、結構、品質等的性質一起考慮。
總之，選擇機器手腕的材料的綜合考慮，強度，剛度，重量和彈性，耐震性和外觀和價格等的要素。一些常用的手腕介紹機械材料：
（1）的碳合金鋼結構鋼結構等高張力鋼：這些材料的強度好，尤其是合金鋼結構強度增加了4～5倍，彈性模量E大，抗變形力很高，最廣泛的材料，
（2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料：其共同的特點是重量輕、彈性模量E不大，但是小材料的密度，E / p的比例鋼材相比，
（3）陶瓷器：陶瓷材料的優(yōu)秀的質量，但是脆性很大，加工型是不好的，金屬等部件連接的接合部特殊設計。但是，日本己試制的小型高速機械手使用陶瓷機械手腕的樣品，
本文從設計的機械手的角度來看，選用材料不需要大負荷能力也不需要的高彈性率和抗變形能力考慮，另外材料的成本，加工性等因素。評價了各種因素結合工作狀況的條件下，預備選舉鋁合金材料和機器臂。
2.5機械臂的運動方式
常見的機械手運動形式的5種：SCARA型，直角坐標型極坐標型，關節(jié)型圓柱座標型。主要的運動中的參數(shù)選擇的運動形式結構設計的基礎。同一種類的運動形態(tài)分類生產(chǎn)工藝的必要為了適應不同的結構，采用。具體是什么位置，選擇使用必須根據(jù)形狀不同，作業(yè)要求，工作現(xiàn)場和空氣動力學前后工作中心線方向的變化等的情況，分析比較優(yōu)秀者選擇。
這個機器的手，兩肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，兩個或三腕關節(jié)取向。其中，肩關節(jié)垂直軸旋轉，另一個肩膀關節(jié)實現(xiàn)間距。這兩個肩膀關節(jié)軸線直角。肘關節(jié)平行第二肩關節(jié)軸線，考慮到機械手的工作的特點，即要求其動作靈活，大工作的空間，且緊湊的結構，要求占用空間等特征選用小，所以關節(jié)型機器人。如圖所示。這個形狀動作敏捷，工作空間大作業(yè)時空間內(nèi)的手臂的干涉，是最小，緊湊，占地面積小，關節(jié)相對運動部密封防塵容易?？墒沁@些機器手運動學復雜，運動學的反解難；確定基層軸的身影直觀的，并且控制時，計算量大。
圖3 常見的運動方式
2.6 氣動機械手驅動方式的選擇
機械手常用的驅動方式主要是氣動驅動，氣動驅動馬達驅動和4種基本形式。
但是和氣動驅動相比，電力小，氣動驅動的能源，構造相對簡單速度不易控制，精度高。
馬達驅動能源簡單，速度與位置的高精度的，使用方便，噪音低，機關速度變化范圍大，效率高，控制柔軟。
氣動驅動的特點是輸出大省，結構簡單，減速裝置，響應速度快，高精度的。但是有空氣源，而且容易發(fā)生氣體泄漏。
最初，我先選擇馬達驅動構造，經(jīng)常機械手的升降運動運用純機械結構是理想的螺槳效應。機械臂旋轉的話使用氣動和氣動驅動必須旋轉氣動和回轉油缸，相對復雜的構造不同設計。
所以方案，分成兩個部分驅動方式。其中，機器人臂旋轉驅動的驅動方式，通過旋轉驅動馬達驅動齒輪連鎖，機器人扶手的伸縮，升降和機械手的抓取，氣動驅動方式。
2.7 動作要求分析
動作一：送 料
動作二：預夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉
預夾緊
手臂上升
手臂旋轉
手臂伸長
手臂轉回 手腕旋轉
圖2.2 氣動機械手動作簡易圖
2.8 氣動機械手結構及驅動系統(tǒng)選型
本課題設計的空氣機械手上通用的氣動機械手的時候，坐標系圓柱座標系統(tǒng)結構。驅動系統(tǒng)馬達驅動和氣傳動皮帶驅動用，電動機驅動的旋轉和手臂上下移動，氣動驅動用手臂的伸縮和氣動手夾取機器和反轉[3]。
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設計
3.1夾持器結構設計與校核
3.1.1夾持器種類
1 .連桿杠桿式手手爪
這手用手爪活塞的推力下，連桿和桿的手手爪發(fā)生夾緊（放松）的運動，杠桿力量的放大作用可能產(chǎn)生這雙手，手爪較大的夾緊力。通常和彈簧共同使用。
楔杠桿式手手爪2。
利用楔和杠桿實現(xiàn)手手爪的松，打開，實現(xiàn)自由泳ー。
齒條和amp；小齒輪式手手爪3。
這手手爪活塞推進架，架驅動齒輪旋轉，手手爪夾緊和放松動作。
射門式手手爪4。
前活塞運動時，射門銷推進手手爪合并，夾緊動作和夾緊力在后面，活塞運動時，手爪放開手。這手手爪開閉行程較大，適應大小不同的物體爬行。
平行杠桿式手手爪5。
不需要導游保證手手爪的兩手指平行運動平行四邊形機構采用，因此，軌道的平行移動手手爪帶有更多的摩擦小
結合的具體的工作情況，采用連桿杠桿式手手爪。驅動活塞來回移動，活塞桿端部架，中間架和扇形機架擴大或手指懸掛。手指的最小的開度是加工工作的直徑調(diào)整定。這個設計的東西用繩索捆綁最大直徑50mm的設計。
a .適當夾緊力
手的工作的時候，應該擁有適當?shù)膴A緊力，以確保穩(wěn)定性和可靠性高的支持，變形小，工作是損壞加工面。剛性拙劣的工作夾緊力的大小是設計可以調(diào)節(jié)，沉重的工作應該考慮采用自鎖安全裝置。
b .充分的開關范圍
工作時，手指的開關位置最大是量的變化稱為開關范圍。支持類手的手指張開和關閉裝置。操作開關角度和手指夾緊邊長度表示。手的手指回轉型開關范圍，手指開關范圍的要求和許多因素關于
c .追求結構簡單，小型輕量
運動狀態(tài)作時變化，其結構，重量和體積的直接影響整個氣動機械手的構造重，定位精度，運動速度等的性能。手手前端，工設計、手追求時，需結構簡單，小型輕量。
d .手指應該一定的強度和剛度
所以送，采用最常用外盒式兩手指鉗手爪，夾緊方式時期結束儀式彈簧式離合器、夾緊氣動機械手，使工件的形狀，松開，單作用式缸。這個構造簡單，制造方便。
氣缸右腔停止進時，氣缸右腔進時松開工件。
3.1.2夾持器設計計算
手爪要能抓起工件必須滿足：
（3-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選取；
-----被抓持工件的重量 10；
帶入數(shù)據(jù)，計算得： ；
理論驅動力的計算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅動力；
----為夾緊力至回轉支點的垂直距離；
-----為扇形齒輪分度圓半徑；
-----為手指夾緊力；
---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得
計算驅動力計算公式為：
（3-8）
式中，-----為計算驅動力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
而氣缸的工作驅動力是由缸內(nèi)壓提供的，故有
（3-9）
式中，---為柱塞缸工作壓；
----為柱塞截面積；選取缸內(nèi)徑為50mm
3.1.3夾持器校核
活塞桿直徑查《氣動傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。本設計選擇d/D=0.7，d=35 mm
==9616N》377N
計算所得的力遠遠大于實際所需要的力，所以滿足要求。
經(jīng)計算，所需的壓約為： (后續(xù)章節(jié)進行介紹)
3.2升降方向設計計算
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力
表3-1 按負載選擇工作壓力[1]
負載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機械類型
機 床
農(nóng)業(yè)機械
小型工程機械
建筑機械
氣動鑿巖機
氣動機
大中型挖掘機
重型機械
起重運輸機械
磨床
組合
機床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表2-1和表2-2可知，氣動系統(tǒng)的最大負載約為15000N（零部件重量加上摩擦超載等因素），初選氣缸的設計壓力P1=1MPa
3.2.2 升降氣缸計算
為了滿足工作臺快速進退速度相等，并減小氣動泵的流量，則氣缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應滿足A1=2A2（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應滿足：d=0.707D。為防止切削后工件突然前沖，氣缸需保持一定的回背壓，并取氣缸機械效率。則氣缸上的平衡方程
故氣缸無桿腔的有效面積：
氣缸直徑
表1 氣缸內(nèi)徑系列GB/T2348-1980mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
500
按GB/T2348-1980，取標準值D=63mm；本來可以取50的，考慮不可預測的超載等因素，故在這取的略微大一些。
查《氣動傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。
因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.5D=31.5mm 取d=32（標準直徑）
表2 活塞桿直徑系列
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
(1) 氣缸缸體厚度計算
缸體是氣缸中最重要的零件，當氣缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。
式中，——實驗壓力，MPa。當氣缸額定壓力Pn5.1 MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。
注：1.額定壓力Pn
額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=1MPa
2.最高允許壓力Pmax
Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa
氣缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa
安全系數(shù)n按《氣動傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。
則許用應力[]==120MPa
=
=5.5mm
,滿足。所以氣缸厚度取10mm。
則氣缸缸體外徑為83mm。
3.缸筒結構設計
缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構成密封的壓力腔，因而它的結構形式往往和缸蓋及缸底密切相關[6]。因此，在設計缸筒結構時，應根據(jù)實際情況，選用結構便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應根據(jù)標準進行圓整。
3.2.3 活塞桿的計算校核
活塞桿是氣缸傳遞力的主要零件，它主要承受拉力、壓力、彎曲力及振動沖擊等多種作用，必須有足夠的強度和剛度。其材料取Q235鋼。
1. 活塞桿直徑的計算[1]
查《氣動傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。
因A1=2A，故活塞桿直徑d=0.707D=88.375mm按GB/T2348—1993將所計算的d值圓整到標準直徑，以便采用標準的密封裝置。圓整后得：
取d=90（標準直徑）
表2 活塞桿直徑系列
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
按最低工進速度驗算氣缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，因工進速度
為最小速度，則由式
（4-3）
本例=122.65625>1.25，滿足最低速度的要求。
2.活塞桿強度計算：
<90mm （4-4）
式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強度適中）
3．活塞桿的結構設計
活塞桿的外端頭部與負載的拖動馬達機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負載力，適應氣缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據(jù)負載的具體情況，選擇適當?shù)幕钊麠U端部結構。
4.活塞桿的密封與防塵
活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。
3.2.4 氣缸工作行程的確定
氣缸工作行程長度可以根據(jù)執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。氣缸活塞行程參數(shù)優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。
表4-4（a）氣缸行程系列（GB 2349-80）[6]
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
表4-4（b） 氣缸行程系列（GB 2349-80）[6]
40
63
90
110
140
180
220
280
360
450
550
700
900
1100
1400
1800
2200
2800
3600
表4-4（c） 氣缸形成系列（GB 2349-80）[6]
240
260
300
340
380
420
480
530
600
650
750
850
950
1050
1200
1300
1500
1700
1900
2100
2400
2600
3000
3400
3800
根據(jù)設計要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務書要求，根據(jù)表3-8，可選取氣缸的工作行程為1050mm。
3.2.5 活塞的設計
由于活塞在氣動力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起氣缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使氣缸達不到要求的設計性能?？紤]選用O型密封圈。
3.2.6 導向套的設計與計算
1.最小導向長度H的確定
當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度[1]。影響氣缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證氣缸有一定的最小導向長度。根據(jù)經(jīng)驗,當氣缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為:
（4-5）
一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d.。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。
圖4-1 氣缸最小導向長度[1]
因此:最小導向長度，取H=9cm；
導向套滑動面長度A=
活塞寬度B=
2.導向套的結構
導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。
3.2.7 端蓋和缸底的計算校核
在單活塞氣缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受氣動力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。
1.端蓋的設計計算
端蓋厚h為：
式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm；
P——氣動力，；
——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；
——材料的許用應力，。
2.缸底的設計
缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。
3.2.7 缸體長度的確定
氣缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般氣缸缸體長度不應大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。
3.2.8 緩沖裝置的設計
氣缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在氣動力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入氣缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響氣缸和整個氣動系統(tǒng)的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少氣缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。
當氣缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床氣動系統(tǒng)中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。
3.2.9 氣缸的選型
經(jīng)過比較，參考市場上的氣缸類型，選擇一種可靠優(yōu)質的氣缸產(chǎn)品的生產(chǎn)商—速易可（上海）有限公司http://www.tonab.net/about_us.asp。
速易可氣動（上海）有限公司成立于2004年，從事于空壓零組件和設備研 究、生產(chǎn)、銷售的自動化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營銷國內(nèi)外市場，產(chǎn)品主要有空氣凈化組件、氣動控制組件、氣動執(zhí)行組件、輔助組件、空壓設備，產(chǎn) 品廣泛應用于醫(yī)療器械、工業(yè)機械手、食品包裝機械、紡織機械、半導體設備、軌道交通、煙草機械、機床自動控制、真空搬運、汽車制造、教學培訓等行業(yè)。
速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿氣缸、滑臺氣缸、止動氣缸、回轉氣缸、機械夾、回轉夾緊氣（）壓缸、導桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標準型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關氣動輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63.
3.3 水平方向設計計算
3.3.1 水平方向計算
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l =100mm。如圖3.4所示。
工件
圖3.4 受力簡圖
(1)計算扭矩[4]
(2)氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =10000N S =1m（最大行程時）
帶入公式2.9得
=10000×10×1 =100000（N·M）
由于水平方向的氣缸與升降方向的有些類似，在此不在一一列舉
3.3.2 氣缸的選型
速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿氣缸、滑臺氣缸、止動氣缸、回轉氣缸、機械夾、回轉夾緊氣（）壓缸、導桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標準型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關氣動輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計算，在這選擇YAM63.
3.4底座回轉機構設計計算
腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。
要求：回轉360o
角速度=45o/s
3.4.1 回轉部位負載計算校核
.若傳動負載作回轉運動
負載額定功率： （3-24）
負載加速功率： （3-25）
負載力矩（折算到馬達軸）：
（3-26）
負載GD（折算到馬達軸）：
（3-27）
起動時間：
（3-28）
制動時間：
（3-29）
式中，-----為額定功率，KW；
-----為加速功率，KW；
-----為負載軸回轉速度，r/min；
-----為馬達軸回轉速度，r/min；
-----為負載的速度，m/min；
-----為減速機效率；
-----為摩擦系數(shù)；
-----為負載轉矩（負載軸），；
-----為馬達啟動最大轉矩，；
-----為負載轉矩（折算到馬達軸上），；
-----為負載的，；
-----為負載（折算到馬達軸上），；
-----為馬達的，；
具體到本設計，因為步進馬達是驅動腰部的回轉，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。
因為腰部回轉運動只存在摩擦力矩，在回轉圓周方向上不存在其他的轉矩，則在回轉軸上有；
（3-30）
式中，-----為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；
-----為機械手本身與負載的重量之和，取100；
-----為回轉軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240；
帶入數(shù)據(jù)，計算得 =0.12；
同時，腰部回轉速度定為=5r/min；傳動比定為1/120；
且， 帶入數(shù)據(jù)得： =10.45667。
將其帶入上（3-24）~（3-30）式，得：
啟動時間 ；
制動時間 ；
折算到馬達軸上的負載轉矩為：。
3.4.2 馬達的選型
根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。
氣動機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=1000mm
(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得：
=1000×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得：
（3.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重， F =1000kg，=10000N。
(4)由初步計算選泵
所需氣動最高壓力
P =10Mpa
所需氣動最大流量
Q =1000ml/s
3.5機身結構的設計校核
臂部和機身的配置形式基本上反映了氣動機械手的總體布局。本課題氣動機械手的機身設計成機座式，這樣氣動機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型氣動機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求[7-9]。
3.5.1 馬達的選擇
機身部使用了兩個馬達，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的馬達安裝在肋板上，帶動機身回轉的馬達安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的馬達：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉/分
3.5.2 螺柱的設計與校核
螺桿是氣動機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18）
螺桿強度〖11〗 （3.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應力
(3.20)
式中 T——傳遞轉矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應力
所以代入公式（3.20）得：
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強度
（旋合圈數(shù)） （3.21）
（3.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.5.3 機座的機械結構
帶動機身回轉的馬達：
初選轉速 W =60o/s
N =1/6轉/秒
=10轉/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉/分
機座的機械結構如圖3.9所示:
圖3.9 機座結構圖
3.6氣動機械手的定位及平穩(wěn)性確定
3.6.1常用的定位方式
機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當氣動機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關閉驅動路而去掉工作壓力，這時氣動機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。
3.6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
氣動機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：
(1)定位方式
不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。
(2)定位速度
定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。
(3)精度
氣動機械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。
(4)剛度
氣動機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。
(5)運動件的重量
運動件的重量包括氣動機械手本身的重量和被抓物的重量。
運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。
(6)驅動源
氣動的壓力波動及電壓、溫的波動都會影響氣動機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)氣動措施。
(7)控制系統(tǒng)
開關控制、電氣比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關[13]。
本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。
3.6.3氣動機械手運動的緩沖裝置
緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有氣缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和氣動緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結構較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為氣缸端部緩沖裝置。
當活塞運動到距氣缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為氣缸端部緩沖裝置[12-15]。
在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式氣缸端部緩沖裝置。
設計氣缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按氣動機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速氣動機械手，- 取5m/s2以下，對于輕載高速氣動機械手，-取5～10 m/s2
(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F
水平運動時：
（3.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計算殘余速度Vr
（3.24）
m/s
第4章 氣動驅動系統(tǒng)設計
氣動控制室自動送料機構的一種主要的控制形式。自動送料機構的運動速度和操作室根據(jù)氣體的流量與壓力來確定，因而只要控制氣的流量和壓力，就可以控制自動送料機構的運動速度和操作力，氣動壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)氣動執(zhí)行元件(馬達和氣缸)結構緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空氣帶走大量熱能，保證機械的正常運行。
(3)氣動元件有直線位移式和旋轉式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5)氣動元件于其他驅動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[4-6]。
4.1手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸氣動原理圖
(1)手部抓取缸氣動原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供氣動力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。
因此，需裝圖4.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。
選取采用：
2FRM5-20/102調(diào)速閥
23E1-10B二位三通閥
4.2 腕部擺動氣動回路
圖 4.6 腕部擺動氣動回路
(1)腕部擺動缸氣動原理圖如圖4.6所示
(2)工作壓力: P=1Mpa
流量: Q=35ml/s
選取采用:
2FRM5-20/102調(diào)速閥
34E1-10B 換向閥
4.3小臂伸縮缸氣動回路
圖 4.7 小臂伸縮缸氣動回路
(1)小臂伸縮缸氣動原理圖如圖4.7所示
(2)工作壓力: P =0.25Mpa
流量: Q =1000ml/s
選取采用：
2FRM5-20/102 調(diào)速閥
23E1-10B二位三通閥
4.4總體系統(tǒng)圖
圖 4.8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖4.8所示,
(2)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉→小臂回轉→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動作順序表:
表4.2總體系統(tǒng)圖
元件
動作