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一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容
內(nèi)容：
設(shè)計(jì)一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手，至少有4個(gè)自由度，其中，必須有兩個(gè)自由度為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手可以完成抓物、松開等動(dòng)作。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù)
要求：在資料調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，具體要求如下：
（1）繪制氣動(dòng)機(jī)械手機(jī)械原理圖A3圖紙兩張；
（2）氣動(dòng)機(jī)械手尺寸、大小、質(zhì)量不限，所抓物品質(zhì)量不限；
（3）機(jī)械手手臂、手腕、手爪等每一個(gè)動(dòng)作可分別通過上位機(jī)控制；
（4）編寫人機(jī)交互界面。
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作
1.完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中必需包括詳細(xì)的300-500個(gè)單詞的英文摘要；
2.獨(dú)立完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）；
3.完成結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，繪制出工程裝配圖、重要零件圖、三維模型圖及動(dòng)態(tài)仿真；
4.導(dǎo)師所指定的其它工作，所有畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作量要滿足16周的工作量要求。
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] 胡偉，季曉衡.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京：人民郵電出版社，2003.
[2] 趙景波，王勁松，滕敦朋. Protel 2004電路設(shè)計(jì)從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[3] 趙亮,侯國銳.單片機(jī)C語言編程與實(shí)例[M]. 北京：人民郵電出版社，2003.
[4] 龔運(yùn)新.單片機(jī)C語言開發(fā)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.
[5] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新版第4卷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.
[6] Spasov,Peter. Microcontroller technology[M]. Prentice Hall,2004.
[7] 張浩編. MCS－51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001.
[8] Scott MacKenzie.The 8051 Microcontroller[M]. Prentice Hall. 1998.
[9]林克明, 陳羽, 郭從良.微控制器系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.1.
[10] 裴亞男, 付智輝.數(shù)字邏輯[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005.
五、試驗(yàn)、測(cè)試、試制加工所需主要儀器設(shè)備及條件
[1]計(jì)算機(jī)一臺(tái)
[2]三維設(shè)計(jì)軟件（solidworks/PROE）和平面設(shè)計(jì)軟件(CAD/caxa)
[3]單片機(jī)
編號(hào)：
桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目： 氣動(dòng)機(jī)械手
院 （系）： 機(jī)電系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師單位：
姓 名：
職 稱：
題目類型：¨理論研究 ¨實(shí)驗(yàn)研究 ■工程設(shè)計(jì) ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā) ¨應(yīng)用研究
2015年 5月 1日
摘 要
機(jī)械手是在在機(jī)械化、自動(dòng)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(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。機(jī)械手能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等。本課題擬開發(fā)的物料氣動(dòng)機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手, 氣動(dòng)機(jī)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(jī)械手的定義 1
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手概念 1
1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的組成 1
1.5 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 2
1.6 課題研究的背景和意義 2
1.7 國內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究 2
1.8 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用 3
第2章 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 4
2.1 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求 4
2.2 基本設(shè)計(jì)思路 4
2.2.1 系統(tǒng)分析 4
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖 4
2.2.3 氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù) 5
2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.4 機(jī)械手材料的選擇 6
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 6
2.6 氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 7
2.7 動(dòng)作要求分析 7
2.8 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型 8
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì) 9
3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 9
3.1.1夾持器種類 9
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1.3夾持器校核 11
3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 11
3.2.2 升降氣缸計(jì)算 12
3.2.3 活塞桿的計(jì)算校核 14
3.2.4 氣缸工作行程的確定 15
3.2.5 活塞的設(shè)計(jì) 16
3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16
3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)算校核 17
3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定 18
3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 18
3.2.9 氣缸的選型 18
3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 20
3.3.1 水平方向計(jì)算 20
3.3.2 氣缸的選型 20
3.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 22
3.4.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 22
3.4.2 馬達(dá)的選型 24
3.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 25
3.5.1 馬達(dá)的選擇 25
3.5.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核 26
3.5.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 27
3.6氣動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 29
第4章 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31
4.1手部抓取缸 31
4.2 腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路 32
4.3小臂伸縮缸氣動(dòng)回路 33
4.4總體系統(tǒng)圖 34
第5章 上位機(jī)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36
5.1系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì) 37
5.2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件部分 39
5.3 機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件部分 40
總 結(jié) 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 43
第1章 緒論
1.1 課題背景及目的
畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)校的最后的一環(huán)，四年的大學(xué)學(xué)習(xí)的深化和檢查，即實(shí)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(shè)計(jì)更高的綜合訓(xùn)練練能力不久，對(duì)工作崗位，實(shí)際工作能力的重要作用。下次的目的達(dá)到：
（1）綜合運(yùn)用學(xué)的基礎(chǔ)理論，基本知識(shí)和基本技能實(shí)際分析、解決問題的能力。
（2）必須接受綜合培訓(xùn)的工程師，實(shí)際工作能力。例如，文獻(xiàn)調(diào)査研究調(diào)查收集資料分析能力制定、設(shè)計(jì)和試制方案的能力；設(shè)計(jì)和圖形，計(jì)算能力；總結(jié)寫論文能力提高。
（3）檢查綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。
1.2 機(jī)械手的定義
現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)通過了。美國機(jī)械手協(xié)會(huì)工業(yè)機(jī)械手下的定義：工業(yè)機(jī)械手是一種再現(xiàn)編程的多功能的操作裝置改變行動(dòng)程序，各種工作，主要工作搬運(yùn)材料，繼電器。
1.3 氣動(dòng)機(jī)械手概念
氣動(dòng)機(jī)械手（機(jī)器人）自動(dòng)封裝的機(jī)械裝置。那是高級(jí)綜合控制論，機(jī)械電子計(jì)算機(jī)，材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)也軍事等領(lǐng)域，是重要的用途。
氣動(dòng)機(jī)械手近50年的快速發(fā)展的是一種具有代表性的、機(jī)械、電子控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)工具。生產(chǎn)制造業(yè)、機(jī)械工業(yè)氣體動(dòng)廣泛應(yīng)用技術(shù)。那是自動(dòng)化程度高，改善勞動(dòng)條件，確保產(chǎn)品質(zhì)量的提高工作的效率，起到非常重要的作用。可以說他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術(shù)革命
1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般手部、手腕、手臂部，機(jī)身機(jī)床等，其中最主要的是運(yùn)動(dòng)系。
氣動(dòng)機(jī)械手主要執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)元件等構(gòu)成。
時(shí)間，速度和加速度等參數(shù)。
氣動(dòng)機(jī)械手與本體及其他相關(guān)設(shè)備之間的聯(lián)系[3]。
1.5 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用
按氣動(dòng)機(jī)械安排置形式分可分為：架空式空氣機(jī)械手，附件機(jī)式空氣機(jī)械手，落地式空氣機(jī)械手3種。另外，安裝自動(dòng)線費(fèi)道路和費(fèi)路邊，工作，實(shí)現(xiàn)材料，傳輸位錯(cuò)，轉(zhuǎn)向等用途的氣動(dòng)機(jī)械手，他們是運(yùn)動(dòng)的單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置精度柔軟和一般要求低的特征。
氣動(dòng)機(jī)械手通使用機(jī)床和其他機(jī)器的附加裝置等，自動(dòng)機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線的處理和傳達(dá)的工作，加工中心的輪流刀等，一般是獨(dú)立的控制裝置[3]。
1.6 課題研究的背景和意義
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)是人類的日常生活，氣動(dòng)機(jī)器人技術(shù)也廣泛的應(yīng)用。研究智能類，人氣動(dòng)畫的機(jī)械手是近年來科學(xué)家一致取組方向。類，人氣動(dòng)畫的機(jī)械手是人類的模型，這是模仿人類的各種動(dòng)作和人類的外部的特征。未來的氣動(dòng)機(jī)械手執(zhí)事不是夢(mèng)。
按氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的不同，氣動(dòng)機(jī)械手很多。輪式移動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械手，履帶氣動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械手，步行氣動(dòng)機(jī)械手等。順便說一下，徒步氣動(dòng)機(jī)械手，他是近年來類人機(jī)器研究的重要成果。它的移動(dòng)方式和大多數(shù)動(dòng)物一樣是人也。這是一種很復(fù)雜的自動(dòng)化程度高的運(yùn)動(dòng)。對(duì)傳統(tǒng)的車輪式和履帶氣動(dòng)機(jī)械手，環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。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(gè)技術(shù)廣泛應(yīng)用。
氣動(dòng)機(jī)器人研究制作中，使用電腦設(shè)計(jì)的空氣機(jī)械手的模擬是一個(gè)很重要的過程。氣動(dòng)機(jī)械手模擬包括零部件造型，零件裝配，最后運(yùn)動(dòng)模擬。模擬，通過設(shè)計(jì)師直觀觀察各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況？干涉，能夠清楚各部件的受力時(shí)，各種模擬數(shù)據(jù)。這個(gè)方法大幅度節(jié)約時(shí)間和成本的開發(fā)。
1.7 國內(nèi)外氣動(dòng)機(jī)械手的研究
工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手在日本應(yīng)用的歷史非常悠久。年代工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手首先使用，十年的發(fā)展，80年代的時(shí)候工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)得到普及。相應(yīng)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(dá)到了1990年至六千億円。2004年1萬日元，達(dá)到了八千五百億?？梢姽I(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的重要性，提高生產(chǎn)效率。
在國際上，各國意識(shí)工業(yè)氣動(dòng)機(jī)械手的重要性。所以工業(yè)氣動(dòng)機(jī)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(dòng)此后工業(yè)機(jī)械手的需求量上升。2001年至2006年世界的訂單90000多臺(tái)。年平均增長(zhǎng)7 %。
國際氣動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向：
氣動(dòng)機(jī)械手觸到非常多學(xué)科的知識(shí)和領(lǐng)域。電腦、電子、控制，人工智能，傳感器，通信網(wǎng)絡(luò)，控制、機(jī)械等。氣動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展離不開上述的學(xué)科的發(fā)展。正因?yàn)槿绱?，各學(xué)科相互影響和綜合集成，正是制造自動(dòng)化程度高的人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用范圍越來越大，技術(shù)也越來越高，功能更加強(qiáng)大?，F(xiàn)在是氣動(dòng)機(jī)器人的研究也小型化的發(fā)展。氣動(dòng)機(jī)械手更多的人們的日常生活中去。整體的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，更加智能化。
機(jī)械工業(yè)氣體地動(dòng)手的廣泛應(yīng)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力，安全保障者，勞動(dòng)環(huán)境的改善，勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)械工業(yè)氣體地動(dòng)手的廣泛應(yīng)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(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用
氣動(dòng)機(jī)械手，汽車產(chǎn)業(yè)之后出現(xiàn)的是一種大型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代，氣動(dòng)機(jī)械產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景良好的發(fā)展手。從20世紀(jì)世界的房地產(chǎn)業(yè)機(jī)械手一直在穩(wěn)步增加。20世紀(jì)90年代，氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)品發(fā)展快速增長(zhǎng)，年平均增長(zhǎng)率10%。2004年的記錄達(dá)成的百分之20。在亞洲航空機(jī)械手的需求量很多，年增長(zhǎng)率為百分之四十三。40年的發(fā)展，機(jī)械工業(yè)氣體地動(dòng)手到很多領(lǐng)域的應(yīng)用。氣動(dòng)機(jī)械手制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛。如果焊接、熱處理、涂料、機(jī)械加工、組裝、檢測(cè)和倉庫沉積毛，坯制造（五金，壓鑄、鍛造等）等的作業(yè)中，氣動(dòng)機(jī)器二掌柜結(jié)束手工生產(chǎn)效率提高。
第2章 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案
2.1 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求
1、根據(jù)要求設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)整套圖紙；
2、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)伸縮手300mm和升降功能500mm；
3、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向90度和定位功能；
4、機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)抓緊和松開功能。
2.2 基本設(shè)計(jì)思路
2.2.1 系統(tǒng)分析
機(jī)械手是生產(chǎn)過程自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種強(qiáng)有力的工具。同樣在生產(chǎn)過程中自動(dòng)化，各種機(jī)械化，自動(dòng)化的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的綜合分析，機(jī)械手是否合適判斷。所以完成機(jī)械手的設(shè)計(jì)，一般是先這樣的工作：
（1）造成機(jī)械手的使用情況，明確機(jī)械手的目的和任務(wù)。
（2）分析機(jī)械手所在的系統(tǒng)的工作環(huán)境。
（3）仔細(xì)分析系統(tǒng)的工作的要求，機(jī)械手的基本功能和方案，例如機(jī)械手的自由度數(shù)，動(dòng)作速度，定位精度，自由泳重量等。并且，氣動(dòng)抓取物體的質(zhì)量，形狀和尺寸及生產(chǎn)樂途等狀況確認(rèn)手手爪形式和機(jī)械的抓取工件的部位和握力尺寸。
對(duì)此，我做了如下分析：
（1）本設(shè)計(jì)課題物質(zhì)氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)，機(jī)械兩物輸送機(jī)械手。機(jī)械手，在使用時(shí)，非常寬廣，相關(guān)物質(zhì)的狀態(tài)，運(yùn)營線的環(huán)境等因素中，我所擁有的理論知識(shí)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(dòng)機(jī)械手。
我選擇（2）的機(jī)械手是非量產(chǎn)的小型物體加工線上的材料的氣動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械手所在的系統(tǒng)的工作環(huán)境一定會(huì)尋求工廠，精度高，F(xiàn)T率低、速度快。
2.2.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2總設(shè)計(jì)圖，說明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是手的工作而機(jī)械指令程序和傳感器歸還的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)關(guān)，完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的CPU的選擇，CPU的程序編制調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)：系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括實(shí)體，機(jī)器人扶手、手腕、手手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式計(jì)算具體結(jié)構(gòu)。
(4) 也就是說傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的選擇及具體作用。
2.2.3 氣動(dòng)機(jī)械手的基本參數(shù)
1 .機(jī)械手的最大氣物質(zhì)的重量是它的主要參數(shù)。本論文物質(zhì)氣動(dòng)機(jī)械手空氣的材料的品質(zhì)可以設(shè)定1噸。
2 .運(yùn)動(dòng)速度直接影響機(jī)械手的動(dòng)作速度和機(jī)械手的動(dòng)作的穩(wěn)定性，所以運(yùn)動(dòng)速度也材料氣動(dòng)機(jī)械手的主要基本參數(shù)。設(shè)計(jì)速度太低的話，無法滿足的機(jī)械手的動(dòng)作的功能限制機(jī)械手的使用范圍。設(shè)計(jì)速度增強(qiáng)機(jī)械手的高負(fù)荷的機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性的影響。
三點(diǎn)伸縮日程決定工作半徑是機(jī)械手工的范圍及機(jī)械尺寸的鑰匙，手也機(jī)械設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。
3 .定位精度機(jī)械手的主要基本參數(shù)的一個(gè)。機(jī)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(zhì)氣動(dòng)機(jī)械手的定位精度，設(shè)定為0.1毫米之間士士。材料的氣動(dòng)機(jī)械手的各部分基本參數(shù)上面已經(jīng)知道物質(zhì)氣動(dòng)機(jī)械手各關(guān)節(jié)的日程和時(shí)間決定分配。
2.3 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式：機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂的升降。根據(jù)上文所說的，機(jī)械手按照坐標(biāo)的分類情況，選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手更為妥當(dāng)。
2.4 機(jī)械手材料的選擇
機(jī)械手而手臂的材料手臂的工作情況選擇，滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)和制作的要求。設(shè)計(jì)的思想出發(fā)，機(jī)械的才干完成各種運(yùn)動(dòng)。所以，對(duì)材料的要求作為運(yùn)動(dòng)的零件，應(yīng)有的輕型材料。另一方面，手臂運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)常振動(dòng)必然大幅降低其運(yùn)動(dòng)精度。所以選擇材料的時(shí)候，質(zhì)量，剛度，衰減綜合考慮，從而有效手臂的動(dòng)態(tài)性能提升。另外，機(jī)械手腕材料和一般的構(gòu)造材料不同。機(jī)械的手腕，是一種抑制伺服機(jī)構(gòu)，必須考慮其控制性。手臂材料，控制性和材料的加工性、結(jié)構(gòu)、品質(zhì)等的性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)器手腕的材料的綜合考慮，強(qiáng)度，剛度，重量和彈性，耐震性和外觀和價(jià)格等的要素。一些常用的手腕介紹機(jī)械材料：
（1）的碳合金鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)等高張力鋼：這些材料的強(qiáng)度好，尤其是合金鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)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(zhì)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(shè)計(jì)。但是，日本己試制的小型高速機(jī)械手使用陶瓷機(jī)械手腕的樣品，
本文從設(shè)計(jì)的機(jī)械手的角度來看，選用材料不需要大負(fù)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(píng)價(jià)了各種因素結(jié)合工作狀況的條件下，預(yù)備選舉鋁合金材料和機(jī)器臂。
2.5機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
常見的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式的5種：SCARA型，直角坐標(biāo)型極坐標(biāo)型，關(guān)節(jié)型圓柱座標(biāo)型。主要的運(yùn)動(dòng)中的參數(shù)選擇的運(yùn)動(dòng)形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同一種類的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類生產(chǎn)工藝的必要為了適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)，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(chǎng)和空氣動(dòng)力學(xué)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(gè)機(jī)器的手，兩肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，兩個(gè)或三腕關(guān)節(jié)取向。其中，肩關(guān)節(jié)垂直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩膀關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)間距。這兩個(gè)肩膀關(guān)節(jié)軸線直角。肘關(guān)節(jié)平行第二肩關(guān)節(jié)軸線，考慮到機(jī)械手的工作的特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活，大工作的空間，且緊湊的結(jié)構(gòu)，要求占用空間等特征選用小，所以關(guān)節(jié)型機(jī)器人。如圖所示。這個(gè)形狀動(dòng)作敏捷，工作空間大作業(yè)時(shí)空間內(nèi)的手臂的干涉，是最小，緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部密封防塵容易。可是這些機(jī)器手運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解難；確定基層軸的身影直觀的，并且控制時(shí)，計(jì)算量大。
圖3 常見的運(yùn)動(dòng)方式
2.6 氣動(dòng)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和4種基本形式。
但是和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比，電力小，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的能源，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單速度不易控制，精度高。
馬達(dá)驅(qū)動(dòng)能源簡(jiǎn)單，速度與位置的高精度的，使用方便，噪音低，機(jī)關(guān)速度變化范圍大，效率高，控制柔軟。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是輸出大省，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減速裝置，響應(yīng)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(dá)驅(qū)動(dòng)構(gòu)造，經(jīng)常機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)是理想的螺槳效應(yīng)。機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的話使用氣動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)必須旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)和回轉(zhuǎn)油缸，相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)造不同設(shè)計(jì)。
所以方案，分成兩個(gè)部分驅(qū)動(dòng)方式。其中，機(jī)器人臂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪連鎖，機(jī)器人扶手的伸縮，升降和機(jī)械手的抓取，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。
2.7 動(dòng)作要求分析
動(dòng)作一：送 料
動(dòng)作二：預(yù)夾緊
動(dòng)作三：手臂上升
動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動(dòng)作五：小臂伸長(zhǎng)
動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
手臂伸長(zhǎng)
手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)
圖2.2 氣動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作簡(jiǎn)易圖
2.8 氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
本課題設(shè)計(jì)的空氣機(jī)械手上通用的氣動(dòng)機(jī)械手的時(shí)候，坐標(biāo)系圓柱座標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和氣傳動(dòng)皮帶驅(qū)動(dòng)用，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)和手臂上下移動(dòng)，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)用手臂的伸縮和氣動(dòng)手夾取機(jī)器和反轉(zhuǎn)[3]。
第3章 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計(jì)
3.1夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)手手爪的松，打開，實(shí)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(jìn)架，架驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，手手爪夾緊和放松動(dòng)作。
射門式手手爪4。
前活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，射門銷推進(jìn)手手爪合并，夾緊動(dòng)作和夾緊力在后面，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪放開手。這手手爪開閉行程較大，適應(yīng)大小不同的物體爬行。
平行杠桿式手手爪5。
不需要導(dǎo)游保證手手爪的兩手指平行運(yùn)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)采用，因此，軌道的平行移動(dòng)手手爪帶有更多的摩擦小
結(jié)合的具體的工作情況，采用連桿杠桿式手手爪。驅(qū)動(dòng)活塞來回移動(dòng)，活塞桿端部架，中間架和扇形機(jī)架擴(kuò)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(gè)設(shè)計(jì)的東西用繩索捆綁最大直徑50mm的設(shè)計(jì)。
a .適當(dāng)夾緊力
手的工作的時(shí)候，應(yīng)該擁有適當(dāng)?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(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)，沉重的工作應(yīng)該考慮采用自鎖安全裝置。
b .充分的開關(guān)范圍
工作時(shí)，手指的開關(guān)位置最大是量的變化稱為開關(guān)范圍。支持類手的手指張開和關(guān)閉裝置。操作開關(guān)角度和手指夾緊邊長(zhǎng)度表示。手的手指回轉(zhuǎn)型開關(guān)范圍，手指開關(guān)范圍的要求和許多因素關(guān)于
c .追求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕量
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作時(shí)變化，其結(jié)構(gòu)，重量和體積的直接影響整個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手的構(gòu)造重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等的性能。手手前端，工設(shè)計(jì)、手追求時(shí)，需結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕量。
d .手指應(yīng)該一定的強(qiáng)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(shí)期結(jié)束儀式彈簧式離合器、夾緊氣動(dòng)機(jī)械手，使工件的形狀，松開，單作用式缸。這個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造方便。
氣缸右腔停止進(jìn)時(shí)，氣缸右腔進(jìn)時(shí)松開工件。
3.1.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)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(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（3-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35 mm
==9616N》377N
計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿足要求。
經(jīng)計(jì)算，所需的壓約為： (后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹)
3.2升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力
表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1]
負(fù)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(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
氣動(dòng)鑿巖機(jī)
氣動(dòng)機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)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(dòng)系統(tǒng)的最大負(fù)載約為15000N（零部件重量加上摩擦超載等因素），初選氣缸的設(shè)計(jì)壓力P1=1MPa
3.2.2 升降氣缸計(jì)算
為了滿足工作臺(tái)快速進(jìn)退速度相等，并減小氣動(dòng)泵的流量，則氣缸無桿腔與有桿腔的等效面積A1與A2應(yīng)滿足A1=2A2（即氣缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)值D=63mm；本來可以取50的，考慮不可預(yù)測(cè)的超載等因素，故在這取的略微大一些。
查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算
缸體是氣缸中最重要的零件，當(dāng)氣缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。
式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)氣缸額定壓力Pn5.1 MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度：σb=600MPa
安全系數(shù)n按《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。
則許用應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
缸筒兩端分別與缸蓋和缸底鏈接，構(gòu)成密封的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)[6]。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用結(jié)構(gòu)便于裝配、拆卸和維修的鏈接形式，缸筒內(nèi)外徑應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。
3.2.3 活塞桿的計(jì)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(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。其材料取Q235鋼。
1. 活塞桿直徑的計(jì)算[1]
查《氣動(dòng)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，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(jì)算的d值圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封裝置。圓整后得：
取d=90（標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)速度驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)度計(jì)算：
<90mm （4-4）
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）
3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)馬達(dá)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)氣缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。
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(shí)，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(shè)計(jì)和維護(hù)，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(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)要求知快速接近工件，行程根據(jù)任務(wù)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(shè)計(jì)
由于活塞在氣動(dòng)力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會(huì)引起氣缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使氣缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。考慮選用O型密封圈。
3.2.6 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定
當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]。影響氣缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證氣缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)氣缸最大行程為L(zhǎng),缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為:
（4-5）
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)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(dǎo)向長(zhǎng)度[1]
因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=9cm；
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A=
活塞寬度B=
2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。
3.2.7 端蓋和缸底的計(jì)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(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受氣動(dòng)力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)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(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。
1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算
端蓋厚h為：
式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm；
P——?dú)鈩?dòng)力，；
——密封環(huán)形端面平均直徑，cm；
——材料的許用應(yīng)力，。
2.缸底的設(shè)計(jì)
缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。
3.2.7 缸體長(zhǎng)度的確定
氣缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般氣缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則氣缸缸體長(zhǎng)度：L=5*10cm=50cm。
3.2.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì)
氣缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在氣動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入氣缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)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(jī)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(huì)嚴(yán)重影響氣缸和整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。
當(dāng)氣缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動(dòng)速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床氣動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為4m/min,因此沒有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。
3.2.9 氣缸的選型
經(jīng)過比較，參考市場(chǎng)上的氣缸類型，選擇一種可靠?jī)?yōu)質(zhì)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(dòng)（上海）有限公司成立于2004年，從事于空壓零組件和設(shè)備研 究、生產(chǎn)、銷售的自動(dòng)化廠商，產(chǎn)品以『TONAB』品牌營銷國內(nèi)外市場(chǎng)，產(chǎn)品主要有空氣凈化組件、氣動(dòng)控制組件、氣動(dòng)執(zhí)行組件、輔助組件、空壓設(shè)備，產(chǎn) 品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、工業(yè)機(jī)械手、食品包裝機(jī)械、紡織機(jī)械、半導(dǎo)體設(shè)備、軌道交通、煙草機(jī)械、機(jī)床自動(dòng)控制、真空搬運(yùn)、汽車制造、教學(xué)培訓(xùn)等行業(yè)。
速易可目前主要產(chǎn)品有：無桿氣缸、滑臺(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.
3.3 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 水平方向計(jì)算
當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長(zhǎng)度l =100mm。如圖3.4所示。
工件
圖3.4 受力簡(jiǎn)圖
(1)計(jì)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(shí)）
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(tái)氣缸、止動(dòng)氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)械夾、回轉(zhuǎn)夾緊氣（）壓缸、導(dǎo)桿氣缸、帶鎖氣缸、雙軸缸、標(biāo)準(zhǔn)型氣缸、控制閥、空氣控制組件、真空系統(tǒng)組件及相關(guān)氣動(dòng)輔助零組件。
根據(jù)上節(jié)計(jì)算，在這選擇YAM63.
3.4底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來改變被夾物體的方位，它動(dòng)作靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個(gè)自由度，可采用具有一個(gè)活動(dòng)度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)360o
角速度=45o/s
3.4.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核
.若傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
負(fù)載額定功率： （3-24）
負(fù)載加速功率： （3-25）
負(fù)載力矩（折算到馬達(dá)軸）：
（3-26）
負(fù)載GD（折算到馬達(dá)軸）：
（3-27）
起動(dòng)時(shí)間：
（3-28）
制動(dòng)時(shí)間：
（3-29）
式中，-----為額定功率，KW；
-----為加速功率，KW；
-----為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；
-----為馬達(dá)軸回轉(zhuǎn)速度，r/min；
-----為負(fù)載的速度，m/min；
-----為減速機(jī)效率；
-----為摩擦系數(shù)；
-----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；
-----為馬達(dá)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩，；
-----為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到馬達(dá)軸上），；
-----為負(fù)載的，；
-----為負(fù)載（折算到馬達(dá)軸上），；
-----為馬達(dá)的，；
具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)馬達(dá)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。下面進(jìn)行具體的計(jì)算。
因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只存在摩擦力矩，在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩，則在回轉(zhuǎn)軸上有；
（3-30）
式中，-----為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取0.005；
-----為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100；
-----為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑，R=240；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 =0.12；
同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為=5r/min；傳動(dòng)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(dòng)時(shí)間 ；
制動(dòng)時(shí)間 ；
折算到馬達(dá)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。
3.4.2 馬達(dá)的選型
根據(jù)參數(shù)，選型為BM-R100
臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)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(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。
氣動(dòng)機(jī)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(dǎo)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(dòng)部件總重， F =1000kg，=10000N。
(4)由初步計(jì)算選泵
所需氣動(dòng)最高壓力
P =10Mpa
所需氣動(dòng)最大流量
Q =1000ml/s
3.5機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核
臂部和機(jī)身的配置形式基本上反映了氣動(dòng)機(jī)械手的總體布局。本課題氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣氣動(dòng)機(jī)械手可以是獨(dú)立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動(dòng)，也可具有行走機(jī)構(gòu)。臂部配置于機(jī)座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)機(jī)械手。臂部可沿機(jī)座立柱作升降運(yùn)動(dòng)，獲得較大的升降行程。升降過程由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到了自由度的要求[7-9]。
3.5.1 馬達(dá)的選擇
機(jī)身部使用了兩個(gè)馬達(dá)，其一是帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)臂部升降運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)安裝在肋板上，帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)安裝在混凝土地基上。
帶動(dòng)臂部升降的馬達(dá)：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉(zhuǎn)/分
3.5.2 螺柱的設(shè)計(jì)與校核
螺桿是氣動(dòng)機(jī)械手的主支承件，并傳動(dòng)使手臂上下運(yùn)動(dòng)。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度〖11〗 （3.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當(dāng)量應(yīng)力
(3.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)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(qiáng)度
（旋合圈數(shù)） （3.21）
（3.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強(qiáng)度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.5.3 機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)
帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的馬達(dá)：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.9所示:
圖3.9 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖
3.6氣動(dòng)機(jī)械手的定位及平穩(wěn)性確定
3.6.1常用的定位方式
機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)路而去掉工作壓力，這時(shí)氣動(dòng)機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)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(dòng)機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)際上是一個(gè)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(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)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(jī)械擋塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。
(2)定位速度
定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。
(3)精度
氣動(dòng)機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。
(4)剛度
氣動(dòng)機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，因易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。
(5)運(yùn)動(dòng)件的重量
運(yùn)動(dòng)件的重量包括氣動(dòng)機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。
運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。
(6)驅(qū)動(dòng)源
氣動(dòng)的壓力波動(dòng)及電壓、溫的波動(dòng)都會(huì)影響氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)氣動(dòng)措施。
(7)控制系統(tǒng)
開關(guān)控制、電氣比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N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(guān)[13]。
本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。
3.6.3氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(jī)械元件和氣動(dòng)緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。但有時(shí)安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點(diǎn)是安置位置靈活，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為氣缸端部緩沖裝置。
當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到距氣缸端蓋某一距離時(shí)能在活塞與端蓋之間形成一個(gè)緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時(shí)背壓阻力，以使運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)氣缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時(shí)，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個(gè)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(gè)參數(shù)，然后校驗(yàn)其余兩個(gè)參數(shù)。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按氣動(dòng)機(jī)械手類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取，同時(shí)要考慮速度與載荷大小。對(duì)于重載低速氣動(dòng)機(jī)械手，- 取5m/s2以下，對(duì)于輕載高速氣動(dòng)機(jī)械手，-取5～10 m/s2
(2)計(jì)算沿運(yùn)動(dòng)方向作用在活塞上的外力F
水平運(yùn)動(dòng)時(shí)：
（3.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計(jì)算殘余速度Vr
（3.24）
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第4章 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
氣動(dòng)控制室自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的一種主要的控制形式。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和操作力，氣動(dòng)壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)氣動(dòng)執(zhí)行元件(馬達(dá)和氣缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空氣帶走大量熱能，保證機(jī)械的正常運(yùn)行。
(3)氣動(dòng)元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動(dòng)，制動(dòng)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(qiáng)。
(5)氣動(dòng)元件于其他驅(qū)動(dòng)元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動(dòng)等。
缺點(diǎn):控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算誤差，檢測(cè)，放大，測(cè)試和補(bǔ)償功能不如電子，機(jī)電裝置靈活簡(jiǎn)便[4-6]。
4.1手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸氣動(dòng)原理圖
(1)手部抓取缸氣動(dòng)原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供氣動(dòng)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(dòng)氣動(dòng)回路
圖 4.6 腕部擺動(dòng)氣動(dòng)回路
(1)腕部擺動(dòng)缸氣動(dòng)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(dòng)回路
圖 4.7 小臂伸縮缸氣動(dòng)回路
(1)小臂伸縮缸氣動(dòng)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(zhǎng)→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動(dòng)作順序表:
表4.2總體系統(tǒng)圖
元件
動(dòng)作